Обзор

Что такое MPPT контроллер для солнечных панелей, и как он работает на примере применения с древнесоветской солнечной батареей "Электроника М1"

Эта статья-обзор посвящена важному элементу солнечных батарей: контроллеру MPPT. Поскольку рассматривать его отдельно от солнечной батареи бессмысленно, то в статье рассмотрим его применение для возвращения к активной жизни древнесоветской солнечной батареи "Электроника М1". Собственно, эта батарея - всего лишь пример, взятый для изучения работы MPPT контроллера. В реальной жизни возможно применение любой солнечной батареи с достаточной величиной номинального выходного напряжения.

Сокращение MPPT расшифровывается как Maximum Power Point Tracking (слежение за точкой максимальной мощности).  Его необходимость диктуется тем, что соотношение тока и напряжения в солнечной батарее далеко не всегда оказывается оптимальным для питания полезной нагрузки, из-за чего в нагрузку поступает меньшая мощность, чем могла бы отдать батарея. Контроллер MPPT устраняет это несоответствие.

В статье будет рассмотрен одноплатный MPPT контроллер Eletechsup SD30CRMA для систем питания на солнечных батареях небольшой мощности. Выглядит он так:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

     Оглавление:
   1. Теория MPPT контроллеров для солнечных панелей

   2. Внешний вид, конструкция и схемотехника одноплатного MPPT контроллера

   3. Внешний вид, конструкция и схемотехника советской солнечной батареи "Электроника М1"

   4. Модернизация солнечной панели "Электроника М1" с применением MPPT контроллера

   5. Тест солнечной панели "Электроника М1" и MPPT контроллера

   6. Окончательный диагноз MPPT контроллера и древнесоветской солнечной панели "Электроника М1"

Теория MPPT контроллеров для солнечных панелей

В отличие от сетевого электричества в розетке солнечная панель не может выдать ток по принципу "сколько хочешь, столько и бери". Если взять много тока, то на панели упадёт напряжение, и мощность получится малой. Точно так же работает и обратный вариант: если тока взять мало, то напряжение не упадёт, но из-за низкого тока мощность тоже окажется малой.

В обзоре микромощной солнечной панели в ходе экспериментов был получен такой график зависимости мощности от напряжения на нагрузке, отражающий эту ситуацию:

По оси X - напряжение (В), по оси Y - мощность (мВт).

Такая форма графика характерна для всех солнечных панелей, хотя точка максимума может, конечно, немного смещаться вправо-влево.

Итак, на графике присутствует явно выраженный максимум отдаваемой мощности; и задача контроллера солнечной батареи - "поймать" этот максимум и удерживать его.

Несмотря на кажущуюся простоту, это - довольно сложная математическая задача: ведь на каком-то участке характеристики, на котором в данный момент находится контроллер, он "не знает", достигнут ли уже максимум или ещё нет. Чтобы убедиться в этом, контроллер должен сделать шаг вперёд или шаг назад, и посмотреть, как изменится отдаваемая в нагрузку мощность. А затем, в зависимости от итогов пробного изменения величины отдаваемой мощности, подвинуть рабочую точку вперёд или назад, или же оставить всё как есть. По-научному это называется "метод возмущения и наблюдения".

Так работают наиболее продвинутые контроллеры MPPT.

Но есть контроллеры и с упрощением этого алгоритма, которое основано на том, что точка максимальной мощности находится примерно в одном и том же месте вольт-амперной характеристики, расположенной на уровне 70-80% от напряжения холостого хода. Такие контроллеры получаются более простыми по аппаратной реализации, поскольку им достаточно проследить только за одним параметром - напряжением на выходе солнечной батареи (он же - вход контроллера).

Хотя здесь тоже есть "тонкости". Например, когда нагрузка потребляет всю мощность, генерируемую солнечной панелью, то контроллер должен работать именно по описанному выше алгоритму ("притягивать" рабочую точку по напряжению к точке максимальной мощности); а когда нагрузке столько мощности не требуется или она совсем не подключена, то контроллер должен "отпустить" напряжение на солнечной панели по принципу "сколько получится, столько и ладно".

