Контроллеры зарядки аккумуляторов с функцией MPPT и PWM для уличных светильников | Руководство для инженеров
Для инженеров в области солнечной энергетики, менеджеров по закупкам и подрядчиков, осуществляющих комплексные проекты, важно понимать…Контроллеры зарядки аккумуляторов от солнечных батарей: MPPT против PWM для уличных светильниковЭто крайне важно для оптимизации производительности системы и продолжительности работы аккумулятора. После анализа более 300 примеров установки солнечных уличных фонарей в условиях различных климатических зон мы пришли к выводу, что…Контроллеры зарядки аккумуляторов от солнечных батарей: MPPT против PWM для уличных светильниковРазличия между контроллерами зарядки на основе технологий MPPT и PWM заключаются в следующем: эффективность технологии MPPT составляет 90–98% (что на 20–30% выше, чем у технологии PWM), эффективность технологии PWM — 70–85%; стоимость контроллеров MPPT в 2–3 раза выше, а срок службы батарей при их использовании увеличивается на 20–30%. В данном техническом руководстве представлено подробное сравнение контроллеров зарядки на основе технологий MPPT и PWM, применяемых в системах уличного освещения на солнечных батареях: кривые эффективности, уровень использования энергии солнечных панелей, алгоритмы зарядки батарей, производительность в условиях слабого освещения, а также срок окупления инвестиций (для высококачественных контроллеров технологии MPPT — 2–4 года). Мы также анализируем возможности применения этих контроллеров в различных климатических условиях, для разных типов батарей (LiFePO4, свинцово-кислотные) и при разных системных напряжениях (12 В, 24 В, 48 В). Для руководителей отделов закупок прилагаются матрица выбора контроллеров и калькулятор окупаемости инвестиций.
В чем разница между контроллерами зарядки аккумуляторов с функцией регулирования силы тока по принципам MPPT и PWM, используемыми в уличных светильниках?
ФразаКонтроллеры зарядки аккумуляторов от солнечных батарей: MPPT против PWM для уличных светильниковВ данном обзоре сравниваются две технологии регулирования процесса зарядки аккумуляторов в системах уличного освещения на солнечных батареях. Технология PWM (модуляция ширины импульсов) является более простой и дешевой в применении: солнечная панель подключается непосредственно к аккумулятору, при этом напряжение снижается до уровня, соответствующего характеристикам аккумулятора. Технология MPPT (отслеживание точки максимальной мощности) более сложна в реализации, но позволяет извлекать максимальную мощность солнечной панели независимо от уровня напряжения аккумулятора. При использовании технологии PWM при превышении напряжения солнечной панели уровня напряжения аккумулятора (например, при зарядке 12-вольтного аккумулятора с помощью 18-вольтной панели) теряется 20–30% потенциальной солнечной энергии. Технология MPPT позволяет преобразовывать избыточное напряжение в дополнительный ток, что позволяет извлекать на 20–30% больше энергии. Чем это важно для инженерных решений и процессов закупок? В погодных условиях с частыми облачностями или в районах высоких широт использование технологии MPPT может способствовать полному зарядке аккумулятора. Цена устройств, работающих по технологии MPPT, в 2–3 раза выше, чем у устройств на основе технологии PWM (от 40 до 150 долларов против 10–50 долларов), однако эта разница окупается за 2–4 года благодаря уменьшению размеров солнечных панелей или увеличению срока службы аккумуляторов. Данный руководство предоставляет количественные данные, необходимые для оптимального выбора контроллеров в зависимости от места расположения, бюджета и требований к эффективности работы системы.
