MPPT w falowniku dobiera punkt pracy paneli, aby uzyskać maksymalną moc. Zacienienie nawet jednego modułu może obniżyć wydajność całego łańcucha, szczególnie przy wspólnym układzie śledzenia. Można więc łączyć panele o podobnym nasłonecznieniu i kierunku montażu oraz stosować osobne MPPT dla różnych połaci. Prawidłowa konfiguracja ogranicza straty i poprawia uzysk energii.
Zacienienie modułów fotowoltaicznych zmienia podobnie jak charakterystykę prądowo-napięciową generatorai warunki pracy algorytmu MPPT.
Problem dotyczy dachu z kominem, lukarną lub drzewem, lecz także instalacji narażonych na chwilowe przesłonięcie przez śnieg, zabrudzenia czy sąsiednie budynki. Tekst jest przeznaczony dla projektantów, instalatorów i inwestorów analizujących uzysk oraz dobór falownika. Prawidłowa konfiguracja łańcuchów PV wymaga rozpatrzenia położenia cienia w ciągu dnia, orientacji połaci, liczby modułów i sposobu podziału generatora między niezależne wejścia MPPT.
Mechanizm wpływu zacienienia na pracę MPPT
Moduły połączone szeregowo przewodzą ten sam prąd. Gdy jeden z nich zostanie częściowo zasłonięty, ogranicza prąd całego łańcucha, mimo że pozostałe panele są oświetlone. Diody bypass zmniejszają ryzyko uszkodzenia ogniw, omijając zacienioną sekcję, jednak obniżają napięcie stringu. Na charakterystyce mocy pojawiają się wtedy lokalne maksima. Zwykły algorytm MPPT, śledzący punkt mocy na podstawie niewielkich zmian napięcia, może zatrzymać się na maksimum lokalnym zamiast znaleźć globalny punkt pracy. Skutkiem jest niższa moc chwilowa i zmienny uzysk, szczególnie przy przesuwającym się cieniu. Niektóre falowniki stosują skanowanie charakterystyki lub funkcję globalnego MPPT, która okresowo sprawdza szerszy zakres napięcia.
Nie kompensuje ona jednak strat wynikających z fizycznego ograniczenia prądu przez zacieniony moduł.
Przy projektowaniu łańcuchów PV trzeba sprawdzić równocześnie:
- położenie i długość cienia w godzinach największej produkcji,
- zgodność orientacji oraz kąta nachylenia modułów w jednym stringu,
- minimalną i maksymalną liczbę paneli przypadającą na wejście MPPT,
- napięcie obwodu otwartego przy najniższej temperaturze modułów,
- prąd zwarciowy i roboczy w odniesieniu do limitów falownika,
- możliwość rozdzielenia połaci o różnym nasłonecznieniu na osobne MPPT,
- zastosowanie optymalizatorów mocy lub mikrofalowników przy trwałym zacienieniu.
Równoległe łączenie stringów o różnym poziomie zacienienia na jednym trackerze MPPT także może powodować straty.
Falownik wymusza wtedy wspólne napięcie pracy, choć każdy łańcuch ma inny punkt mocy maksymalnej. Łańcuchy o odmiennej orientacji, na przykład wschodni i zachodni, powinny trafiać do niezależnych trackerów. Podobnie należy postąpić z połacią, na którą cień pada często. Optymalizatory są uzasadnione, gdy zacienienie obejmuje pojedyncze moduły i nie można go usunąć przez zmianę układu paneli. Nie powinny jednak zastępować poprawnego projektu.
Przy jednorodnym nasłonecznieniu prosty, równomiernie dobrany string najczęściej pracuje sprawniej i jest mniej złożony serwisowo. Należy także unikać mieszania w jednym łańcuchu modułów o różnych mocach, technologiach lub parametrach elektrycznych.