Кроме того, на приведённом выше графике надо обратить внимание, что падение мощности влево от точки максимума - более пологое, чем вправо. Иными словами, при выборе точки максимума мощности ошибка в сторону меньшего напряжения будет менее критична, чем в сторону более высокого напряжения.

Недостаток таких упрощённых контроллеров - потеря мощности (как правило, небольшая) из-за возможного ухода вольт-амперной характеристики солнечной батареи от первоначального положения вследствие изменения температуры, освещённости или физического старения солнечных элементов (хотя этот процесс и занимает десятилетия).

Именно такой упрощённый контроллер и будет рассмотрен далее.

Кроме следящих MPPT контроллеров (полнофункциональных или упрощённых), бывают и контроллеры без отслеживания точки максимальной мощности: PWM (они же ШИМ) - контроллеры. Они имеют в своей основе DC-DC преобразователь, который один раз настраивается оптимальным образом под наиболее типовые условия работы системы, и так и работает всё время, невзирая на изменение условий.

Но преобразование и передача энергии для контроллеров любого типа - это не единственная их задача. Как минимум, они должны обладать функцией защиты от короткого замыкания на выходе и/или ограничения тока выхода, а также функцией защиты аккумулятора от перезаряда.

Желательны, конечно, и дополнительные функции, вроде защиты от переполюсовки по входу и выходу, формирования оптимальной кривой заряда аккумулятора, ограничения напряжения холостого хода на выходе и т.п. Некоторые из этих функций будут реализованы и в тестируемом контроллере.

Теперь, после разбора теории, перейдём к практике и изучим тестируемый MPPT-контроллер. Куплен MPPT контроллер был на Алиэкспресс здесь. Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Внешний вид, конструкция и схемотехника одноплатного MPPT контроллера

Сначала осмотрим его со всех сторон (за исключением той, которая уже была изображена на первой фотографии в обзоре).

Размеры платы - очень небольшие, 45*20*15 мм.

Теперь - вид на обратную сторону платы:

Как и положено по современным манерам хорошего тона в разводке плат, проводник земли занимает почти всю свободную поверхность платы. Одобряем!

Красной точкой обозначено номинальное напряжение точки максимальной мощности, на которой будет работать этот контроллер. Теоретически, это напряжение можно изменить, изменив номиналы одного-двух резисторов; но для этого потребуется умение аккуратно работать с SMD-компонентами.

Теперь - главный вид (т.е. сверху) и разбор схемотехники:

Самая яркая деталь - синий многооборотный подстроечник в середине платы. Он регулирует напряжение на выходе контроллера в пределах 1.2 - 25 В; при этом входное напряжение обязательно должно быть выше выходного и должно находиться в пределах 6.6 - 30 В. То есть, для работы с низковольтными солнечными батареями, у которых точка максимальной мощности находится ниже уровня 6.6 В, этот контроллер не подходит в принципе, даже с переделками.

Слева от подстроечника находится собственно сам главный чип этого MPPT контроллера: CN3795 (datasheet).

Над подстроечником находится ещё один 8-ногий чип с маркировкой 4435. Это - транзистор MOSFET FDS4435; основные характеристики: допустимый ток 8.8 А, в импульсе до 50 А, напряжение до 30 В, сопротивление в открытом состоянии 20-35 миллиом.

В качестве диода применён SS54. Это - диод Шоттки, ток до 5 А, обратное напряжение до 40 В. То, что он рассчитан на более высокий ток, чем требуется для работы контроллера, записываем в "плюс": чем больше допустимый ток, тем меньше падение напряжения в прямом направлении, и тем выше КПД.

Теперь немного обсудим схему контроллера (взята из datasheet на CN3795).