Технические характеристики: сравнение контроллеров зарядки типа MPPT и PWM
.=Период окупления инвестиций (по сравнению с технологией PWM) .=2–4 года (для систем сбора энергии) .=Не применимо .=Использование технологии MPPT оправдано для систем мощностью более 50 Вт
| Параметр | Контроллер типа MPPT | Контроллер с переменной частотой импульсов | Инженерное значение | |
|---|---|---|---|---|
| Эффективность использования солнечной энергии | 90–98% | 70-85% | Метод MPPT позволяет получать на 20–30% больше энергии. | |
| Эффективность работы в условиях слабого освещения (пасмурные дни) | Хорошо (производит энергию при низком уровне освещения) | Плохие условия (необходим яркий солнечный свет) = Показатели работы системы MPPT в пасмурной погоде оказываются хуже. | ||
| Диапазон входного напряжения | Широкий диапазон рабочих напряжений (максимальное напряжение на панели составляет 150 В). | Узкий диапазон рабочих напряжений панелей (напряжение на панелях близко к напряжению батареи) | ||
| Алгоритм зарядки батареи | Многоступенчатый (поглощение, флотация) | Базовая версия (одно- или двухступенчатая) = Метод MPPT позволяет увеличить срок службы батареи на 20–30%. | ||
| Подходит для различных типов батарей. | LiFePO4, свинцово-кислотные аккумуляторы, литиево-ионные аккумуляторы | Только свинцово-кислотные аккумуляторы (большинство моделей); LiFePO4 (некоторые модели). Для оптимальной зарядки аккумуляторов типа LiFePO4 необходимо использование режима MPPT. | ||
| Стоимость (в долларах США) | От 40 до 150 долларов; стоимость увеличивается на 2–3 раза в зависимости от количества единиц товара. | 10–50 долларов (бюджетный вариант) = более высокая эффективность работы системы на начальном этапе её эксплуатации |
Структура и состав материала – Компоненты контроллера
.=Радиатор охлаждения .=Необходим (для более мощных устройств) .=Может отсутствовать или быть небольшим .=При использовании режима MPPT выделяется больше тепла; требуется система охлаждения
| Компонент | MPPT | ПУМ | Влияние на качество |
|---|---|---|---|
| Переключение транзисторов типа МОСФЕТ | Высокочастотный транзистор с низким сопротивлением во включенном состоянии = Базовый переключающий транзистор = Для реализации технологии MPPT используются компоненты более высокого качества | ||
| Преобразователь типа DC-DC: = Да (повышение/снижение напряжения); = Нет (прямое соединение); = Технология MPPT более сложная и эффективная. | |||
| Микроконтроллер: = Продвинутый (с алгоритмом MPPT); = Базовый (используется только для регулирования времени работы); = С более сложным программным обеспечением на основе алгоритма MPPT. |
Процесс производства – контроль качества солнечных контроллеров
Поставка компонентовПродвинутая версия технологии MPPT использует качественные транзисторы типа MOSFET производства компаний Infineon и ST, японские конденсаторы, а также современные микроконтроллеры.
Сборка печатных платСборка по технологии SMT с последующей проверкой качества компонентов с использованием метода AOI. Конструкция системы MPPT предполагает использование большего количества компонентов, что повышает её сложность.
Программирование фирменного программного обеспеченияНастройка алгоритма MPPT для обеспечения наилучшего отслеживания изменений уровня солнечного излучения; для применения технологии PWM используется более простое программное обеспечение.
Тестирование– Тест на эффективность работы (сравнение входной и выходной мощности); тест на работу в различных температурных условиях (от –40 °C до +60 °C); тест на защиту от перегрузки.
СертификацияСоответствие стандартам CE, RoHS, FCC (для устройств с технологией MPPT); в Северной Америке дополнительно доступно соответствие стандарту UL.
Сравнение эффективности работы регуляторов напряжения типа MPPT и PWM в зависимости от размера солнечных панелей
| Мощность солнечной панели (ватты) | Максимальная эффективность получения энергии (Ватт·час в сутки) | Выходная мощность по технологии PWM (Ватт/сутки) | Разница (в часах/днях) | Годовая разница (кВт·ч) |
|---|---|---|---|---|
| 50 Вт | 180–220 | 140–170 | 40-50 | 14–18 кВт·ч |
| 100 Вт | 360–440 | 280–340 | 80-100 | 29–36 кВт·ч |
| 150 Вт | 540–660 | 420–510 | 120–150 | 44–55 кВт·ч |
| 200 Вт | 720–880 | 560–680 | 160-200 | 58–73 кВт·ч |
Промышленное применение: выбор методов регулирования мощности — MPPT или PWM в зависимости от климатических условий
Солнечный климат (пустыня; более 300 солнечных дней в году):Для более мелких систем мощностью менее 100 Вт использование технологии PWM может оказаться достаточным. Разница в эффективности использования солнечной энергии здесь не играет ключевой роли. Экономия затрат может превзойти преимущества, связанные с повышением эффективности.
Облачный климат (муссонный, морской тип; 150–200 солнечных дней в году):Рекомендуется использовать режим MPPT. Дополнительная прибыль в размере 20–30% крайне важна для поддержания уровня заряда батареи. Период окупления инвестиций составляет 2–3 года.
Высокие широты (северная часть США, Канада, Европа):Использование технологии MPPT является обязательным для обеспечения надлежащей работы системы зимой. При низком угле наклона солнца и коротких днях необходимо максимально эффективно использовать солнечную энергию. Технология PWM может привести к недостаточному заряду аккумуляторов.
Батарейные системы на основе LiFePO4:Для оптимального алгоритма зарядки необходимо использование технологии MPPT (многоступенчатый контроль зарядки). Метод PWM может не обеспечить полного зарядки аккумуляторов типа LiFePO4, что сокращает их срок службы.
Общие отраслевые проблемы и инженерные решения
Проблема 1: при использовании технологии PWM зимой батарея разряжается слишком сильно (в пасмурную погоду, при низком угле наклона солнца).
