Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 3 - Zalety i wady innych rozwiązań

W dwóch pierwszych odcinkach cyklu omawialiśmy dość trudne zagadnienia, dotyczące specyfiki paneli fotowoltaicznych. Uzyskiwanie z paneli słonecznych maksymalnej mocy okazuje się zaskakująco skomplikowane i temat może przestraszyć wielu Czytelników. Łatwo nie będzie!
Article Image

Już tytuł cyklu wskazuje, że mamy omówić bardzo trudne zagadnienia, związane z MPPT. Tak, ale dla uzyskania pełnego obrazu koniecznie trzeba też poznać zalety i wady dużo prostszych, a niewiele gorszych rozwiązań. I tak najprostsze jest rozwiązanie polegające na bezpośrednim, natychmiastowym zużywaniu wyprodukowanej energii w obciążeniu.

Ma to sens na przykład w przypadku pompy według rysunku 1a, pracującej w systemie nawadniania, gdy tylko świeci słońce (ale po warunkiem dobrania parametrów panelu i pompy). Innym, pokrewnym przykładem są instalacje on grid (połączone z siecią), gdzie energia pozyskana ze słońca na bieżąco jest dostarczana do sieci energetycznej za pomocą przetwornicy DC/AC, tzw. inwertera – rysunek 1b.

Rys.1a,1b Instalacje FV

Nas teraz bardziej interesują niepołączone z siecią 230V instalacje off grid, zawierające akumulatory. W najprostszym przypadku taka instalacja mogłaby wyglądać jak na rysunku 1c. Podobne, tylko odrobinę bardziej rozbudowane układy istnieją i są popularne. Zawierają one dodatkowy regulator/sterownik według rysunku 1d, który, jak się okazuje, często jest zaskakująco prosty. Obciążeniem wykorzystującym napięcie stałe z akumulatora może być system oświetlenia LED lub inwerter wytwarzający napięcie zmienne 230V 50Hz do zasilania lodówki czy telewizora.

Rys.1c,1d Instalacje FV

Wszystkie tego rodzaju proste systemy z reguły nie wykorzystują całej dostępnej mocy, jaką w danych warunkach może wytworzyć panel FV. Owszem, zwykle wykorzystują cały dostępny/wytwarzany prąd, ale napięcie dostosowuje się do obciążenia i jest obniżone. Aby wykorzystać całą dostępną moc (P = U * I), trzeba zastosować inteligentny regulator ładowania, realizowany najczęściej w postaci specjalizowanej przetwornicy impulsowej. Jeżeli taki regulator realizuje algorytmy śledzące punkt największej mocy (MPP), to mówimy o sterowniku (przetwornicy) MPPT. O tym później, a na razie zagadnienia najprostsze.

„Nocne cofanie prądu” - na czym polega?

Tylko w najprostszych lampkach solarnych akumulator (NiCd o napięciu nominalnym 1,2V) jest dołączony bez regulatora do panelu słonecznego składającego się zwykle z czterech ogniw – fotodiod. Tu trzeba przypomnieć schemat zastępczy ogniwa słonecznego – rysunek 2a. Problemem jest to, że każda taka fotodioda ma bardzo dużą powierzchnię struktury. Dlatego daje o sobie znać szkodliwa równoległa rezystancja upływu RP, powodująca przepływ prądów o znaczącej wartości. Nawet jeśli przez część dnia akumulator będzie ładowany, to przy słabym oświetleniu i w nocy zostanie on znacząco lub całkowicie rozładowany przez rezystancję RP, co w uproszczeniu jest pokazane na rysunku 2b.

Rys.2a,2b Schemat zastępczy ogniwa słonecznego oraz rozładowywanie akumulatora przez rezystancję Rp

Problem rozładowania przez rezystancję RP dotyczy wszystkich paneli FV, mniejszych i większych. Dlatego w każdej instalacji solarnej musi być element blokujący, zabezpieczający przed „cofaniem prądu”, gdy panel nie jest oświetlony. Mogłaby to być zwyczajna dioda według rysunku 3.

Może to też być bardziej zaawansowane rozwiązanie wbudowane w regulator/ sterownik. O tym za chwilę. Ale na razie musimy wyjaśnić inny ważny szczegół dotyczący diod.

