MPPT-Solarladeregler: Funktionsweise, Dimensionierung und Auswahlleitfaden

Was ist ein MPPT-Solarladeregler (Maximum Power Point Tracking)?

Was ist Maximum Power Point Tracking oder ein MPPT-Lader?

Der MPPT oder Maximum Power Point Tracking-Regler ist weitaus raffinierter als PWM-Regler und ermöglicht es dem Solarmodul, an seinem maximalen Leistungspunkt zu arbeiten, genauer gesagt an der optimalen Spannung für maximale Leistungsausgabe. Mit dieser intelligenten Technologie können MPPT-Solarladeregler je nach Spannung des angeschlossenen Solarmoduls bis zu 30 % effektiver sein.

Als Faustregel können MPPT-Laderegler an allen höheren Leistungssystemen mit zwei oder mehr Solarmodulen oder wenn die Modulspannung (V_mp) 8 V oder mehr über der Batteriespannung liegt, eingesetzt werden – siehe vollständige Definition unten.

Der MPPT ist im Wesentlichen ein effizienter DC-DC-Wandler zur Maximierung der Solarmodulleistung. Der erste MPPT wurde 1985 von der kleinen australischen Firma AERL erfunden und ist heute in fast allen netzgekoppelten Solarwechselrichtern und vielen Solarladereglern nützlich.

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Die Funktionsweise des MPPT-Solarladereglers ist elementar, da sich der Sonnenlichteinfall (Bestrahlungsstärke) auf das Solarmodul tagsüber ändert. Modulspannung und -strom variieren kontinuierlich. Um maximal Strom zu erhalten, sucht der Maximum Power Point Tracker entlang der Modulspannung nach dem „Sweet Spot“ oder der optimalen Spannung-Strom-Kombination für maximale Leistung. Der MPPT ist programmiert, die Spannung kontinuierlich zu überwachen und anzupassen, um maximal Strom zu erzeugen, egal bei welchen Wetterbedingungen.

Beachten Sie: Normalerweise erkennen nur High-End-MPPT-Regler Teilschatten oder überwachen mehrere Leistungspunkte. Durch diese Technologie verbessert sich die Solarmodulleistung, und die Energieausbeute kann bis zu 30 % höher sein als bei PWM-Solarladereglern.

Funktionsprinzip des MPPT-Solarladereglers

Der Ausgang des Photovoltaik-Arrays ist nicht-linear. Er wird durch Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperatur und Lastzustand bestimmt.

Bei konstanter Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur kann das PV-Array bei verschiedenen Ausgangsspannungen arbeiten. Es erreicht jedoch seine Leistungsgüte nur an einem einzigen Ausgangsspannungspunkt. An diesem Punkt übersteigt der Arbeitspunkt des PV-Arrays die höchste Schwelle der Ausgangsleistungsspannungskurve – der „Maximum Power Point“ (MPP).

Daher ist es notwendig, den Arbeitspunkt des PV-Arrays zu ändern, um ihn nah am Volllastpunkt zu halten und die Gesamtleistung zu erhöhen. Dieses Konzept heißt „Maximum Power Point Tracking“.

Folgendes ist das typische Blockdiagramm eines MPPT-Solarladereglers.

Leistung & Vorteile des MPPT-Solarladereglers

Vergleichen wir den MPPT-Solarladeregler mit einem allgemeinen Solarladeregler.

Der allgemeine Solarladeregler ist wie ein manuelles Auto-Getriebe. Wenn wir den Gang nicht passend zur Motordrehzahl hochschalten, wird die Geschwindigkeit des Autos beeinträchtigt.

Vor der Auslieferung müssen die Ladeparameter des allgemeinen Solarladereglers eingestellt werden. Der MPPT-Solarladeregler hingegen kann den maximalen Leistungspunkt des Solarmoduls in Echtzeit überwachen, um maximale Leistung zu erreichen. Beim Beobachten des MPP: Je höher die Spannung, desto höher die Spitzenleistung und desto höher die Ladeeffizienz.

