Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 4 - Nieoptymalne układy regulatorów solarnych

W poprzednim odcinku dość dokładnie omówiliśmy temat diod blokujących „nocne cofanie prądu”. Najlepsze z omówionych rozwiązań pozwalają znacząco zmniejszyć straty. Jednak dużo poważniejszym problemem w kwestii strat jest właściwe ładowanie akumulatora. Ponieważ w praktyce często stosowane są sposoby ładowania proste i nieoptymalne, trzeba je dokładniej omówić, także po to, by do nich zniechęcić.
Article Image

Najprostszy sposób - ładowanie akumulatora

W zasadzie można dobrać panel o liczbie ogniw i napięciu wyjściowym nieco większym od napięcia współpracującego akumulatora i zrealizować bodaj najprostszy system według rysunku 1. Problemem jest wtedy ryzyko przeładowania akumulatora.

Rys.1 Ładowanie akumulatora za pomocą panelu FV

Najmniej wrażliwe pod tym względem są akumulatory niklowo-kadmowe NiCd (które jednak wykazują niepożądany efekt pamięci). Można je ładować „w nieskończoność” niezbyt dużym prądem (określonym przez producenta), a nadmiar doprowadzonej energii nie powoduje uszkodzenia, tylko wydziela się w postaci ciepła. Oczywiście pojemność akumulatora NiCd musi być odpowiednio duża, dostosowana do maksymalnego spodziewanego prądu ładowania.

Tak jest małych lampkach solarnych i w bardzo nielicznych większych instalacjach z akumulatorami NiCd. Nie ma tam żadnego regulatora czy ogranicznika. Wystarczy panel z odpowiednio dobraną liczbą ogniw, dający prąd, który nie uszkodzi akumulatora NiCd.

W praktyce najpopularniejsze są potężne panele FV o napięciu nominalnym 30V i większym. A w instalacjach solarnych powszechnie stosowane są akumulatory kwasowe 12V. Przy niewielkim wysiłku można też znaleźć „12-woltowe” panele FV. Wbrew pozorom, panele „12-woltowe” nie mogą współpracować z akumulatorami kwasowymi 12V według rysunku 1!

Problem w tym, że „12-woltowe” panele FV wytwarzają napięcie dużo wyższe od 12V, co jest śmiertelnym zagrożeniem dla 12-woltowego akumulatora kwasowego.

Oferta rynkowa tak zwanych paneli 12-woltowych jest bardzo szeroka, ale nie tak łatwo znaleźć karty katalogowe z dokładnymi charakterystykami, jak na rysunku tytułowym. Zazwyczaj dostępne są tylko kluczowe dane przedstawione w tabelkach, które po części analizowaliśmy w odcinku drugim (rysunki 4, 5).

Czy już wtedy zauważyłeś zaskakujący szczegół: panele 12-woltowe mają aż 36 szeregowo połączonych ogniw. Przez to bez obciążenia ich napięcie jest rzędu 21...22V (co daje około 0,6V/ogniwo). Co ważniejsze, w punkcie największej mocy (MPP) napięcie wynosi około 17...19V (około 0,5 wolta na ogniwo), czyli zdecydowanie więcej niż dopuszczalne napięcie ładowania 12-woltowego akumulatora!

Rysunek 2 pokazuje jeszcze inny przykład, dotyczący 12-woltowego panelu 130-watowego. Tu wrażenie może zrobić niemal dwudziestoprocentowa deklarowana sprawność (19,70%), jednak trzeba pamiętać, że są to nierealne, zbyt optymistyczne parametry mierzone według reguł STC. W każdym razie panel jest opisany ewidentnie jako „12-woltowy”, a przy mocy promieniowania 1000W/ m2 punkt mocy maksymalnej MPP to aż 19,8V (6,55A, 129,7W). Przy mniejszej mocy promieniowania napięcie MPP będzie tylko nieznacznie niższe.

