Co to jest MPPT w falownikach fotowoltaicznych

MPPT, czyli wyszukiwanie punktu mocy maksymalnej służy do osiągnięcia możliwie największej produkcji energii z fotowoltaiki podczas chwilowych zmian poziomu natężenia promieniowania słonecznego, zacienienia i temperatury panelu fotowoltaicznego.

W tym artykule dowiemy się, co oznacza wyszukiwanie punktu mocy maksymalnej MPPT – i jaki jest jest wpływ MPPT na produkcję energii z fotowoltaiki.

Zobacz, jakie są prognozy cen prądu na 2027 r. na podstawie cen giełdowych, po jakich sprzedawcy prądu kupują dzisiaj energię elektryczną z dostawą w 2027 r. (tzw. kontrakty na dostawę prądu w 2027 r.).

MPPT co to?

MPPT (Maximum Power Point Tracking) to algorytm zawarty w falownikach do fotowoltaiki, służący do uzyskiwania maksymalnej dostępnej mocy z modułu fotowoltaicznego w określonych warunkach.

Algorytm MPPT jest szczególnie przydatny, gdy panele fotowoltaiczne ulegają częściowemu zacienieniu. Bez algorytmu MPPT, moc uzyskiwana z częściowo zacienionego łańcucha modułów PV byłaby niższa.

Algorytm MPPT powinien potrafić ograniczyć wpływ częściowego zacienienia paneli fotowoltaicznych na pracę instalacji fotowoltaicznej. Przez lata producenci optymalizatorów oraz mikrofalowników usiłowali nam wmówić, że w sytuacji jak na obrazku powyżej, moc całej instalacji zmniejszy się o 30%, ale teraz wiemy już, że tak nie jest. Tym bardziej, że zostało to potwierdzone w wielu badaniach, ostatnio przez Międzynarodową Agencję Energetyczną.

Pewien problem jednak pozostał: mianowicie, wiele falowników nie posiada takiego algorytmu, zwanego globalnym MPPT, większość jest wyposażona jedynie w tzw. lokalny MPPT i wówczas, moc łańcucha paneli PV w sytuacji jak na obrazku powyżej może rzeczywiście spaść do 30%.

Zobacz, ile kosztuje instalacja fotowoltaiczna, w zależności od mocy, z magazynem energii lub bez.

Jak działa MPPT

Karta katalogowa panelu fotowoltaicznego zawiera szereg informacji, które pozwalają zrozumieć jego podstawowe parametry. Znajdziemy tam również wykres ilustrujący charakterystykę napięciowo-prądową modułu – znaną również jako krzywa IV, ze względu na skróty dla natężenia przepływu prądu (I) i napięcia (V), oraz krzywą mocy panelu fotowoltaicznego.

Patrząc na krzywą mocy (wykres poniżej) zobaczymy punkt, lub punkty, w których moc wyjściowa modułu fotowoltaicznego jest największa.

Wykresy te ilustrują zależności między trzema charakterystykami elektrycznymi: prądem, napięciem i mocą. Moc – którą intuicyjnie rozumiemy jako energię wytwarzaną przez panele – mówi nam, ile prądu elektrycznego uzyskujemy z paneli fotowoltaicznych w jednostce czasu.

Rzut oka na krzywą mocy pozwala nam określić punkt (lub punkty), w którym moc panelu PV jest maksymalna.

Na krzywej IV, dwa parametry, które wskazują poziomy napięcia i prądu to Vmp i Imp, przy których moc panelu słonecznego jest maksymalna w standardowych warunkach testowych (STC). Nic w samym module fotowoltaicznym nie decyduje jednak, że musi on pracować z mocą maksymalną; każdy punkt wzdłuż krzywej IV jest prawidłowym punktem pracy.

W instalacjach z falownikami łańcuchowymi (lub hybrydowymi), to właśnie falownik decyduje o punkcie pracy. Zdolność falowników do zlokalizowania punktu pracy instalacji fotowoltaicznej, w którym moc instalacji PV jest jak największa, jest określana jako śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT).

