Dobór parametrów panela PV do regulatora MPPT

Dobór parametrów panela PV do regulatora MPPT

Zawartość

1.Sposoby łączenia paneli PV. ... 2

1.1 Połączenie równoległe. ... 2

1.2 Połączenie szeregowe. ... 3

1.3 Ogólne zasady łączenia paneli. ... 3

2. Omówienie parametrów regulatorów MPPT. ... 3

3. Dobór parametrów paneli PV. ... 5

4.Wnioski. ... 8

5. Suplement. Zysk ze stosowania regulatora MPPT. ... 9

5.1 MPPT100/20 Victron ... 9

5.2 MPPT100/20 vs Tracer 2210. ... 9

Rysunek 1.Przykład równoległego łączenia paneli fotowoltaicznych. ... 2

Rysunek 2. Moc maksymalna trzech paneli z rysunku 1. ... 2

Rysunek 3. Przykład połączenie szeregowego paneli fotowoltaicznych. ... 3

Rysunek 4. Zmiany napięcia panela w funkcji temperatury. ... 6

Rysunek 5. Sprawność regulator w funkcji mocy. ... 8

Rysunek 6. Zysk w % uzyskany przy zamianie regulatora PWM na MPPT w zależności od napięcia panela. .... 10

Rysunek 7. Zysk w % uzyskany przy zamianie regulatora PWM na MPPT w zależności od napięcia panela. .... 10

Tabela 1. Parametry regulatorów. ... 4

Tabela 2. Pametry panela w skrajnych temperaturach. ... 5

Tabela 3. Dopasowanie parametrów panela do regulatora. ... 7

Tabela 4. Zysk energetyczny w porównaniu do regulatora PWM. ... 9

Regulatory będące przedmiotem porównania:

-MPPT 100/20/48

-Tracer 2210

1.Sposoby łączenia paneli PV.

1.1 Połączenie równoległe.

Przy połączeniu równoległym należy zastosować diody blokujące. Konieczność stosowania diod blokujących zapobiegnie wstecznemu przepływowi prądu w przypadku znacznej różnicy napięć jałowych połączonych paneli, oraz w przypadku całkowitego lub częściowego zacienienia jednego z paneli.

Nie można dopuścić do sytuacji gdy prąd zwrotny panela przekracza 80% prądu maksymalnego. Przekroczenie tego prądu może skutkować zniszczeniem panela a w ekstremalnym przypadku pożarem kampera. (Jeden taki przypadek jest mi znany)

Rysunek 1.Przykład równoległego łączenia paneli fotowoltaicznych.

W tym przypadku napięcie układu otwartego (nie obciążonego) będzie wynosiło 27V, a prąd maksymalny będzie sumą prądów czyli 10,5 A. Przy prądzie maksymalnym napięcie na panelech będzie nie większe niż 23V.

W przypadku równoległego połączenia paneli fotowoltaicznych jak na rysunku 1, mamy do czynienia z kilkoma lokalnymi punktami mocy maksymalnej (Multi-Mpp). Określenie tych punktów jest możliwe albo metodą pomiarów albo też można je mniej lub bardziej dokładnie policzyć.

Rysunek 2. Moc maksymalna trzech paneli z rysunku 1.

Analizując powyższą charakterystykę powstaje pytanie:

Czy regulator MPPT wyłapie maksimum globalne czy też ustawi się w przypadkowym maksimum?

Odp:

Jeżeli chodzi o regulatory będące przedmiotem naszego zainteresowanie, to oba poradzą sobie doskonale i znajdą największą dostępną moc w układzie.

Wyciąg z dokumentacji:

Victron:

„If partial shading occurs, two or more maximum power points may be present on the power-voltage curve.

Conventional MPPTs tend to lock to a local MPP, which may not be the optimum MPP.The innovative BlueSolar algorithm will always maximize energy harvest by locking to the optimum MPP.”

Tracer 2210:

„..Algorytm MPPT, wykorzystywany przez ten kontroler może natomiast szybko i dokładnie śledzić rzeczywisty MPP i w konsekwencji umożliwia pełne wykorzystania energii

z paneli i pozwala uniknąć ich marnotrawienia…”

Jeżeli chodzi i inne regulatory to sprawa nie jest oczywista. Może zdarzyć się tak, że regulator wyłapie lokalne a nie globalne maksimum mocy i moc naszych paneli nie będzie w pełni wykorzystana.

1.2 Połączenie szeregowe.

Rysunek 3. Przykład połączenie szeregowego paneli fotowoltaicznych.