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Die Leistung des Solarsystems mit MPPT-Solarladeregler ist 50 % höher als die eines konventionellen Solarladereglers. Realistisch betrachtet liegt dieser Wert jedoch bei 20 % bis 30 %, abhängig von Umgebungsbedingungen und elektrischen Verlusten.

Fazit: Aufgrund von Baukosten wird die Solarmodulfläche in Wohnmobilen reduziert. Auch gibt es signifikante Produktivitätseinbußen durch die flache Installation der RV-Solarmodule. Ein passender Solarladeregler ist essenziell, um die maximale Leistung des RV-Solarsystems zu erreichen.

Dimensionierung eines MPPT-Solarladereglers

Verstehen wir dies an einem Grundbeispiel. Weitere Details im nächsten Beispiel.

Angenommen, Sie haben 4 × 100-Watt-Dachsolarmodule, alle in Reihe geschaltet. Jedes Modul hat eine Leerlaufspannung von 22,5 V. Welche MPPT-Regler-Bewertung ist richtig?

Antwort:

Die Reihenspannung beträgt = 22,5 × 4

V = 90 V

Die auf dem MPPT-Regler angegebene Spannungsbewertung sollte 90 V betragen oder der Regler sollte 90 V akzeptieren.

Da MPPT-Regler ihre Leistung begrenzen können, können Sie das Array so groß wie gewünscht machen, und der Regler begrenzt den Ausgang. Dies bedeutet jedoch, dass das System nicht so effektiv ist, wie es sein sollte. MPPT-Regler haben eine Ampere-Angabe, z. B. ein 40-Ampere-MPPT-Regler. Wenn die Module 80 A Strom erzeugen können, kann der MPPT-Laderegler nur 40 A Strom erzeugen, egal was passiert.

MPPT-Regler haben eine Ampere-Angabe, z. B. 40-Ampere-MPPT-Regler. Im Gegensatz zu PWM ist die Eingangsspannungsbewertung von MPPT-Reglern viel höher als die Batteriebank-Spannung, die sie laden. Dies liegt an der einzigartigen Eigenschaft des MPPT-Reglers, die Spannung auf die Batteriebank-Spannung abzusenken und dann den Strom zu erhöhen, um die fehlende Leistung auszugleichen. In kleinen Systemen müssen Sie keine hohe Eingangsspannung verwenden, um Reihenschaltungen zu vermeiden, aber in größeren Systemen ist dies sehr nützlich.

Angenommen, die Regler-Kennzeichnung zeigt, dass er 12-V- oder 24-V-Batteriebänke aufnehmen kann. Suchen Sie nach der Bedeutung von Rov. Beispiel: Rov-40 bedeutet, der Strom ist mit 40 Ampere bewertet.

Drittens betrachten wir die maximale Solareingangsspannung. Beispiel: Wenn der MPPT-Regler 100 Volt Eingangsspannung verträgt, kann er bis zu 100 Volt aufnehmen und auf Ihre 12-V- oder 24-V-Batterie heruntertransformieren. Angenommen, Sie haben 4 × 100-Watt-Module in Reihe, jedes mit 22,5 V Leerlaufspannung. Die Reihenspannung beträgt 4 × 22,5 V = 90 Volt, was der Regler akzeptiert.

Beispiel

Verstehen wir dies an einem Beispiel. Angenommen, ein Raum hat folgende DC-Lasten, die mit 24 V bemessen sind: vier 25-W-Lampen und zwei 25-W-Ventilatoren.

Alle genannten Lasten werden von zwei parallel geschalteten PV-Modulen gespeist, jedes mit einem Maximalleistungspunkt-Strom I_MP von 5 A und Kurzschlussstrom I_SC von 8 A. Nun müssen wir die Nennsystemspannung, den Nenn-PV-Array-Strom und den Nennlaststrom des Solarladereglers ermitteln.

Gesamte DC-Last = (Anzahl Lampen × Wattzahl je Lampe) + (Anzahl Ventilatoren × Wattzahl je Ventilator)

Gesamte DC-Last = (4 × 25) + (2 × 25) = 100 + 50 = 150 W

Die Nennsystemspannung des Solarladereglers entspricht der Nennspannung der Last und des Modul-Arrays.

