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.

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. Napięcie, przy którym panel fotowoltaiczny może wytwarzać maksymalną moc, nazywane jest punktem mocy maksymalnej. Maksymalna moc zależy od promieniowania słonecznego, temperatury otoczenia i temperatury ogniwa fotowoltaicznego.

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 tego punktu, w którym moc łańcucha modułów jest największa.

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 rysunku, 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.

Które falowniki posiadają globalny MPPT?

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

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 (falowniki GoodWe mają domyślnie ustawiony interwał na 90 min).

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.

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.

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