Sonkragbatterylaaiers en reguleerders, ‘n evolusionêre verbetering – deel 3
In die eerste artikel van hierdie reeks het ons ‘n inleiding tot die evolusie van batterylaaiers en reguleerdes vir sonkragstelsels gegee en ook die aftakreguleerder bespreek.
In die opvolg-artikel het ons die serie-reguleerder en die PWM-reguleerder bespreek.
Met hierdie artikel wil ons graag die MPPT-laaier en reguleerder bekyk.
MPPT-laaier en reguleerder:
Laaiers en reguleerders wat van Maksimum Drywingspuntvolging (Maximum Power Point Tracking) of MPPT gebruik maak is ‘n uitbreiding op die aanwending van hoë-frekwensievermoeëns wat deur PWM-reguleerders gebied word. In al die voorafgaande reguleerders wat tot dusver bespreek is word die sonpaneelspanning onveranderd na die batterypak oorgedra terwyl elektriese stoombeheer deur aan- en afskakeling bewerkstellig word – hetsy direk of teen ‘n hoë frekwensie met PWM. Batteryspanning word dus voortdurend gemonitor en die laaistroom vanaf die sonpanele word hiervolgens aangepas.
Die MPPT-laaier en reguleerder is ‘n verbetering op die voorafgaande reguleerders deurdat die spannings- en stroomuitset van die sonpaneel deurlopend aangepas word ten einde ‘n optimum spanning- en stroominset vir die batterypak te verkry, of vir die kragnetwerk in die geval van ‘n netvas-stelsel.
Waarom is hierdie aanpassing nodig?
In die meegaande grafiek word die elektriese eienskappe van ‘n fiktiewe sonpaneel getoon. Die sonpaneel-karakteristieke word in terme van uitsetspanning en uitsetstroom teen verskillende vlakke van son-irradiansie by ‘n sonseltemperatuur van 25°C geplot. ‘n Aantal kurwes word getoon van stroom by ‘n sekere son-irradiansie terwyl die uitsetspanning verhoog vanaf kortsluitomstandighede (V = 0 volt) tot by die sonpaneel se opebaanspanning (V = Voc).
Deur hierdie VI-kurwe te gebruik kan ‘n uitsetdrywingskurwe ( P = V x I ) geplot word teen die sonpaneel se uitsetspanning – die oranje strepieslyn soos getoon. Hieruit kan ons sien dat die drywing verhoog soos wat die uitsetspanning groter word tot op ‘n sekere punt waar die uitsetstroom begin afneem en die gevolglike uitsetdrywing ook begin afneem. Hierdie punt is die maksimum drywingspunt en geld vir ‘n sekere son-irradiansie by ‘n sekere sonseltemperatuur.
Daarom, onder praktiese omstandighede, wissel die drywingsuitset van die sonpaneel as gevolg van wisselende son-irradiansie op die sonpaneel soos die son gedurende die dag verskuif. Dit gebeur ook as gevolg van seisoensveranderinge en as gevolg van skaduwees wat deur wolke en ander voorwerpe veroorsaak word. Veranderinge in sonpaneeltemperatuur veroorsaak verder ook ‘n wisselende drywingsuitset.
Die doel van die MPPT-reguleerder is om te verseker dat die sonpaneeluitset onder alle omstandighede by die maksimum drywingpunt sal funksioneer. Hierdie is ‘n intensiewe taak wat die MPPT-reguleerder onderneem omdat daar inderdaad ‘n oneindige aantal maksimumdrywingspunte bestaan, want die omgewingssituasie wissel werklik van oomblik tot oomblik.
Waaruit bestaan die MPPT-laaier en reguleerder?
Die MPPT-laaier en reguleerder bestaan in hoofsaak uit twee komponente, ‘n skakelmodus gelykstroom na gelykstroom (DC-DC) -omsetter asook ‘n MPPT-beheerder.
Die DC-DC -omsetter word gebruik om die gelykstroomuitsetspanning van die sonpaneel om te skakel na ‘n hoër of laer insetspanning vir die battery en hierdie spanning te varieer met die oogmerk om die mees doeltreffende drywingsoordrag te verkry. Die DC-DC -omsetter werk op ‘n skakelmodus (switch mode) -grondslag. Skakelmoduskragbronne funksioneer op die beginsel dat ‘n elektiese stroom deur ‘n induktor met ‘n transistor aan- en afgeskakel word. Dié skakeling vind plaas teen ‘n hoë frekwensie met ‘n sekere AAN/AF-verhouding of dienssiklus (D). Afhangende van die skakelmodustopologie en die waarde van D, kan die uitsetspanning van die DC-DC -omsetter óf verhoog óf verlaag word. In sommige topologieë kan selfs ‘n omgekeerde (negatiewe) uitsetspanning verkry word.
