MPPT - co to jest i jak działa?

MPPT to element elektroniczny, którego zadaniem jest wyciągnąć z fotowoltaiki tyle mocy, ile tylko się da. MPPT ma znaczący wpływ na wydajność całej instalacji. W instalacjach on-grid masz do wyboru falowniki różnych marek, każda z inną filozofią dotyczącą MPPT. W instalacjach off-grid możesz zdecydować, czy w ogóle chcesz mieć MPPT, czy też wolisz tańszą instalację bez tej funkcjonalności.

W tym artykule pomożemy Ci zdobyć podstawowe informacje i dokonać świadomego wyboru!

MPPT - co to jest?

MPPT to skrót od Maximum Power Point Tracking - śledzenie punktu mocy maksymalnej. To proces dostosowywania obciążenia instalacji fotowoltaicznej w taki sposób, by odbiornik uzyskiwał jak największą moc. Gdy odbiornikiem jest sieć energetyczna, element dokonujący MPPT znajduje się w inwerterze sieciowym. Z kolei, gdy odbiornikiem jest akumulator w instalacji off-grid, MPPT znajdziemy w regulatorze ładowania, urządzeniu, które omówimy w dalszej części artykułu.

Jakim parametrem obciążenia steruje MPPT? Napięciem. Moc to iloczyn napięcia i natężenia. MPPT próbuje zatem znaleźć odpowiedź na pytanie dla jakiej wartości napięcia, moc będzie najwyższa. 

Początkowo zwiększanie napięcia zwiększa też moc. Po jakimś czasie jednak powoduje to jej obniżenie, zgodnie z charakterystyką prądowo-napięciową modułu fotowoltaicznego. Ta charakterystyka to linia opisująca zależność natężenia prądu płynącego przez badany element, od napięcia przyłożonego do jego końców.

Poniżej znajduje się charakterystyka prądowo-napięciowa modułu fotowoltaicznego z zaznaczonymi trzema punktami i trzema prostokątami przedstawiającymi uzyskiwaną moc. Punkt mocy maksymalnej MPP to punkt na linii charakterystyki prądowo-napięciowej, który jest wierzchołkiem prostokąta o największej powierzchni.

Charakterystyka napięciowo-prądowa modułu fotowoltaicznego z zaznaczonym punktem mocy maksymalnej oraz dwoma innymi punktami. Do każdego z tych punktów doprowadzono prostokąt, będący graficznym przedstawieniem uzyskiwanej mocy.

Punkt 1 ma zbyt niskie napięcie, zatem prostokąt mocy ma niewielką powierzchnię. Punkt 3 ma napięcie zbyt wysokie i również daje małą moc. Punkt mocy maksymalnej MPP to punkt 2.

Charakterystyka prądowo-napięciowa paneli fotowoltaicznych jest rozrysowana dla warunków testowych, lecz w rzeczywistości ta krzywa nieustannie zmienia swój kształt. Jest tak, dlatego że oprócz własności paneli fotowoltaicznych na ich działanie wpływają czynniki takie jak:

• Natężenie promieniowania słonecznego
• Temperatura ogniw
• Zacienienie instalacji
• Awarie modułów

Dlatego właśnie MPPT nieustannie musi “śledzić” punkt mocy maksymalnej na tej stale zmieniającej się krzywej.

Jak działa MPPT?

Zastanawiasz się jak działa MPPT i skąd może wiedzieć, gdzie jest punkt mocy maksymalnej? Określenie tego nie jest takie proste! Istnieje szereg problemów oraz metod wyznaczania optymalnej charakterystyki obciążenia instalacji fotowoltaicznej.

Niektóre metody śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPP) to:

• Metoda perturbacji i obserwacji (perturb and observe)
  Układ MPPT nieustannie zmienia napięcie i mierzy uzyskaną moc. Gdy okaże się, że zwiększając napięcie, uzyska wyższą moc, to zwiększa je jeszcze bardziej, aż do momentu, gdy zacznie ono spadać. Nawet gdy rzeczywisty MPP stoi w miejscu, napięcie i moc nieustannie oscylują.
• Metoda przewodności przyrostowej
  Układ MPPT mierzy przyrostowe zmiany napięcia i natężenia, by przewidzieć skutek zmiany napięcia. Ta metoda wymaga więcej obliczeń, lecz daje dokładniejsze wyniki i bez oscylacji napięcia i mocy.
• Metoda temperaturowa
  Tutaj zakładamy, że jedynie temperatura ma wpływ na napięcie fotowoltaiki - co jest prawdą, o ile nie ma cienia. Wystarczy zatem dokładnie mierzyć temperaturę ogniwa i porównywać ją z zadanym odniesieniem, by określić MPP. Metoda prosta, lecz zupełnie nieadekwatna w przypadku cienia.

Niejednorodny cień jest poważnym utrudnieniem dla działania MPPT, bowiem tworzy kilka punktów lokalnych mocy maksymalnej. Tylko jeden z nich jest właściwym punktem mocy dla całego układu! Przedstawia to poniższy wykres.

Wykres ukazujący charakterystykę napięciowo prądową częściowo zacienionej instalacji fotowoltaicznej z dwoma punktami lokalnymi mocy maksymalnej oraz jednym punktem globalnym mocy maksymalnej, który umożliwia uzyskanie najwyższej mocy.

