Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Co to jest MPPT i na czym polega? (panele fotowoltaiczne)

MPPT znaczy Maximum Power Point Tracking (Tracker) i chodzi albo o sposób, albo o urządzenie do śledzenia punktu mocy maksymalnej panelu fotowoltaicznego. Po co i dlaczego? Próbę wytłumaczenia kwestii MPPT należałoby zacząć od właściwości panelu solarnego i warunków jego pracy.
Article Image
(...) czy redakcja mogłaby jasno wytłumaczyć, co to jest MTTP, (...) z grubsza rozumiem, o co chodzi, ale (...) mam panel solarny (...) jak to zrobić? (...)

Pierwsza sprawa to skrót. Nie MTTP, tylko MPPT, co znaczy Maximum Power Point Tracking (Tracker) i chodzi albo o sposób, albo o urządzenie do śledzenia punktu mocy maksymalnej panelu fotowoltaicznego. Po co i dlaczego?

Próbę wytłumaczenia kwestii MPPT należałoby zacząć od właściwości panelu solarnego i warunków jego pracy. Otóż panel fotowoltaiczny składa się z zestawu krzemowych fotodiod. Fotodioda, czyli elementarny składnik paneli solarnych, to w sumie klasyczna dioda krzemowa, której złącze oświetlone światłem słonecznym wytwarza napięcie (około 0,5V) i prąd (zależny od powierzchni fotoelementu i siły światła). W panelu solarnym połączonych jest wiele takich fotodiod i jego napięcie nominalne to kilka do kilkudziesięciu woltów.

Najprostsze rozumowanie jest następujące: panel solarny (fotowoltaiczny) zamienia energię świetlną pochodzącą z promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Jest oczywiste, że przy słabym świetle (przy małym natężeniu promieniowania) panel wytworzy małą moc elektryczną. A przy silnym nasłonecznieniu wytworzona moc elektryczna będzie odpowiednio większa. Użyteczna wyjściowa moc elektryczna jest wprost proporcjonalna do mocy promieniowania słonecznego, wyrażanego w watach na metr kwadratowy, oczywiście z uwzględnieniem sprawności ogniwa słonecznego, która zwykle wynosi 10...20%.

Takie proste rozumowanie nie daje miejsca, a nawet nie sygnalizuje problemu „punktu maksymalnej mocy” (MPP) ani potrzeby „śledzenia punktu maksymalnej mocy” (MPPT).

Ale jeżeli chodzi o śledzenie, to czyżby chodziło o śledzenie ruchu słońca i takie automatyczne przestawianie „kierunku patrzenia” (azymut) i kąta nachylenia (elewacja), by panel zawsze był ustawiony najkorzystniej, czyli zawsze prostopadle do promieni słonecznych?

Nie! Owszem, śledzenie ruchu słońca byłoby jak najbardziej pożądane. Jest jak najbardziej możliwe do zrealizowania za pomocą siłowników czy silników obracających i nachylających panel/panele. Jednak w naszych warunkach geograficznych takie złożone mechaniczne systemy „naprowadzania na słońce” generalnie okazują się zbyt kosztowne w stosunku do uzyskanych efektów i po prostu nie są stosowane.

Panele montuje się na stałe, kierując je na południe i nachyla pod kątem zależnym od szerokości geograficznej, by uzyskać jakieś w miarę dobre średnie warunki pracy. MPPT nie polega więc na śledzeniu przez panel pozycji słońca na niebie.

Interesujące, ale niepotrzebne w tym przypadku są szczegóły dotyczące czułości spektralnej, sprawności energetycznej czy trwałości paneli. Interesuje nas maksymalna moc wyjściowa, a ściślej punkt pracy, w którym oddawana przez panel moc będzie maksymalna, czyli w skrócie MPP (Maximum Power Point).

Rys.A Panele solarne - wykorzystanie mocy (skrajne przypadki)

Podstawowa zasada jest oczywista: oświetlony panel słoneczny dysponuje jakąś mocą użyteczną, ale wcale nie oznacza to automatycznie, że ta moc jest wykorzystywana. Z pomocą rysunku A rozważmy przypadki skrajne: jeżeli panel nie zostanie obciążony (podłączony), czyli jeżeli rezystancja obciążenia ogniwa będzie nieskończenie wielka, to oczywiście prąd pobierany z ogniwa będzie zerowy. Ogniwo wytworzy napięcie, ale prąd nie będzie płynął. Moc wyjściowa to iloczyn napięcia i prądu w obciążeniu: P = U * I. Jeżeli prąd wyjściowy jest równy zeru, moc użyteczna też jest zerowa.

