Что такое контроллер заряда солнечных панелей MPPT

Когда пользователь ставит себе сложное электронное устройство, призванное решить проблему автономного электропитания, чтобы закрыть для себя потребности, в частности энергетические (а заодно и экологические), когда речь идет о солнечных панелях и гибридных инверторах, которые и преобразуют энергию солнца в напряжение 220 В, то нет смысла досконально разбираться в том, что там и как работает внутри конструкции.

Что преобразуют высокочастотные трансформаторы, диоды, силовые транзисторы, и вообще как работает вся эта "электротехническая смесь" из проводов и радиодеталей. Поставил солнечный инвертор и имеешь личные 3-5-8-10 КВт электрической мощности у себя дома.
Однако, чтобы обладать минимальной экспертностью, скажем так экспертностью покупателя, а не экспертностью технического специалиста (ремонтника/настройщика), нужно как минимум знать основные характеристики. И если с пониманием времени работы инвертора от батарей проблемы нет, как и с выходным напряжением, максимальной мощностью, емкостью аккумулятора, поскольку эти понятия не выходят за рамки школьной программы, или хорошо описаны во многочисленных статьях или из личного опыта (например для автолюбителей), то когда встречается такая аббревиатура как MPPT, возникает если не ступор, то как минимум желание поискать информацию в интернете. Что это вообще, нужно ли мне это ?
Вот мы сегодня и будем разбираться в этой теме MPPT. Термин такой, даже пока без перевода, строгий, жесткий и чем-то похож например на МРТ. Но к медицине и лечении заболеваний, именно к магнито-резонансной терапии, MPPT не имеет никакого отношения. Он "эксперт" по солнечным преобразователям

Это очень умный, “многорукий” контроллер, который учитывает массу факторов, и который присутствует в каждом гибридном инверторе. А если его там нет, то придется докупать дополнительно.
В нашем ассортименте гибридных инверторов для дома в каждой модели MPPT присутствует, поэтому можно сразу подключать солнечные панели, чтобы иметь у себя в жилище или на объекте коммерческой недвижимости привычные 220 Вольт в розетке, только сгенерированные не монополистами, которые диктуют тарифы, а самостоятельно, иметь энергию “чистую”, природную, с нулевыми выбросами CO2 в атмосферу.

Что такое MPPT

Это позволяет :

1. Продлить службы срок аккумуляторной батареи (обычно на основе LIFEPO4 – литий-феррум полимерные).
2. Максимально использовать всю энергию, полученную от солнца. Есть такое понятие как коэффициент преобразования МРРТ. В качественных контроллерах он достигает 95 % и более.
3. Обезопасить электронные схемы инвертора и батарей от перенапряжения, скачков электричества.

У тех, кто немного знаком с электротехникой и радиоэлектроникой, но не сталкивался с солнечными фотопреобразователями, может возникнуть простой вопрос и в принципе логичный –

Зачем нужен специализированный контроллер (на основе микропроцессора, а значит явно не дешевый), если можно поставить обычный стабилизатор на транзисторе или микросхемный, чтобы просто гасить избыток напряжения и давать на батарею столько, сколько ей нужно ?

Во-первых, избыток энергии будет бесполезно рассеиваться в виде тепла. А это большие потери мощности. Поскольку солнечные панели могут выдавать на клеммах и 300 и 400 В, а для заряда батареи нужно 12/24/48 В. Сотни Ватт и даже Киловатты впустую ! Нет, нужно другое решение, не такое топорное, лобовое.
Во-вторых, для современных литиевых батарей, которые по сути являются интеллектуальными устройствами с цепями контроля, защиты, коммуникации с инвертором, крайне важно отслеживать режимы их работы.

Включая токи заряда/разряда, нагрев, напряжение, даже степень износа каждой ячейки. Простой стабилизатор ничего отследить не сможет. Все, что он может – это выдавать на выходе  стабильное напряжение, в лучшем случае с защитой от короткого замыкания. Но никакой информации от батарей он не получает. Как и от солнечных панелей. И не только не получает, а даже бы если он и имел информацию, то он даже теоретически не смог бы ее обработать – нет соответствующего функционала - стабилизатор напряжения “туповат”.

А вот МРРТ "умный".
Теперь, с учетом вышеизложенного, дадим еще одно, более предметное, развернутое определение MPPT или  или трекера точки максимальной мощности.
МРРТ это электронный преобразователь постоянного тока в постоянный, который оптимизирует соответствие параметров между солнечными модулями (фотоэлектрическими панелями) и аккумуляторной батареей. Проще говоря, МРРТ преобразует более высокое постоянное напряжение на клеммах солнечных батарей в более низкое напряжение, необходимое для зарядки аккумуляторов.
А в чем собственно проблема ? Зачем постоянный ток преобразовывать опять же в постоянный ток. Зачем так сложно ?
Солнечная энергия сама по себе нестабильна. Зависит от времени суток, сезона, облачности, прозрачности атмосферы (наличия мелковзвешенных летающих микрочастиц), старения фотоэлементов, чистоты из поверхности и др.