Rys.2 12V panel 130 watowy - parametry pracy

I tu mamy dwa aspekty. Pozytywny jest taki: wprawdzie napięcie MPP bliskie 20V jest znacznie wyższe od napięcia akumulatora, niemniej taki panel mógłby bezpośrednio (przez diodę) ładować akumulator kwasowy według rysunku 1. Taka praca byłaby możliwa, ponieważ panel FV to przecież źródło prądowe i napięcie panelu samoczynnie dostosuje się do napięcia akumulatora. Dlatego akumulator 12-woltowy może też być ładowany przez panel 20-, 30- czy 40-woltowy, ale nie ma to sensu, bo wtedy oczywiście do akumulatora będzie dostarczona tylko niewielka część mocy, jaką dysponuje taki panel.

Jest też bardzo poważny aspekt negatywny: jeśli do wyładowanego akumulatora 12-woltowego dołączymy oświetlony panel solarny, to napięcie ładującego się akumulatora będzie pomału rosnąć w miarę ładowania. Niestety, w przypadku akumulatora ołowiowego znaczące przekroczenie napięcia ładowania 15V doprowadzi do szybkiej elektrolizy i „wygotowania” wody, co w szczelnych akumulatorach AGM i żelowych oznacza nieodwracalne ich uszkodzenie! I tak byłoby w systemie według rysunku 1. Aby temu zapobiec, wystarczy w jakikolwiek sposób ograniczyć napięcie na akumulatorze.

Proste instalacje 12V - panele solarne

Później wrócimy do pytania, jakie może być / powinno być maksymalne napięcie ładowania, a na razie omówmy sposoby ograniczania napięcia.

Wielu elektroników zaproponuje szeregowy regulator napięcia, na przykład z trzykońcówkowym stabilizatorem według rysunku 3, wzorowanego na schemacie ze strony www.homemade-circuits.com.

Rys.3 Układ z szeregowym regulatorem napięcia, z trzykońcówkowym stabilizatorem

Mamy tu 12-woltowy stabilizator 7812 i do tego trzy diody, podwyższające napięcie wyjściowe o nieco ponad 2 wolty. Do tego nie bardzo wiadomo dlaczego i po co, rezystor 2,2kΩ. Jeżeli ma zwiększyć napięcie wyjściowe, to z podobnym skutkiem można wykorzystać mniejsze diody 1N4148 zamiast 1N4007. Już teraz chciałbym ostrzec przed rozwiązaniami z tej strony. Jest tam mnóstwo schematów z dziedziny fotowoltaiki, prawie wszystkie niegodne polecenia, niektóre zawierające fatalne błędy i niedoróbki.

Ta strona tylko wprowadza w błąd, proponując mnóstwo „wyssanych z palca”, niesprawdzonych schematów. W Internecie jest wiele podobnych, równie słabych jak ten albo nieco tylko lepszych schematów. Takie rozwiązania można spotkać w najmniejszych instalacjach z panelami o mocy kilku, najwyżej kilkunastu watów. W większych problemem jest to, że napięcie panelu może być wtedy rzędu 18...22V, napięcie ładowania akumulatora około 14V, więc na stabilizatorze występuje napięcie 4...8V. W systemie z panelem o wydajności 10 amperów, w niekorzystnym przypadku na stabilizatorze wydzielałoby się nawet ponad 50 watów mocy strat, co wymagałoby skutecznego radiatora.

Nie zapominajmy, że panel solarny jest źródłem prądowym, więc zamiast stabilizatora szeregowego można z powodzeniem zastosować stabilizator/ogranicznik równoległy.

Rys.4 Układ z diodą Zenera

A wtedy najprostszym sposobem wydaje się dodanie diody Zenera, która mogłaby być umieszczona albo „przed” diodą (rysunek 4a), albo „za” diodą według rysunku 4b. Można tak zrobić, ale takie rozwiązanie jest akceptowalne tylko w bardzo małych instalacjach z panelami o prądzie rzędu 1 ampera!