W przypadku szeregowego łączenia napięcie układu otwartego (nie obciążonego) będzie sumą napięć poszczególnych paneli, tu będzie to 75V, a prąd maksymalny będzie wynosił 1A.

W warunkach równomiernego oświetlenia punkt mocy maksymalnej będzie jeden i w przybliżeniu określą go wartości Umpp=75 i Impp=1A. Należy zwrócić uwagę, że mocy wynikowa w takiej konfiguracji będzie mniejsza niż moc jednego panala P1.

W przypadku połączenia szeregowego również mogą się pojawić lokalne punkty mocy maksymalnej. Będą one powstawały w momencie silnego zacienienia fragmentów panela. Analiza takich przypadków nie jest jednak trywialna.

1.3 Ogólne zasady łączenia paneli.

Zarówno w przypadku łączenia szeregowego jak i równoległego dobrą praktyką jest łączenie takich samych paneli o takich samych napięciach i prądach. W przypadku połączeń równoległych należy stosować diody blokujące, w przypadku szeregowych diody by-pass (o ile ich nie ma w panelu)

Łącząc panele szeregowo lub równolegle należy zwrócić szczególną uwagę na parametry regulatora do którego takie panele będą podłączone, tak aby mieścić się zakresach dopuszczalnych i wymagalnych przez dany regulator. Dobór tych parametrów dla regulatorów MPPT 100/20 i Tracer 2210 będzie przedmiotem dalszych rozważań.

2. Omówienie parametrów regulatorów MPPT.

Parametry istotne dla nas z punktu widzenie doboru panela (paneli) do regulatora to:

Napięcie systemu

Maksymalny, ciągły prąd ładowania

Minimalne napięcie wejściowe przy którym regulator wejdzie w tryb MPPT Maksymalne napięcie wejściowe

Maksymalny prąd wejściowy

Maksymalna moc panela dołączonego do regulatora Zakres temperatur pracy

Sprawność

Parametry regulatora Victron pochodzą ze strony:

https://www.victronenergy.pl/upload/documents/Datasheet-SmartSolar-charge-controller-MPPT-75-10,-75-15,- 100-15,-100-20_48V-EN.pdf

Parametry regulatora Tracer 2210 pochodzą ze strony:

https://www.epsolarpv.com/upload/file/1811/Tracer-AN-SMS-EL-V1.0.pdf i

http://epsolar.pl/files/docs/pliki/Instr_Tracer_2210_2215-RN.pdf Tu konieczna jest uwaga ogólna:

W dostępnej mi dokumentacji (instrukcji obsługi ) Tracer-a jest niestety wiele błędów. Niektóre z nich wynikają z niepoprawnego tłumaczenia. Te dane, na które powołuję się w dalszej części tekstu wydają się jednak być poprawne. Tam gdzie są wątpliwości starałem się to zaznaczyć.

W dokumentacji VICTRON-a błędów chyba nie ma za to niektóre dane nie są podane „wprost”.

Na stronie www jednego z polskich dystrybutorów VICTRON-s są natomiast błędnie zinterpretowane parametry jednego z regulatorów, mianowicie MPPT 75/10.

W tłumaczeniach różnych dokumentacji bardzo często pojawiają się następujące błędy:

Maksymalna moc panela jest mylona z maksymalną mocą pobieraną z panela.

Znamionowa moc panela jest mylona z maksymalną mocą panela.

Jednostka VICTRON

MPPT 100/20-48 Tracer 2210

Napięcie systemu [V] 12 12

Maksymalny ciągły prąd ładowania [A] 20 20

Minimalne napięcie wejściowe [1] [V] 19,4 16,4

Maksymalne napięcie wejsciowe [2] [V] 100 92 [86,4]

Maksymalny prąd wejściowy [3] [A] 20 bd [20]

Maksymalna moc dołączonego

panela [4] W 2000 780

Zakres temperatur pracy C -30 do +60 -25 do +45

Sprawność maksymalna [5] % 98 99,5

Tabela 1. Parametry regulatorów.

Uwagi do tabeli:

VICTRON

[1] Napięcie minimalne nie jest podane jawnie. Wartość tego napięcia wynika z notatki 1b) w karcie katalogowej Dla naszych potrzeb przyjąłem napięcie 14,4 V + 5V=19,4V

[2] Nie jest podany zakres poszukiwania mocy maksymalnej . Dlatego należy założyć , że zakres ten mieści w zakresie od napięcia minimalnego do maksymalnego. czyli 19.4V do 100 V

[3] Ograniczenie prądu jest podane w sposób jawny. Przekroczenie tego prądu może uszkodzić regulator.

