Jak vybrat správný regulátor pro fotovoltaickou instalaci?

MPPT a PWM regulátory – fotovoltaické instalace pod kontrolou. Není třeba nikoho přesvědčovat, že správně provedené fotovoltaické instalace mohou být velkým přínosem jak pro samospotřebitele, tak pro samotný energetický systém. Majitel i malé fotovoltaické farmy se stává bezúdržbově výrobcem elektřiny, což výrazně snižuje účty za elektřinu. V kombinaci se zásobníkem energie umožňuje taková instalace za určitých podmínek izolovat se od energetické sítě a zajistit příslušné množství energie pro vlastní potřebu. Z hlediska energetické sítě je elektřina vyrobená fotovoltaickými panely zdarma (celou instalaci platí samospotřebitel) a v době vysokého slunečního svitu umožňuje obrovské množství energie flexibilnější využití velkých konvenčních elektráren a snížení emisí skleníkových plynů.

• Co jsou solární regulátory
• Druhy fotovoltaických regulátorů
   • PWM regulátory
   • MPPT regulátory
• Jak určit maximální příkon
• Správný výběr regulátorů

Aby fotovoltaická instalace fungovala na plný výkon, musí být splněna řada podmínek. Především musí být panely umístěny na nezastíněném místě. Všechny objekty, budovy či vysoké stromy nacházející se v blízkosti instalace mohou vrhat stíny, což sníží výkon generovaný fotovoltaikou. Panely by samozřejmě měly směřovat na jih, kam během dne dopadá většina slunečních paprsků. Důležitý je také úhel sklonu instalace vzhledem ke slunci. Při správném nastavení odvede za nás systém práci s nejvyšší možnou efektivitou.
Velmi rozšířené jsou také malé fotovoltaické instalace, které po připojení k akumulátoru mohou fungovat jako nabíječky například při kempování. Jedná se tedy o off-grid instalace, tedy odpojené od elektrické sítě. Stejně jako v případě jejich větších protějšků správné nastavení zajistí, že na panel dopadne maximální množství slunečního světla, takže je na uživateli, zda plně využije výkon své instalace. Je to však vše, co můžeme udělat, abychom zajistili, že náš generátor využije plný potenciál přírody?
Ukazuje se, že ne. Naštěstí nám vycházejí vstříc výrobci solárních regulátorů, kteří se postarají o to, aby nám fotovoltaika během provozu instalace fungovala na 100 % svých možností.

Solární regulátor – co to je?
Abychom mohli vysvětlit, co je to solární regulátor, je nutné nejprve pochopit, jak se vlastně elektřina ve fotovoltaickém systému vyrábí. Výkon těchto panelů je popsán následujícím vztahem:
kde:
P – výkon fotovoltaické instalace [W];
U – elektrické napětí [V];
I – intenzita proudu [A].
Podle výše uvedeného vzorce je výkon panelů součinem napětí a intenzity proudu. Je známo, že tyto hodnoty v průběhu dne kolísají. V takovém případě by absence jakéhokoli zásahu zaměřeného na normalizaci a zprůměrování výroby měla za následek velmi nestabilní provoz solární elektrárny. Celková produkce by také nebyla uspokojivá. Co lze tedy udělat pro udržení hodnoty proudu a napětí na nejoptimálnější úrovni? K tomuto účelu se používá zařízení s názvem solární regulátor.
Podle níže uvedeného diagramu dosáhne fotovoltaický panel svého maximálního výkonu, když určíme takový bod napětí a intenzity proudu, při kterém se pod proudovou křivkou vykreslí obdélník s co největší možnou plochou. Úkolem regulátoru je tedy efektivně využívat energii světelného záření a zkrátit dobu nabíjení takové baterie neustálým doplňováním spotřebovaného proudu a v pokročilejší verzi sledování a dosahování bodů maximálního výkonu, díky čemuž instalace pracuje na 100 % své výrobní kapacity. Instalace takového zařízení umožňuje vyrábět elektřinu s dobrou účinností i v zatažených dnech. Použití jednoho takového zařízení sníží potřebu rozšiřovat instalaci o další fotovoltaické panely.

PWM či MPPT?
Existují dva typy fotovoltaických regulátorů. Jsou to regulátory PWM (Pulse Width Modulator) a MPPT (Maximum Power Point Traffic). Liší se od sebe principem fungování, cenou, účinností a (možná především) schopností pracovat za různých povětrnostních podmínek. Aby bylo možné jasně určit, zda bude ekonomicky odůvodněné instalovat dražší variantu pro konkrétní instalaci, je nutné znát klady a zápory každého z nich a mít alespoň základní znalosti o principu fungování obou zařízení.

PWM regulátory
PWM regulátor pracuje na principu nastavení šířky pulzů. Jednoduše řečeno, regulátor PWM vysílá do akumulátoru krátké dávky napětí, aniž by došlo jejímu přebití nebo vybití. Nehrozí zde riziko přehřátí ani tzv. zplynování akumulátoru. Udržování konstantní úrovně nabití prodlužuje životnost baterie. Čím vyšší je úroveň nabití baterie, tím více snižuje regulátor množství dávkované energie a udržuje tak určitou konstantní hodnotu.

