Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT, część 1 - Jak działają panele fotowoltaiczne i co to jest MPPT?

W EdW 4/2019 w Skrzynce porad przedstawione były elementarne informacje na temat MPPT (Maximum Power Point Tracking), czyli śledzenia punktu mocy maksymalnej, wytwarzanej przez panel słoneczny, fotowoltaiczny.
Article Image

Podstawowa zasada jest jasna: aby z konkretnego ogniwa w zmieniających się warunkach pracy uzyskać największą możliwą moc wyjściową, trzeba na bieżąco zmieniać optymalną rezystancję obciążenia. W praktyce panel słoneczny współpracuje z jakąś przetwornicą impulsową i zmiana rezystancji polega na zmianie poboru prądu przez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów sterujących przetwornicy.

Idea jest prosta, ale w grę wchodzi szereg czynników. W sumie zagadnienie jest skomplikowane i trudne. Spróbujmy je stopniowo przybliżyć.

Panel fotowoltaiczny - co to jest i jak działa?

Do zrozumienia sensu, potrzeby i specyfiki MPPT niezbędny jest ważny szczegół, który w uproszczeniu brzmi tak: oświetlona światłem fotodioda (fotoogniwo) przede wszystkim jest źródłem prądowym, a nie źródłem napięciowym. Niedoskonałym źródłem prądowym o specyficznych właściwościach. Takiego wniosku nie powinny zmienić zamieszczane w katalogach charakterystyki, jak na rysunku 1, pokazujące zależność napięcia i prądu od natężenia promieniowania (natężenia światła słonecznego). Mogą one wprowadzać w błąd, ponieważ charakterystyka dotycząca napięcia (kolor zielony) przebiega płasko. A to świadczyłoby, że napięcie wytwarzane przez panel niewiele zależy od natężenia oświetlenia i sugeruje, że mamy do czynienia ze źródłem energii o niemal niezmiennym napięciu (a takie właściwości mają źródła napięciowe).

Rys.1 Panel FV - zależność napięcia i prądu od natężenia promieniowania

Natomiast liniowo rosnąca linia dotycząca prądu pokazuje, że wydajność prądowa jest wprost proporcjonalna do natężenia oświetlenia, co wydaje się oczywiste. Tak, ale panel słoneczny nie jest źródłem napięciowym, tylko źródłem prądowym o wydajności proporcjonalnej do natężenia oświetlenia.

Charakterystyki jak na rysunku 1 mogą być mylące dlatego, że dotyczą nierealnych sytuacji. Mianowicie napięcie wytworzone przez ogniwo jest mierzone bez obciążenia (VOCopen circuit), a prąd – odwrotnie: w warunkach zwarcia (ISCshort circuit), gdy między zaciski wyjściowe panelu włączony jest tylko amperomierz.

W rzeczywistych warunkach panel jest obciążony jakąś znaczącą rezystancją i w grę wchodzą trzy główne czynniki:

  • natężenie światła,
  • wytworzone napięcie,
  • płynący prąd.

Jeżeli mielibyśmy idealne źródło prądowe o jakiejś wydajności I, to napięcie na tym idealnym źródle byłoby liniowo zależne od... rezystancji obciążenia: U = I * R. Na rysunku 2 masz charakterystyki dwóch źródeł prądowych, o wydajności 1 ampera i 5 amperów. Co ważne, ale nieintuicyjne, moc byłaby wprost proporcjonalna do rezystancji: czym wyższa rezystancja, tym wyższe napięcie, a więc i większa moc P = U * I, pobierana ze źródła prądowego i wydzielana/ wykorzystywana w obciążeniu.

Rys.2 Charakterystyki dwóch źródeł prądowych, o wydajności 1 ampera i 5 amperów

Panel słoneczny nie jest idealnym źródłem prądowym. Rysunek 3a pokazuje schemat zastępczy pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego. Jest to po prostu duża fotodioda krzemowa. Ona wprawdzie wytwarza napięcie, ale tak naprawdę jej możliwości „wytwórcze” są reprezentowane przez źródło prądowe, którego wydajność jest wprost proporcjonalna do natężenia (mocy) promieniowania świetlnego.

Ale dodatkowo zawiera ona niepożądane rezystancje wewnętrzne RP, RS. Niepożądane, bo prąd, płynąc przez te rezystancje, będzie powodował wydzielanie mocy strat w postaci ciepła. Poważnym ograniczeniem jest obecność złącza p-n – diody polaryzowanej w kierunku przewodzenia. W idealnym źródle prądowym (rysunek 2) napięcie może dowolnie rosnąć ze wzrostem rezystancji obciążenia, a w pojedynczej fotodiodzie, jeśli tylko napięcie przekroczy 0,5V, to przez złącze – diodę krzemową zacznie płynąć prąd. Złącze to uniemożliwi wzrost napięcia, bo wytworzony fotoprąd zamknie się i „zmarnuje” wewnątrz fotodiody – rysunek 3b. Dlatego w praktyce z jednego ogniwa – fotodiody możemy uzyskać napięcie tylko 0,5...0,6V. A panel słoneczny zawsze jest szeregowym połączeniem kilku do kilkudziesięciu elementarnych ogniw – fotodiod.