Jeśli MPPT zatrzyma się na takim punkcie lokalnym i będzie go śledził, instalacja będzie działać nieoptymalnie tak długo, jak długo utrzymywać się będzie cień na modułach fotowoltaicznych. MPPT lepszych marek (np. SMA, Fronius) mają algorytmy śledzenia globalnego punktu mocy, dzięki czemu ich produkty dużo lepiej radzą sobie z cieniem. Algorytmy MPPT marek premium stanowią ich pilnie strzeżony sekret.

Wedle testów przeprowadzonych przez instytut PVEL w 2019 roku najlepsze na świecie algorytmy MPPT mają:

• Huawei
• Delta
• Schneider

Lepsze MPPT to jeden z powodów, dla których warto zapłacić więcej za system na droższych podzespołach. Inne argumenty znajdziesz w artykule o cenach instalacji fotowoltaicznej.

Wszystkie falowniki sieciowe stosowane do instalacji on-grid mają taki czy inny układ MPPT. Jednak w wypadku instalacji off-grid możemy wybrać regulatory ładowania PWM, które są pozbawione funkcji MPPT i tańsze. Kiedy można je rozważyć?

Regulator ładowania MPPT czy PWM?

Nie wszystkie regulatory mają funkcję MPPT i nie zawsze ta funkcja jest potrzebna. Regulatory ładowania bez funkcji MPPT to regulatory ładowania PWM. 

Regulatory ładowania MPPT są od 50 do 100% droższe od regulatorów PWM, jednak oferują wyższą wydajność i możliwość podłączenia większej ilości modułów fotowoltaicznych.

Zdjęcie z regulatorem ładowania PWM po lewej oraz regulatorem ładowania MPPT po prawej

Regulatory ładowania PWM	Regulatory ładowania MPPT
Tańsze	Bardziej wydajne... ... szczególnie w pochmurne dni Można podłączyć więcej paneli

Wszystkie regulatory ładowania kontrolują ładowanie i pracę akumulatora, tak by nie został on uszkodzony. Podstawowym parametrem, jaki sprawdzają i jakim sterują, jest napięcie. Dla akumulatora 12V akceptowalne napięcie wynosi od 10,8 do 14,4V. Gdy akumulator jest rozładowywany i napięcie spadnie poniżej 10,8, regulator odłączy akumulator, by uchronić go przed uszkodzeniem. Gdy napięcie wzrośnie powyżej 14,4, regulator również go odłączy, by się nie przeładował. 

Gdy fotowoltaika ładuje akumulator, regulatory PWM oraz MPPT dbają, żeby napięcie nie było zbyt wysokie. Gdybyśmy po prostu, bez regulatora, podłączyli instalację fotowoltaiczną o napięciu 40V do akumulatora o napięciu 12 V, to skończyłoby się awarią tego ostatniego. I tutaj dochodzimy do zasadniczej różnicy między PWM, a MPPT.

Regulatory PWM odcinają nadmiarowe napięcie ładowania, natomiast regulatory MPPT wyposażone są w przetwornicę DC-DC, dzięki czemu konwertują prąd o wysokim napięciu z fotowoltaiki na prąd o napięciu dostosowanym do akumulatora. W uproszczeniu PWM marnuje nadmiarową moc, a MPPT ją wykorzystuje. Ukazuje to poniższy wykres. 

Wykres ukazujący moc obciążenia instalacji fotowoltaicznej regulatorem PWM oraz regulatorem ładowania MPPT.

Na wykresie widzimy, że regulator PWM odciął napięcie na poziomie napięcia akumulatora, przez co prostokąt mocy jest mały. Regulator MPPT pozwala na wykorzystanie wyższego napięcia, a prostokąt mocy jest wyraźnie większy.

Stąd stosowanie regulatorów ładowania PWM wymaga odpowiedniego doboru napięcia instalacji fotowoltaicznej. Uwzględniając wpływ temperatury, która obniża napięcie ogniw fotowoltaicznych, uzyskujemy takie dane optymalnego doboru:

• Akumulator 12V - napięcie Ump instalacji 18V
• Akumulator 24V - napięcie Ump instalacji 32V
• Akumulator 36V - napięcie Ump instalacji 46V
• Akumulator 48V - napięcie Ump instalacji 60V

Optymalnie dobrany PWM jest gorszy od MPPT o jakieś 10-25%. Zatem w mniejszych instalacjach te straty mogą być akceptowalne. Gdybyśmy jednak do akumulatora 12V próbowali podłączyć instalację pv o napięciu 40V, straty byłyby bardzo duże. Przy większych instalacjach fotowoltaicznych konieczny jest zatem zakup regulatora MPPT, gdyż PWM będzie po prostu marnować moc fotowoltaiki.

Podsumowując, MPPT to jeden z najważniejszych elementów elektronicznych instalacji fotowoltaicznej. Dzięki niemu instalacje fotowoltaiczne mogą utrzymać wysoką moc mimo zacienienia oraz niskiego nasłonecznienia. Różnica w wydajności instalacji z dobrym MPPT, a słabym MPPT to kolejny powód, dla którego zalecamy zakup inwertera klasy premium.

Źródła:

• Bogusław Szymański, Instalacje fotowoltaiczne