Ρυθμιστής φόρτισης MPPT ή PWM? Τί να επιλέξω?
Στο παρόν άρθρο θα συγκρίνουμε τα δύο είδη ρυθμιστών φόρτισης που χρησιμοποιούνται στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα με μπαταρίες, Maximum Power Point Tracking (MPPT) και Pulse Width Modulation (PWM), και θα εξηγήσουμε γιατί θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ρυθμιστές φόρτισης με MPPT αλγόριθμο.
Για την ανάλυση θα χρησιμοποιήσουμε μονοκρυσταλλικό φωτοβολταϊκό πάνελ πυριτίου 36 κυψελών με τα εξής τεχνικά χαρακτηριστικά σε συνθήκες Standard Test Conditions (STC) (θερμοκρασία λειτουργίας 25οC, ισχύς ακτινοβολίας 1000W/m2, αέρια μάζα (AM) 1,5):
-Μέγιστη ισχύς Pm : 100Wp
-Τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος Vm : 18V
-Ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος Im : 5,56A
-Τάση ανοικτοκύκλωσης Voc : 21,6V
-Ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc : 6,12A
-Θερμοκρασιακός συντελεστής ισχύος Pm : -0,45%/oC
-Θερμοκρασιακός συντελεστής τάσης Vm : -0,47%/oC
-Θερμοκρασιακός συντελεστής ρεύματος Im : 0,02%/oC
- MPPT ρυθμιστής φόρτισης
Η σύγκριση θα βασιστεί στη χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης του φωτοβολταϊκού πάνελ. Από το σύνολο των σημείων ρεύματος-τάσης προκύπτει το σύνολο των σημείων του γινομένου ρεύματος-τάσης, δηλαδή της ισχύος και η αντίστοιχη καμπύλη ως προς την τάση:
Τα γινόμενα ρεύματος-τάσης, οι τιμές της ισχύος που αποδίδει το πάνελ, απεικονίζονται και ως εμβαδά κάτω από την καμπύλη ρεύματος-τάσης και κάθε εμβαδό αντιστοιχεί σε ένα σημείο της καμπύλης ισχύος-τάσης:
Για ένα μόνο ζεύγος τιμών ρεύματος-τάσης του πάνελ έχουμε το μέγιστο εμβαδό, δηλαδή τη μέγιστη αποδιδόμενη από το πάνελ ισχύ Pm:
- Ο MPPT ρυθμιστής φόρτισης κάνει ακριβώς αυτό : για τις εκάστοτε συνθήκες θερμοκρασίας και ηλιακής ακτινοβολίας «ανιχνεύει» το βέλτιστο σημείο Pm και «τραβάει» τη μέγιστη ισχύ από το πάνελ. Ας δούμε πώς συμβαίνει αυτό.
Ο MPPT ρυθμιστής φόρτισης είναι ένας DC σε DC μετασχηματιστής. Η ισχύς, το γινόμενο τάσης-ρεύματος, στην είσοδο και την έξοδό του είναι η ίδια, συμπεριλαμβανομένων των μικρών απωλειών ιδιοκατανάλωσής του. Στην είσοδο έχουμε υψηλότερη τάση και χαμηλότερο ρεύμα και στην έξοδο χαμηλότερη τάση και υψηλότερο ρεύμα.
Ο MPPT ρυθμιστής φόρτισης βασίζεται σε έναν αλγόριθμο προσαρμογής της τάσης στην είσοδό του που πραγματοποιεί μικρά και γρήγορα βήματα. Προσαρμόζει την τάση του πάνελ στην τιμή Vm, λαμβάνει το αντίστοιχο ρεύμα του πάνελ Im και προσεγγίζει το βέλτιστο σημείο Pm, απορροφώντας έτσι τη μέγιστη ισχύ. Αυτή η γρήγορη βηματική κίνηση προσαρμογής της τάσης λαμβάνει χώρα στις εκάστοτε συνθήκες ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας ώστε να απορροφάται αντίστοιχα η μέγιστη ισχύς που μπορεί να απορροφηθεί από αυτές τις συνθήκες. Στις παραπάνω καμπύλες στις STC συνθήκες θα προσαρμόσει την τάση του πάνελ στα 18V (Vm), θα τραβήξει αντίστοιχο ρεύμα 5,56A (Im) και θα απορροφήσει έτσι τη μέγιστη δυνατή ισχύ Pm, την ονομαστική τιμή των 100Wp.