Rys.3 Dioda zabezpieczająca przed cofaniem się prądu

Czy diody obejściowe zabezpieczają przed "cofaniem prądu"?

W wielu kartach katalogowych można znaleźć informacje, że w panelu są fabrycznie wbudowane diody, zależnie od liczby ogniw w liczbie od jednej do trzech (przykład na rysunku 4).

Osoby mniej zorientowane mogą sądzić, że są to właśnie diody blokujące „cofanie prądu” i że w większych panelach ogniwa są dzielone na sekcje z oddzielnymi diodami według rysunku 5.

Takie wyobrażenie jest błędne! We współczesnych panelach zwykle nie ma takich diod blokujących (blocking diodes), a jedynie w panelach o wyższych napięciach nominalnych są diody „omijające”, bajpasowe (bypass diodes). Są one włączone nie szeregowo, tylko równolegle co kilkanaście ogniw, jak pokazuje rysunek 6.

Rys.5 Niewłaściwe podłączenie diod omijających
Rys.6 Podłączenie diod omijających
Rys.4 Diody obejściowe - informacja z karty katalogowej
Rys.7 Wycinek karty katalogowej mówiący o diodach omijających

Rysunek 7 przedstawia stosowny wycinek karty katalogowej. Jeżeli takie diody nie są wbudowane w panel, bywają umieszczane w skrzynce panelu (connection box), jak widać na fotografii 8. Podczas normalnej pracy panelu te diody omijające są spolaryzowane zaporowo, a więc nieczynne, jakby ich nie było.

Mają jednak ważną funkcję do spełnienia w warunkach nietypowych. Ich funkcja jest bardzo nieprecyzyjnie, nieprzekonująco, a wręcz myląco przedstawiana w popularnych materiałach. Ten słabo rozumiany szczegół nie ma praktycznego znaczenia w panelach FV o niższym napięciu wyjściowym, dlatego zostanie szerzej omówiony później, w jednym z następnych odcinków. Na razie pozostańmy przy zagadnieniach podstawowych.

Fot.8 Diody omijające umieszczane w skrzynce panelu (connection box)

Jak stosować diody blokujące?

Ze względu na wspomniane „nocne cofanie prądu”, w instalacjach FV z akumulatorem niezbędna jest szeregowa dioda blokująca według rysunku 3 lub jej odpowiednik o lepszych właściwościach (o mniejszych stratach). Podczas normalnej pracy na takiej szeregowej diodzie wystąpią straty mocy (P = UF * I), które można zmniejszyć, stosując tam diodę Schottky’ego. W roli klucza zastępującego diodę może też wystąpić najzwyklejszy przekaźnik według rysunku 9, sterowany na przykład czujnikiem oświetlenia.

Rys.9 Przekaźnik w roli klucza zastępującego diodę

Na rysunku 10 pokazany jest schemat bardzo niedoskonałego odłącznika z przekaźnikiem, ze strony https://www.electroschematics.com/solar-panel-to-battery-switch-circuit/. 

Znacznie lepiej byłoby, gdyby to był energooszczędny układ z przekaźnikiem bistabilnym, pobierającym energię tylko podczas przełączania. A jeśli już w systemie miałby pojawić się przekaźnik, to może on też przy okazji zrealizować inne ważne funkcje, o czym będziemy mówić później.

W nowoczesnych systemach solarnych nie ma diod blokujących ani przekaźników, a ich funkcję pełnią tranzystory MOSFET.

Rys.10 Schemat bardzo niedoskonałego odłącznika z przekaźnikiem

Idea jest beznadziejnie prosta: przez zatkany MOSFET prąd nie płynie, a po jego pełnym otwarciu spadek napięcia jest niewielki (I * RDSon). Pozwala to zrealizować niemal idealną diodę, a tym samym zdecydowanie zredukować straty mocy.

Tak, ale zastosowanie „idealnych diod” w sterownikach solarnych to już sprawa nieco trudniejsza i dlatego temat musimy omówić szerzej.

Wydawałoby się, że dla zmniejszenia strat w diodzie rozwiązaniem jest koncepcja pokazana w dużym uproszczeniu na rysunku 11a, gdzie tranzystor jest otwierany, gdy panel wytwarza napięcie i prąd. MOSFET przewodziłby tu w klasyczny sposób prąd od źródła do drenu.