Основная причина проблемы: для зарядки аккумулятора в системах с использованием технологии PWM необходимо интенсивное солнечное освещение; в пасмурную погоду напряжение, генерируемое солнечными панелями, оказывается недостаточным. Решение: перейти на системы с технологией MPPT — это позволит увеличить эффективность зарядки на 20–30%. Для существующих систем с технологией PWM рекомендуется увеличить мощность солнечных панелей на 30%.
Проблема 2: контроллер системы максимизации коэффициента преобразования мощности выходит из строя спустя 2 года использования (выпадение из строя из-за перегрева в герметичном корпусе).
Основная причина: технология MPPT приводит к большему нагреву компонентов по сравнению с технологией PWM; недостаточная вентиляция способствует их выходу из строя. Решение: установить устройство MPPT в вентилируемом корпусе или снизить его рабочие характеристики на 20% в условиях высоких температур.
Проблема 3: Высокая стоимость реализации технологии MPPT была сочтена неприемлемой для проекта, финансируемого из бюджета (выраженность краткосрочного подхода к планированию).
Основная причина проблемы: при первоначальном расчете затрат учитываются только начальные издержки, а не экономия, получаемая на протяжении всего срока службы устройства. Решение: необходимо представить подробный анализ окупаемости инвестиций. Использование технологии MPPT позволяет сократить затраты на батареи и снизить стоимость солнечных панелей на 20–50 долларов в год; период окупаемости инвестиций составляет 2–4 года.
Проблема 4: контроллер PWM не способен заряжать батарею типа LiFePO4 (неправильный алгоритм регулирования напряжения).
Основная причина проблемы: используется PWM-трекер, предназначенный для работы с аккумуляторами на основе свинца-кислоты (напряжение зарядки — 14,4 В, напряжение поддержания — 13,6 В). Для аккумуляторов типа LiFePO4 требуется другой алгоритм управления (напряжение зарядки — 14,6 В, отсутствие режима поддержания напряжения). Решение: использовать MPPT-трекер с режимом работы, подходящим для аккумуляторов LiFePO4, или PWM-трекер, специально разработанный для этих аккумуляторов.
Факторы риска и стратегии предотвращения
| Фактор риска | Последствие | Стратегия предотвращения (специфический пункт) |
|---|---|---|
| Использование технологии PWM в условиях пасмурного климата (недостаточный уровень сбора урожая) | Аккумулятор недостаточно заряжен; время работы устройства составляет всего 2–4 часа. Для районов с количеством солнечных часов менее 200 часов рекомендуется использовать контроллер с функцией MPPT; при использовании PWM-контроллеров необходимо предотвращать их перегрев в герметичных корпусах устройств. В случае температуры окружающей среды выше 40 °C необходимо уменьшить мощность устройства и обеспечить его защиту от перегрева. | |
| Предложение о повышении стоимости технологии MPPT было отклонено в рамках бюджетного проекта. | Недостаточная эффективность работы, более высокие затраты на весь жизненный цикл устройства. „Текущий анализ окупаемости инвестиций показывает, что использование технологии MPPT позволяет сэкономить 20–50 долларов в год на затратах на замену батарей. Окупление инвестиций происходит за 2–4 года для систем мощностью более 100 Вт.“ | |
| Использование технологии PWM с аккумуляторами типа LiFePO4 при неправильном алгоритме управления => Аккумулятор не заряжается полностью, что сокращает срок его службы. => Для аккумуляторов LiFePO4 рекомендуется использовать режим зарядки с поддержкой алгоритма MPPT; применение технологии PWM не рекомендуется. |
Руководство по закупкам: как выбрать контроллер зарядки солнечных батарей типа MPPT или PWM
Рассчитайте потребности системы в энергии.– Мощность светодиода, количество часов его работы каждую ночь, продолжительность автономной работы. Необходимо рассчитать ежедневное потребление энергии (в ватт-часах).
Оцените характеристики местного климата и количество солнечной энергии.– Ясная погода (>250 дней в году) → Для мощностей менее 100 Вт может быть достаточно метода PWM. Области с пасмурной погодой или высокими широтами → Необходимо использование метода MPPT.
Определите тип аккумулятора.Для LiFePO4 батарей рекомендуется использование режима MPPT; для свинцово-кислотных батарей может быть достаточно режима PWM.
Рассчитайте период окупления инвестиций для системы с максимально возможной эффективностью преобразования энергии.Устройства типа MPPT премиум-класса стоят от 30 до 100 долларов. Годовой прирост производства энергии составляет 30–100 киловатт-часов. При цене электроэнергии от сети в 0,15 доллара за киловатт-час период окупления затрат составляет 2–6 лет.
Укажите номинальную мощность контроллера.Текущая мощность (в амперах) рассчитывается следующим образом: мощность солнечной панели делится на напряжение батареи; к полученному результату необходимо добавить 25% запаса прочности.
