MPPT solarni punjač

UVOD

U ovom tutorijalu upoznat ćemo se s posebnom vrstom punjača koji se koristi sa solarnim panelima. Ova vrsta punjača će iz panela iskoristiti maksimalnu snagu kako bi gubici bili što manji, a radi se o MPPT solarnom punjaču. Što je MPPT, kako radi i zašto se koristi saznat ćemo u nastavku, te ćemo objasniti kako povezati ovaj punjač.

KAKO RADI?

Solarni panel se sastoji od solarnih ćelija te nam svaka ćelija daje određenu struju i napon. Kako bi dobili veću struju ćelije se spajaju paralelno, a za veći napon ćelije spajamo serijski. Takav solarni panel nam daje određenu struju pri određenom naponu što možemo vidjeti na I-V grafu.
Ako vučemo veću struju iz panela napon se smanjuje, a ako imamo maju struju napon se povećava do nazivne vrijednosti napona panela. Napon i struja odnosno snaga koju panel može dati ovisi i o sunčevom zračenju te o temperaturi na kojoj panel radi. Ako je zračenje veće, a temperatura manja dobit ćemo veći napon i struju odnosno veću snagu, a ako imamo višu temperaturu, a manje zračenje dobit ćemo manju snagu iz panela, što znači da je snaga proporcionalna zračenju, a obrnuto proporcionalna temperaturi.

Kao što vidimo na I-V grafu imamo radnu točku ( koja ovisi o temperaturi i zračenju) u kojoj za određeni napon (ili struju) dobivamo maksimalnu snagu iz panela. Kako nam napon i struja panela nisu jednaki potrebama baterije(trošila), odnosno baterija će određivati napon i struju te panel neće uvijek davati maksimalnu snagu. Kako bi se to izbjeglo te kako bi uvijek iskoristili maksimalnu snagu panela koristi se MPPT punjač.
MPPT(Maximum Power Point Tracker) (pratitelj točke maksimalne snage) je zapravo algoritam koji traži točku maksimalne snage. On pronalazi napon pri kojemu se iz panela dobije maksimalna snaga za trenutne uvjete (temperaturu i zračenje) te onda taj napon pomoću pretvarača pretvori u vrijednost koja je potrebna bateriji kako bi se baterija punila maksimalnom strujom. Kako se s promjenom temperature i zračenja stalno mijenja i točka maksimalne snage stalno moramo prilagođavati napon panela tako da dobijemo maksimalnu snagu.
Ovakvim punjačem pri visokim temperaturama i niskom zračenju možemo izvući više energije jer panel radi u točki u kojoj dobivamo najveću snagu. Pogodni su za korištenje kada imamo ovakve uvjete gdje trebamo dobiti što više energije u lošim uvjetima za panele.

MPPT TEHNIKE

Kako bi naš punjač pronašao napon pri kojem dobijemo maksimalnu snagu iz panela može se koristiti više tehnika kojima se traži napon.
Tehnike se dijele na direktne i indirektne te ćemo objasniti najvažnije tehnike koje se koriste. Direktne trenutno mjere napon i struju panela te računaju snagu te prema tome podešavaju točku maksimalne snage. Indirektne metode imaju konstantnu vrijednost napona koja se prije podešava pa onda rade s tim vrijednostima odnosno ne mjere vrijednosti u stvarnom vremenu.
Direktne tehnike:
•Naruši i osmotri tehnika (Perturb and observe)
•Tehnika inkrementalne vodljivosti (Incremental Conduction)
Indirektne tehnike:
•Tehnika konstantnog napona (Fixed voltage)
•Frakcijski napon otvorenog kruga (Fractional Open Circuit Voltage)
Naruši i osmotri tehnika
Ova tehnika za određeni napon mjeri struju i računa snagu. Ako je snaga veća od prethodne snage onda još povećava napon za određeni korak te ponavlja postupak izračuna dok dobivena snaga ne bude manja od prethodne snage što bi značilo da smo prošli točku maksimalne snage te se trebamo vratiti nazad. Ako se vrijednost zračenja mijenja brže nego što nam je potrebno za pronaći točku maksimalne snage može doći do pogreške jer će se izmjeriti jedna vrijednost i obrađivati, a stvarne vrijednosti će biti drukčije. Ako nam je korak napona velik onda nikada nećemo moći postići točku maksimalne snage, a ako je pre mali onda će nam trebati puno koraka da dođemo do točke maksimalne snage tako da treba naći optimum te odabrati dobar korak promjene napona.

Na slici vidimo da za točku A treba povećati napon kako bi se došlo bliže točki maksimalne snage. Dok se je vršio računanje promijenilo se je zračenje te sada imamo novu krivulju, ali algoritam to ne zna jer ima podatke od prošlog mjerenja kada je zračenje bilo veće. Zbog toga ćemo proći točku maksimalne snage na novoj krivulji, ali ako usporedimo točku A i B vidimo da u B imamo veću snagu, te će algoritam izračunati da treba još povećati napon, a zapravo treba smanjiti da dobijemo maksimalnu snagu. U ovom slučaju imat ćemo pogrešku te će trebati vremena da se ona ispravi i da dobijemo maksimalnu snagu iz panela.
 