Nenn-PV-Array-Strom = 2 × 8 (Kurzschlussstrom jedes PV-Moduls ist 7 A und sie sind parallel geschaltet) – Korrektur: I_SC = 8 A laut Text

Nenn-PV-Array-Strom = 16 A

Mit Sicherheitsfaktor 1,25 beträgt der Nenn-PV-Array-Strom 1,25 × 16 = 20 A

Nennlaststrom = Gesamte DC-Last / Nennsystemspannung = 150 / 24

Nennlaststrom = 6,25 A

Sie benötigen also einen 6,25-A-MPPT-Solarladeregler für das PV-System. Weitere gelöste Beispiele zur Dimensionierung von PWM- und MPPT-Ladereglern im vorherigen Beitrag.

Welche Arten von Solarladereglern gibt es?

Drei Arten:

1) Einfache 1- oder 2-Phasen-Regler: Verfügen über geschaltete Transistoren zur Spannungsregelung in ein oder zwei Stufen.

2) PWM (Pulsbreitenmodulation): Traditionelle Form des Ladereglers, z. B. Xantrex, Blue Sky usw. Derzeit Industriestandard.

3) Maximum Power Point Tracking (MPPT): Identifiziert optimale Betriebsspannung und -stromstärke des Solarmodul-Arrays und passt diese an die elektrische Zellenbank an.

Wie wählt man den besten Laderegler für einen Job?

MPPT vs. PWM Laderegler

MPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracking) ist moderne, effektivere Technologie. Mit steigender Modulleistung und -spannung benötigen immer mehr Module MPPT-Laderegler.

Bei MPPT-Reglern fließt die eingehende Solarenergie bei vergleichsweise höherer Spannung ein, und der Regler senkt die Spannung für korrektes Batterieladen. Der eingehende Strom steigt proportional mit vernachlässigbaren Verlusten an, was zu einem hocheffizienten Solarlader führt.

PWM

PWM (Pulsbreitenmodulation)-Laderegler basieren auf älterer, weniger zuverlässiger Hardware und erfordern die Anpassung der Modulspannung an die Batteriespannung. Beispiel: Für ein nominales 12-Volt-Solarmodul über einen PWM-Laderegler benötigen Sie eine 12-Volt-Batteriebank.

PWM-Regler sind bei weitem nicht so zuverlässig und verlieren ca. 20 % der eingehenden Leistung durch mangelnde Effizienz. Beispiel: Ein 100-Watt/12-Volt-Modul liefert bei Spitzenbedingungen ca. 5,5 Ampere bei 18 Volt. Ein PWM-Regler reduziert die Leistung auf ca. 14,5 Volt bei 5,5 Ampere oder 80 Watt (14,5 V × 5,5 A = 80 Watt).

Es gibt Einschränkungen bei der Geräteauswahl, einschließlich der Verwendung von nominal 12- oder 24-Volt-Solarmodulen. PWM-Regler sind meist kleiner und haben feste Limits bei verfügbaren Geräten, da sie dieselbe Spannung wie die Batteriebank benötigen.

Deshalb greifen die meisten unserer Privatkunden für größere Systeme auf MPPT-Regler zurück. PWM-Laderegler sind auch für kleinere Anwendungen wie Wohnmobile, kleine netzunabhängige Hütten und entfernte Industriestandorte mit begrenztem Strombedarf beliebt.

Gerätekompatibilität

Wir können Laderegler auf Solarinstallationen mit identischen elektrischen Eigenschaften abstimmen. Für die beste Auswahl beachten Sie folgende Attribute:

• Eingangsspannung: Maximale Spannung, die der Regler verträgt. Generell 100 bis 600 Vdc für MPPT-Laderegler.
• Batteriespannung: Die Regler-Spannung muss mit der Batteriebank-Spannung übereinstimmen. Die meisten kleinen Regler sind 12 V oder 24 V, größere Regler meist auf 12/24/36/48 Volt einstellbar.
• Strom: Vollladestrom, z. B. 100 Ampere für FM100 AFCI
• Batterietyp: Stellen Sie sicher, dass der Regler für Ihren Batterietyp ausgelegt ist (die meisten Regler sind für Blei-Säure konzipiert, daher wichtig für Li-Ion).

