Czym jest regulator MPPT i jak działa?
Czym jest regulator MPPT i jak działa
MPPT, czyli śledzenie punktu mocy maksymalnej, pozwala na uzyskanie najwyższej możliwej wydajności instalacji fotowoltaicznej w zmiennych warunkach nasłonecznienia, przy występowaniu zacienienia lub wahań temperatury paneli. Dzięki tej technologii możliwe jest dostosowanie pracy systemu do bieżących warunków, co pozwala na maksymalizację produkcji energii. Czym dokładnie jest MPPT i jak działa?
Przeczytaj także:
- BMS w magazynie energii – co to jest i jak działa system zarządzania baterią?
- Jak podłączyć magazyn energii do zwykłego falownika?
- Kim jest agregator energii?
Czym jest regulator MPPT?
MPPT (Maximum Power Point Tracking) to algorytm stosowany w falownikach fotowoltaicznych, którego zadaniem jest wydobycie maksymalnej mocy z modułów w danych warunkach pracy. Szczególne znaczenie ma on w sytuacjach, gdy panele są częściowo zacienione, ponieważ bez takiego rozwiązania ilość energii pozyskiwanej z instalacji byłaby znacznie mniejsza.
Zadaniem algorytmu jest ograniczanie negatywnego wpływu zacienienia na uzysk mocy. Zostało to potwierdzone w licznych badaniach, w tym przez Międzynarodową Agencję Energetyczną. Nadal jednak pewnym ograniczeniem pozostaje fakt, że wiele falowników wykorzystuje wyłącznie tzw. lokalny MPPT, co w określonych sytuacjach prowadzi do spadku mocy nawet o 30%. Jedynie zastosowanie globalnego regulatora mocy pozwala uniknąć tak dużych strat i zapewnia optymalne działanie całej instalacji.
Jak działa regulator MPPT do falowników fotowoltaicznych?
Wyznaczenie optymalnej charakterystyki obciążenia instalacji fotowoltaicznej nie należy do prostych zadań, ponieważ pojawia się wiele czynników utrudniających ten proces. Stosowane są różne metody śledzenia punktu mocy maksymalnej, z których każda charakteryzuje się innym sposobem działania oraz dokładnością wyników.
W metodzie perturbacji układ zmienia napięcie i obserwuje odpowiadającą mu moc, zwiększając napięcie tak długo, aż dalsze zmiany prowadzą do spadku uzysku. Rozwiązanie to prowadzi jednak do oscylacji wartości. W podejściu opartym na metodzie przewodności przyrostowej analizowane są przyrostowe zmiany napięcia i natężenia, dzięki czemu można przewidzieć efekt kolejnych korekt i osiągnąć większą dokładność bez wahań mocy. Istnieje również metoda oparta na pomiarze temperatury ogniwa, która zakłada, że to właśnie ona wpływa na napięcie modułu – rozwiązanie skuteczne wyłącznie w warunkach pełnego nasłonecznienia, ale niewystarczające przy występowaniu cienia.
Dodatkowym problemem jest niejednorodne zacienienie, które powoduje powstawanie wielu lokalnych punktów mocy maksymalnej. Tylko jeden z nich stanowi rzeczywisty punkt odniesienia dla całego systemu, co stanowi poważne wyzwanie w procesie sterowania. Zatrzymanie się algorytmu MPPT na lokalnym punkcie mocy prowadzi do nieoptymalnej pracy instalacji przez cały czas trwania zacienienia modułów. Urządzenia wyższej jakości wyposażane są w rozwiązania umożliwiające śledzenie globalnego punktu mocy. Dzięki temu znacznie skuteczniej radzą sobie z problemem cienia. Szczegółowe mechanizmy tych algorytmów stanowią zazwyczaj tajemnicę producentów i są jednym z powodów, dla których systemy oparte na droższych podzespołach osiągają lepsze wyniki.
Wszystkie falowniki stosowane w instalacjach podłączonych do sieci posiadają układy MPPT w różnych wariantach. W przypadku systemów działających poza siecią możliwe jest natomiast zastosowanie prostszych regulatorów ładowania PWM, które nie posiadają funkcji śledzenia punktu mocy, ale charakteryzują się niższym kosztem zakupu.
Jaką funkcję pełni dioda bocznikująca w przypadku zacienienia paneli fotowoltaicznych?
W przypadku częściowego zacienienia paneli fotowoltaicznych charakterystyka prądowo-napięciowa staje się bardziej złożona. Krzywe IV uzyskiwane dla modułów znajdujących się w cieniu różnią się od tych obserwowanych w panelach w pełnym nasłonecznieniu, zwłaszcza w zakresie natężenia prądu możliwego do wygenerowania. Kiedy jeden z modułów otrzymuje mniejszą ilość promieniowania słonecznego, spada moc całego łańcucha, ponieważ prąd przepływający przez szereg modułów nie może być większy niż ten wytwarzany przez najbardziej zacieniony element układu.