Jeśli łańcuch paneli fotowoltaicznych składa się z identycznych modułów PV działających przy tym samym natężeniu promieniowania słonecznego i w tej samej temperaturze – tak, że każdy moduł wchodzący w skład łańcucha ma taką samą krzywą IV i punkt maksymalnej mocy – krzywa IV wypadkowa dla całego łańcucha paneli (która uwzględnia charakterystyki prądowo-napięciowe każdego modułu) będzie miała kształt podobny do czerwonej krzywej po lewej stronie rysunku 2 powyżej.

Zielona krzywa pokazuje moc łańcucha paneli jako funkcję napięcia; należy zauważyć, że istnieje jeden punkt maksymalny, występujący w „zagięciu” krzywej IV. Falownik będzie szukał punktu, w którym moc łańcucha modułów jest największa.

Falowniki szukają punktu mocy maksymalnej MPPT, zmieniając napięcie pracy.

Zobacz porównanie cen paneli fotowoltaicznych, ich parametrów technicznych, oraz na co zwrócić uwagę przy ich wyborze.

Zacienienie paneli fotowoltaicznych: rola diody bocznikującej

Gdy wystąpi częściowe zacienienie paneli fotowoltaicznych, charakterystyka prądowo-napięciowa jest znacznie bardziej skomplikowana.

Krzywe IV dla modułów zacienionych różnią się od tych dla modułów niezacienionych, zwłaszcza w odniesieniu do natężenia prądu, jakie zacienione moduły mogą generować. Gdy natężenie promieniowania słonecznego padającego na jeden panel fotowoltaiczny jest niskie, moc całego łańcucha paneli PV połączonego z tym modułem może się zmniejszyć. Wynika to z faktu, że prąd płynący przez szereg modułów PV może być tylko tak wysoki, jak prąd płynący przez najbardziej zacieniony moduł.

Ponieważ diody bocznikujące pozwalają falownikowi „pomijać” zacienione panele zamiast pracować przy ich niższym prądzie, krzywa IV częściowo zacienionego łańcucha modułów będzie wyglądać inaczej niż krzywa niezacienionego łańcucha.

Aby ograniczyć skutki zacienienia, producenci montują diody bocznikujące w swoich modułach PV. Dioda bocznikująca może być postrzegana jako wyłącznik, który przewodzi prąd, gdy jest włączony i z drugiej strony, nie przewodzi prądu, gdy jest wyłączony. Gdy dioda jest włączona, skutecznie odcina zacieniony moduł, kierując prąd łańcucha paneli fotowoltaicznych przez diodę (z pominięciem modułu), a nie przez zacienione ogniwa fotowoltaiczne.

Ponieważ diody bocznikujące pozwalają falownikowi pomijać zacienione panele zamiast pracować przy niższym natężeniu przepływu prądu, krzywa IV częściowo zacienionego łańcucha modułów solarnych będzie wyglądać inaczej niż niezacienionego.

Charakterystyka prądowo-napięciowa łańcucha paneli fotowoltaicznych może wyglądać jak czerwona krzywa po prawej stronie rysunku (rys. 2), z odpowiadającą jej krzywą mocy pokazaną na zielono. Jak widać, istnieją dwa różne punkty, w których moc jest maksymalna – globalne maksimum, w którym łańcuch działa przy wyższym natężeniu przepływu prądu i niższym napięciu, oraz lokalne maksimum, w którym łańcuch pracuje przy niższym prądzie i wyższym napięciu.

Globalne maksimum występuje, gdy zacienione moduły są wyłączane, a lokalne maksimum występuje wówczas, gdy zacienione moduły nie są wyłączane.

Globalny MPPT odnosi się do zdolności falownika do przeszukiwania krzywej IV systemu fotowoltaicznego i odszukiwania napięcia, przy którym znajduje się globalny MPPT. Częstotliwość, z jaką falownik analizuje krzywą, oraz precyzja, z jaką to robi, są generalnie zależne od producenta i modelu inwertera.

