Przewodnik po kontrolerach ładowania: PWM vs MPPT

Kontrolery ładowania PWM i MPPT są powszechnie stosowane do ładowania akumulatorów energią słoneczną. Chociaż oba typy mają na celu zarządzanie procesem ładowania, ich działanie i efektywność różnią się znacząco. PWM to prostszy i tańszy kontroler, który działa jak przełącznik łączący panel słoneczny z akumulatorem, powodując, że napięcie panelu jest zbliżone do napięcia akumulatora. Z kolei MPPT to bardziej zaawansowane i droższe urządzenie, które dostosowuje swoje wejściowe napięcie, aby wydobyć maksymalną moc z panelu słonecznego i przekształcić tę moc, aby dostosować się do zmiennego napięcia akumulatora oraz obciążenia. W praktyce oznacza to, że napięcie panelu i akumulatora są od siebie niezależne, co pozwala na bardziej efektywne ładowanie.

MPPT zazwyczaj przewyższa PWM w klimacie umiarkowanym i zimnym, podczas gdy oba kontrolery wykazują podobną wydajność w klimacie subtropikalnym i tropikalnym. W tym artykule szczegółowo analizujemy wpływ temperatury na działanie obu kontrolerów oraz przedstawiamy porównanie ich wydajności.

2. Krzywe napięcie-prąd i moc-napięcie panelu słonecznego

Specyfikacje panelu słonecznego

Przykłady użyte w dalszej części artykułu opierają się na przeciętnym panelu monokrystalicznym o mocy 100 W i 36 ogniwach, z następującymi specyfikacjami:

Krzywa napięcie-prąd i moc-napięcie

Krzywa napięcie-prąd (IV) panelu słonecznego pokazuje, jak prąd zmienia się w zależności od napięcia. Krzywa ta jest podstawą do wyznaczenia krzywej moc-napięcie (PV), która ilustruje, jak moc zmienia się w zależności od napięcia.

Punkt Maksymalnej Mocy

Moc uzyskiwana z panelu jest zerowa przy zwarciu (0 x Isc = 0) oraz gdy nie płynie prąd (Voc x 0 = 0). Pomiędzy tymi punktami znajduje się Punkt Maksymalnej Mocy (Pm), gdzie iloczyn napięcia i prądu (Vm x Im) jest największy.

3. Kontroler MPPT

Kontroler MPPT wykorzystuje mikroprocesor i zaawansowane oprogramowanie do wykrywania Punktu Maksymalnej Mocy (Pm) i ustawiania napięcia wyjściowego panelu na poziomie Vm oraz pobierania prądu Im. Kontroler MPPT działa jak transformator DC-DC, który może przekształcić moc z wyższego napięcia na moc przy niższym napięciu, zachowując praktycznie stałą moc (P = V x I).

Przykład działania

Przy ładowaniu akumulatora o napięciu 13 V, prąd wyjściowy będzie wynosił:

4. Kontroler PWM

Kontroler PWM działa jako przełącznik, który łączy panel słoneczny bezpośrednio z akumulatorem, co powoduje, że napięcie panelu jest prawie równe napięciu akumulatora plus straty napięcia w kablach i kontrolerze.

Przykład działania

Zakładając napięcie akumulatora 13 V i straty napięcia 0,5 V, napięcie panelu będzie wynosić 13,5 V. Przy takim napięciu moc uzyskana z panelu wyniesie:

5. Wpływ temperatury

Efekt temperatury na wydajność panelu

Wraz ze wzrostem temperatury napięcie obwodu otwartego (Voc) oraz napięcie Punktu Maksymalnej Mocy (Vm) spadają, podczas gdy prąd pozostaje praktycznie stały. Przesunięcie krzywej IV w lewo z rosnącą temperaturą powoduje zmniejszenie mocy wyjściowej panelu.

Wydajność MPPT przy różnych temperaturach

Na przykładzie panelu o temperaturze 75°C, moc wyjściowa wynosi:

Pm(75°C)=100W×(1+(75°C−25°C)×−0.45/100)=77.5W

6. Rozwiązanie

Aby poprawić wydajność kontrolera MPPT w wysokich temperaturach, zaleca się zwiększenie napięcia panelu przez połączenie większej liczby ogniw w szereg. Na przykład, zamiana panelu 12V/100W na panel 24V/100W lub dwa panele 12V/50W połączone szeregowo.

Zalety zwiększenia napięcia panelu

1. Zwiększenie wydajności panelu w wysokich temperaturach.
2. Zmniejszenie przekroju kabli i kosztów okablowania dzięki zmniejszeniu prądu.

7. Wykresy wydajności względnej

Wydajność względna w funkcji temperatury

Porównując wydajność PWM i MPPT w zależności od temperatury, MPPT przewyższa PWM w niskich i bardzo wysokich temperaturach. Wykresy pokazują, że PWM osiąga 100% wydajności MPPT przy odpowiednich napięciach akumulatora i umiarkowanych temperaturach.

