Mi az MPPT?

Szóval itt van egy vicces dolog, ami múlt kedden történt. Kávéztam Dave-vel a beszerzési csapatunkból (tudod, az a fickó, aki mindig panaszkodik a beszállítói átfutási időkre), és megkérdezte tőlem: "Mi ez az MPPT-cucc, amiről folyamatosan beszélsz a K+F megbeszéléseken?"

Jogos kérdés, tényleg. Úgy szórjuk ezeket a rövidítéseket, mint a konfettit egy esküvőn, de a legtöbb mérnöki buborékon kívüli embernek fogalma sincs, miről beszélünk.

Az MPPT a Maximum Power Point Tracking rövidítése. És nem, annak ellenére, ahogy egyes értékesítési prospektusok hangoznak, ez nem valami varázslatos fekete doboz, amely csak „jobbá teszi a napelemeket”. Valójában nagyon egyszerű, ha túllépünk a megfélemlítő néven.

Rendben, képzeld el ezt. Van egy napelem a tetőn. Elég egyszerűnek tűnik – napfény éri, áram jön ki, a munka kész. Csakhogy ez nem olyan egyszerű, igaz?

A napelemek furcsák. Nem csak állandó mennyiségű energiát adnak, függetlenül attól, hogy mit csinálsz velük. Az általuk generált feszültség és áramerősség változik attól függően, hogy milyen terhelést csatlakoztatsz hozzájuk, és itt van a kitörés: a feszültségnek és az áramerősségnek csak EGY olyan kombinációja van, ahol a lehető legnagyobb teljesítményt hozzuk ki a panelből.

Ezt nevezzük Maximum Power Pointnak vagy MPP-nek. Megkapó név, tudom.

Most ez a pont folyamatosan mozog. Felhő halad át a fejünk felett? MPP mozog. Hőmérsékletváltozások? MPP mozog. Kicsit poros a panel? Kitaláltad, az MPP mozog. Mintha bekötött szemmel próbálnánk eltalálni egy mozgó célpontot.

Sarah (a vezető rendszertervezőnk – zseniális nő, borzasztó kávéízű) ezt írta le a múlt hónapban egy ügyfelének: „Képzeld el, hogy egy vödröt próbálsz megtölteni vízzel, de a csap nyomása folyamatosan változik, és folyamatosan módosítanod kell, meddig nyitod ki a szelepet, hogy a legjobb áramlási sebességet érd el.” Nem tökéletes, de a lényeg rájött.

Mielőtt az MPPT szabvány lett volna – itt az 1990-es évek közepéről beszélünk – a legtöbb napelemes rendszer úgynevezett PWM vezérlőket használt. A PWM a Pulse Width Modulation rövidítése, ami csak egy divatos módja annak, hogy elmondhassuk, hogy nagyon gyorsan be- és kikapcsolják a panel és az akkumulátor közötti kapcsolatot a töltés vezérlése érdekében.

A probléma? A PWM vezérlők alapvetően lehúzzák a panel feszültségét, hogy megfeleljen az akkumulátor feszültségének. Tehát ha van egy 36 V-os napeleme és egy 12 V-os akkumulátora, akkor csak... eldobja a feszültség egy hatalmas részét. Ez olyan, mintha vesz egy sportautót, és csak az első sebességfokozatban vezetné. Persze, működik, de mi a pokol lényege?

Valójában még mindig van egy ilyen ősi PWM egység a garázsomban egy 2009-es projektből. Ez most egy szép papírnehezék.

MPPT

Az MPPT vezérlő alapvetően más. Ahelyett, hogy a panel feszültségét lecsökkentené az akkumulátor töltöttségi szintjére, egy DC-DC átalakítót használ (gondoljon rá elektronikus sebességváltónak), hogy a magasabb feszültséget ténylegesen nagyobb árammá alakítsa alacsonyabb akkumulátorfeszültség mellett.