Το φωτοβολταϊκό πάνελ συμπεριφέρεται ως πηγή ρεύματος και όχι ως πηγή τάσης. Με την μείωσης της ακτινοβολίας μειώνεται το ρεύμα που δίνει το πάνελ. Η τάση μειώνεται λιγότερο. Ο MPPT ρυθμιστής φόρτισης προσαρμόζει την τάση του πάνελ, τραβάει το αντίστοιχο ρεύμα και απορροφά τη μέγιστη δυνατή ισχύ για τις εκάστοτε συνθήκες συννεφιάς και μειωμένης ακτινοβολίας:
Με την αύξηση της θερμοκρασίας η τάση μειώνεται σύμφωνα με τον θερμοκρασιακό συντελεστή ενώ το ρεύμα παραμένει περίπου σταθερό. Πάλι ο MPPT ρυθμιστής θα προσαρμόσει την τάση του πάνελ, τα τραβήξει το αντίστοιχο ρεύμα και θα απορροφήσει τη μέγιστη δυνατή ισχύ από την κάθε θερμοκρασία λειτουργίας:
Όταν o MPPT ρυθμιστής σε συνθήκες STC φορτίζει μία σχετικά εκφόρτιστη 12βολτη μπαταρία σε μία τάση Vbat=13V, το ρεύμα φόρτισης θα είναι Ibat=100W/13V=7,7A, ούτως ώστε η ισχύς φόρτισης Pbat να είναι ίση με τη μέγιστη απορροφώμενη MPPT ισχύ Pm:
- PWM ρυθμιστής φόρτισης
Ο PWM ρυθμιστής φόρτισης δεν είναι ένας DC σε DC μετασχηματιστής. Είναι ουσιαστικά ένας διακόπτης που απλά συνδέει το φωτοβολταϊκό πάνελ με τη μπαταρία και, όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η τάση του πάνελ εξισώνεται με αυτή της μπαταρίας. Ως εκ τούτου, θεωρώντας πάλι μία σχετικά εκφόρτιστη 12βολτη μπαταρία και φόρτιση στην τιμή τάσης Vbat=13V, η τάση του πάνελ στην περίπτωση του PWM ρυθμιστή, λαμβάνοντας υπόψη μία πτώση τάσης 0,5V στα καλώδια και την ιδιοκατανάλωση του ρυθμιστή, θα προσαρμόζεται στην τιμή Vpwm=13,5V και τα ρεύματα Ipwm, Ibat θα είναι επίσης ίσα:
Αυτό σημαίνει ότι η ισχύς που απορροφά o PWM ρυθμιστής από το πάνελ είναι Ppwm=Vpwm×Ipwm=13,5V×6A=81W, στις ίδιες συνθήκες που ο MPPT ρυθμιστής απορροφά 100W.
- Σε συνθήκες STC, θερμοκρασία 25οC και ακτινοβολία 1000W/m2, o MPPT ρυθμιστής φόρτισης απορροφά από το μονοκρυσταλλικό πάνελ των 100Wp 19% περισσότερη ισχύ σε σχέση με τον PWM ρυθμιστή.
Στη συνέχεια καθώς η φόρτιση προχωράει η τάση του πάνελ και της μπαταρίας αυξάνεται σιγά-σιγά προς την τιμή απορρόφησης (absorption). Όταν φτάσει σε αυτό το στάδιο ο PWM αρχίζει να συνδέει και να αποσυνδέει το πάνελ για να αποτρέψει την υπερφόρτιση – εξ’ ου και pulse-width, παλμικής μορφής on-off φόρτιση.
Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι επιλέγοντας έναν ηλιακό ρυθμιστή φόρτισης MPPT για ένα αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα μπορούμε να κερδίσουμε πάνω από 20% ενέργεια από τον ήλιο...
