W instalacjach fotowoltaicznych pracujących w trybie off-grid istotną rolę odgrywa urządzenie odpowiadające za nadzór nad procesem ładowania akumulatora prądem stałym wytwarzanym przez moduły PV. Montuje się je pomiędzy panelami a odbiornikami energii elektrycznej, aby zapewnić odpowiedni przebieg ładowania i rozładowywania magazynu energii. Poprzez zastosowanie automatycznej kompensacji parametrów, systemów zabezpieczających oraz funkcji odłączania obciążenia w przypadku zbyt niskiego poziomu naładowania, możliwe jest istotne wydłużenie czasu eksploatacji akumulatorów i utrzymanie ich w dobrym stanie technicznym.
Przeczytaj także:
- Co to jest efekt LID w fotowoltaice?
- Jak poradzić sobie z przegrzewaniem się magazynów energii?
- Jak działają magazyny energii w niskich temperaturach?
Co to jest MPPT?
MPPT, czyli metoda śledzenia punktu największej mocy, polega na ciągłym dostosowywaniu parametrów pracy instalacji fotowoltaicznej w taki sposób, aby uzyskana moc była możliwie najwyższa. W przypadku, gdy energia przekazywana jest do sieci elektroenergetycznej, funkcja ta realizowana jest przez układ wbudowany w inwerter. Gdy natomiast energia trafia do akumulatorów w systemach autonomicznych, za realizację procesu odpowiada odpowiedni regulator ładowania.
Działanie MPPT opiera się na sterowaniu napięciem obciążenia, ponieważ moc uzależniona jest od jego wartości oraz od natężenia prądu. Poszukiwanie punktu maksymalnej mocy sprowadza się zatem do znalezienia takiego napięcia, przy którym iloczyn napięcia i natężenia osiąga najwyższą wartość. W początkowym zakresie zwiększanie napięcia prowadzi do wzrostu mocy, jednak po przekroczeniu pewnego poziomu moc zaczyna spadać, co wynika z charakterystyki modułu PV. Ta charakterystyka opisuje zależność pomiędzy napięciem a natężeniem prądu, jaki przepływa przez urządzenie. Punkt największej mocy to miejsce, w którym prostokąt utworzony przez wartości napięcia i prądu ma największe pole powierzchni, co odzwierciedla największą moc możliwą do uzyskania z danego modułu.
Jak działa regulator MPPT?
Wyznaczenie punktu największej mocy w instalacji fotowoltaicznej nie należy do zadań prostych, mimo że proces ten jest niezbędny do zapewnienia wysokiej efektywności pracy systemu. Wymaga to zastosowania odpowiednich algorytmów, które potrafią dostosować parametry obciążenia do warunków pracy modułów.
Jednym ze sposobów realizacji tego zadania jest metoda polegająca na cyklicznej zmianie napięcia i obserwacji reakcji układu. W przypadku stwierdzenia wzrostu mocy, napięcie zwiększane jest dalej, aż do momentu, gdy dalsza zmiana zaczyna powodować jej spadek. Działanie układu opiera się na nieustannym balansowaniu wokół punktu optymalnego, co skutkuje pewnymi wahaniami parametrów.
Innym podejściem jest analiza zmian wartości napięcia i natężenia w odpowiedzi na drobne zaburzenia, co pozwala bardziej precyzyjnie określić, w którym kierunku należy zmodyfikować ustawienia. Choć metoda ta jest bardziej wymagająca obliczeniowo, zapewnia większą stabilność działania.
W niektórych przypadkach stosuje się również rozwiązania oparte na pomiarze temperatury ogniw, przy założeniu, że zmiany temperatury wpływają bezpośrednio na napięcie. Podejście to może być skuteczne przy równomiernym oświetleniu, lecz traci sens w sytuacji, gdy moduły są częściowo zacienione.