[4] Maksymalna moc panela nie jest podana jawnie. Ograniczenia dotyczą maksymalnego prądu i napięcia wejściowego.

Ponieważ brak jest innych ograniczeń to moc maksymalna jest określona przez napięcie i prąd maksymalny dołączonego panela.

[5] Jest to sprawność maksymalna. Nie wiemy natomiast jak wygląda sprawność w funkcji napięcia lub mocy. Na pewno nie jest to wartość stała w całym zakresie napięć lub mocy.

TRACER 2210

[1] i [2]Maksymalne napięcie wejściowe dla temp 25 C wynosi 92V. Ale zakres punktów mocy maksymalnej leży w zakresie Ubat+2 do 72V. Dla napięcia akumulatora 14, 14V przyjmujemy więc zakres napięć wejściowych 16,4V do 86,4V

[3] Producent nie podał danych. Dopuszcza co prawda prąd wejściowy wyższy niż 20A ale nie podaje żadnych ograniczeń. Należy założyć, że prąd wejściowy nie może przekroczyć 20A - inaczej stosowanie regulatora MPPT traci sens

[5] W specyfikacji ogólnej podana jest wartość 99,5%. Załączone wykresy pokazują jednak coś innego. Obiektywnie: Sprawności 99,5 % dość trudno dać wiarę.

3. Dobór parametrów paneli PV.

Na podstawie tabeli z rysunku 4 można określić graniczne parametry paneli fotowoltaicznych podłączonych do poszczególnych regulatorów.

Jedno stka

VICTRON MPPT

100/20-48 Tracer 2210

Temp =

-25C

Temp = 20C

Temp = +65C

Temp = -25C

Temp = 20C

Temp = +65C Napięcie systemu [V] 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 Maksymalny ciągły prąd

ładowania [A] 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00

Minimalne napięcie

wejściowe [V] 22,46 19,40 16,34 18,98 16,40 13,82

Maksymalne napięcie

wejsciowe [V] 115,75 100,00 84,25 100,01 86,40 72,79

Maksymalny prąd

wejściowy [A] 19,82 20,00 20,18 19,82 20,00 20,18

Maksymalna moc

dołączonego panela W 2294,17 2000,0

0 1700,17 780,00 780,00 780,00 Sprawność maksymalna % 98,00 98,00 98,00

86 do96

86

do96 86 do96 Zmiana prądu panela w

funkcji temp %/1C 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

Zmiana napięcia panela

w funkcji temp %/1C -0,35 -0,35 -0,35 -0,35 -0,35 -0,35

Tabela 2. Pametry panela w skrajnych temperaturach.

W kolumnach środkowych przedstawione są parametry paneli dla temperatury 20 C. W kolumnach z prawej i lewej strony są wyliczone wartości parametrów dla temperatury +65C i -25C.

Przyjęto do obliczeń zmianę - 0,35% napięcia panela PV na 1C i +0,015% prądu panela na każdy 1C

Uwaga:

Jeżeli chodzi o zmianę prądu w funkcji temperatury to są dość istotne różnice pomiędzy panelami mono i polikrystalicznymi. Dla jednych współczynnik jest dodatni dla drugich ujemny. Na szczęście wartość współczynnika jest niewielka i w zasadzie ta zmiana może być pominięta.

Odczytanie informacji z tabeli:

Victron:

Jeżeli użyjemy panela o napięciu 19,4V/20A (kolumna środkowa) to w temperaturze

+65C napięcie na panelu wyniesie 16,34V i regulator przestanie pracować w trybie MPPT, natomiast prąd panela wyniesie 20,2A i przekroczy dopuszczalny prąd regulatora. Jest źle.

Jeżeli użyjemy panela o napięciu 100V/20A (kolumna środkowa) to w temperaturze

-20C napięcie na panelu wyniesie 115,75V i przekroczymy dopuszczalne napięcie wejściowe. Jest źle.

Zestaw regulator plus panel, który będzie poprawnie pracował w temperaturze nominalnej 20C, nie będzie pracował poprawnie w założonym zakresie temperatur. Mało tego, jeżeli użyjemy panela 100V to przy temperaturze -25C może nastąpić uszkodzenie regulatora.