Jaké jsou hlavní výhody takového řešení?
• Nízká cena ve srovnání s regulátorem MPPT;
• Ochrana akumulátoru proti přehřátí a zplynování;
• Zvýšení životnosti akumulátoru;
• Široká škála dostupných modelů;
• Poskytuje maximální dostupný výkon v co nejkratším čase.

Jaké jsou slabiny PWM regulátorů?
• Aby zařízení fungovalo správně, musí vstupní napětí vyrovnávat napětí baterie;
• Nejvhodnější pro přímé sluneční světlo, nevhodné pro zastíněné instalace;
• Způsobuje generování rušení, zejména při vyšších hodnotách intenzity proudu.

MPPT regulátory – výhody a princip fungování
Solární regulátory MPPT jsou zařízení, která mají již zmíněnou schopnost sledovat nejlepší napájecí body. Principem fungování takového systému je nastavení napětí akumulátoru tak, aby bylo dosaženo maximálního nabíjecího proudu. Na rozdíl od PWM využívají maximální možnosti instalace tím, že využívají aktuálně dostupné sluneční podmínky. Velkou výhodou takového řešení je schopnost vyrábět elektřinu jak za nejpříznivějších podmínek plného slunečního záření, tak i při východech a západech slunce a za oblačného počasí. Záření totiž dorazí vždy, ale efektivně může fungovat pouze instalace, která je schopna se přizpůsobit intenzitě slunečního záření. Ukazuje se, že díky použití kvalitního MPPT regulátoru může být efektivita výroby až o 30 % vyšší v podmínkách slabšího slunečního záření. Zařízení také snižuje ztráty, ke kterým dochází při nabíjení akumulátoru.
Řada nepochybných výhod je bohužel doprovázena mnohem vyšší cenou. Nejedná se však o nerentabilní investici – správná podpora instalace přinese měřitelné výhody v podobě elektřiny v kteroukoli denní dobu, bez ohledu na to, zda máme nad sebou bezmračnou oblohu nebo je slunce vysoko nad mraky.
Aby instalace fungovala co nejefektivněji, měly by být solární panely v instalaci s regulátorem MPPT zapojeny sériově. Provoz takového systému bude mnohem efektivnější než paralelní připojení většího počtu panelů v kombinaci s PWM regulátorem. Je třeba mít přitom na paměti, že nesmí být překročeno maximální napětí fotovoltaických panelů, které bylo stanoveno výrobcem. Je to proto, že taková situace ohrožuje zařízení, které by v nejhorším případě mohlo selhat.

Metody pro sledování bodu maximálního výkonu
Sledování bodu maximálního výkonu může být založeno na několika algoritmech, které poskytují různou přesnost činností prováděných regulátorem. Běžně se používají následující metody:
• Metoda perturbace a pozorování – dala by se nazvat metodou pokusů a omylů. Spočívá totiž v minimální úpravě polohy bodu intenzity proudu a sledování, zda provedená činnost vedla ke zvýšení nebo snížení nabíjecího výkonu. Poté se provede další, analogický krok, dokud není nedosaženo uspokojivého výsledku. Je třeba poznamenat, že míra posunu nastavené hodnoty je stejná pro každý další zásah.
• Metoda přírůstkové vodivosti – jedná se o algoritmus, který je na základě grafu výkonové křivky schopen předpovědět, jak velkou změnu je třeba provést, aby bylo dosaženo co největších přínosů. Provádí to analýzou nárůstu intenzity a napětí, což umožňuje určit účinek provedené změny.
• Teplotní metoda – k určení maximálního provozního bodu se využívá měření teploty. Porovnáním výsledku s referenční teplotou jsme schopni určit optimální nastavení. Problém však nastává, když se objeví stín. Teplotní metoda je pak chybná.

Výběr regulátoru pro fotovoltaické instalace
Abychom mohli vybrat správný regulátor pro stávající fotovoltaickou instalaci, je nutné znát nejen základní parametry samotných panelů, ale také technické údaje použitého akumulátoru nebo velikost příkonu. Nejdůležitějšími otázkami, které určují správnou spolupráci fotovoltaiky s PWM a MPPT regulátory, jsou:
1. Jmenovitý výkon fotovoltaických panelů – tento parametr je třeba vzít v úvahu, aby v kombinaci s regulátorem bylo zařízení v každém případě schopno nabít akumulátor v čase vhodném a bezpečném pro zásobník energie;
2. Napětí fotovoltaických panelů nepřekračující přípustné nabíjecí napětí akumulátoru a maximální napětí stanovené výrobcem regulátoru;
3. Spotřeba energie ve špičce – správně zvolený regulátor musí mít stejný nebo vyšší nabíjecí proud, který kompenzuje odběr proudu všech připojených spotřebičů;
4. Zkratový proud fotovoltaických panelů – vybrané zařízení by mělo mít nabíjecí proud vyšší než zkratový proud fotovoltaické instalace;
5. Kapacita zásobníku energie – abychom si mohli vybrat správné zařízení, které nám umožní v krátkém čase doplnit spotřebovanou energii, musíme nejprve určit, kolik energie jsme schopni spotřebovat, a tedy jak velkou kapacitu akumulátoru potřebujeme. Instalace pak bude „ušitá na míru".
Výběr správného solárního regulátoru může zlepšit účinnost naší instalace, což se promítne do ekonomické kalkulace. Regulátory PWM a MPPT mají své výhody i nevýhody a pouze dobře promyšlený nákup zajistí, že zařízení splní očekávání uživatele.

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.