Występowanie cienia w sposób nierównomierny powoduje dodatkowe trudności, ponieważ prowadzi do pojawienia się wielu punktów lokalnego maksimum. Tylko jeden z nich odpowiada rzeczywistemu maksimum mocy dla całego systemu, a jego odnalezienie wymaga znacznie bardziej zaawansowanej analizy.
Regulator ładowania MPPT czy regulator PWM?
Nie wszystkie regulatory ładowania wyposażone są w funkcję śledzenia punktu maksymalnej mocy i nie w każdej sytuacji jej obecność okazuje się konieczna. W prostszych układach stosuje się urządzenia typu PWM, które działają bez mechanizmów optymalizujących moc.
Choć regulatory MPPT są zauważalnie droższe – ich koszt może być nawet dwukrotnie wyższy w porównaniu do wariantów PWM – to zapewniają większą efektywność pracy oraz umożliwiają zastosowanie większej liczby modułów fotowoltaicznych w jednej instalacji. Dzięki temu możliwe jest lepsze wykorzystanie dostępnej energii słonecznej w bardziej wymagających warunkach pracy.
Regulatory ładowania nadzorują pracę akumulatora w celu zabezpieczenia go przed uszkodzeniem wynikającym z nadmiernego rozładowania lub przeładowania. Działanie tych urządzeń opiera się głównie na kontroli napięcia. Dla systemów 12-woltowych wartości napięcia mieszczą się zazwyczaj w przedziale od 10,8 do 14,4 woltów. Przekroczenie tych granic skutkuje automatycznym odłączeniem akumulatora w celu ochrony jego struktury chemicznej i wydłużenia żywotności.
W czasie ładowania przez instalację fotowoltaiczną, regulatory – niezależnie od typu – zapobiegają przekroczeniu dopuszczalnych wartości napięcia. Bez ich udziału podłączenie modułów o napięciu rzędu 40 woltów bezpośrednio do akumulatora 12-woltowego prowadziłoby do jego uszkodzenia.
Różnice między typami regulatorów uwidaczniają się w sposobie zarządzania napięciem. Urządzenia typu PWM redukują je poprzez proste odcięcie nadmiaru, co wiąże się z pewną stratą energii. W przypadku rozwiązań MPPT stosowana jest przetwornica typu DC-DC, która umożliwia przekształcenie wysokiego napięcia pochodzącego z paneli na wartość odpowiednią dla akumulatora. Taki sposób działania pozwala na lepsze wykorzystanie dostępnej energii.
Zastosowanie regulatorów typu PWM wymaga dostosowania napięcia instalacji fotowoltaicznej do napięcia systemu magazynowania energii. W trakcie doboru należy uwzględnić wpływ temperatury, która obniża napięcie pracy modułów PV, co przekłada się na konieczność wyboru odpowiednich parametrów napięciowych. Przykładowo, dla akumulatora 12-woltowego zalecane jest napięcie robocze modułów wynoszące około 18 woltów, natomiast dla systemu 48-woltowego – około 60 woltów.
Mimo prawidłowego dopasowania parametrów, efektywność układów PWM pozostaje niższa niż w przypadku rozwiązań opartych na technologii MPPT – różnica ta może wynosić od 10 do nawet 25 procent. W mniejszych instalacjach takie ograniczenia bywają akceptowalne, jednak w większych systemach straty energii stają się znaczące, zwłaszcza gdy napięcie modułów znacznie przekracza wartość napięcia akumulatora. W takich przypadkach konieczne jest zastosowanie regulatora MPPT, który dzięki przetwarzaniu napięcia pozwala na lepsze wykorzystanie potencjału generowanego przez panele.
Obecność dobrze działającego MPPT wpływa na utrzymanie wysokiego poziomu mocy także w warunkach obniżonego nasłonecznienia lub częściowego zacienienia. Wydajność całej instalacji zależy w dużej mierze od jakości zastosowanego układu śledzenia mocy, co stanowi istotny argument za wyborem podzespołów pochodzących od uznanych producentów.