Tracer:

Jeżeli użyjemy panela o napięciu 16,4V/20A (kolumna środkowa) to w temperaturze

+65C napięcie na panelu wyniesie 13,82V i regulator przestanie pracować w trybie MPPT, natomiast prąd panela wyniesie 20,2A i przekroczy dopuszczalny prąd regulatora. Z prądem ten regulator sobie poradzi ale i tak jest źle.

Jeżeli użyjemy panela o napięciu 86,4V/20A (kolumna środkowa) to w temperaturze

-20C napięcie na panelu wyniesie 100V i przekroczymy dopuszczalne napięcie wejściowe. Jest źle.

Podobnie jak wyżej, zestaw regulator plus panel, który będzie poprawnie pracował w temperaturze nominalnej 20C, nie będzie pracował poprawnie w założonym zakresie temperatur.

Rysunek 4. Zmiany napięcia panela w funkcji temperatury.

Więc teraz próba dopasowania parametrów do regulatora i do warunków zewnętrznych:

Jednos tka

VICTRON MPPT 100/20-

48 Tracer 2210

Temp = -

25C

Temp = 20C

Temp = +65C

Temp = - 25C

Temp = 20C

Temp = +65C Napięcie systemu [V] 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 12,00 Maksymalny ciągły prąd

ładowania [A] 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00

Minimalne napięcie

wejściowe [V] 27,78 24,00 20,22 23,15 20,00 16,85

Maksymalne napięcie

wejsciowe [V] 98,39 85,00 71,61 85,66 74,00 62,35

Maksymalny prąd

wejściowy [A] 19,82 20,00 20,18 19,82 20,00 20,18

Maksymalna moc

dołączonego panela W 1950,04 1700,00 1445,14 780,00 780,00 780,00 Sprawność maksymalna % 98,00 98,00 98,00 86 do96 86 do96 86 do96 Zmiana prądu panela w

funkcji temp %/1C 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02

Zmiana napięcia panela w

funkcji temp %/1C -0,35 -0,35 -0,35 -0,35 -0,35 -0,35

Tabela 3. Dopasowanie parametrów panela do regulatora.

Odczytanie informacji z tabeli:

Victron:

Aby zapewnić poprawne działanie regulatora w zakresie temperatur od -25C do +65C należy zastosować panel lub zestaw połączonych paneli spełniających parametry :

24V<Napięcie otwarte<85V Prąd zwarciowy panela<20A

Tracer:

Aby zapewnić poprawne działanie regulatora w zakresie temperatur od -25C do +45C należy zastosować panel lub zestaw połączonych paneli spełniających parametry :

20V<Napięcie otwarte<74V Prąd zwarciowy panela<20A

Uwaga: Powyższe rozważania zakładają brak spadku napięcia na przewodach łączących panel z regulatorem.

Należy założyć, że taki spadek będzie wynosił co najmniej 1,5V plus 0,7V spadku napięcia na diodach blokujących ( o ile będą), w zakresie napięć minimalnych.

Dlatego też bezpieczne parametry w powyższym zakresie temperatur będą wynosiły:

Victron:

26,2V<Napięcie otwarte<85V Prąd zwarciowy panela<20A

Tracer:

22,2V<Napięcie otwarte<74V Prąd zwarciowy panela<20A

Ważne jest to, że jeżeli mieścimy się w zakresie napięć i prądów określonych przez producenta regulatora to nasz system będzie działał poprawnie zarówno w warunkach słabego jak i normalnego oświetlenia.

Dodatkowo z charakterystyk opublikowanych w instrukcji Tracer-a wynika, że lepszą wydajność osiągniemy przy niższych napięciach panela PV.

Rysunek 5. Sprawność regulator w funkcji mocy.

4.Wnioski.

Przy doborze paneli PV do danego regulatora należy uwzględnić:

-zmiany napięcia na panelu w zakładanym przez nas zakresie temperatur, -spadek napięcia na przewodach łączących regulator z panelem,

-spadek napięcia na diodzie blokującej, W temperaturach na końcach zakresów mamy:

Dla temperatur wysokich:

-znaczny spadek napięcia panela, w wysokości około 0,35%/1C, -spadek napięcia na przewodach łączących regulator z panelem.

-spadek napięcia na diodzie blokującej.

Nie uwzględnienie spadków napięć może spowodować, że w wysokiej temperaturze napięcie na panelach obniży się do wartości, przy której regulator nie będzie poprawnie pracował.

Dla temperatur niskich:

-znaczny wzrost napięcia panela, w wysokości około 0,35%/1C, -spadek napięcia na przewodach łączących regulator z panelem.