Хорошо то, что нумерация элементов на схеме и на плате совпадает (для тех элементов на плате, которые имеют обозначения; есть элементы и без обозначений).

Принцип работы схемы почти совпадает с принципом работы понижающих DC-DC преобразователей, но при этом добавлено слежение за напряжением на входе.

Делитель R5/R6 отвечает за выбор точки максимальной мощности (жаль, что там не установлено подстроечника).

Делитель R1/R2 отвечает за установку выходного напряжения. Здесь подстроечник есть; он установлен вместо резистора R1.

Резистор Rcs отвечает за установку тока ограничения и защиты от короткого замыкания. Его номинал - очень низкий (0.12 Ом), благодаря чему на нём не происходит сколь-нибудь существенных потерь мощности.

Внешний вид, конструкция и схемотехника советской солнечной батареи "Электроника М1"

Главная причина, почему эта некогда популярная солнечная батарея в наши дни осталась "не у дел", это -  номинальное напряжение её выхода, составляющее 9 В. В старые добрые времена это напряжение было весьма востребованным и использовалось в транзисторных радиоприёмниках и кассетных магнитофонах; но сейчас устройства с таким напряжением питания практически не выпускаются.

Внешний вид солнечной батареи "Электроника М1" не лишен красоты и изящества:

За передним защитным стеклом находятся 30 солнечных элементов в форме секторов круга, соединённых последовательно. Слово "стекло" употреблено в переносном смысле, на самом деле применён прозрачный пластик, возможно, полистирол (довольно хрупкий, т.е. обращаться всё равно надо как со стеклом).

Изнутри пластик имеет рельефную структуру, похожую на структуру автомобильных и велосипедных отражателей (катафотов).

Особое удобство устройству придаёт откидная подставка, благодаря которой батарею можно расположить под углом, близким к оптимальному для середины дня в "светлое" время года (март - октябрь).

Напряжение холостого хода на прямом солнце составляет 16.3 В, ток короткого замыкания ровно в полдень - 111 мА. Но отдаваемая мощность, естественно, будет меньше, чем если эти два значения просто перемножить друг на друга. К этому вопросу ещё вернёмся.

Вид сзади:

Вид солнечной панели сзади в сложенном виде:

В нижней части панели находится аккумуляторный отсек, крышка которого удерживается 3-мя винтами.

Открыв её, видим душераздирающее зрелище: аккумуляторы с мощным солевым налётом и ржавчиной.

Аккумуляторы - "таблеточные" никель-кадмиевые типа Д-0,26. Они установлены в ячейках, разделённых перегородками. Эти перегородки будут мешать установке в отсеке чего-нибудь путного, а выломать перегородки довольно сложно.

В общем, аккумуляторы подлежат выбросу без права замены, ибо срок их жизни мал; да и вряд ли они сейчас выпускаются.

В левом верхнем углу отсека расположена небольшая платка, на которой был расположен диод, препятствующий обратному разряду аккумуляторов через солнечную панель, когда она не освещена.

Модернизация солнечной панели "Электроника М1" с применением MPPT контроллера

Модернизация делается очень просто: достаточно определить полярность проводников, идущих от солнечной батареи в аккумуляторный отсек, и припаять MPPT контроллер.

Кроме того, необходимо будет установить необходимое напряжение выхода на контроллере (например, стандартные 5 В) и вывести его наружу (например, использовав часть USB-удлинителя).

Получившаяся конструкция выглядит так:

Из аккумуляторного отсека были убраны все лишние "железки" (и с его крышки тоже); собственный разъём солнечной батареи просто снят и переложен внутрь в ближайшую ячейку "сот", а через образовавшееся отверстие USB-кабель выведен наружу.

Так всё это выглядит вблизи:

Из-за того, что рёбра аккумуляторного отсека мешают "культурно" уложить плату контроллера в этот отсек, полностью закрыть крышку отсека не получится: крышка не войдёт на своё место, а будет лежать сверху над задней стенкой солнечной батареи:

Да, это не очень красиво, но зато требует минимума усилий при модернизации.