Co ważne, nie wszystkie falowniki posiadają globalny MPPT. Niektóre inwertery są ograniczone do wyszukiwania lokalnego MPPT, w którym żadne moduły PV nie są pomijane. Może to być korzystne dla lokalizacji, w których nie ma zacienienia, ponieważ za każdym razem, gdy falownik przeczesuje charakterystykę prądowo-napięciową w poszukiwaniu maksymalnego punktu mocy, w rzeczywistości nie działa w maksymalnym MPPT, a zatem nie wytwarza tyle energii, ile mógłby.

Jeśli maksymalny punkt mocy nie będzie się zbytnio zmieniać, ponieważ nie ma cienia i nie ma powodu, aby aktywować diody bocznikujące, to nie ma powodu, aby przeszukiwać całą krzywą IV.

Większość nowoczesnych falowników solarnych do montażu w domach posiada globalny MPPT, ponieważ zacienienie spowodowane drzewami i przeszkodami występuje powszechnie. Jednak niektóre falowniki są ograniczone do wyszukiwania maksymalnego punktu mocy jedynie lokalnie, co jest sytuacją, w której żadne moduły PV nie są odcinane. Taka sytuacja powoduje najczęściej zmniejszenie produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej.

Zobacz porównanie cen najpopularniejszych falowników hybrydowych. Oprócz tego dowiesz się o sprawności, gwarancjach na falowniki, czy jak wydłużyć ich trwałość.

Zarządzanie cieniem – MPPT w praktyce

Załóżmy, że mamy instalację składającą się z 20 paneli fotowoltaicznych połączonych szeregowo, z których dwa moduły są zacienione. Załóżmy, że moduły niezacienione mają MPP na poziomie 30V 8A, podczas gdy moduły zacienione mają MPP na poziomie 30V 1A. Jest to spore uproszczenie, ale chodzi o poglądowe wyjaśnienie co to jest MPPT.

Zwykle MPPT (MPP tracker) szuka punktu, w którym połączone szeregowo moduły solarne osiągną moc maksymalną. Z tego miejsca, od czasu do czasu „spogląda” w górę i w dół (czyli zwiększa lub zmniejsza napięcie), aby sprawdzić, czy w innych punktach sytuacja wygląda lepiej. Chodzi o to, aby nie utknąć w „lokalnym maksimum”.

Aby to zobrazować posłużmy się wykresem krzywej napięcie-prąd przedstawiającym częściowe zacienienie (wykres nie przedstawia jednak dokładnie sytuacji opisanej poniżej):

Nasza instalacja ma napięcie obwodu otwartego na poziomie znacznie powyżej 600 V, a gdy pojawi się obciążenie, napięcie to spada do 600 V 1A – w obwodzie otwartym nie płynął prąd, a po podłączeniu odbiornika zaczął płynąć prąd o natężeniu 1 ampera. Jeśli teraz zmniejszymy nieco napięcie, uzyskamy np. 595V 1A, czyli to niewłaściwy kierunek. Przesuwając się na krzywej w przeciwnym kierunku, prąd znacznie maleje, podczas gdy napięcie rośnie, czyli moc ulega zmniejszeniu. Algorytm MPPT mógłby więc „założyć”, że jest w MPP, gdyż zarówno ruch w lewo, jak i w prawo powodują spadek mocy.

Ale tak nie jest!

Jeśli będziemy zmniejszać napięcie, natężenie prądu początkowo pozostanie na poziomie 1A. W ten sposób najsłabsze (najbardziej zacienione) jedne trzecie części modułów będą stopniowo „zwierane” (diody bocznikujące dzielą panel PV na trzy części) – diody bocznikujące spowodują wyłączenie tych części modułu. W pewnym momencie oba zacienione panele PV zostaną odłączone. Zadzieje się to przy napięciu 540V i w związku z tym, prąd nagle wzrasta do 8A. Uzyskujemy dzięki temu 4.320W, czyli znacznie więcej niż wcześniejsze 600W. Jeśli pójdziemy dalej w dół wzdłuż krzywej (zmniejszając napięcie), to uzyskamy mniejszą moc, natomiast przesuwając się w górę ponownie docieramy do punktu, w którym prąd ponownie maleje do 1A, czyli moc również maleje. A zatem MPPT znalazł globalne maksimum.

