Що таке контролер заряду сонячних панелей MPPT для інвертора

Коли користувач ставить собі складний електронний пристрій, покликаний вирішити проблему автономного електроживлення, щоб закрити для себе потреби, зокрема енергетичні (а одразу і екологічні), коли йдеться про сонячні панелі та гібридні інвертори, які і перетворять енергію сонця в напругу 220 В, то немає сенсу досконально розумітися на тому, що там і як працює всередині конструкції.
Що перетворюють високочастотні трансформатори, діоди, силові транзистори, і взагалі, як працює вся ця "електротехнічна суміш" з проводів та радіодеталей , яка складає сердце автономної системи електроживлення.

Поставив інвертор для дому з акумулятором і маєшь свої, особисті 3-5-8-10 КВт єлектричної потужності.
Однак, щоб мати мінімальну експертність, скажімо так експертність покупця, а не експертність технічного фахівця (ремонтника/настроювача), потрібно як мінімум знати основні характеристики. І якщо з розумінням часу роботи інвертора від батарей проблеми немає, як і з вихідною напругою, максимальною потужністю, ємністю акумулятора, оскільки ці поняття не виходять за рамки шкільної програми або добре описані у численних статтях або з особистого досвіду (наприклад для автомобілістів), коли зустрічається така абревіатура як MPPT, виникає якщо не ступор, то як мінімум бажання пошукати інформацію в інтернеті. Що це взагалі, чи потрібно мені це?
Ось ми сьогодні і розбиратимемося в такій темі як MPPT. Термін такий, навіть поки що без перекладу, строгий, жорсткий і чимось схожий, наприклад, на МРТ. Але до медицини та лікування захворювань, саме до магніто-резонансної терапії, MPPT не має жодного відношення. Він "експерт" за сонячними перетворювачами

Це дуже розумний, “багаторукий” контролер, який враховує масу факторів, і який є присутнім у кожному перетворювачі. А якщо його там немає, то доведеться докуповувати додатково.
В нашому асортименті кожний гібридний інвертор 5 квт для будинку в кожній моделі MPPT присутній, тому можна відразу підключати сонячні панелі, щоб мати у себе в житлі або на об'єкті комерційної нерухомості звичні 220 Вольт у розетці, тільки згенеровані не монополістами, які диктують тарифи, а самостійно, мати енергію “чисту”, природну, з нульовими викидами CO2 в атмосферу.

Що таке MPPT

Це дозволяє :

1. Продовжити служби термін акумуляторної батареї (зазвичай на основі LIFEPO4 – літій-ферум полімерні).
2. Максимально використовувати всю енергію, отриману від сонця. Існує таке поняття як коефіцієнт перетворення MRRT. У якісних контролерах він досягає 95% і більше.
3. Убезпечити електронні схеми інвертора та акумулятора від перенапруги, стрибків електрики.

У тих, хто трохи знайомий з електротехнікою та радіоелектронікою, але не стикався із сонячними фотоперетворювачами, може виникнути просте питання і в принципі логічне –

Навіщо потрібний спеціалізований контролер (на основі мікропроцесора, а значить явно не дешевий), якщо можна поставити звичайний стабілізатор на транзисторі або мікросхемний, щоб просто гасити надлишок напруги та давати на батарею стільки, скільки їй потрібно ?

По-перше, надлишок енергії марно розсіюватиметься у вигляді тепла. А це є великі втрати потужності. Оскільки сонячні панелі можуть видавати на клемах і 300 і 400 В, а для заряду батареї потрібно 12/24/48 В. Сотні Ватт і навіть Кіловати марно! Ні, потрібне інше рішення, не таке незграбне, лобове.
По-друге, для сучасних літієвих батарей, які, по суті, є інтелектуальними акумуляторами з ланцюгами контролю, захисту, комунікації з інвертором, дуже важливо відстежувати режими їх роботи.

Гібридний інвертор відслідковує струми заряду/розряду, нагрівання, напруга, навіть ступінь зношування кожної комірки. Простий стабілізатор нічого відстежити не зможе. Все, що він може – це видавати на виході стабільну напруга, у кращому випадку із захистом від короткого замикання. Але жодної інформації від батарей він не одержує. Як і від сонячних панелей. І не тільки не отримує, а навіть якщо він і мав інформацію, то він навіть теоретично не зміг би її обробити – немає відповідного функціоналу - стабілізатор напруги “тупуватий”.

А ось MRRT "розумний".
Тепер, з урахуванням вищевикладеного, дамо ще одне, більш предметне, розгорнуте визначення MPPT або трекера точки максимальної потужності.
MRRT це електронний перетворювач постійного струму на постійний, який оптимізує відповідність параметрів між сонячними модулями (фотоелектричними панелями) та акумуляторною батареєю. Простіше кажучи, МРРТ перетворює більш високу постійну напругу на клемах сонячних батарей на нижчу напругу, необхідну для заряджання акумуляторів.
А в чому власне проблема? Навіщо постійний струм перетворювати знову ж таки на постійний струм. Навіщо так складно?
Сонячна енергія сама собою нестабільна. Залежить від часу доби, сезону, хмарності, прозорості атмосфери (наявності дрібнозважених літаючих мікрочастинок), старіння фотоелементів, чистоти з поверхні та ін.