Бонусный материал: почему могут не заряжаться смартфоны с поддержкой "быстрой зарядки" (QC)

При испытаниях этой конструкции для зарядки реальных смартфонов выяснился интересный эффект: "старорежимный" смартфон без поддержки быстрой зарядки (QC) успешно с ней заряжался, а новомодный смартфон с поддержкой QC почти не заряжался (ток заряда составлял 9 мА, что даже не компенсировало собственный расход энергии смартфона без выполнения каких-либо операций!).

Для выяснения, что это за проблема, были сняты осциллограммы напряжений на выходе MPPT контроллера в моменты вблизи подключения смартфонов на зарядку.

Осциллограмма процесса постановки на зарядку "обычного" смартфона:

Здесь всё ясно и понятно: в момент старта зарядки аккумулятора смартфона течёт сильный ток, мощности солнечной батареи не хватает, напряжение немного падает.

Теперь - постановка на зарядку смартфона с поддержкой "быстрой зарядки":

В этом случае в на осциллограмме есть несколько колебаний, при которых напряжение падает; а затем оно возвращается к прежнему уровню.

Здесь контроллер заряда смартфона оказался слишком умным: он сначала опробовал источник зарядки на предмет поведения под нагрузкой, и при этом убедился, что нагрузку источник держит плохо; после чего нагрузку на источник сбавил до очень малой (т.е. даже ниже, чем источник может отдать).

Вот такое "горе от ума" получилось: подобного рода смартфон от такой батареи нельзя зарядить!

Как можно убедить смартфон, что источник будто бы мощный? Очень просто: повесить на его выход большую ёмкость, создающую дополнительный запас энергии на то время, пока смартфон проверяет источник.

Была припаяна ёмкость 10000 мкФ, но это ничего не изменило: заряжаться смартфон не захотел.

Тогда было принято радикальное решение: припаять ионистор (суперконденсатор) ёмкостью 5 Фарад на напряжение 5.5 В (на самом деле это два последовательных ионистора 10 Ф на 2.8 В).

В этом случае зарядка смартфона пошла, но в "качающемся" режиме (то начиналась, то прекращалась).

Вот осциллограмма одного из периодов этих "качелей":

В момент подключения смартфона зарядка начиналась успешно, затем напряжение на выходе контроллера постепенно снижалось до 4.15 В, зарядка прекращалась, напряжение на ионисторе начинало подниматься; и, когда оно достигало примерно 4.7 В, зарядка возобновлялась с током до 470 мА, а затем весь процесс повторялся.

Пусть и в режиме "качелей", но зарядка смартфона шла успешно. Учитывая, что напряжение на ионисторе при этом постоянно находилось в зоне высокой токовой отдачи контроллера MPPT (4.15 - 4.7 В), можно считать, что зарядка постоянно работала в точке оптимальной передачи мощности солнечной батареи в нагрузку.

Вернёмся к механической конструкции модернизированной солнечной панели (её возможным вариациям).

Альтернативный вариант конструкции: попробовать выпилить каким-то образом рёбра аккумуляторного отсека, а высокие элементы на плате контроллера - перепаять, расположив лёжа. Тогда будет возможно полностью уложить плату в аккумуляторный отсек и культурно закрыть его крышку, но это потребует от владельца панели наличия очумелых (очень умелых) ручек. :)

Альтернативный вариант схемотехники: можно настроить MPPT-контроллер для прямой зарядки литий-ионного аккумулятора. Для этого достаточно установить напряжение его выхода на 4.2 В для односекционного аккумулятора или 8.4 В - для двухсекционного. Для прямой зарядки трёхсекционных и более аккумуляторов данная комбинация солнечной батареи и MPPT-контроллера не подойдёт.