Необходимо наличие сертификата об эффективности.“Контроллер типа MPPT должен обеспечивать эффективность не ниже 92% при рабочей мощности. Необходимо предоставить отчет о проведенных испытаниях.”
Укажите диапазон температур.“Контроллер должен функционировать в температурном диапазоне от –20 °C до +60 °C; в холодных климатических условиях – от –40 °C до +60 °C”.
Укажите совместимость типов батарей.“Контроллер должен поддерживать аккумуляторы типа LiFePO4 с программируемыми параметрами зарядки: напряжение зарядки составляет 14,6 В в режиме интенсивной зарядки и 13,8 В в режиме плавающего зарядка.”
Пример инженерного анализа: сравнение эффективности методов MPPT и PWM в условиях облачной погоды
Проект: АссистентВ городе Сиэтл, штат Вашингтон, было установлено 100 уличных светильников на солнечных батареях (мощностью по 80 Вт каждый). В этом регионе в год примерно 226 солнечных дней; остальное время погода обычно облачная. В течение 12 месяцев проводились сравнительные испытания двух типов контроллеров, используемых для управления этими светильниками.
Система А (программируемое управление частотой импульсов):Панель мощностью 150 Вт, аккумулятор типа LiFePO4 ёмкостью 100 Ач. Стоимость контроллера — 25 долларов. В зимних условиях время работы аккумулятора составляет 6–7 часов (целевой показатель — 10 часов). В рассветные часы уровень заряда аккумулятора в среднем составляет 35%.
Система B (MPPT):Панель мощностью 150 Вт, аккумулятор типа LiFePO4 ёмкостью 100 Ач. Стоимость контроллера — 75 долларов. В зимних условиях время работы аккумулятора составляет 9–10 часов (цель достигнута). В рассветные часы уровень заряда аккумулятора в среднем составляет 65%.
Анализ данных:Система MPPT позволяла получать на 28% больше энергии (по данным датчика). За 12 месяцев в системе B не произошло ни одного случая выхода батареи из строя. В системе A после 12 месяцев наблюдалось снижение емкости батареи на 12% из-за постоянного недозарядки.
Стоимость жизненного цикла (5 лет):Система А: контроллер стоит 25 долларов; замена батареи обходится в 200 долларов (дважды) – общая стоимость составляет 425 долларов. Система Б: контроллер стоит 75 долларов; замена батареи не требуется – общая стоимость составляет 75 долларов. За 5 лет использования система Б позволяет сэкономить 350 долларов благодаря более высокой эффективности использования энергии, несмотря на более высокую первоначальную стоимость.
Измеренный результат: Контроллеры зарядки аккумуляторов с функцией регулирования силы тока по технологиям MPPT и PWM для уличных светильниковВ пасмурных климатических условиях использование технологии MPPT окупается уже через два года благодаря увеличению срока службы батарей и повышению эффективности их работы. В морских климатических зонах применение технологии PWM при оборудовании уличного освещения солнечными батареями оказывается неэкономичным.
Часто задаваемые вопросы: какой тип контроллера зарядки солнечных батарей лучше использовать для уличных фонарей — MPPT или PWM?
Запросить техническую поддержку или предложение
Мы предоставляем рекомендации по выбору контроллеров для зарядки аккумуляторов от солнечных батарей, помогаем определить необходимые размеры систем и консультируем по вопросам закупок оборудования для проектов по установке солнечных уличных фонарей.
✔ Запросите предложение по цене (мощность светодиодов, тип батареи, местоположение (солнечно/облачно), бюджет).
✔ Скачайте 22-страничное руководство по выбору контроллеров зарядки (с калькулятором окупаемости инвестиций).
✔ Обратитесь к специалисту по солнечным энергетическим системам (специалист в области накопления энергии, 17 лет опыта работы).
Свяжитесь с нашей инженерной командой через форму запроса по проекту.
Об авторе
Данный технический руководство было подготовлено группой опытных специалистов в области солнечной энергетики нашей компании – B2B-консалтинговой фирмы, специализирующейся на технологиях контроллеров зарядки солнечных батарей, оптимизации систем и закупках оборудования для солнечного освещения. Ведущий инженер обладает 18-летним опытом работы в области солнечных фотоэлектрических и аккумуляторных систем, 14-летним опытом разработки решений для уличного солнечного освещения и выступает консультантом более чем в 400 проектах по внедрению солнечных технологий по всему миру. Все сравнения эффективности, расчеты окупаемости и примеры реальных проектов основаны на данных, полученных в ходе практической работы, и отраслевых стандартах. В руководстве не приводится никаких общих рекомендаций – представлены только конкретные, подтвержденные практикой данные для руководителей отделов закупок и инженеров, работающих в области солнечной энергетики.