И все эти колебания, которые если наложить на график в течение дня, являют собой хаотическую последовательность из пиков и спадов.
Справочно отметим, что указанная проблема касается и других возобновляемых источников энергии, например ветряных электрогенераторов.
И со всем этим входящих энергетическим хаосом поступающим от солнечных панелей и призван бороться МРРТ.
Это электронный укротитель, который приводит напряжение в порядок, “причесывает” его, чтобы образно говоря батарея и понятия не имела, что поступает на вход, а всегда питалась постоянным напряжением и током – тем, на которое она и рассчитана.
Кстати в переводе с английского МРРТ значит трекер, но тут нужно понимать и разграничить суть трекинга или отслеживания.
МРРТ не физически отслеживает перемещение солнечных фотопреобразователей или солнца. Панели как правило статичны, и за солнцем контроллер не следит.
В понятие отслеживания в данном случае изобретатели МРРТ вкладывали совсем другой смысл. МРРТ отслеживает электрические параметры, а не механические.

Про баланс мощности от солнечных батарей

Экологичность, долгие годы снабжения условно-бесплатно энергией солнца (за исключением начальных затрат), тишина – в общем на первый взгляд одни плюсы от солнечной домашней мини-энергетики.
“Мини”, потому что на рынке Украины есть и большие игроки, оперирующие сотнями миллионов гривень инвестицией в зеленую энергетику. У солнечных энергетических монстров задачи прозаичные – заработать. Продавая энергию государству.
А чем мы, рядовые граждане хуже ?
Мы тоже так хотим. Только в первую очередь нас интересует энергонезавимисость (при отключениях света). Во-вторую, снизить в долгосрочной перспективе платежи за электричество. В краткосрочной, будем честны перед собой и читателем, финансовые вложения довольно в инвертора, панели и возможно батареи, значительные и быстро не отобьются за год-два.
А вот в-третьих, ничто не мешает и гражданам тоже продавать энергию, поставляя ее в сеть. Но сегодня мы говорим о MRRT контроллерах, а о “зеленом тарифе” расскажем в другой раз.
Итак, все классно с солнечными панелями, но если говорит честно по сути, они достаточно “глупы”. Они просто преобразуют солнечные лучи в разность потенциалов. За это им огромное спасибо. Но их напряжение слишком "сырое". Панели даже более глупы, чем аккумуляторы (речь идет конечно о литий-полимерных), в которых есть управляющие платы BMS (это специализированные контроллеры батарей).

Пора перейти к цифрам.
Итак, у нас есть одна панель, которая выдает 450 Вт мощности. Что такое мощность ? Это напряжение, умноженное на ток.
Пусть каждая панель выдает 45 В при токе 10 ампер (итого и имеем указанные 450 Вт).
А у нас батарея напряжением 24 В, и производитель требует, чтобы ток заряда не превышал 10 А. То есть необходимая мощность, “запрашиваемая” от солнечных панелей, составляет 24*10=240 Вт.
Получаем разницу в Ваттах: 450-240=210 Вт. Это излишек. Это потери. “Лишняя” энергия от солнца. Это происходит из-за плохой совместимости батареи и солнечной панели. Вот если бы у нас была 48-вольтовая батарея, то показатели были бы гораздо ближе. То есть мы использовали бы практически всю мощность.
А куда девается кстати избыточная мощность в первом случае ? Лишние 210 Вт ? Да некуда. Преобразуется в тепло.
Здесь правда надо сделать оговорку, что все приведенные расчеты справедливы при ярком солнечном дне. И если вы будет выбирать себе солнечные панели, имейте в виду, что основной их показатель: мощность – в нашем случае 450 Вт, это предел. Как только солнце зайдет за тучку, эта цифра может упасть в 2-5, а к вечеру и при сильной туманности и в 10 раз.