Itt van a fizika, de megígérem, hogy rövidre fogom: Teljesítmény=Feszültség × Áram. Tehát ha 36 V-ot kap 3 A-ról a panelről (108 W), az MPPT vezérlő ezt nagyjából 12 V-ra tudja átalakítani 9 A-en (szintén 108 W-ra, mínusz némi veszteség). Ugyanolyan energiát kap, csak más formában, mint amit az akkumulátora ténylegesen használni tud.

De várj, van még! (Túl sok információs reklámot néztem)

Az MPPT vezérlő nem csak egyszer hajtja végre ezt az átalakítást, és naponta hívja. Folyamatosan méri a panel teljesítményét, módosítja a panel terhelését, újra mér, és folyamatosan alkalmazkodik, hogy megtalálja azt az édes pontot – a Maximális teljesítménypontot –, ahol minden pillanatban a lehető legtöbb energiát vonja ki a panelből.

Ezt a táncot másodpercenként több tucatszor csinálja. Egész nap, minden nap.

Most itt válik érdekessé, és ahol a miénkhez hasonló cégek túl sok időt töltenek azzal, hogy vitatkoznak a műszaki felülvizsgálati értekezleten.

Rengeteg különböző algoritmus létezik az MPP nyomon követésére:

Zavarja meg és figyelje meg (P&O)– Ez a régi megbízható. A vezérlő egy irányba tolja a működési pontot, ellenőrzi, hogy a teljesítmény emelkedett-e vagy csökkent, majd ennek megfelelően ismét megböki. Egyszerű, hatékony, de úgy oszcillál az MPP körül, mint egy részeg, aki kulcslyukat próbál találni. Ezt használjuk a Model S-150 sorozatunkban, mert bevált és olcsón kivitelezhető.

Növekményes vezetőképesség– Matematikailag elegánsabb, állítólag pontosabb. A valóságban? Soha nem láttam, hogy drámaian jobban teljesítene, mint a P&O valós körülmények között{1}}, annak ellenére, amit az akadémiai papírok állítanak. Tavaly nyáron (2022 júniusától augusztusig) három hónapig-egymás mellett-teszteltük a kettőt egymás mellett, és a különbség az energiatermelésben kevesebb mint 2% volt. A legtöbb alkalmazásnál nem éri meg az extra feldolgozási költségeket.

Töredékes nyitott áramköri feszültség– A panel nyitott{0}}áramköri feszültsége alapján tippel. Gyors, de kevésbé pontos. Néhány olcsó kínai egység ezt használja, és láthatod – megfelelőek, de nem nagyszerűek.

Akkor minden divatos újabb módszer megvan – neurális hálózatok, fuzzy logika, csúszó mód vezérlés. És nézd, biztos vagyok benne, hogy megvan a helyük a kutatólaboratóriumokban és a niche alkalmazásokban, de a telepítések 95%-ánál? A P&O remekül végzi a dolgát.

Tom a marketing osztályunktól folyamatosan szorgalmazza, hogy az „AI{0}}powered MPPT”-t alkalmazzuk a zümmögési tényező érdekében. Folyamatosan mondogatjuk neki, hogy a neurális hálózatoknak nincs értelme ennél az alkalmazásnál, és csak növelnék a költségeket és a bonyolultságot, valódi előny nélkül. Ez a vita október óta tart. Segítség küldése.

MPPT

– De mennyivel jobb? – Minden. Egyetlen. Ügyfél. Találkozó.

Rendben, akkor itt van néhány tényleges szám a 2022-es helyszíni tesztekből:

Dél-Spanyolországban (ha kíváncsi, Málaga régióban) a következőket láttuk:

MPPT vs PWM: átlagosan 25-30%-kal több energiát takarítanak be

Legjobb javulás: 45% (ez decemberben volt részleges árnyékolással)

Legrosszabb javulás: 15% (-nyár közepe, tiszta napok, amikor még a PWM is viszonylag jól működik)

A javulás akkor a legnagyobb, ha:

A panel feszültsége sokkal magasabb, mint az akkumulátor feszültsége

Részleges árnyékolása van

A hőmérséklet nagyon változó

Nem egyező panelek vannak a tömbben

Akkor a legkisebb, amikor minden ideális – ami a való világban alapvetően sohasem.