8. Ogólne wnioski

Temperatura

Standardowy panel słoneczny o nominalnym napięciu 12 V składa się z 36 ogniw połączonych szeregowo. Przy temperaturze ogniwa wynoszącej 25°C, prąd wyjściowy takiego panelu będzie prawie stały do napięcia około 17 V. Powyżej tego napięcia, prąd szybko spada, co skutkuje osiągnięciem maksymalnej mocy przy napięciu około 18 V. Niestety, wraz ze wzrostem temperatury punkt napięcia, przy którym prąd zaczyna spadać, ulega obniżeniu. Poniżej tego punktu prąd pozostaje praktycznie stały i nie jest znacząco zmieniany przez temperaturę. Zarówno moc wyjściowa, jak i napięcie wyjściowe maleją o około 4.5% na każde 10°C wzrostu temperatury.

Kontroler PWM

Gdy zestaw paneli słonecznych jest podłączony do akumulatora za pomocą kontrolera PWM, napięcie paneli jest zmniejszane do poziomu zbliżonego do napięcia akumulatora. Prowadzi to do optymalnej mocy wyjściowej (Watt = Amper x Volt) w niskich i bardzo wysokich temperaturach ogniw. W czasie deszczowych lub mocno zachmurzonych dni, lub przy dużych przerywanych obciążeniach, może wystąpić sytuacja, w której napięcie akumulatora spada poniżej normy, co jeszcze bardziej obniża napięcie paneli, dodatkowo pogarszając wydajność. Przy bardzo wysokich temperaturach ogniw punkt, w którym napięcie zaczyna spadać, może obniżyć się poniżej poziomu potrzebnego do pełnego naładowania akumulatora.

W miarę jak powierzchnia zestawu rośnie liniowo z mocą, przekrój poprzeczny kabli i ich długość również rosną wraz z mocą, co skutkuje znacznymi kosztami okablowania w przypadku zestawów przekraczających kilkaset watów. Kontroler ładowania PWM jest więc dobrym, tanim rozwiązaniem tylko dla małych systemów, gdy temperatura ogniw jest umiarkowana do wysokiej (między 45°C a 75°C).

Kontroler MPPT

Oprócz pełnienia funkcji podstawowego kontrolera, kontroler MPPT zawiera również przetwornicę napięcia DC-DC, która konwertuje napięcie paneli do wymaganego przez akumulatory, z minimalnymi stratami mocy. Kontroler MPPT stara się wydobyć moc z zestawu paneli blisko Punktu Maksymalnej Mocy, dostosowując się jednocześnie do zmieniających się wymagań napięciowych akumulatora oraz obciążenia. W praktyce oznacza to, że napięcie paneli i akumulatora są od siebie niezależne, co pozwala na połączenie np. dwóch paneli 12 V (Vmax = 18 V) szeregowo, aby uzyskać 36 V po jednej stronie kontrolera MPPT, podczas gdy po drugiej stronie znajduje się akumulator 12 V.

Jeśli kontroler MPPT jest podłączony do zestawu paneli o znacznie wyższym nominalnym napięciu niż napięcie akumulatora, będzie on dostarczał prąd ładowania nawet przy bardzo wysokich temperaturach ogniw lub w warunkach niskiej irradiancji, kiedy kontroler PWM nie byłby już skuteczny. W miarę jak rozmiar zestawu rośnie, zarówno przekrój poprzeczny kabli, jak i ich długość będą wzrastać. Możliwość połączenia większej liczby paneli w szereg, a tym samym zmniejszenia prądu, jest silnym argumentem za instalacją kontrolera MPPT, gdy moc zestawu przekracza kilkaset watów (dla akumulatora 12 V) lub kilka kilowatów (dla akumulatora 24 V lub 48 V).

Zalety stosowania kontrolera MPPT

Kontroler MPPT jest preferowanym rozwiązaniem w następujących przypadkach:

a) Niskie lub bardzo wysokie temperatury ogniw: Jeśli temperatura ogniw często będzie niska (poniżej 45°C) lub bardzo wysoka (powyżej 75°C), kontroler MPPT zapewni lepszą wydajność ładowania.

b) Redukcja kosztów okablowania: Możliwość zwiększenia napięcia zestawu paneli poprzez połączenie większej liczby ogniw w szereg pozwala na zmniejszenie przekroju poprzecznego kabli, co znacznie obniża koszty okablowania.

c) Wysoka wydajność przy niskiej irradiancji: W warunkach niskiego nasłonecznienia, takich jak pochmurne dni lub wczesny poranek i późne popołudnie, kontroler MPPT będzie bardziej efektywny niż kontroler PWM.

d) Problem z częściowym zacienieniem: Gdy panele są częściowo zacienione, kontroler MPPT ma przewagę nad PWM, ponieważ może lepiej dostosować się do zmieniających się warunków oświetleniowych i maksymalizować wydobycie mocy.

Podsumowując, wybór odpowiedniego kontrolera ładowania zależy od specyficznych warunków pracy systemu solarnego oraz wymagań dotyczących efektywności i kosztów. Kontroler MPPT jest zazwyczaj lepszym wyborem dla większych i bardziej wymagających systemów, natomiast kontroler PWM może być odpowiedni dla mniejszych i prostszych instalacji w stabilnych warunkach temperaturowych.

W praktyce na jachtach nie instalujemy zwykle kontrolerów PWM. 

Artykuł powstał na podstawie materiałów technicznych victronenergy.com