Wpływ zacienienia na charakterystykę pracy algorytmu MPPT
Zacienienie części modułów zmienia charakterystykę prądowo-napięciową całego łańcucha. W jednorodnie oświetlonym stringu występuje zazwyczaj jeden wyraźny punkt mocy maksymalnej. Gdy cień obejmuje jeden lub parę modułów, ich prąd spada, a diody obejściowe zaczynają przewodzić. Charakterystyka uzyskuje wtedy parę lokalnych maksimów mocy, najczęściej oddzielonych obniżeniami napięcia odpowiadającymi kolejnym sekcjom zabezpieczanym przez bypass diody. Standardowy algorytm MPPT typu Perturb and Observe okresowo zmienia napięcie robocze i obserwuje reakcję mocy. Przy pojedynczym maksimum działa efektywnie, lecz w warunkach częściowego zacienienia może zatrzymać się na maksimum lokalnym. Falownik uznaje je za najlepszy punkt, mimo że przy innym napięciu dostępna jest większa moc całego generatora.
Algorytm Incremental Conductance analizuje zależność przyrostu mocy od napięcia i lepiej reaguje na zmiany nasłonecznienia, a także nie gwarantuje znalezienia maksimum globalnego, jeśli nie wykonuje dodatkowego przeszukiwania charakterystyki.
Diody bypass ograniczają ryzyko nadmiernego nagrzewania zacienionych sekcji, lecz nie usuwają strat wynikających z niedopasowania modułów. Zacieniony panel może wymusić przepływ prądu przez diodę obejściową, co obniża napięcie stringu i zmienia położenie wszystkich punktów pracy. Przy gwałtownie przesuwającym się cieniu algorytm także reaguje na zmianę warunków, a nie wyłącznie na własną korektę napięcia.
Może to powodować chwilowe oscylacje i opóźnienia w osiąganiu właściwego punktu MPP.
Czy falownik może utknąć na lokalnym maksimum?
Tak. Dotyczy to szczególnie falowników, których MPPT wykonuje jedynie niewielkie perturbacje napięcia. Rozwiązaniem jest funkcja Global MPPT, realizująca okresowy skan szerszego zakresu napięć i porównująca znalezione maksima. Skan może chwilowo obniżyć produkcję, ale pozwala przełączyć układ na wyższy punkt mocy.
Znaczenie liczby trackerów i optymalizatorów
Jeżeli różnie zacienione połacie są podłączone do jednego trackera, algorytm otrzymuje sumaryczną, silnie zniekształconą charakterystykę. Dwa niezależne MPPT umożliwiają rozdzielenie stringów o odmiennym kierunku, nachyleniu lub profilu zacienienia.
Nie zwiększają jednak mocy panelu zacienionego; ograniczają jedynie wzajemne oddziaływanie części instalacji. Optymalizatory mocy montowane przy modułach wykonują lokalne śledzenie MPP i przekazują falownikowi bardziej jednorodne parametry stringu. Ich skuteczność zależy od zakresu napięć, sprawności oraz zgodności z falownikiem. W instalacjach narażonych na kominy, drzewa lub attyki korzystne może być także zastosowanie krótszych stringów, ponieważ zacienienie obejmuje wtedy mniejszą liczbę modułów i mniej energii jest tracone przez wspólny punkt pracy. Dobór połączeń łańcuchów PV między wejściami MPPT wymaga zgodności napięcia, prądu, orientacji modułów oraz parametrów granicznych falownika.
Konfiguracja łańcuchów PV względem wejść MPPT falownika
Każdy tracker MPPT obojętnie wyszukuje punkt maksymalnej mocy dla przypisanych mu modułów.
Dlatego łańcuchy skierowane na wschód, zachód lub południe powinny być podłączane do oddzielnych wejść MPPT, szczególnie gdy różnią się kątem nachylenia albo występuje częściowe zacienienie. Łączenie takich generatorów pod jednym trackerem powoduje kompromis pracy i może obniżyć uzysk.