W ten sposób działa algorytm wyszukiwania punktu mocy maksymalnej MPPT – powoduje wyłączenie zacienionych modułów, od czasu do czasu (częstotliwość, z jaką MPPT jest uruchamiany) szukając globalnego maksimum.

Nasza strata to moc dwóch modułów – 2 x 30V x 1A = 60W. Tak więc zamiast 4.380W uzyskujemy 4.320W. Bez MPPT (albo jedynie z lokalnym MPPT) mielibyśmy zaledwie 600W.

Zobacz porównanie cen najpopularniejszych magazynów energii. Oprócz cen znajdziesz tam również informacje o koszcie magazynowania energii, długości gwarancji, itp.

Które falowniki posiadają globalny MPPT?

Każdy dobry falownik posiada MPPT. Fronius nazwał swój algorytm „Dynamic Peak Manager”, SMA nazywa swój „ShadeFix”.

Zdarzają się również i tacy producenci, którzy w swoich falownikach montują dwa algorytmy: osobno do wyszukiwania lokalnego oraz globalnego MPPT. Przykładem jest Huawei, który w swoich falownikach SUN2000 posiada domyślnie włączony lokalny MPPT, natomiast globalny MPPT zwany Multi Peak Scanning jest domyślnie wyłączony. Przyczyną takiego stanu rzeczy może być zwiększony pobór energii podczas skanowania całej krzywej prądowo-napięciowej w porównaniu do jedynie lokalnego skanowania.

Producenci inwerterów fabrycznie ustawiają różne częstotliwości skanowania w poszukiwaniu MPPT. Na ogół interwał wynosi od 10 minut do nawet 1,5 godziny.

Tryby pracy MPPT

Niektóre falowniki umożliwiają więcej niż jeden tryb pracy MPPT:

1. wyszukiwanie manualne,
   Ten tryb umożliwia jednorazowe globalne skanowanie MPPT. Po ustawieniu tego parametru falownik natychmiast rozpoczyna wyszukiwanie punktu mocy maksymalnej MPP.
2. skanowanie dzienne,
   Ten tryb warto używać w przypadku częściowego zacienienia systemu PV o określonej porze dnia. Wybierając ten tryb, należy ustawić określony czas (co do minuty), kiedy wyszukiwanie MPP ma się odbywać. Skanowanie odbywa się wówczas raz dziennie.
3. regularne skanowanie,
   Opisywany już wcześniej, najczęściej stosowany. Ten tryb służy do wykonywania skanowania w regularnych odstępach czasu. Po wybraniu tego trybu pracy falownik wyszukuje MPP po upływie określonego czasu w minutach.

Przykładem falownika, który posiada wymienione trzy tryby pracy MPPT jest Sungrow SGxxCX-P2.

Warto przy okazji wspomnieć, że istnieje wiele algorytmów wyszukujących punkty MPP, które różnią się m. in. szybkością wyszukiwania MPP, sprawnością, czy kosztem.

Zobacz, jak dobrze wybrać instalację fotowoltaiczną. Jak kierunek paneli wpływa na opłacalność, czy lepsza jest duża czy mała instalacja PV i wiele więcej.

Jakie są korzyści z globalnego MPPT?

Badania pokazują, że dobrej jakości globalny MPPT pozwala zwiększyć produkcję energii z fotowoltaiki o ponad 6%, gdy występuje częściowe zacienienie, oraz o 0,5%, przy braku zacienienia. W przytoczonym badaniu porównywano jednak globalne MPPT oparte na różnych algorytmach, a więc porównanie nie odnosi się do globalnego MPPT versus lokalny MPPT.