Drugi skrajny przypadek to rezystancja obciążenia równa lub bardzo bliska zeru, czyli zwarcie zacisków wyjściowych ogniwa słonecznego. Podczas zwarcia niewątpliwie prąd będzie miał jakąś maksymalną wartość, ale użyteczne napięcie wyjściowe będzie równe zeru, więc i w tym przypadku moc wyjściowa będzie równa zeru. Aby z konkretnego ogniwa w danych warunkach uzyskać największą moc wyjściową, trzeba dobrać optymalną rezystancję obciążenia.

Rezystancję obciążenia o jakiej wartości? Odpowiedź nie jest prosta, ponieważ w grę wchodzi kilka czynników, w tym głównie natężenie promieniowania świetlnego i temperatura. Nie ma jednej optymalnej wartości rezystancji odciążenia. Rysunek B pokazuje wyniki pomiarów jakiegoś ogniwa przy różnym natężeniu światła. Czym większe natężenie oświetlenia, tym mniejsza jest optymalna rezystancja obciążenia, pozwalającą uzyskać maksymalną moc użyteczną.

Rys.B Wyniki pomiarów ogniwa przy różnym natężeniu światła

Ale przecież ogniwa słoneczne nie są obciążane rezystorami! One mają ładować akumulatory. Tylko w nielicznych przypadkach odpowiednio dobrany panel jest dołączony wprost do odpowiednio dobranego akumulatora – wtedy jednak obciążenie nie jest optymalne i przez większość czasu z ogniwa słonecznego nie jest odbierana moc maksymalna, jaką dysponuje ono w danych warunkach pracy.

Aby odebrać z ogniwa pełną dostępną aktualnie moc, powinno ono być obciążone inteligentnym układem, którego rezystancja będzie zmieniać się stosownie do oświetlenia (a także temperatury i innych czynników).

Zależnie od natężenia oświetlenia i temperatury ma zmieniać się rezystancja obciążenia, jednak panele słoneczne charakteryzowane są za pomocą wykresów pokazanych na rysunku C, gdzie nigdzie nie widać rezystancji.

Rys.C Wykresy charakteryzujące panele słoneczne nie pokazują rezystancji

Nie szkodzi! Obciążeniem akumulatora nie jest rezystor, tylko jakaś przetwornica impulsowa. Jak wiemy, rezystancja wiąże napięcie i prąd (R=U/I). W przypadku przetwornic nie mówimy o ich rezystancji wejściowej, tylko ewentualnie o napięciu i prądzie wejściowym, których iloczyn to moc chwilowa pobierana z ogniwa słonecznego i przekazywana przez przetwornicę do akumulatora.

I tu widzimy sens pojęcia MPPT: przetwornica współpracująca z panelem słonecznym powinna zmieniać swoją rezystancję wejściową i tak dostosowywać się do aktualnych możliwości panelu. W praktyce przetwornica MPPT ma inteligentnie dostosowywać pobór prądu z panelu, żeby stosunek aktualnego napięcia i prądu (U/R) był równy optymalnej rezystancji, pozwalającej „wyciągnąć” z ogniwa najwięcej mocy. Problem w tym, że ten punkt maksymalnej mocy (MPP) silnie zmienia się, zależnie, przede wszystkim, od natężenia oświetlenia, ale też od kilku innych czynników. Skąd więc przetwornica ma wiedzieć, jaki prąd pobrać z ogniwa?

Są różne możliwości.

Teoretycznie można byłoby mierzyć te wszystkie czynniki, ale nie jest to najlepszy pomysł. Prostym, ale nieoptymalnym rozwiązaniem jest taka regulacja poboru prądu, żeby utrzymać niezmienne napięcie panelu słonecznego – około 70...85% wartości napięcia bez obciążenia (powinno ono zmniejszać się ze wzrostem temperatury panelu).

Coraz częściej sterowniki/przetwornice MPPT wykorzystują zaawansowane algorytmy pomiarowe. Na przykład co jakiś czas (co kilka czy kilkanaście sekund) sterownik zwiększa albo zmniejsza nieco pobór prądu z ogniwa i sprawdza, czy pozyskana moc wzrosła, czy zmalała. Stosownie do wyniku podejmuje decyzję o zmianie poboru prądu przez przetwornicę.W kolejnych próbach tak dobiera pobór prądu, żeby uzyskać największą moc użyteczną.

Temat MPPT zostanie rozszerzony w oddzielnym artykule, jednak generalnie są to trudne zagadnienia, przeznaczone dla zaawansowanych.

Tematyka materiału: MPPT, panel solarny
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
kwiecień 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo