MPPT Сонячної панелі

Вступ

solar-panels
На сьогодні дедалі зростає інтерес до джерел альтернативної енергії. Зі збільшенням рівня свідомості сучасних цивілізацій альтернативні джерела енергії витісняють застарілі, екологічно небезпечні. Акумуляція сонячної енергії – це простий, умоглядний та, найголовніше, сприятливий для довкілля спосіб задовольнити споживацькі потреби. Проте сонячна енергетика зіштовхнулася із досі недостатньо дослідженими властивостями матеріалів, що здатні трансформувати енергію сонця. Експериментально було визначено деякі закономірності роботи сонячних панелей, що надало початок широкому полю методів для їхньої оптимізації.
Перехід на нові засоби електропостачання набуває масової тенденції у високорозвинених країнах світу. Наразі відомо такі шляхи видобутку природної енергії: вітровий, водний, геотермальний та сонячні станції.
У практичному плані використання сонячних електростанцій переважає : їх розташування не має значних обмежень, адже сонячні панелі можна встановити на дахах будь-яких будинків, на поверхні електромобіля, літака, космічної станції або в чистому полі. Саме через це вони стали популярними у всьому світі. Однак різні чинники довкілля впливають на роботу панелі, що не завжди призводить до хороших наслідків. Тому винайшли методи, що зводять ці ризики до можливого мінімуму.

Історія

Властивість деяких матеріалів створювати електричний струм під дією світла відкрив у 1839 році Олександр Едмон Беккерель, батько Анрі Беккереля – першовідкривача радіоактивності. Пройшло тридцять чотири роки, коли два англійських фізика, Вільям Адамс та Річард Дей, створили публікацію, де були записи про експерименти з дією світла на селеновмісні фотоелементи.
first SP

Початкові серії сонячних панелей мали вкрай низькі показники ККД (<2%), але вже на початку другої половини дев’ятнадцятого сторіччя почали випускати ефективні панелі та модернізувати їх, підбираючи оптимальні матеріали.SP efficiencies
Графік ефективності різних сонячних панелей з 1976 року (США)

Будова сонячної панелі

  1. Фотоелектричний елемент: неоднорідний кристалічний напівпровідниковий матеріал
  2. Фотоелектрична комірка: фотоелемент із покриттям для нейтралізації втрати енергії через віддзеркалення світла, укомплектований провідниками для передачі електричного струму
  3. Фотомодуль: сукупність фотоелектричних комірок, певним чином під’єднаних одна до одної.
  4. Сонячна панель: група з’єднаних фотомодулів
  5. Сонячна станція: сонячні панелі скомпоновані із системами акумуляторів, приладами для збору даних з панелей та її регуляції

Базові відомості

Фотони, що пройшли крізь склоподібну поверхню фотоелемента і не віддзеркалилися, поглинаються електронами напівпровідникового матеріалу, надаючи їм достатньо енергії, щоб відірватися від атомних орбіталей та стати вільними. Вільні електрони починають рухатися хаотично, що не можна назвати струмом. Тому до верхньої половини напівпровідника додають домішки н-елементів, що збільшує кількість вільних електронів, а до нижньої – р-елементи, які збільшують кількість дірок, тим самим, утворюючи р-н перехід.

Solar panel

  1. З н-елементними домішками
  2. З р-елементними домішками
  3. Споживач струму

Так фотони, іонізуючи атоми, вивільнюють достатню кількість електронів, що концентруються в одній половині, та дірок – в іншій, для того, щоб новоутворене електричне поле створило струм, коли панель замикають в електричному колі із якимось споживачем (резистором).

Вольт-амперна характеристика сонячної панелі

Сонячна панель має свою вольт-амперну характеристику, яка подається у вигляді нелінійної кривої:
VAC of SP
На верхньому графіку зображена ВАХ панелі, на нижньому – залежність потужності від напруги (P-V).
MPP

Як можна побачити, існує тільки одне значення напруги, при якому потужність максимальна. Саме тут виникає задача втримати роботу панелі у точці її максимальної потужності, залежно від сили струму та напруги.

Що впливає на ВАХ сонячної панелі

На їхнє значення впливає температура, інсоляція та властивості матеріалу панелі.

Вплив температури

VAC depends on T
За графіком можна встановити, що температура негативно впливає на панель: чим вона більше, тим менших значень набуватиме струм і напруга.

Вплив інсоляції

VAC depends on IN
Інсоляція дорівнює кількості енергії, що отримує площа поверхні від Сонця, за одиницю часу: [Ін]=A/(t*m2)=W/m2 . За графіком зрозуміло, що великі значення інсоляції покращують ВАХ панелі. Значення поглинутої енергії Сонця залежить від кількості фотонів, що потрапляють на панель( це змінюється із хмарністю), положенням Сонця та іншими кліматичними явищами. Для отримання найбільшого значення поглинутої енергії панель має стояти перпендикулярно до сонячних променів.

Заборонена зона

Ефективність поглинання сонячної енергії , крім інсоляції, залежить від деякої характеристики матеріалу фотоелемента. Справа в тому, що в твердих тілах існують значення енергій, яких не можуть набувати електрони. Такий діапазон зветься «Забороненою зоною». Тому буває ситуація, коли потрібно стільки енергії, щоб іонізувати атом і утворити пару електрон-дірка, скільки електрону поглинути заборонено. Тоді відбувається повне розсіювання світла, що зменшує ефективність панелі. Тобто фотони відносно надто високих енергій не можуть забезпечити інсоляцію, оскільки потрапляють у Заборонену зону.