Nem untatlak egy teljes kapcsolási rajzzal, de itt van az alapvető topológia:

A legtöbb MPPT vezérlő egy buck konvertert (lépés-lefelé), boost konvertert (step-up) vagy buck-boost konvertert (mindkettőt képes) használ teljesítményfokozatként. Általában buck topológiát alkalmazunk, mert a legtöbb napelem nagyobb feszültségű, mint az általuk töltött akkumulátorok.

A vezérlő rész általában a következőket tartalmazza:

Mikrokontroller (prémium sorozatunkban STM32 sorozatot használunk)

Feszültség- és áramérzékelők

Hőmérséklet-érzékelők (a panelhez, az akkumulátorhoz és a vezérlőhöz)

Valamiféle felhasználói felület (LCD képernyő, Bluetooth, bármi)

Tényleg ennyi. A varázslat a szoftverben rejlik – az algoritmusban, amely eldönti, hogyan állítsa be a működési pontot.

A jövő hónapban bemutatott új Model X{2}}300 (hivatalos bejelentés a SolarTech Expón március 8-án Amszterdamban – jöjjön, köszöntse el, ha ott van!) kétmagos processzort használ, így az MPPT algoritmustól függetlenül futtathatjuk a biztonsági felügyeletet. Kicsit túlzás? Talán. De miután a versenytárs egysége tavaly kigyulladt Ausztráliában (neveket nem mondok, de valószínűleg hallottál róla), nem kockáztatunk.

"Az MPPT több energiát biztosít a panelekből"– Nem. A paneled azt állítja elő, amit a napfény alapján. Az MPPT csak azt biztosítja, hogy az összes rendelkezésre álló energiát HASZNÁLJA, ahelyett, hogy elpazarolná.

"Nincs szükség MPPT-re kis rendszerekkel"– Szemét. Még egy kis rendszer is előnyös. Természetesen az abszolút energianyereség kisebb, de százalékos-arányosan ugyanaz.

"Az MPPT csak rács{0}}rendszerekhez használható"- Szintén rossz. Kiválóan működik az akkumulátor töltéséhez, ami tulajdonképpen az eladásaink nagy része.

"Az összes MPPT vezérlő alapvetően ugyanaz"– Hah! Mondja el ezt a mérnöki csapatnak. Hónapokat töltünk a hatékonyság, a hőkezelés és a megbízhatóság optimalizálásával. De bevallom, az átlagos felhasználó számára egy 50 GBP-os kínai egység és a 400 GBP-os vezérlőnklátszikhasonló. Amíg az olcsó fél év után meghibásodik, azaz.

Nézze, el kellene árulnom a termékeinket, de megmondom őszintén (ne mondd el a főnökömnek, hogy ezt mondtam):

Ha nagyon kicsi rendszere (50 W alatti), rövid kábelfutása van, a panel feszültsége szorosan megegyezik az akkumulátor feszültségével, és szűkös a költségvetése – a PWM jó lehet. Hagy egy kis energiát az asztalon, de néha ez elfogadható kompromisszum-.

Tavaly volt egy ügyfelünk, aki egy kis meteorológiai állomást szeretett volna táplálni a Skót Felföldön. 20W panel, 12 V-os akkumulátor, 30 GBP költségkeret. Ajánlottam egy olcsó PWM vezérlőt. Mindenesetre megvette az MPPT egységünket, mert "a legjobbat akarta". Igaz, ez az ő pénze, de a megtérülés valószínűleg soha nem.