Rys.5 Regulator solarny niepotrzebnie wykorzystujący aż dwie diody blokujące

Przykładowo jeżeli panel solarny jest duży i jego prąd jest rzędu 10A, to w słoneczny letni dzień, gdy akumulator będzie już naładowany, taka dioda Zenera musiałaby przejąć cały wytworzony prąd, co spowoduje wydzielanie się w niej ogromnej mocy strat, około 140 watów! Niestety, w Internecie jest mnóstwo schematów regulatorów solarnych, gdzie niepotrzebnie wykorzystywane są regulatory liniowe, często LM317. Na wielu stronach można znaleźć wersje schematu z rysunku 5, gdzie dodatkowo niepotrzebnie zastosowane są aż dwie diody blokujące.

Kilka innych, niewartych zainteresowania przykładów pokazanych jest na rysunkach 6...10. Można też znaleźć jeszcze więcej schematów z różnymi odmianami sterowanych diod Zenera według idei z rysunku 4.

Przykłady nieoptymalych kontrolerów solarnych - schematy

Rys.10 Przykład nieoptymalnego układu - regulator solarny

Większość takich układów działa, ale są to rozwiązania niegodne polecenia, zwłaszcza przy panelach większej mocy. Pracują liniowo i niepotrzebnie wydziela się w nich duża moc strat. Przykłady pokazane są na rysunkach 11...15. Takie niedoskonałe, a wręcz fatalne rozwiązania zostały stworzone przez elektroników, którzy zupełnie nie czują specyfiki ogniw FV.

Tymczasem wcale nie trzeba borykać się z problemem dużej mocy strat i chłodzenia, bowiem napięcie na akumulatorze można ograniczyć inaczej: prościej i lepiej. Z powodzeniem można wykorzystać dużo lepsze, a przy tym zaskakująco proste rozwiązania, które będą omówione w następnym odcinku.

A na koniec tego odcinka refleksja na temat podobnych sterowników. Ogólnie biorąc, w Internecie można znaleźć nieprzebrane mnóstwo schematów układów elektronicznych. Oczywiście większość to schematy stare i przestarzałe. Zwykle można jednak znaleźć wersje wartościowe, godne polecenia.

W przypadku sterowników solarnych (solar controllers) sytuacja jest szczególna, dużo gorsza niż w przypadku innych dziedzin. W sumie schematów „solarnych” jest mnóstwo, ale przytłaczająca większość jest najdelikatniej mówiąc – daleka od doskonałości. Dużą ostrożność trzeba zachować względem wszelkich schematów „solarnych”.

Przykłady nieoptymalych kontrolerów solarnych - schematy

Niektóre strony internetowe zawierają szereg schematów, z których wszystkie są ułomne i niegodne wykorzystania. W Internecie nie ma cenzury, nie ma żadnej kontroli jakości proponowanych schematów. Niektórzy twórcy stron zapewne wierzą, że ich schematy są wartościowe, bo nie znają tematu FV. Inni w ogóle nie przejmują się jakością i praktyczną przydatnością swoich propozycji, zainteresowani jedynie zwiększeniem popularności swojej strony internetowej.

Jeszcze raz przestrzegam przed obfitującą w niesprawdzone, w przytłaczającej większości bezwartościowe schematy, stroną www.homemade-circuits.com, na których znajduje się podpis „swagatam” – pseudonim jej płodnego Autora – teoretyka.

Szukając inspiracji lub gotowych rozwiązań, trzeba też wyraźnie oddzielić ładowarki solarne (solar chargers), które przeznaczone są tylko do pracy okresowej, od kontrolerów solarnych, które przeznaczone są do pracy ciągłej.