Оптимізація сонячної панелі

MPP Graph
При складанні електричного кола, де джерелом струму є сонячна панель, з’являється потреба у регулюванні напруги. Адже ВАХ панелі постійно змінюється. Тобто, коли коло замикається, стан панелі відповідає якомусь значенню напруги і струму у ВАХ , відповідному значенню потужності, і постійно змінюється. Одразу незрозуміло чи є це станом Максимальної потужності. Оскільки нам відомо про загальний вид графіку ВАХ (перетворена логарифмічна залежність) та потужності, можемо використати той факт, що графік P(U) має одну точку екстремуму, що є максимумом.

Оптимізація сонячної панелі методом похідної

SP optimization
Нехай ми запам’ятали початковий стан панелі (U1 та I1) . Знайдемо похідну потужності при U1 , яка дорівнює тангенсу кута між дотичною до графіка у цій точці та додатнім напрямом абсциси. Якщо значення dU1 /dI1 додатнє, то точка (U1 , I1) знаходиться зліва від точки максимальної потужності (ТМП) , як показано на графіку. Тоді для оптимізації панелі треба збільшити напругу в колі. Проте, якщо похідна від’ємна, то точка знаходиться справа від ТМП (U2 та I2) , і напругу треба зменшити. Отже, визначаючи знак похідної, треба збільшувати або зменшувати напругу до тих пір, поки похідна дорівнюватиме нулю або буде близька до нуля за значенням.

Оптимізація методом втручання та спостереження

SP optimization second method
Запам’ятаймо початкове значення струму, напруги та потужності в колі панелі (U, I та P=U*I). Потім збільшимо напругу на деяку малу величину. Зафіксуємо нові дані (U2, I2 та P2=U2*I2). Вирішальним кроком буде порівняння першого значення потужності та останнього. Якщо P> P2 , то реальна точка потужності знаходиться правіше ТМП (див. графік), і напругу треба зменшити. Відповідно, якщо P< P2 , то точка потужності знаходиться зліва від ТМП, і напругу треба збільшити. Отже, при постійній зміні напруги і перевірці нерівності попередньої та поточної напруги, стан панелі буде близьким до ТМП.

Оптимізація методом лінійної залежності MPP від напруги на відкритому колі

Цей метод використовує приблизну лінійну залежність напруги максимальної потужності від напруги відкритого кола, що змінюється залежно від освітлення та температури: VMPP = k1VOC, де
k1 – це константа, що залежить від ВАХ панелі за різних показників освітлення та температури.
Для визначення константи потрібно відключати перетворювач струму від кола, щоб отримати VOC , але це призведе до значних втрат енергії. Тому, використовують декілька окремих фотоелементів, які не живлять коло струмом, а тільки визначають k1 .

Оптимізація методом лінійної залежності струму MPP від струму короткого замикання

Цей метод використовує приблизну лінійну залежність струму максимальної потужності від струму короткого замикання, що змінюється залежно від освітлення та температури: IMPP = k2Isc, де
k2 – це константа, що залежить від ВАХ панелі за різних умов освітлення та температури.
Як і у попередньому методі, потрібні додаткові фотоелементи, що пропускатимуть струм короткого замикання при різних умовах, для визначення k2.

Широтно-імпульсний перетворювач (The DC-DC Boost Converter)

Щоб втілити різні методи оптимізації панелі у дію, треба використати пристрій, який може змінювати внутрішню напругу кола панелі на якесь мінімальне значення або коли відоме точне значення бажаної напруги. Цю функцію може виконувати широтно-імпульсний перетворювач.
ШІП – це електронний пристрій, що трансформує напругу шляхом зміни прогальності (тобто частоти імпульсів електричного струму).
Для керування прогальністю (D) використовують її відсоткове значення:

D= VOC / VMPP (якщо треба зменшити напругу);
D= (VOC – VMPP ) / VOC (якщо треба збільшити напругу);

DC-DC Boost Converter
Vin – напруга у контурі панелі (або масиву панелей), Vout – напруга на зовнішньому контурі із нагрузкою(навантаженням?), BK Leg (контур для зменшення напруги), BST Leg (контур для збільшення напруги), Q1, Q4 – транзистори, L1 – котушка індуктивності (акумулює енергію струму та передає її далі).
Коли потрібно зменшити вихідну напругу, здійснюються операції у контурі для пониження напруги BK Leg так, щоб частота зміни стану транзистору (Відкритий/закритий) зменшувалася. Тоді L1 акумулюватиме меншу кількість енергії за певний час і, як наслідок, передаватиме менший струм у контур з Vout. Він відповідатиме меншому значенню напруги.
Тобто, на прикладі методу Втручання і спостереження, коли за алгоритмом потрібно зменшити напругу, один з транзисторів ШІМ зменшує частоту зміни стану на якусь сталу одиницю та виконує потрібні перетворення.

MPPT-контролер

MPPT
MPPT (maximum power point tracking) – пошук точки максимальної потужності. Апаратним засобом для його здійснення є MPPT-контролер, що включає ШІП.

Share this Post

Leave a Comment