-spadek napięcia na diodzie blokującej.

Wzrost napięcia spowodowany obniżeniem temperatury może spowodować, że do regulatora będzie podane zbyt wysokie napięcie i ten zostanie uszkodzony.

W przypadku gdy mieścimy się w wymaganym przez regulator zakresie napięć (Rysunek 4), który wynosi odpowiednio:

19,4V<U<100V dla Victron-a 16,4V<U<86,4V dla Tracer-a

jedyną przesłanką o tym czy napięcie panela (lub połączonych paneli) ma być wyższe lub niższe, jest zależność sprawności od napięcia.

Na podstawie Rysunku 8 widać, że dla regulatora TRACER sprawność jest w znacznym stopniu wyższa przy niższych napięciach.

Dla regulatora VICTRON- brak danych.

5. Suplement. Zysk ze stosowania regulatora MPPT.

Producenci regulatorów podają różne wielkości zysku jaki osiągniemy stosując MPPT zamiast PWM.

5.1 MPPT100/20 Victron

Spróbujmy dokonać pewnych obliczeń.

Założenia:

-panel pracuje w temperaturze normalnej 20C

-używamy regulatora MPPT firmy VICTRON MPPT 100/20/48 -instalacja 12 V

-obliczenia wykonujemy dla napięcia ładowania 13,5V -zakładamy „apetyt” akumulatora na prąd w wysokości 20A -używamy dwóch paneli o parametrach 105 Wp; 21V/5A -sprawność regulatora 98%

-zysk zdefiniujemy jako:

gdzie:

Pmpp- moc uzyskana przy zastosowaniu regulatora MPPT Ppwm- moc uzyskana przy pomocy regulatora PWM

MPPT

100/20

MPPT

100/20 PWM

połączenie

równoległe

połączenie szeregowe

połączenie równoległe

Napięcie na akumulatorze Ubat 13,5V 13,5V 13,5V

Sprawność regulatora MPPT w % 98 98

Napięcie Umpp 21 42 21

Prąd Impp 10 5 10

Moc Umpp*Impp 210 210 210

Prąd akumulatora=sprawność *Pmpp/Ubat 15,2 15,2

Prąd akumulator = Impp 10

Moc Ppwm =Ubat*Ibat 135

Moc Pmpp=Ubat*Ibat 205,8 205,8

zysk=100%*(Pmpp-Ppwm)/Pmpp w %

Tabela 4. Zysk energetyczny w porównaniu do regulatora PWM.

Tabela pokazuje różnicę pomiędzy podłączeniem dwóch paneli 21V/5A do regulatora MPPT i PWM.

Zysk który otrzymamy w przypadku podłączenia dwóch paneli do regulatora MPPT wynosi 34,4% i nie zależy od tego czy połączenie paneli jest szeregowe czy równoległe.

5.2 MPPT100/20 vs Tracer 2210.

Jeżeli nasz system fotowoltaiczny pracuje z regulatorem PWM, to zazwyczaj napięcie paneli będzie wynosiło 17,5V-23V. Jeżeli chcemy zmienić regulator na MPPT to aby oszacować zysk można posiłkować się poniższymi wykresami. Należy jednak pamiętać o wymaganiach narzucanych przez zakres temperatur, w których mogą pracować panele.

Rysunek 6. Zysk w % uzyskany przy zamianie regulatora PWM na MPPT w zależności od napięcia panela.

Rysunek 7. Zysk w % uzyskany przy zamianie regulatora PWM na MPPT w zależności od napięcia panela.

Wydawać by się mogło, że regulator VICTRON jest lepszy od regulatora TRACER, bo w tym pierwszym najniższy zysk to ok. 30% a w tym drugim ok. 15%.

Jest to wniosek fałszywy gdyż Victron staruje przy wyższym napięciu i te 30% jest dla wyższego napięcia niż w przypadku Tracer-a.

Należy jeszcze zauważyć, że gdybyśmy dokonali obliczeń dla napięcia wysokiego np. 50V to zysk będzie wynosił ok. 70 %. Tyle tylko że taka sytuacje jest nierealna i nie spotykana, gdyż nikt nie stosuje panela 50V z regulatorem PWM .

Odpowiedź na pytanie ogólne:

Czy warto stosować regulatory MPPT?

Tak, warto. Pod warunkiem, że napięcie paneli będzie dobrane zarówno do regulatora jak i zakładanych zmian temperatury.

Sławomir Binder

s.binder@kamper-serwis.pl