Rys.7 Przykład nieoptymalnego układu - regulator solarny

Do ładowarki co jakiś czas dołączony zostanie akumulator tylko na czas ładowania, w praktyce na kilka godzin w ciągu dnia. Dlatego w przeznaczonej do takiej pracy ładowarce nie jest niezbędny obwód zapobiegający „nocnemu cofaniu prądu”. Natomiast w kontrolerach przeznaczonych do pracy ciągłej problem „nocnego cofania prądu” koniecznie trzeba rozwiązać. Na ten szczegół trzeba zwracać baczną uwagę.

Nasuwa się nieodparte wrażenie, że autorzy wielu schematów nie czują tematu i proponują rozwiązania bazujące na „zwykłych ładowarkach” ze stabilizatorami liniowymi. Niekiedy dość sprytnie zaprojektowane, ale mające nieusuwalny błąd: stabilizację liniową i duże straty mocy. Niestety, niektóre schematy zawierają błędy, a bardzo częste są najrozmaitsze niedoróbki: układ może działać, ale po drobnej modyfikacji mógłby działać dużo lepiej.

Przykładem jest pytanie: czy obwody regulacyjne są zasilane z akumulatora i pobierają zeń cenny prąd ciągle, czy też są zasilane z ogniwa FV i pracują tylko wtedy, gdy panel wytwarza energię? Dobrze zaprojektowany regulator-kontroler w miarę możliwości nie powinien zużywać cennej energii z akumulatora w czasie, gdy panel nie pracuje. Oczywiście jest też pytanie: ile energii potrzebuje kontroler?

Niestety, autorzy wielu schematów zupełnie nie uwzględnili takich kwestii. Dlatego ogromną większość prostych schematów kontrolerów solarnych można uznać za bezwartościowe układy tylko do prostych eksperymentów. Ich autorzy zupełnie nie czują specyfiki ogniw FV, a przy tym niektórzy z zapałem godnym lepszej sprawy wskazują na rzekome zalety swoich analogowych rozwiązań.

Sytuacja jest taka, że szukając schematu prostego kontrolera solarnego, znajdziemy mnóstwo prostych układów ze stabilizatorami liniowymi, szeregowymi lub równoległymi, których nie warto stosować, a już na pewno nie z panelami o mocy większej niż 10 watów.

Z tego mnóstwa rozwiązań słabych naprawdę trudno wyłowić nieliczne rozwiązania proste, a przy tym wartościowe, godne polecenia, które omówimy w następnym odcinku.

Co ciekawe, problem nieznajomości zagadnienia paneli FV widać też w wielu opracowaniach dostępnych na stronach uczelni, gdzie publikowane są prace dyplomowe studentów. Niestety, tylko bardzo nieliczne takie opisy są przydatne dla praktyka.

Niejako na drugim biegunie znajdują się zaawansowane kontrolery FV z funkcją MPPT. Wartościowych opracowań jest mnóstwo. Jednak tu z kolei straszy stopień skomplikowania zarówno schematów, jak też opisu metod znajdowania punktu MPP i ich realizacji. Dostępne są liczne poważne opracowania naukowe i firmowe, ale one są przydatne tylko dla doświadczonych konstruktorów, dobrze znających zagadnienie, a nie dla hobbystów.

Naprawdę trudno wyszukać wartościowe materiały o kontrolerach solarnych dla mniej zaawansowanych. Rozwiązaniem mogą być materiały firmowe producentów półprzewodników, ale większość „solarnych” not aplikacyjnych (z chlubnym wyjątkiem LT – Analog Devices) dotyczy zaawansowanych sterowników MPPT. A zaczynanie praktycznej przygody z fotowoltaiką od MPPT na pewno nie jest dobrym pomysłem – koniecznie trzeba zacząć od wartościowych rozwiązań dużo prostszych, a też interesujących i efektywnych. Zaczniemy to robić w następnym odcinku.

Tematyka materiału: panele fotowoltaiczne, regulatory MPPT, ładowarki solarne, kontrolery solarne
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2020
Udostępnij
UK Logo