Tehnika inkrementalne vodljivosti
Ova tehnika koristi derivacije (promjene) napona i struje kako bi odredila treba li povećati napon ili smanjiti kako bi dostigli maksimalnu snagu panela. Prvo se izmjeri napon i struja te odredi njihova promjena(derivacija) tako što se oduzme prethodno izmjerena vrijednost od trenutne vrijednosti.
Kada podijelimo promjenu struje s promjenom napona dobijemo vodljivost. Na slici vidimo kada je radna točka lijevo odnosno desno od točke maksimalne snage. Ako je promjena struje podijeljena s promjenom napona jednaka negativnoj vrijednosti struje podijeljene s naponom onda se nalazimo u točki maksimalne snage.

 
Tehnika konstantnog napona
Tehnika konstantnog napona koristi konstantan napon koji se podesi odnosno koji korisnik podesi za određeno zračenje. Ova metoda nije previše efikasna zato što se uvjeti (zračenje i temperatura) stalno mijenjaju pa se s time mijenja i položaj točke maksimalne snage, ali je najjednostavnija pa se zato i koristi.
Kod ove metode potrebno je napon točke maksimalne snage podesiti barem 2 puta, za zimske uvjet i za ljetne uvjete jer tu imamo najveću promjenu uvjeta pa samim time i napona točke maksimalne snage.
 
Frakcijski napon otvorenog kruga
Napon točke maksimalne snage možemo dobiti ako napon otvorenog kruga pomnožimo s aproksimacijskom konstantom. Kako koristimo aproksimacijsku konstantu nećemo uvijek dobiti točku maksimalne snage nego će snaga biti nešto manja, ali jako blizu maksimalne snage. Ova tehnika je jednostavna jer nemamo potrebu za prevelikim računanjem i mjerenjem, ali javlja se problem što moramo mjeriti napon otvorenog kruga odnosno napon kada paneli nisu spojeni na ništa. To bi značilo da pri svakom mjerenju moramo odspojiti panele što nije moguće pa se za ovu tehniku koristiti dodatna mjerna ćelija na kojoj mjerimo napon i koja se postavlja na isto mjesto s panelima kako bi imali jednake uvijete.

KAKO POVEZATI?

Ovaj punjač je lako povezati, spajamo ga između panela i baterije, te na njega možemo spojiti i trošilo. Punjač se može napajati panelima od 5 V do 32 V, a može puniti litijske(Li-ion, Li-poly, LiFePO4) baterije u kombinacijama 1S(jedna baterija), 2S(2 serijski spojene baterije), 3S(3 serijski spojene baterije) i 4S(4 serijski spojene baterije) odnosno do 14.4 V. Promjenom otpornika na pločici odabiremo konfiguraciju (1S,2S,3S ili 4S), a dolazi konfiguriran za 1S.
Bateriju može puniti strujom do 2A, a promjenom jumpera na pločici tu vrijednost možemo promijeniti na 0.5 A, 1 A, 1.5 A ili maksimalnih 2 A.
Promjenom vrijednosti potenciometra na pločici podešavamo MPPT točku zato što ovaj punjač koristi tehniku konstantnog napona. MPPT točku podešavamo tako da okrećemo potenciometar dok je panel na najjačem suncu kojemu će biti izložen te treba podesiti napon na točki „MPPT SET“ na 2.8V.
 
Proračun otpornika za različite konfiguracije baterija(1S, 2S, 3S, 4S)
Vrijednost otpornika s kojim mijenjamo konfiguraciju (1S,2S,3S ili 4S) možemo izračunati prema formulama ovisno koliko baterija imamo spojenih u seriju(max. 4 baterije).
Prvo izračunamo omjer RFB2/RFB1=3,3/(Vbat-3,3)
Ovisno koliko imamo baterija moramo promijeniti Vbat ( 1S>Vbat=3,6V, 2S> Vbat=2*3,6=7,2V )
Za primjer ćemo uzeti da imamo 3 baterije spojene serijski, te imamo Vbat= 10,8V
RFB2/RFB1=3,3/(10,8-3,3)=0,44
Struja kroz RFB2 treba biti između 10 i 15uA, ako odaberemo struju od 15uA pri naponu od 3,3V otpor RFB2 će nam iznositi 220 kOhm.
RFB2=3,3/15uA
Sada kada znamo RFB2 te znamo odnos RFB2/RFB1 možemo izračunati RFB1.
RFB1=220k/0,44=500 kOhm
Ukupan otpor koji vidi Vfb pin treba biti 250 kOhm te ćemo RFB3 odabrati tako da nam on zajedno sa RFB1 i RFB2 bude upravo ta vrijednost. RFB1 i RFB2 su spojeni paralelno pa ćemo njihov ukupan otpor izračunati prema sljedećoj formuli.
RFB1||RFB2=RFB1*RFB2/(RFB1+RFB2)
A RFB3 ćemo dobiti ako od 250 kOhm oduzmemo RFB1||RFB2
RFB3=250k- 152,78=97,2 kOhm
Kako smo dobili vrijednost od 97.2 kOhm što nije standardna vrijednost uzet ćemo 100 kOhm.
Kada izračunamo vrijednosti sva tri otpornika trebamo ih samo zamijeniti, a gdje se koji otpornik nalazi označeno je na slici.

Leave a Reply