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Normkonformität & Sicherheit

Prüfen Sie, ob der Regler zertifiziert ist, um kommunale Bauvorschriften und Sicherheitsgesetze einzuhalten. Achten Sie auf:

• UL gelistet nach UL 1741
• Fehlerstromschutz (GFCI)
• UL 458 (für mobile Anwendungen)
• Lichtbogenschutz (AFCI)

Online-Überwachung

Die meisten Regler können an einen Überwachungsdienst angebunden werden, um die Anlagenleistung remote zu prüfen. Erkunden Sie kompatible Überwachungsportale, um sicherzustellen, dass sie alle Funktionen bieten, die Sie zur Erfolgsverfolgung benötigen. In manchen Fällen erfordern Remote-Überwachung & Steuerung zusätzliche Hardware.

Kommunikation

Viele Laderegler vernetzen sich mit Wechselrichtern, Batterieanzeigen, automatischen Generatorstartern, Li-Ion-Batterien usw. Prüfen Sie die Vernetzungsfähigkeit des Reglers, um Kompatibilität mit anderen Systemkomponenten sicherzustellen.

Hilfssteuerung

Hilfssteuerung ermöglicht dem Regler, andere Systemkomponenten basierend auf vom Endbenutzer definierten Kriterien automatisch zu trennen. Nützlich für Überwachung verkabelter Geräte wie automatische Starterschalter, Lastumleitung usw. Erfordert meist den Einbau entsprechend dimensionierter Relais.

Effizienz & Eigenverbrauch

Der Laderegler selbst verbraucht Strom, daher ist seine Signalverarbeitung nicht 100 % effizient. Suchen Sie nach geringem Eigenverbrauch und hoher Leistung. Die meisten MPPT-Laderegler sind 98 % effizient oder besser, während PWM-Regler und günstigere MPPT-Lösungen dahinter zurückbleiben.

Anwendungen von MPPT-Solarladereglern

Das folgende grundlegende Solarmodul-Installationssystem zeigt die wichtige Rolle von Solarladeregler und Wechselrichter. Der Wechselrichter (wandelt DC-Leistung von Batterien und Solarmodulen in AC-Leistung um) verbindet AC-Geräte über den Laderegler. DC-Geräte können direkt an den Solarladeregler angeschlossen werden, um DC-Leistung über PV-Module und Speicherbatterien zu beziehen.

Solar-Straßenbeleuchtungssystem nutzt ein PV-Modul zur Umwandlung von Sonnenlicht in DC-Strom. Das System nutzt nur DC-Energie und umfasst einen Solarladeregler, um DC im Batteriefach zu speichern, damit es tagsüber oder nachts nicht sichtbar ist.

Solar-Heimsystem nutzt Energie vom PV-Modul für Haushaltsgeräte. Das System umfasst einen Solarladeregler zur DC-Speicherung in der Batteriebank für den Einsatz in Umgebungen ohne Netzanschluss.

Hybridsystem besteht aus verschiedenen Energiequellen für volle Notstromversorgung oder andere Zwecke. Typischerweise integriert es ein Solarray mit anderen Erzeugungsmitteln wie Dieselmotoren und erneuerbaren Quellen (Windkraft, Wasserkraft usw.). Es umfasst einen Solarladeregler zur DC-Speicherung in einer Batteriebank.

Solar-Wasserpumpensystem nutzt Solarenergie, um Wasser aus natürlichen und Oberflächenreservoirs für Haus, Dorf, Wasseraufbereitung, Landwirtschaft, Bewässerung, Viehzucht und andere Anwendungen zu pumpen.

MPPT-Solarladeregler minimieren die Komplexität jedes Systems bei hoher Ausgangsleistung. Zudem können sie mit vielfältigen anderen Energiequellen kombiniert werden.