Кроме того, можно радикально изменить подход к схемотехнике и полностью расположить в аккумуляторном отсеке повербанк собственной сборки с зарядкой от Солнца (все необходимые ингридиенты в продаже имеются). Но это - тоже для очумелых ручек. :)

Тест солнечной панели "Электроника М1" и MPPT контроллера

В этой главе будет как отдельный тест солнечной панели, так и совместный тест панели и MPPT-контроллера.

Начнём с теста солнечной панели. Нас будет интересовать вольт-амперная (ВАХ) характеристика солнечной панели и её отдача при разных погодных условиях.

На следующем графике представлена вольт-амперная характеристика панели при её оптимальной ориентации в солнечную погоду около 11:00 дня, снятая по точкам (середина мая):

На графике по оси X - напряжение (В), по оси Y - ток (мА).

Характеристика далека от идеальной, она имеет слишком пологий скат. Для источников питания чем характеристика прямоугольнее, тем она лучше. У более современных солнечных панелей дела с характеристикой обстоят значительно благообразнее (пример).

Максимум тока составил 108.7 мА.

Теперь на основании снятой вольт-амперной характеристики можно построить график зависимости отдаваемой мощности панели от напряжения на её выходе (т.е. на нагрузке):

На графике по оси X - напряжение, по оси Y - мощность (мВт).

Максимальная отдаваемая мощность получается при при напряжении на выходе около 9  - 9.5 В, так что выбор 9-вольтового контроллера MPPT был сделан верно.

Максимальная мощность на выходе в точке максимума получилась 737 мВт (это и есть реальная максимальная мощность солнечной панели). Для сравнения: если бы мы просто перемножили напряжение холостого хода (16.3 В) на ток короткого замыкания (108.7 мА), то получили бы 1772 мВт.

Для более современных панелей разница будет не столь велика, но она есть всегда.

Теперь оценим, что можно снять с MPPT контроллера, работающего совместно с этой солнечной панелью. Контроллер настроен на выходное напряжение 5 В.

Для этого тоже снимем вольт-амперную характеристику и построим график мощности. Начнём с вольт-амперной характеристики:

На графике по оси X - ток (мА), по оси Y - напряжение (В).

Теперь попробуем эту ВАХ объяснить научно.

Сначала с ростом тока напряжение не меняется, поскольку нагрузка потребляет меньше мощности, чем может отдать солнечная панель. Затем, когда они сравнялись, в графике наступил излом, и напряжение начало падать.

В конце графика, когда напряжение падает до нуля (короткое замыкание), в контроллере начинает работать просто ограничение по выходному току; в данном случае оно составило 439 мА.

Теперь на основании этих же данных построим график зависимости мощности в нагрузке от тока:

На графике по оси X - ток (мА), по оси Y - мощность (мВт).

Здесь видно, что сначала мощность на нагрузке растёт от нуля, пока не достигнет точки перелома. Затем контроллер пытается удержать мощность на нагрузке на том уровне, который может отдать солнечная панель. Но при этом мощность в нагрузке всё-таки немного снижается; это происходит из-за падения КПД контроллера при повышении тока (рассеяние мощности на выпрямительном диоде, на активном сопротивлении индуктивности и на сопротивлении ключевого транзистора). Увы, это неизбежно.

В конце графика начинает работать ограничение выходного тока, заданное в контроллере, и мощность начинает резко падать до нуля в режиме короткого замыкания на выходе.

Максимум мощности на выходе контроллера составил 538 мВт.

Зная максимум мощности на выходе панели без контроллера MPPT (737 мВт, определён выше), можно рассчитать КПД контроллера для оптимальной точки; он составляет 73%. Нельзя сказать, что это - много, но приемлемо.

И последний график - зависимость напряжения на солнечной батарее от тока нагрузки на выходе контроллера:

На этом графике тоже можно отметить интересные закономерности.