In die MPPT-toepassing word hoofsaaklik van die “Boost” en die “Buck-Boost” -topologie gebruik gemaak. Met die “Boost”-topologie kan die die sonpaneel se uitsetspanning slegs verhoog word terwyl die “Buck-Boost”-topologie die sonpaneel se uitsetspanning beide kan verlaag en verhoog – alhoewel die uitsetspanning negatief is.
Net so terloops… ‘n baie interessante meganiese analogie vir die elektriese skakelmoduskragbron kan in die rampomp gevind word.
Die MPPT-beheerder word gebruik om die skakelmodus DC-DC -omsetter se uitset intelligent te beheer. Dit word gedoen deur pulse teen ‘n sekere pulsfrekwensie met ‘n varierende dienssiklus (D) met behulp van ‘n modulasie sein op te wek. Hierdie proses staan bekend as PWM of pulswydtemodulasie. Die PWM-uitset word gebruik vir aan- en afskakeling van die interne hoëdrywingstransistor in die DC-DC omsetter.
Die modulasie-sein word verkry deur die wiskundige verwerking van oombliklike uitsetspannings en -strome vanaf die sonpaneel, die batterystand wat deur terminaalspanning gereflekteer word, maar ook ander insette. Oombliklike uitsetspannings en uitsetstrome word op gereelde intervalle vanaf die sonpaneel verkry en met mekaar vermenigvuldig ten einde ‘n oombliklike uitsetdrywing vir die sonpaneel te bepaal.
Opvolgende uitsetdrywings word met mekaar vergelyk om te bepaal of die batterylaaispanning vergroot of verklein moet word ten einde die maksimumdrywingspunt te bereik. Verskeie beheeralgoritmes bestaan om die maksimumdrywingspunt te bepaal en te handhaaf waarvan die Steur-en-kyk metode (Perturb and Observe) en die Inkrementele konduktansie tegniek (Incremental Conductance) die bekendste is.
Watter voordele hou die gebruik van ‘n MPPT-laaier en reguleerder in?
- Outomatiese aanpassing van die sonpaneelrangskikking by die batterypak:
Oor die algemeen word sonpanele in parallel geskakel om die effek van skaduwees op die sonpanele te minimeer. Die uitset van so ‘n sonpaneelrangskikking is daarom gewoonlik ‘n lae uitsetspanning en hoë stroom. Soms egter kan die sonpanele in serie geskakel word wat dan ‘n hoë uitset spanning en ‘n laer stoom tot gevolg het. Dit het die voordeel dat dunner geleiers vanaf die sonpanele gebruik kan word.
Batterypakke funksioneer normaalweg op of 12V, 24V of 48V spanningsvlakke. Die MPPT-reguleerder het die vermoë, binne sekere limiete, om die sonpaneel se uitsetspanning outomaties by die batterypak aan te pas terwyl krag deurlopend gelewer word by die sonpaneel se maksimum drywingspunt. Omdat die 12V-spanningstandaard gewoonlik op kleiner stelsels van toepassing is, regverdig dit weens koste-oorwegings gewoonlik nie MPPT-regulering nie.
- Kostebesparing as gevolg van verbeterde doeltreffendheid:
Daar is gevind dat MPPT-laaiers en reguleerders die doeltreffendheid van die sonpaneel tot met so veel as 30% kan verhoog – gemeet teen reguleerders wat nie van MPPT gebruik maak nie. Alhoewel die MPPT-laaier en reguleerder duurder is as PWM-reguleerders bring dit die voordeel mee dat 30% minder sonpanele aangekoop hoef te word ten einde dieselfde drywingsuitset te verkry.
- Batterylaai volgens optimale laai-algoritmes:
Ten laaste, omdat MPPT-laaiers en reguleerders die battery se insetspanning kan varieer kan dit daarom ook aangewend word as ‘n multistadia-reguleerder ten einde verskillende laaisiklusse of laai-algoritmes te implementeer soos gespesifiseer vir batterye met verskillende chemiese samestellings. Hierdeur word die veilige gebruik en aanwending van batterye bewerkstellig en die leeftyd van batterye word verleng.