Metoda stanovení maximálního výkonu, který lze odebírat z fotovoltaického panelu

Oblast techniky

Vynález se týká optimalizace množství elektrické energie, získané z fotovoltaických (dále jen solárních) panelů. Jedná se o metodu určení optimálního příkonu elektrického spotřebiče, při kterém lze vytěžit ze solárních panelů maximální množství energie nezávisle na jejich druhu, velikosti, počtu, zapojení, osvětlení nebo zastínění, teplotě, zakrytí nebo zašpinění povrchu nebo i na změně elektrických vlastností zátěže. Dá se použít i při paralelní spojení řetězců solárních panelů namířených různými směry. Metoda je využitelná jak v regulátorech k ohřevu vody v boileru, tak v měničích, dodávajících energii do sítě nebo v nabíječích akumulačních baterií.

Dosavadní stav techniky

Současné regulátory používají různé metody Maximum Power Point Tracking - MPPT, což jsou metody udržování pracovního bodu zatížení solárních panelů v optimální oblasti, aby množství získané energie bylo co největší. V současnosti jsou známy téměř dvě desítky těchto metod, jak určit optimální pracovní bod solárního panelu. Většina metod MPPT pracuje správně při ideální VA charakteristice jednoho solárního panelu, ale selhává při sériovém řazení více panelů, pokud se jejich celková VA charakteristika odchýlí od VA charakteristiky ideální. Jde především o případy, kdy se vlivem rozdílných vlastností jednotlivých fotovoltaických panelů, např. vlivem měnícího se osvětlení (pohyb slunce) nebo zastínění (mraky, překážky v dráze světla, sesun tajícího sněhu, odstranění nečistot deštěm), změny teploty panelů, případně i změny elektrických parametrů zátěže, objeví na celkové VA charakteristice dvě nebo více maxim výkonu. V takových případech běžné MPPT regulátory setrvávají na začátku vyhledaném maximu a na nově vzniklá maxima nereagují.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje metoda stanovení maximálního výkonu (Maximum Power Point Searching - MPPS), který lze odebírat ze solárního panelu, jejíž podstatou je, že regulátorem postupně zatížíme solární panel v celém rozsahu výkonové charakteristiky od nulové do maximální zátěže, přitom průběžně měříme odevzdávaný výkon a zaznamenáváme nejvyšší dosažené maximum odevzdaného výkonu ve výkonové charakteristice a jemu odpovídající pracovní bod regulátoru, následně nastavíme pracovní bod regulátoru, tj. zatížení solárního panelu na takovou úroveň, jaká byla zaznamenána při dosažení maximálního odevzdaného výkonu do zátěže a udržujeme pracovní bod regulátoru v této nově nalezené optimální oblasti pomocí některé z MPPT (Maximum Power Point Tracking) metod až do doby, než uplyne zvolená doba, po níž regulátor znovu zopakuje test celé výkonové charakteristiky, nalezne a nastaví nový optimální pracovní bod a ten opět udržuje po zvolenou dobu, přičemž výsledkem je určení hodnoty maximálního výkonu, který lze odebírat ze zapojení solárních panelů s rozdílným aktuálním výkonem.

Nově navržená metoda Maximum Power Point Searching - MPPS odstraňuje všechny uvedené vlivy stávajících metod při stanovení optimálního pracovního bodu. Jedná se o aktivní, pravidelně se opakující vyhledávání optimálního pracovního bodu v celé šíři možného zatížení. Regulátory používající tuto metodu prověří celou VA charakteristiku fotovoltaických panelů, najdou všechna maxima a z nich vyberou to největší.

Objasnění výkresů

Obr. 1. Ideální VA charakteristika solárních panelů

- 1 CZ 306398 B6

Obr. 2. Ideální výkonová charakteristika solárních panelů

Obr. 3. Praktická V A charakteristika solárních panelů

Obr. 4. Praktická výkonová charakteristika solárních panelů

Obr. 5. MPPS metoda hledání optimálního pracovního bodu - vývojový diagram.

Obr. 6. Záznam skokové změny pracovního bodu MPPS regulátoru.

Příklady uskutečnění vynálezu:

Při vývoji regulátoru, stanovujícího maximální výkon, který lze odebírat ze solárních panelů, jsme nejdříve použili běžnou MPPT metodu, pří které se regulace zachytí na vrcholu maxima výkonové charakteristiky a úpravami parametrů regulace se ho snaží udržet. Tato metoda funguje výborně v případě, že jsou všechny solární panely shodné a stejně osvětlené. Na obr. 1 je VA charakteristika 8 panelů v sérii o celkovém výkonu 2000 W, změřená výrobcem. Na svislé oseje proud v ampérech, na vodorovné ose je napětí ve voltech. Z této VA charakteristiky lze odvodit výkonovou charakteristiku panelů (obr. 2), na které je na svislé ose výkon ve wattech. Na vrcholu výkonové charakteristiky je optimální pracovní bod (výstupní napětí) panelů, ve kterém panely odevzdávají do zátěže maximální výkon. Regulátory používající MPPT metody nejprve určí tento optimální pracovní bod a pak se ho snaží po celou dobu činnosti udržovat.