Dzięki zastosowaniu diod bocznikujących można omijać zacienione moduły i utrzymywać pracę łańcucha paneli na wyższym poziomie wydajności. W efekcie charakterystyka prądowo-napięciowa różni się od tej, która występuje w przypadku braku cienia. Diody bocznikujące działają jak elementy odcinające moduł w sytuacji, gdy jego prąd jest zbyt niski, kierując przepływ przez obejście zamiast przez zacienione ogniwa.
Takie rozwiązanie sprawia, że na wykresie charakterystyki pojawiają się dwa punkty maksymalnej mocy – globalny i lokalny. Globalne maksimum odpowiada sytuacji, gdy zacienione moduły zostają pominięte, co skutkuje wyższym natężeniem prądu przy niższym napięciu. Lokalny punkt maksymalny występuje natomiast w chwili, gdy moduły pozostają włączone i prowadzi to do pracy przy niższym prądzie i wyższym napięciu.
Zdolność falownika do rozpoznawania globalnego punktu mocy zależy od zastosowanego algorytmu MPPT. To, jak często analizowana jest krzywa prądowo-napięciowa oraz z jaką dokładnością odbywa się to w danym urządzeniu, uzależnione jest od producenta i konkretnego modelu falownika.
Nie każdy falownik został wyposażony w funkcję globalnego MPPT. Część urządzeń działa wyłącznie w trybie lokalnym, w którym wszystkie moduły pozostają włączone, bez możliwości ich pominięcia. Rozwiązanie to może być wystarczające w miejscach, gdzie zacienienie nie występuje, ponieważ punkt mocy maksymalnej utrzymuje się w stabilnym obszarze, a diody bocznikujące nie muszą być aktywowane. W takiej sytuacji nie ma potrzeby przeszukiwania całej krzywej prądowo-napięciowej.
W nowoczesnych instalacjach przeznaczonych do zastosowań domowych najczęściej stosuje się falowniki z globalnym MPPT, ponieważ zacienienie wywołane drzewami czy innymi przeszkodami pojawia się dość często. Brak tej funkcji w inwerterze może prowadzić do ograniczenia ilości energii wytwarzanej przez instalację, szczególnie w warunkach, gdy różnice w nasłonecznieniu poszczególnych modułów są wyraźne.
Jakie są tryby pracy w urządzeniach z technologią MPPT?
Niektóre falowniki zostały zaprojektowane w taki sposób, aby umożliwiać pracę w różnych trybach wyszukiwania punktu mocy maksymalnej. Dostępne są rozwiązania pozwalające na jednorazowe pełne skanowanie, opcja uruchamiana o określonej porze dnia w sytuacjach przewidywanego zacienienia oraz tryb wykonywany cyklicznie w regularnych odstępach czasu. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie pracy urządzenia do warunków panujących w danej instalacji i optymalizacja jej wydajności.
Warto zauważyć, że stosowane są różne algorytmy wyszukiwania punktu mocy maksymalnej, które różnią się między sobą skutecznością, czasem reakcji oraz kosztami wdrożenia. To sprawia, że w zależności od producenta i modelu falownika sposób działania układu MPPT może wyglądać inaczej i prowadzić do zróżnicowanych rezultatów w produkcji energii.
Jakie korzyści daje stosowanie globalnego MPPT w panelach słonecznych?
Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowanie wysokiej jakości globalnego MPPT pozwala zwiększyć uzysk energii z instalacji fotowoltaicznej o ponad 6% w warunkach częściowego zacienienia oraz o około 0,5% w sytuacji pełnego nasłonecznienia. Należy jednak podkreślić, że wyniki te odnosiły się do porównania różnych algorytmów globalnego MPPT, a nie zestawienia globalnego z lokalnym trybem pracy.
W praktyce różnice pomiędzy instalacją wyposażoną w falownik z globalnym MPPT a systemem opartym na lokalnym MPPT mogą być znacznie większe. Jeden z instalatorów w Australii przeprowadził test, w którym uzyskano wynik 1.800 W dla falownika z globalnym MPPT, podczas gdy urządzenie z lokalnym MPPT osiągnęło jedynie 1.000 W, co oznaczało różnicę przekraczającą 40%.
Raport Międzynarodowej Agencji Energii wskazuje, że zastosowanie globalnego algorytmu MPPT w postaci Multi-Peak Scanning w falownikach Huawei może w określonych warunkach zapewniać lepsze rezultaty niż użycie optymalizatora, umożliwiając uzyskanie wyższej mocy z modułu fotowoltaicznego.