Przy łączeniu równoległym dwóch lub większej liczby identycznych łańcuchów napięcie pozostaje zbliżone do napięcia pojedynczego łańcucha, jednak prądy się sumują.
Wymaga to sprawdzenia dopuszczalnego prądu wejściowego MPPT oraz maksymalnego prądu zwarciowego. Połączenie szeregowe zwiększa napięcie, dlatego liczba modułów musi uwzględniać napięcie obwodu otwartego przy najniższej temperaturze. Przed przypisaniem łańcuchów do wejść należy zweryfikować:
- maksymalne napięcie DC falownika,
- zakres napięcia śledzenia MPPT,
- maksymalny prąd roboczy i zwarciowy każdego MPPT,
- liczbę modułów w każdym łańcuchu,
- wymagane bezpieczniki oraz dopuszczalny przekrój przewodów.
Czy możemy podłączyć różne łańcuchy do jednego MPPT? Tak, lecz tylko wtedy, gdy mają zgodne napięcia, liczbę modułów i podobne warunki pracy. Czy dwa wejścia MPPT można zmostkować? Nie, chyba że producent falownika wyraźnie przewidział taką konfigurację.
Czy identyczne łańcuchy można łączyć równolegle? Tak, pod warunkiem zachowania limitów prądowych i właściwego zabezpieczenia przed prądem wstecznym. Różne azymuty i kąty nachylenia modułów PV powodują, że ich punkt mocy maksymalnej zmienia się w odmienny sposób w ciągu dnia. Panel skierowany na południe osiąga najwyższą produkcję najczęściej około południa, jednak moduły wschodnie i zachodnie pracują z innym natężeniem oraz napięciem. Dlatego pytanie, czy różne orientacje paneli PV wymagają osobnych wejść MPPT falownika, dotyczy przede wszystkim zgodności parametrów stringów, a nie samego wyglądu instalacji.
MPPT, czyli układ śledzenia punktu maksymalnej mocy, dobiera warunki pracy dla całego podłączonego obwodu.
Jeżeli do jednego trackera trafią moduły o wyraźnie różnych profilach nasłonecznienia, falownik znajdzie jeden wspólny punkt pracy. W efekcie część paneli będzie pracować poza swoim odpowiednim zakresem, co obniży uzysk energii. Najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest przypisanie każdej istotnie różniącej się orientacji do niezależnego wejścia MPPT.
Czy różne orientacje paneli PV wymagają osobnych wejść MPPT?
Często tak, jeśli stringi są skierowane na wschód, południe i zachód albo mają różne kąty nachylenia.
Osobne trackery pozwalają falownikowi obojętnie ustalać napięcie MPP i prąd roboczy dla każdego pola modułów. Nie znaczy to jednak, że każda niewielka różnica wymaga dodatkowego MPPT.
Kiedy jeden MPPT może obsłużyć różne połacie dachu?
Wspólny tracker bywa dopuszczalny przy małym odchyleniu azymutu, identycznej liczbie modułów w stringach i zbliżonych warunkach zacienienia. Przy połączeniu równoległym oba stringi powinny mieć podobne napięcie w punkcie mocy maksymalnej; różnice prądowe są mniej problematyczne, lecz trzeba sprawdzić dopuszczalny prąd wejściowy falownika oraz zastosować właściwe zabezpieczenia. Nie należy mylić liczby gniazd MC4 z liczbą niezależnych trackerów. Dwa fizyczne wejścia mogą być wewnętrznie połączone i tworzyć jeden MPPT.
Informacji trzeba szukać w karcie katalogowej, zwracając uwagę na liczbę trackerów, zakres napięcia, maksymalny prąd oraz sposób obsługi równoległych stringów.
Gdy osobnych wejść brakuje, alternatywą są mikroinwertery lub optymalizatory mocy.
W standardowej instalacji stringowej mieszanie orientacji w jednym szeregu jest jednak najmniej korzystnym wariantem, ponieważ ograniczenie prądu przez słabiej oświetloną część wpływa na cały string.