Chwilowe różnice w mocy uzyskiwanej z instalacji fotowoltaicznej wyposażonej w falownik z globalnym MPPT w porównaniu do falownika z lokalnym MPPT mogą być jednak znacznie większe. Jeden z instalatorów w Australii przeprowadził test, którego wyniki pokazały różnice sięgające powyżej 40%: 1.800 W z falownika z globalnym MPPT, w porównaniu do 1.000 W z falownika z lokalnym MPPT:

Z raportu opublikowanego przez Międzynarodową Agencję Energii (IEA – International Energy Agency) wynika, że Multi-Peak Scanning (czyli globalny algorytm MPPT) w falownikach Huawei jest w pewnych sytuacjach skuteczniejszy, niż optymalizator, gdyż pozwala uzyskać większą moc modułu fotowoltaicznego.

Problemy MPPT dla modułów PV o dużej mocy

Wraz ze wzrostem mocy modułów PV i coraz lepszymi algorytmami śledzeniem MPP w falownikach fotowoltaicznych, pojawia się problem niewielkiego zacienienia. Taka sytuacja zachodzi, gdy zacienienie ogniwa solarnego jest na tyle niewielkie, że nie jest aktywowana dioda bypasowa.

W przypadku bardzo niewielkiego zacienienia, np. przez pręty odgromowe, następuje przesunięcie punktu pracy w kierunku nieco poniżej punktu MPP. Niezacienione ogniwo pracuje w MPP, a zacienione ogniwo nieco poniżej prądu MPP. Zacienione ogniwo przejmuje wówczas całą energię z sąsiedniego, niezacienionego ogniwa PV. Następuje przekazanie całej energii z ogniwa niezacienionego do ogniwa zacienionego. W rezultacie ogniwo minimalnie zacienione zaczyna się nagrzewać.

Co do zasady, falownik zawsze stara się uzyskiwać moc maksymalną z szeregu paneli fotowoltaicznych. Ponieważ falownik nie wie jaka jest przyczyna zacienienia, może jedynie zmieniać napięcie i sprawdzać generowaną moc. Jeśli znajdzie napięcie, przy którym moc jest wyższa niż w poprzednim punkcie pracy, falownik będzie kontynuował zmianę napięcia w tym samym kierunku. Jeśli natomiast uzyskana moc ulegnie zmniejszeniu, kierunek sprawdzania napięcia ulegnie zmianie na przeciwny.

W ramach globalnego MPPT, od czasu do czasu skanowana jest cała krzywa prądowo-napięciowa i znajdowany jest punkt mocy maksymalnej. W instalacjach fotowoltaicznych o większej ilości połączonych szeregowo paneli fotowoltaicznych, moc maksymalna występuje przy wyższych prądach, a nie przy wyższych napięciach (w łańcuchu np. 20 modułów PV, zmniejszenie prądu jest mnożone przez 20, natomiast wyłączenie za pomocą diody obejściowej 1/3 panelu spowoduje spadek mocy łańcucha o kilkanaście voltów).

W praktyce oznacza to, że szeroki cień na ogniwie słonecznym nie zmniejszy mocy całego łańcucha bardziej niż bardzo mały cień. Natomiast niewielki cień spowoduje znacznie większy transfer energii pomiędzy poszczególnymi ogniwami i stanowi większe obciążenie termiczne dla ogniw fotowoltaicznych.

Nagrzewanie modułów fotowoltaicznych wywołane wąskim obiektem rzucającym cień, który nie zasłania całej powierzchni ogniwa PV, powstaje w wyniku np. wąskich roślin czy traw bezpośrednio przed modułami, ptasich odchodów lub blisko umieszczonych rur wentylacyjnych.

Zobacz, jakie są programy dotacyjne do OZE w Twojej okolicy, oraz ogólnopolskie.

Podsumowanie

• Algorytm MPPT ma za zadanie maksymalizować ilość uzyskiwanej energii z podłączonych do falownika modułów w każdym momencie pracy.
• MPPT potrzebuje energii aby wyszukać punkt pracy maksymalnej, dlatego uruchamiany jest co jakiś czas.
• Jeżeli Twoje panele fotowoltaiczne pracują w częściowym zacienieniu, upewnij się, że falownik posiada funkcję globalnego MPPT, w przeciwnym wypadku produkcja energii może być znacznie niższa.

Autor: Ryszard Jesionowski / Akademia Fotowoltaiki