Также на отдаваемую мощность солнечной панелью влияет и ее температура. Да-да, нагрев этой блестящей синеватой поверхности. Чем она горячее, тем меньше коэффициент преобразования. То есть опять же будет уменьшена мощность при том же солнечном потоке.
“Так, что зимой будет вырабатываться больше энергии ? При холодной погоде ?” С точки зрения нагрева, ответ будет ДА. Но сезонный фактор несет и минусы. Зимой более короткий солнечный день и в целом солнце может присутствовать на небосклоне не так часто, как летом.
Как видим факторов влияния много, они хаотичные, собираются в непредсказуемые комбинации друг с другом и все это моменты должен учесть в своей работе контроллер солнечных панелей MPPT. В том числе, как мы отмечали, он еще должен и отслеживать электрические параметры батарей.
Ответим еще на один вопрос. “А можно ли установить просто солнечные панели, без инвертора, без батареи, по поставив себе контроллер МРРТ, чтобы он выдавал постоянное напряжение ? Ведь это гораздо дешевле ? ”
Конечно можно. Но если руководствоваться только ценой, то имеется ряд жирных минусов. Не только потому что производителям надо сбывать инверторы и аккумуляторы и они будут говорить: “Вы что ! Надо обязательно приобретать весь комплект: и инвертор и батарею в придачу к электрическому энергопроизводителю – солнечным панелям.”

1. Вы поставили солнечные панели и к ним контроллер МРРТ. Он выдает допустим 12 Вт. Что вы с ними будете делать ? Компьютер, роутер или светильник не подключишь. Им нужно переменное, розеточное 220 В. Светодиодную ленту разве что развесить. Так она днем и не нужна. А ночью ?
2. А ночью, вы останетесь без света, с вашими панелями и контроллером МРРТ. Если конечно не принимать во внимание розетку с “государственным электричеством”. Но тогда это уже не энергетическая независимость.

Потому каждый элемент в солнечной системе автономного электрического энергоснабжения играет свою роль. И заменить его нечем. Каждый на своем месте.
Батарея “подстрахует” ночью или когда туманно и пасмурно, питая инвертор, чтобы он выдавал 220 В для снабжения вашего дома/дачи/квартиры.
Напоминаем - при покупке гибридного инвертора практически на 100 % у него внутри уже будет встроен модуль MPPT.

Что такое отслеживание точки максимальной мощности

Повторимся еще раз, поскольку это важно и при не соблюдении этого условия самый продвинутый МРРТ – контроллер не поможет вам эффективно использоваться солнечную энергию. Речь идет о теоретической (расчетной) согласованности мощности солнечных панелей, выходной мощности инвертора и отдаваемой мощности аккумуляторной батареи.
Пример. 10 солнечных панелей, каждая по 450 Вт выдают суммарно максимум 450*10=4500 Вт.
Под эту мощность подбираем инвертор 5 КВт.
И батарею напряжением 48 В и током заряда 100 В, что составляет 48*100=4,8 Квт.
Как видим все элементы у нас плюс-минус сбалансированы.
Но это все расчетные показатели. Идеальные.
Но как мы отметили, солнце светит ярко или прячется за облака, батареи могут быть сильно разряжены или наоборот полностью заряжены, меняется температура и т.д.
И всем этим делом рулит МРРТ, во-первых, сначала “собирая информацию”, во-вторых, перераспределяя энергию в зависимости от этой собранной информации.
Как ?
МРРТ же это трекер, то есть искатель. А ищет он оптимальную точку по мощности. То есть с точки зрения математического анализа это экстремум функции. И эта точка постоянно “плавает” в зависимости от освещенности, температуры, электрических параметров батареи.     
То есть напряжение на выходе MPPT-контроллера может постоянно меняться, чтобы настроить оптимальный ток в аккумуляторе.

Если посмотреть кривую зеленую линию, заметно, что она имеет острый пик вверху, что и есть точка максимальной мощности. Что же делает контроллер MPPT ? Он и «ищет» именно эту точку, выполняет преобразование напряжения/тока, чтобы изменить ее точно так, как нужно батарее в конкретный момент времени. Ситуация может меняться ежесекундно. И этот пик постоянно сдвигается с изменением условий освещения/погоды, температуры, электрических параметров.

Как постоянный ток преобразуется в постоянный ?

А эту процедуру и производит MPPT. То есть это контроллер-высокочастотный преобразователь. Он принимает на вход постоянный ток от солнечной панели, на первом этапе преобразует его в высокочастотный переменный ток частотой 20-80 кГц. А на втором этапе, переменный ток преобразуется снова в постоянный, но уже с параметрами по току и напряжению, в которых нуждается батарея в данный момент. То есть например батарея сильно разряжена, и тогда ток должен быть максимальный.
К плюсам высокочастотного преобразования можно отнести малые размеры трансформаторов (как правило тороидальных) и в целом небольшой размер MPPT. Однако есть и обратная сторона медали. Высокочастотный шум, т.е. помехи, что требует эффективных систем фильтрации, усложняет схему и увеличивает стоимость.
Современные модели цифровых контроллеров MPPT управляются микропроцессором. Они "знают", когда и как настроить выходные параметры тока/напряжения для батареи, и могут отключаются на несколько микросекунд, чтобы проанализировать, не изменились ли условия (не зашло ли солнце за тучу, или батарея уже зарядилась) и вносят необходимые коррективы.