І всі ці коливання, які якщо накласти на графік протягом дня, являють собою хаотичну послідовність піків і спадів.
Довідково зазначимо, що зазначена проблема стосується й інших відновлюваних джерел енергії, наприклад, вітряних електрогенераторів.
І з усім цим вхідним енергетичним хаосом, що надходить від сонячних панелей і покликаний боротися MRRT.
Це електронний приборкувач, який наводить напругу в порядок, “зачісує” її, щоб образно кажучи інвертор 5 квт + акумулятор і гадки не мали, що надходить на вхід дома, а завжди живились постійною напругою та струмом -. тим, на який вона і розрахована.
До речі, у перекладі з англійської МРРТ означає трекер, але тут потрібно розуміти і розмежувати суть трекінгу або відстеження.
MRRT не фізично відстежує переміщення сонячних перетворювачів або сонця. Панелі зазвичай статичні, і за сонцем контролер не стежить.
У поняття відстеження винахідники МРРТ вкладали зовсім інший сенс. МРРТ відстежує електричні параметри, а не механічні.

Про баланс потужності від сонячних батарей

Екологічність, довгі роки постачання умовно-безкоштовної енергії сонця (за винятком початкових витрат), тиша – загалом на перший погляд одні плюси від домашньої сонячної міні-енергетики.
“Міні”, тому що на ринку України є і великі гравці, які оперують сотнями мільйонів гривень інвестицією в зелену енергетику. У сонячних енергетичних монстрів завдання прозаїчні – заробити. Продаючи енергію державі.
А чим ми, пересічні громадяни гірші?
Ми також так хочемо. Тільки в першу чергу нас цікавить енергонезалежність (при відключеннях світла). По-друге, знизити у довгостроковій перспективі платежі за електрику. У короткостроковій, будемо чесні перед собою та читачем, фінансові вкладення досить в інвертора, панелі та можливо батареї, значні та швидко не відіб'ються за рік-два.
А ось по-третє, ніщо не заважає і громадянам теж продавати енергію, постачаючи її до мережі. Але сьогодні ми говоримо про МРРТ контролери, а про “зелений тариф” розкажемо в інший раз.
Отже, все класно з сонячними панелями, але якщо говорить чесно по суті, вони не досить розумні. Вони просто перетворюють сонячні промені в різницю потенціалів. За це їм велике спасибі. Але їх напруга занадто "сира". Панелі навіть дурніші, ніж акумулятори (мова йде звичайно про літій-полімерні), в яких є керуючі плати BMS (це спеціалізовані контролери батарей).

Час перейти до цифр.
Отже, ми маємо одну панель, яка видає 450 Вт потужності. Що таке потужність? Це напруга, помножена на струм.
Нехай кожна панель видає 45 В при струмі 10 ампер (разом і маємо вказані 450 Вт).
А у нас батарея напругою 24 В, і виробник вимагає, щоб струм заряду не перевищував 10 А. Тобто необхідна потужність “запитувана” від сонячних панелей становить 24*10=240 Вт.
Отримуємо різницю у Ваттах: 450-240 = 210 Вт. Це надлишок. Це втрати. “Зайва” енергія від сонця. Це відбувається через погану сумісність батареї та сонячної панелі. Ось якби у нас була 48-вольтова батарея, то показники були б набагато ближчими. Тобто ми б використали практично всю потужність.
А куди дівається до речі надмірна потужність у першому випадку? Зайві 210 Вт? Та нікуди. Перетворюється на тепло.
Тут правда треба зробити застереження, що всі наведені розрахунки справедливі за яскравого сонячного дня. І якщо ви вибиратимете собі сонячні панелі, майте на увазі, що основний їхній показник: потужність – у разі 450 Вт, це межа. Як тільки сонце зайде за хмаринку, ця цифра може впасти в 2-5, а надвечір і при сильній туманності і в 10 разів.