Hová tart ez a technológia? Nos, látunk néhány trendet:

Elosztott MPPT– Egy nagy vezérlő helyett az egész tömbhöz kisebb optimalizálók minden panelen. Jobb árnyékoláshoz, de növeli a költségeket és a bonyolultságot. Jelenleg ezeket teszteljük egy kísérleti projektben Norvégiában.

Felhőkapcsolat– Mindenki azt akarja, hogy a napelemes vezérlője beszéljen az okostelefonjával. Persze, miért ne. Az alkalmazásunk valójában elég tisztességes, még ha magam mondom is. Megtekintheti a valós idejű teljesítményt,{3}}előzményadatokat, és figyelmezteti, ha valami baj van. A múlt héten közzétettünk egy frissítést, amely javítja az akkumulátor állapotát-a-töltésbecsléshez – korábban körülbelül 5%-kal túl optimista volt.

Jobb algoritmusok– Ez az én személyes megszállottságom. Dolgoztam egy prediktív algoritmuson, amely az időjárás-előrejelzési adatok alapján{1}}előzetesen módosítja a nyomkövetési paramétereket. Működik? Néha. Megéri az erőfeszítést? A zsűri még mindig kint van.

MPPT

Elég régóta csinálom ezt ahhoz, hogy ismerje a gyakori hibákat:

Méretezze meg megfelelően– Ne vegyél 60A-es MPPT vezérlőt 10A-es panelhez. Ez pazarló. Ugyanígy ne méretezze alul azt gondolva, hogy pénzt takarít meg. Csak megsérül, ha később elkerülhetetlenül további paneleket ad hozzá.

Tartsa hidegen– Ezek a dolgok hőt termelnek. Ne szerelje fel zárt dobozba közvetlen napfénynek kitéve. Igen, az emberek valóban ezt teszik. Nem, nem értem miért.

Akkumulátor hőmérséklet érzékelő– Használd! A töltési feszültségnek hőmérséklet--kompenzáltnak kell lennie. A szobahőmérséklet és a Szahara közepe eltérő feszültséget igényel.

Kábel méretezés– OLYAN sok hívást kapunk arról, hogy a vezérlők nem működnek megfelelően, és szinte mindig az alulméretezett kábelek okozzák a feszültségesést. Használja weboldalunkon található véres kábelméret kalkulátort.

A beállítások számítanak– Az alapértelmezett beállítások konzervatívak. Olvassa el a kézikönyvet (tudom, megdöbbentő javaslat), és állítsa be az adott akkumulátortípushoz.

Szóval, mi az az MPPT? Ez alapvetően egy intelligens elektronikus párkereső, amely biztosítja, hogy a napelem és az akkumulátor a lehető leghatékonyabban működjön együtt, folyamatosan alkalmazkodva a változó körülményekhez, hogy minden lehetséges wattot kifacsarjon a beállításból.

Megéri? A legtöbb telepítéshez feltétlenül. Az MPPT vezérlő többletköltsége a PWM-hez képest egy-két éven belül megtérül az energiatermelés növekedésével.

Elfogultak vagyunk, mert eladjuk őket? Persze. De mi is hiszünk bennük, különben nem töltöttük volna az elmúlt 15 évet a technológia finomításával és vitathatatlanul a legjobb MPPT vezérlők megépítésével a piacon. (És igen, tudom, hogy minden cég ezt mondja, de a miénk valójában. Küzdj velem.)

Mindenesetre, ha kérdése van, tegye fel kommentben, vagy írjon nekem egy e-mailt. Vagy még jobb, ha elkapok a márciusi amszterdami kiállításon. Én leszek az, aki túl sok kávét iszom, és elmagyarázom az MPPT-t mindenkinek, aki hallgat.

Ja, és egy gyorscsatlakozó – párosítsa MPPT-jét egyionos lítium akkumulátorha lehet. A gyorstöltési karakterisztika valójában lehetővé teszi a vezérlő megfelelő működését a rövid téli napokon. Tavaly óta teszteljük ezt a kombót, és a hatékonyságnövekedés őszintén említésre méltó.