Jenže praktická měření ukázala, že celková VA charakteristika více panelů zapojených do série se může od ideální VA charakteristiky významně lišit. Obecně platí, že čím víc je do série zapojených panelů s rozdílným aktuálním výkonem, tím více lze na výkonové charakteristice nalézt lokálních maxim. Výkon panelu může být ovlivněn mnoha faktory: osvětlením nebo zastíněním, zakrytím sněhem nebo nečistotami, teplotou, stárnutím apod., ale i může záviset na elektrických vlastnostech zátěže. Při malé odchylce od ideální VA charakteristiky se může optimální pracovní bod jen posouvat, na což většina MPPT metod dokáže zareagovat. Mohou se ale také objevovat nová, lokální maxima, na což žádná MPPT metoda, pokud pravidelně neopakuje prohledání celé výkonové charakteristiky solárních panelů, zareagovat neumí.

Při vývoji jsme provedli praktický pokus a zakryli jeden z panelů na asi 40 % plochy. Tím se jeho výkon snížil na 60 % výkonu ostatních panelů. Celková VA charakteristika je na obr. 3, odpovídající výkonová charakteristika na obr. 4. Protože jsou zde dvě skupiny panelů s různými výkony, jsou na výkonové charakteristice dvě maxima. První odpovídá sedmi panelům pracujícím na 100 % výkonu, druhý odpovídá 8 panelům pracujícím na výkonu, omezeným nejslabším panelem. Standardní MPPT regulátor udržuje pracovní bod na stále na původním vrcholu MAXIMUM2 a nevšimne si, že díky poklesu výkonu jednoho z panelů vzniklo další maximum na výkonové křivce v bodě MAXIMUM 1. Na uvedené příkladu na obr. 4 je vidět, že v daném případě je rozdíl v odevzdaném výkonu kolem 20 %.

Po ověření, že optimální bod se může nacházet i mimo oblast předpokládanou ideální VA charakteristikou výrobce, jsme navrhli metodu, která je popsána ve vývojovém diagramu na obr. 5. Algoritmus jsme naprogramovali do paměti mikroprocesoru řídicího regulátoru. Ten v pravidelných intervalech (řádově v jednotkách minut) postupně zatěžuje solární panely od nuly do možného maxima, jaké dovolí zátěž. Mikroprocesor zaznamenává pracovní body, při kterých je dosažené nějaké maximum. Na konci testování mikroprocesor vybere největší z nalezených maxim a přepne regulátor do odpovídajícího pracovního bodu. Pak po stanovenou dobu udržuje pracovní bod běžnou MPPT metodou. Po uplynutí zvolené doby mikroprocesor provede znovu test solárních panelů v celé šíři možného zatížení a cyklus se neustále opakuje.

Popisovaný algoritmus byl poprvé použit v MPPS regulátorech typ MR4316DC a MR4316AC od výrobce firmy BEL s.r.o., které jsou určeny k přizpůsobení solárních panelů a topné spirály elektrického boileru. Na obr. 6 je záznam průběhu napětí, proudu a výkonu sestavy osmi panelů o

-2CZ 306398 B6 špičkovém výkonu 2000 W a regulátoru MR4316DC v reálném provozu. Na grafech je vidět, jak v ranních hodinách, přibližně v 8:30, dojde k výrazně lepšímu osvětlení dvou panelů, zatímco zbývajících šest panelů zůstává zastíněných. Regulátor MR4316DC při pravidelném celkovém testu všech panelů nalezl nové maximum a přepnul pracovní bod na něj. V grafu napětí se tato 5 změna projevila jako skokový pokles napětí, v grafu proudu jako skokový vzrůst proudu. V grafu výkonu žádná skoková změna není, jen výkon po změně pracovního bodu začne výrazně rychleji růst. Absence skokové změny výkonu je logická, protože regulátor vždy vybírá to nejvyšší dosažené maximum a k přepnutí pracovního bodu dochází v okamžiku, kdy je výkon v novém pracovním bodě stejný (resp. o trochu vyšší), než byl ve starém pracovním bodě. Rozdíl je v získalo ném výkonu tím vyšší, čím rozdílnější výkon odevzdávají jednotlivé sériově řazené panely a čím více jich je. Praktická měření ukázala, že pomocí nové metody lze získat v průběhu dne asi o 10 % energie více, v obtížných světelných podmínkách i více.

Průmyslová využitelnost:

V regulátorech, měničích a nabíječích, které umožňují měnit zatížení solárních panelů v širokém rozmezí, především:

- v regulátorech přizpůsobení boilerů napájených ze solárních panelů

- v měničích napájených ze solárních panelů DC napětím na AC napětí (síť)

- v nabíječích baterií napájených ze solárních panelů