Також на потужність сонячної панеллю впливає і її температура. Так-так, нагрівання цієї блискучої синюватої поверхні. Чим вона гарячіша, тим менший коефіцієнт перетворення. Тобто знову ж таки буде зменшено потужність при тому ж сонячному потоці.
“Так що, взимку вироблятиметься більше енергії? За холодної погоди ?” З погляду нагріву, відповідь буде ТАК. Але сезонний фактор несе й мінуси. Взимку коротший сонячний день і в цілому сонце може бути присутнім на небосхилі не так часто, як влітку.
Як бачимо, факторів впливу багато, вони хаотичні, збираються в непередбачувані комбінації один з одним і всі ці моменти має врахувати у своїй роботі контролер сонячних панелей MPPT. У тому числі, як ми зазначали, він ще має й відстежувати електричні параметри батарей.
Відповімо ще одне питання. “А чи можна встановити просто сонячні панелі, без перетворювача, без батареї, поставивши собі контролер MRRT, щоб він видавав постійну напругу? Адже це набагато дешевше?”
Звичайно можна. Але якщо керуватися лише ціною, то є низка жирних мінусів. Не тільки тому, що виробникам треба збувати системи безперебійнрого живлення і вони будуть говорити: “Ви що! Потрібно обов'язково купувати весь комплект: і інвертор для будинку 5квт + акумулятор на додаток до електричного енерговиробника – сонячних панелів.”

1. Ви поставили сонячні панелі та до них контролер МРРТ. Він видає допустимо 12 Вт. Що ви з ними робитимете? Комп'ютер, роутер чи світильник не підключиш. Їм потрібне змінна напруга, розеточна 220 В. Світлодіодну стрічку хіба що розвісити. То вона вдень і не потрібна. А вночі?
2. А вночі, ви залишитеся без світла, з вашими панелями та контролером МРРТ. Якщо звичайно не брати до уваги розетку з “державною електрикою”. Але тоді це вже не енергетична незалежність.

Тому кожен елемент у сонячній системі автономного електричного енергопостачання відіграє свою роль. І замінити його нема чим. Кожен на своєму місці.
Батарея “підстрахує” вночі або коли туманно та похмуро, живлячи інвертор з акумулятором 5 квт, щоб він видавав 220 В для живлення вашого будинку/дачі/квартири.
 

Що таке відстеження точки максимальної потужності

Повторимося ще раз, оскільки це важливо і при не дотриманні цієї умови найпросунутіший MPPT – контролер не допоможе вам ефективно використовувати сонячну енергію. Йдеться про теоретичну (розрахункову) узгодженість потужності сонячних панелей, вихідну потужність інвертора та емність акумуляторної батареї.
Приклад. 10 сонячних панелей, кожна 450 Вт видають сумарно максимум 450*10=4500 Вт.
Під цю потужність підбираємо інвертор 5 кВт.
І батарею напругою 48 і струмом заряду 100 В, що становить 48 * 100 = 4,8 кВт.
Як бачимо всі елементи, у нас плюс-мінус збалансовані.
Але це все розрахункові показники. Ідеальні.
Але як ми відзначили, сонце світить яскраво або ховається за хмари, батареї можуть бути сильно розряджені або навпаки повністю заряджені, змінюється температура тощо.
І усією цією справою керує МРРТ, по-перше, спочатку «збираючи інформацію», по-друге, перерозподіляючи енергію в залежності від цієї зібраної інформації.
Як?
МРРТ це трекер, тобто шукач. А шукає він оптимальну точку потужності. Тобто з погляду математичного аналізу це екстремум функції. І ця точка постійно “плаває” залежно від освітлення, температури, електричних параметрів батареї.
Тобто напруга на виході MPPT-контролера може постійно змінюватись, щоб налаштувати оптимальний струм в акумуляторі.

Якщо подивитися криву зелену лінію, то помітно, що вона має гострий пік угорі, що і є точка максимальної потужності. Що ж робить контролер MPPT? Він і «шукає» саме цю точку, виконує перетворення напруги/струму, щоб змінити її точно так, як потрібно батареї в конкретний момент часу. Ситуація може змінюватись щомиті. І цей пік постійно зсувається із зміною умов освітлення/погоди, температури, електричних параметрів.

Як постійний струм перетворюється на постійний ?

А цю процедуру і проводить MPPT. Тобто це контролер-високочастотний перетворювач. Він приймає на вхід постійний струм від сонячної панелі, на першому етапі перетворює їх у високочастотний змінний струм частотою 20-80 кГц. А на другому етапі, змінний струм перетворюється знову на постійний, але вже з параметрами струму і напруги, яких потребує батарея в даний момент. Тобто, наприклад, батарея сильно розряджена, і тоді струм повинен бути максимальний.
До плюсів високочастотного перетворення можна віднести малі розміри трансформаторів (як правило тороїдальних) та загалом невеликий розмір MPPT. Проте є й зворотний бік медалі. Високочастотний шум, тобто перешкоди, що потребують ефективних систем фільтрації, ускладнює схему та збільшує вартість.
Сучасні моделі цифрових контролерів MPPT керуються мікропроцесором. Вони "знають", коли і як налаштувати вихідні параметри струму/напруги для батареї, і можуть відключаються на кілька мікросекунд, щоб проаналізувати, чи не змінилися умови (чи не зайшло сонце за хмару, чи акумулятор для інвертору вже зарядився) і вносять необхідні корективи.