Problem w tym, że zawarta w tranzystorze MOSFET dioda pasożytnicza umożliwi „nocne cofanie prądu” – rysunek 11b. Taka konfiguracja nie nadaje się więc do pracujących ciągle kontrolerów solarnych, ewentualnie tylko do pracujących dorywczo ładowarek solarnych (solar chargers).

Rys.11 Rozwiązanie mające na celu zmniejszenie strat w diodzie

Kolejnym pomysłem może być wykorzystanie popularnego zabezpieczenie przed odwrotną biegunowością według idei z rysunku 12, gdzie pokazane sę wersje z MOSFETem P i MOSFET-em N. Dioda Zenera chroni obwód bramki MOSFET-a przed przebiciem napięciem wyższym od 20V.

Tranzystor pracuje nietypowo, ponieważ po włączeniu przewodzi prąd w „niewłaściwym kierunku”. W MOSFET-ach jest to możliwe i często wykorzystywane.

Koncepcja z rysunku 12 jest lepsza, bo pasożytnicza dioda nie pozwala na „cofanie prądu”, ale niestety taki układ nie nadaje się do systemu solarnego z akumulatorem!

Rys.12 Zabezpieczenie przed odwrotną biegunowością

Problem w tym, że na akumulatorze zawsze występuje napięcie, a to spowoduje, że MOSFET byłby zawsze otwarty, co umożliwi i ładowanie, i „cofanie prądu”.

Koncepcja z rysunku 12 jest jednak obiecująca, tylko trzeba dodać jakiś obwód, który wyłączy MOSFET, gdy jest ciemno. Albo wyłączy wtedy, gdy po prostu napięcie panelu jest niższe od napięcia akumulatora. Mógłby to być wzmacniacz operacyjny, jak pokazują znalezione w Internecie przykłady z rysunku 13.

Rys.13 Wzmacniacze operacyjne - schematy

Wyłączanie MOSFET-a można zrealizować prościej. Podstawową ideę przedstawia rysunek 14a. O stanie MOSFET-a T1 decyduje tranzystor T2. Gdy przewodzi, zwiera bramkę G T1 do źródła i wyłącza T1. Następuje to, gdy napięcie w punkcie X jest niższe od napięcia w punkcie Y o więcej niż 0,6V. Gdy jest odwrotnie lub gdy napięcia są równe, T2 jest zatkany i MOSFET T1 jest otwarty.

Aby przełączanie MOSFET-a T1 następowało przy równości napięć w punktach X, Y, wystarczy dodać diodę według rysunku 14b i dobrać R2.

Rys.14 Przełączanie MOSFET-a

Aby ten próg przełączania nie był zależny od temperatury, stosuje się dwa tranzystory w jednej obudowie, z których jeden zastępuje taką diodę, według rysunku 14c. Oczywiście można wykorzystać komplementarną wersję z MOSFETem N. Na rysunku 15 widoczny jest tego rodzaju schemat, ale zawierający zupełnie niepotrzebne elementy: diodę Schottky’ego i trzy rezystory zamiast dwóch. Ponadto rezystory mają zdecydowanie za małe wartości. Na marginesie drobna uwaga: dioda Schottky’ego ma większy prąd wsteczny niż pasożytnicza dioda w zatkanym tranzysotrze MOSFET. W Internecie w wielu miejscach można znaleźć tego rodzaju rozwiązanie, najczęściej z MOSFET-em P według rysunku 14c. Na rysunku 16 przedstawione są dwa takie schematy: jeden z pojedynczymi tranzystorami pnp, drugi z podwójnym w jednej obudowie. Więcej przykładów można znaleźć, wpisując w wyszukiwarkę: „ideal diode” schematic albo „ideal diode” MOSFET schematic.

Rys.15 Schemat instalacji FV z niepotrzebnymi elementami
Rys.16 Przykładowe instalacje FV (z pojedynczymi tranzystorami pnp oraz z podwójnym w jednej obudowie)

Trzeba jednak uważać. Na przykład na stronie znanego i poważnego czasopisma „Nuts & Volts Magazine” można znaleźć propozycję widoczną na rysunku 17, gdzie MOSFET włączony jest według rysunku 11.