Rys.3a Schemat zastępczy pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego  i 3b Prąd zamknięty wewnątrz fotodiody

Przy danej mocy promieniowania świetlnego źródło prądowe wytworzy jakiś prąd, a napięcie zależne będzie zarówno od rezystancji obciążenia, ale też od wewnętrznej diody i wewnętrznych szkodliwych rezystancji. Jeśli chcemy z fotodiody „wyciągnąć” największą możliwą moc użyteczną, to musimy dobrać obciążenie tak, żeby jak najmniej mocy marnowało się w wewnętrznej diodzie i wewnętrznych rezystancjach.

Kluczem do MPPT jest właściwe zrozumienie sensu specyficznych charakterystyk paneli fotowoltaicznych. Przykład z rysunku 4 dotyczy jakiegoś dużego panelu i jednej konkretnej wartości natężenia światła (600W/m2). Na osi poziomej mamy napięcie. Krzywa fioletowa pokazuje zależność prądu od napięcia, a krzywa czerwona – zależność użytecznej mocy wyjściowej od napięcia przy danym natężeniu promieniowania.

Dla mniej zaawansowanych niejasne może być to, dlaczego na osi poziomej mamy zakres napięcia od zera, jeżeli z rysunku 1 wynika, że napięcie ogniwa zmienia się niewiele i niezależnie od mocy promieniowania powinno być wyższe niż 30V?

Rys.4 Przykład charakterystki dużego panelu

Owszem, będzie wyższe od 30V, ale bez obciążenia! Natomiast pod obciążeniem będzie spadać, ponieważ ogniwo słoneczne jest źródłem prądowym, a nie napięciowym. Panel słoneczny jest źródłem prądowym, więc zwiększanie rezystancji też powinno powodować proporcjonalny wzrost mocy. Ale rezystancja obciążenia i napięcie nie mogą dowolnie rosnąć. Przy zbyt dużej wartości dołączonej rezystancji obciążenia, napięcie na obciążeniu zbliża się do granicy z rysunku 1, a prąd maleje do zera. A jeżeli do zera maleje prąd I, to maleje też moc użyteczna P = U * I.

Wracamy do rysunku 4. Gdyby w ogniwach nie było ani złączy – diod, ani szkodliwych rezystancji, to charakterystyki przebiegałyby, jak pokazują linie przerywane, dokładnie jak na rysunku 2. Obecność wewnętrznych rezystancji powoduje, że przy mniejszych napięciach (fioletowa) charakterystyka prądowa nieco opada, a obecność złączy nie pozwala na wzrost napięcia powyżej około 35V – punkt oznaczony OC (open circuit) to przypadek bez obciążenia zewnętrznego, gdy według rysunku 3b cały wytworzony fotoprąd „marnuje się” wewnątrz panelu. Z kolei punkt SC (short circuit) to stan zwarcia panelu: prąd jest maksymalny, ale napięcie wyjściowe jest równe zeru. Punkt MPP to oczywiście punkt mocy maksymalnej dla jakiegoś danego natężenia światła.

Dla punktu SC rezystancja obciążenia to zero omów, dla punktu OC – rezystancja obciążenia jest nieskończenie wielka, a nas interesuje rezystancja obciążenia (a konkretnie wartości napięcia i prądu) dla punktu mocy maksymalnej MPP. Dla przykładu z rysunku 4 można ją łatwo obliczyć. MPP to zasadniczo najwyższy punkt czerwonej charakterystyki mocy, zaznaczony zielonym punktem (120 watów). Ale na fioletowej charakterystyce I/U odpowiada to punktowi pomarańczowemu, czyli napięciu 28V i prądowi 4,3A (28V * 4,3A = 120W).

Dzieląc napięcie na ogniwie przez prąd (28V / 4,3A = 6,51Ω), otrzymamy optymalną rezystancję obciążenia dla tego konkretnego punktu MPP około 6,5 oma. Na rysunku 4 rezystancję tę (a ściślej jej odwrotność, konduktancję G = I/U) reprezentuje tu nachylenie brązowej prostej.

Niestety, problem w tym, że punkt maksymalnej mocy MPP nie jest stały. Przede wszystkim zależy od natężenia promieniowania. Rysunek 5 pokazuje pełniejsze charakterystyki ogniwa z rysunku 4 przy natężeniu promieniowania 200, 400, 600, 800 i 1000W/m2, reprezentowane przez pary krzywych.

Rys.5 Pełniejsze charakterystyki ogniwa z rysunku 4

Zielone kropki to punkty mocy maksymalnej MPP przy różnych wartościach natężenia światła. Dla każdego z nich oddzielnie można byłoby wyznaczyć prąd i napięcie oraz wynikającą stąd optymalną rezystancję obciążenia. Nie ulega wątpliwości, że dla różnej mocy promieniowania ta optymalna rezystancja jest inna.

Co gorsza, charakterystyki i punkty mocy maksymalnej zależą też od temperatury, co pokazuje rysunek 6, dotyczący jakiegoś konkretnego panelu. Charakterystyki prądu i mocy są tu przedstawione oddzielnie, a dolna rodzina krzywych wskazuje na znaczącą zależność parametrów od temperatury. Nie jest to dobra wiadomość!

Rys.6 Charakterystyki i punkty mocy maksymalnej zależą też od temperatury

Jak na razie rozumiemy sens charakterystyk i punktu MPP danego panelu solarnego, ale ze względu na nieuchronne zmiany punktu MPP nie widzimy sposobu, by „wyciągnąć” z panelu całą aktualne dostępną moc. Będziemy o tym mówić w dalszej części cyklu.

Tematyka materiału: panel fotowoltaiczny, MPPT
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich listopad 2019
Udostępnij
UK Logo