Warum MPPT-Solarregler ?

MPPT – Solarregler

MPPT-Regler sind normalerweise (hier das Datenblatt prüfen, oder beim Hersteller nachfragen) als sogenannte Buck-Boost-Wandler (Tiefsetz-/Hochsetz-Steller) aufgebaut.

Sie können sowohl eine höherer Spannung am Eingang (also vom Solarmodul) korrekt umsetzen in eine niedriger Spannung am Akku. Der Spannungsunterschied wird hier in einen Stromunterschied umgewandelt, in diesem Fall ist der Ausgangsstrom dann höher als der Solarmodulstrom (Eingangsstrom). Er wandelt also Energie mit einem höheren Spannungsniveau auf eines mit niedrigerem Spannungsniveau, praktisch nahezu verlustfrei (3-4% Verluste) um. Er kann somit die höheren Spannungen bei normalen und kühlen Umgebungsbedingungen optimal nutzen. Die im obigen Beispiel errechneten und dort „verschwendeten“ 14-24% werden, für die Akkuladung effizient genutzt.

Aber eben auch umgekehrt, er kann auch die Spannung von Eingang zu Ausgang hochsetzen (dann etwa mit 4-5% Verlusten), wodurch der oben aufgeführte Betriebspunkt mit heißem Solarmodul, wenn der MPP unterhalb der notwendigen Akkuladespannung liegt, zu 100%, da ein normaler Betriebsfall.

Der MPPT-Regler weist prinzipbedingt zwei Regelsysteme auf, das erste ist die Akkuspannungsregelung, übergeordnet die MPP-Regelung.

Bis dahin würde ich die Schulnote GUT  bis Sehr GUT vergeben.

Solarregler bei Teilverschattung

Aber betrachten wir mal „übliche“ Betriebsbedingungen, das WoMo steht ja nicht immer in der prallen Sonne mit baumloser Umgebung. Im vorherigen Beitrag habe ich die Fälle von teilbeschatteten Solarmodulen im Beispiel ausführlich beschrieben.

Nehmen wir den einfachsten Fall, das oben aufgeführte Solarmodul wird teilbeschattet, so das z.B. die Hälfte der Zellen ausfällt (die andere Hälfte ist aufgrund der Bypassdiode in der Lage Strom an den inaktiven Zellen vorbei zu liefern), dann liefert ein MPPT-Regler, bei dann nur noch U_mpp ~8.0V (8.6V (halbe) Solarspannung im MPP abzgl. etwa 0.6V der Bypassdiode) dennoch Energie; halt nur noch etwa 46.5%, aber es wird liefert (das er hier etwas weniger als die Hälfte liefert, liegt ja nicht am Regler, sondern an der Bypassdiode, die zu einem Spannungsverlust führt).

Der SR-/PWM-Regler kann hier nichts mehr liefern, weil sie U_oc des Solarmoduls auch halbiert ist und unterhalb der Akku-Ruhespannung liegt, also ergibt sich in diesem Fall 0% Energieertrag.

Man könnte auch sagen, in diesem Falle liefert der MPPT-Regler unendlich mehr als ein SR-/PWM-Regler, denn 45.6%/0% = unendlich. Quatsch, sicher sind aber 46,5% der Nennleistung ist wesentlich (enorm) besser als gar nichts.

In Schulnoten möchte ich hier die obigen Noten nun für diesen Fall folgendermaßen korrigieren,

• Der SR-/PWM-Regler erhält einen Notenabzug von einer vollen Note, da der diesen, doch wohl häufig auftretenden Betriebsfall überhaupt nicht verarbeiten kann, im Ergebnis dann eine UNGENÜGEND.
• Der MPPT-Regler hat eine Zuschlag von einer Note hier redlich verdient, im Ergebnis dann SEHR GUT, er holt immer noch das mögliche aus den Solarmodulen.

Mehr brauche ich da wohl nicht dazu ausführen ….

Aber Achtung: Es gibt auch (leider sehr viele) MPPT-Regler, die als reine Tiefsetzsteller ausgelegt sind, die haben dann nur Vorteile, solange die U_mpp gleich oder größer der Akkuspannung ist, aber bei  Teilabschattung versagen diese dann zwangsläufig ……

Anpassen von 24V-Solarmodulen an 12V-Akkusystem

Diese 72-zelligen (oder auch als 60-zellige am Markt verfügbar) Solarmodule können nicht mit einen SR-/PWM-Regler wirtschaftlich an einem 12V-Akkusystem betrieben werden, technisch ist das durchaus zwar möglich, entspricht dann etwa „dem Autofahren mit  angezogener Handbremse“.  Ausschließlich mit einem MPPT-Regler kann dies dann auch wirtschaftlich sinnvoll umgesetzt werden, da dieser eben Energie auf unterschiedlichen Spannungsniveau’s korrekt behandeln kann.

Gleiches gilt auch für Solarmodule mit deutlich unter 36 Zellen, wie ich z.B. schon beruflich in einer Anwendung realisieren durfte. Dort konnten aus Platzgründen nur 18 Solar-Zellen sinnvoll am Gerät untergebracht werden aufgrund der zur Verfügung stehenden Fläche für das Solarmodul – hier wurde ein kundenspezifisch gefertigtes Modul verwendet -, bei normalen und heißen Temperaturen lag da die MPP immer unter der Akkuspannung (ebenso bei Schwachlicht), nur bei Kälte und starker Einstrahlung darüber. Mit einem MPPT-Regler (hier als eigene Schaltung in die Elektronik integriert) konnte hier bei allen Bedingungen dann eine gute Ausbeute realisiert werden.

Hier macht es der MPPT-Regler eben möglich; einzig das Tiefsetzen/Hochsetzen der Spannung sollte sich auf max. Faktor 2.5 (beim Hochsetzen eher unter Faktor 2 bleiben) beschränken, sonst arbeitet der Spannungswandler nicht mehr in einem Bereich, wo Wirkungsgrade um die 95% und höher erreichbar sind. –> Dies ist auch der Grund, warum gängige Dünnschicht-Solarmodule, die meist mit einer U_mpp von 90V bis 110V am Markt verfügbar sind, weniger geeignet erscheinen für die Ladung eines 12V-Akku.

Speziell aber für die Anwendung von 24V-Modulen (oder zwei 12V-Modulen in Serie) ist es optimal einen MPPT-Regler einzusetzen, die Minderung der Ströme und somit der Zuleitungsverluste Solarmodul zu MPPT-Regler sind hier deutlich geringer, so das der Gesamtwirkungsgrad immer höher ausfällt, als mit gleicher Leistung und 12V-Modulen.

Auch hier kann er problemlos dann die Teilverschattungsfälle noch abdecken.

Fazit:

Der richtige MPPT-Regler liefert meistens zwischen 10% bis über 32% mehr Energie aus den 12V-Solarmodulen, als ein SR-/PWM-Regler. Im Betrieb bei Teilverschattung ist nur dieser ein Garant, das überhaupt noch Energie vom Solarmodul geliefert werden kann.

Die andere Seite, der MPPT – Regler ist auch die einzigste Möglichkeit, Solarmodule mit nahezu beliebiger Zellenzahl an ein Akkusystem anzupassen.