Rozwiązanie z jednym MOSFET-em jest popularne, może być przydatne, jednak trzeba pamiętać, że po pierwsze taki obwód stale pobiera z akumulatora jakiś prąd – dlatego wartości rezystorów powinny być możliwie duże. Po drugie, napięcia wsteczne złącza baza-emiter tranzystorów bipolarnych jest ograniczone, nie powinno przekraczać 5V, co w niektórych zastosowaniach może być problemem.

Rys.17 Przykład instalacji FV z jednym MOSFET-em

Między innymi dlatego w lepszych, nowocześniejszych rozwiązaniach stosuje się inne rozwiązania. Koncepcję jednotranzystorowej wersji z MOSFET-em N pokazuje rysunek 18.

Rys.18 Instalacja FV -jednotranzytowa wersja z MOSFET-em N

Do otwarcia MOSFET-a potrzebne jest tu dodatnie napięcie bramki względem drenu, czyli powyżej napięcia panelu i akumulatora, co musi być realizowane przez jakiś bardziej złożony układ. Dziś dostępne są scalone sterowniki przeznaczone do takiej pracy. Przykładem może być Linear Technology LTC4359 (obecnie Analog Devices). Wewnętrzny schemat blokowy z powielaczem – pompą ładunku, widoczny jest na rysunku 19.

Rys.19 LTC4359 - wewnętrzny schemat blokowy z powielaczem (pompą ładunku)

Wszystkie rozwiązania z pojedynczym MOSFET-em z rysunków 11...17 mają istotne wady. Wielu tych wad można pozbyć się w prosty sposób, realizując odpowiednik mechanicznego styku za pomocą dwóch jednakowych MOSFETów jak na rysunku 20. Po otwarciu (tym samym sygnałem) jeden z MOSFETów przewodzi prąd „w niewłaściwym kierunku”, jednak jest to jak najbardziej prawidłowe, dopuszczalne i często stosowane.

Rys.20 Odpowiednik mechanicznego styku za pomocą dwóch jednakowych MOSFETów

Wadą jest obecność dwóch połączonych szeregowo MOSFET-ów, co zwiększa koszt i rezystancję otwartego klucza. Zaletą jest łatwość sterowania i usunięcie problemu „cofania prądu”. Źródła i bramki obu tranzystorów są połączone, a obwód sterowania może być prosty i może nie pobierać w spoczynku prądu. Rysunek 21 przedstawia nieco dziwnie narysowany i nie do końca przemyślany przykład z gotowymi kostkami DW01-P.

Rys.21 Nieoptymalny przykład z gotowymi kostkami DW01-P
Rys.22 Fragment 12-woltowego sterownika solarnego

Rysunek 22 prezentuje drobny fragment pewnego 12-woltowego sterownika solarnego z takimi podwójnymi kluczami, gdzie przy zachowaniu nieprzerwanego obwodu masy wykorzystano MOSFET-y N, co wymaga napięcia sterującego wyższego (+24V) niż napięcie akumulatora.

Tego rodzaju dwutranzystorowe przełączniki, mogące pełnić funkcję (niemal) idealnej diody są dostępne na rynku. Rysunek 23 pokazuje moduł z dwoma MOSFET-ami i jego schemat. Jednak w systemach solarnych lepiej jest stosować rozwiązania z MOSFETem N według rysunków 18, 19. Na fotografiach 24...26 widać niedrogie chińskie moduły z takimi „idealnymi solarnymi diodami”.

Rys.23 Dwutranzystorowe przełączniki, mogące pełnić funkcję (niemal) idealnej diody
Fot.24 Niedrogi chiński moduł z „idealnymi solarnymi diodami”
Fot.25 Niedrogi chiński moduł z „idealnymi solarnymi diodami”
Fot.26 Niedrogi chiński moduł z „idealnymi solarnymi diodami”

W wielu przypadkach nie stosujemy rozwiązań najlepszych, tylko prostsze, tańsze i... gorsze. Ponieważ są popularne, trzeba je omówić dokładniej. Zaczniemy w następnym odcinku.

Tematyka materiału: regulatory MPPT, MOSFET, panele fotowoltaiczne
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
UK Logo