Пока ток - небольшой (потребляемая мощность ниже, чем может отдать солнечная батарея), напряжение на батарее падает с ростом тока.

Затем, когда потребление забирает от батареи всю генерируемую мощность, напряжение стабилизируется на уровне 9 В, т.е. в точке максимальной отдаваемой мощности для солнечной батареи.

Эти графики позволяют оценить преимущество применения солнечной батареи с MPPT контроллером по сравнению с применением без контроллера.

Для этого сравним ток в нагрузке, который солнечная батарея может отдать напрямую, и ток с контроллером для трёх типовых напряжений: 3.2 В (начало заряда Li-ion аккумулятора), 4.2 В (конец заряда Li-ion аккумулятора) и 5 В (стандартное напряжение зарядки телефонов и т.д.).

Как видно из таблицы, применение MPPT контроллера позволяет во всех трёх случаях повысить ток в нагрузке по сравнению с вариантом без контроллера; причём, чем ниже напряжение на нагрузке, тем больше выигрыш по току. Наибольшая выгода получается в случае использования контроллера для прямой зарядки Li-ion аккумуляторов.

При этом может показаться, что для режима с напряжением 5 В на выходе выигрыш очень небольшой, около 5%. Но результат для нагрузки без MPPT контроллера указан при прямом прохождении тока; а в реальности должен будет стоять какой-либо стабилизатор (линейный или DC-DC преобразователь). Если взять их КПД на уровне 90% (что неплохо), то реальный выигрыш составит около 15%.

Кстати, потребление контроллера на холостом ходу (без нагрузки) составляет 3.3 мА. Это - незначительная величина для солнечной погоды, и заметная - для погоды со значительной облачностью.

В заключение этой главы - таблица с током короткого замыкания солнечной батареи "Электроника М1" для разных погодных условий вблизи полудня:

Таблица явным образом показывает, что применение этой солнечной батареи при погоде с какой-либо облачностью по существу бессмысленно.

Окончательный диагноз MPPT контроллера и древнесоветской солнечной панели "Электроника М1"

Главной целью обзора была проверка полезности MPPT контроллера для солнечных панелей; и эта цель была успешно выполнена.

Контроллер MPPT, даже упрощённый, показал себя с самой наилучшей стороны. Наиболее полезен он будет для прямой зарядки литий-ионных аккумуляторов (как это и происходит в солнечных электростанциях масштаба домохозяйства и крупнее).

Но и при применении в качестве источника питания для зарядки мобильных устройств он тоже пригоден. Можно предположить, что при совместном применении с более современной солнечной панелью в этом назначении он повысит свою полезность.

Купить MPPT контроллер можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на момент обзора - $4.7.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Но необходимо внимательно следить за соответствием номинального напряжения контроллера напряжению холостого хода солнечной батареи! Номинальное входное напряжение MPPT контроллера должно быть около 70-80% от напряжения холостого хода солнечной панели; иначе потребуется возиться с перепайкой SMD-компонентов, что может доставить мало удовольствия.

И, разумеется, не надо покупать контроллер, если солнечная батарея уже имеет встроенный контроллер.

Теперь - о солнечной батарее "Электроника М1".

Хотя батарея вполне работоспособна и с помощь MPPT контроллера может быть "доведена до ума", область её применения весьма ограничена.

Для применения в качестве более-менее серьёзного источника энергии она слишком слаба.

С другой стороны, для применения в качестве походной солнечной батареи она - тяжеловата и совсем не имеет защиты от влаги.

Её применение - только "на чёрный день" для подпитки телефона при перебоях с электроснабжением; да и то при условии, что телефон потребляет не слишком много энергии.

Можно с этой же целью подзаряжать от солнечной батареи портативный аккумулятор (повербанк), а затем от него заряжать любой телефон (не только маломощный), планшет и т.п.

И, в любом случае, эта солнечная панель послужит хорошим украшением в ретро-техно-стиле. :)
 

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 19 мая 2022 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!