Potrebujeme MPPT regulátor pre veternú turbínu?
11.03.2013 - Začnem tým, prečo vôbec potrebujeme regulátor. V prípade off-grid systémov - ostrovného (bez pripojenia k distribučnej sieti - DS), alebo poloostrovného systému (ostrovný systém, a v prípade nedostatku energie prepnutie na DS) potrebujeme aj úložisko energie - akumulátory, ktoré sú nabíjané alternatívnym zdrojom energie. Zdroj nebudeme zatiaľ špecifikovať ako vetenú turbínu, ale začneme jednoduchším zdrojom - fotovoltickým článkom.
On-grid systémy - dodávajúce energiu do DS nevyužívajú akumulátory a teda ani regulátory, ale GTI invertory. Týmto sa v článku venovať nebudem.
Nabíjanie akumulátorov musí byť v záujme ich dlhej životnosti riadené. Regulátor zabezpečuje to, že akumulátor nebude prebíjaný, teda že nebude nabíjaný na vyššie, ako odporúčané napätie, v závislosti na type akumulátora.
(pozn.: Naopak, kritické vybíjanie akumulátora nemá nič spoločné s regulátorom (ak k tomu nie je špeciálne vybavený). To, aby k nemu nedošlo má na starosti skôr spotrebič, ktorým je obyčajne menič-invertor. Menič vyrába z jednosmerného napätia akumulátora štandardné striedavé napätie 240V a samočinne sa vypína ak hodnota napätia akumulátora dosiahne v elektronike meniča nastavenú spodnú hranicu. Pripomeniem ešte, že výstup 240V z klasického meniča sa nesmie spojiť s DS. Následkom by bolo zničenie meniča.)
Klasické regulátory nerobili nič iného, len obmedzovali výstupné napätie tak, aby sa akumulátor nenabíjal na vyššie napätie, ako je prípustné. O niečo novšie PWM regulátory robili presne to isté, navyše pribudlo nabíjanie pulzným prúdom a použitie rôznych nabíjacích fáz (bulk, absorbtion, float, prípadne equalize), ktoré mali zabezpečiť ďalšie zvýšenie životnosti akumulátorov. Ešte jedno majú spoločné - rozdiel medzi vyšším vstupným napätím a nabíjacím napätím akumulátorov je nevyužitá - stratená energia. Čím väčší je tento rozdiel, tým väčšie sú straty. Ekonomická opodstatnenosť ich využitia je teda len v tom prípade, ak napätie FV panelov výrazne neprevyšuje napätie akumulátorov, ktoré majú nabíjať.
Oproti tomu regulátory MPPT (Maximum Power Point Tracking) túto energiu dok
ážu zužitkovať. Obsahujú DC-DC menič, ktorým vyššie vstupné napätie transformuje na nabíjacie napätie akumulátorov, pričom množstvo energie zostane zachované (pri účinnosti aj viac ako 95%). Napríklad, ak je vstupné napätie 40V a prúd 5A (výkon 200W), dostaneme na výstupe pre 25V akumulátor takmer rovnaký výkon (200W - 5% straty = 190W) pri napätí 25V a prúde 7,6A. Klasický regulátor by vstupné napätie 40V iba obmedzil na 25V, čo by pri vstupnom prúde 5A dávalo vo výsledku na výstupe len 125W. V praxi MPPT regulátory dokážu z FV panelov dostať priemerne až o 30% energie viac, ako PWM regulátory.
ážu zužitkovať. Obsahujú DC-DC menič, ktorým vyššie vstupné napätie transformuje na nabíjacie napätie akumulátorov, pričom množstvo energie zostane zachované (pri účinnosti aj viac ako 95%). Napríklad, ak je vstupné napätie 40V a prúd 5A (výkon 200W), dostaneme na výstupe pre 25V akumulátor takmer rovnaký výkon (200W - 5% straty = 190W) pri napätí 25V a prúde 7,6A. Klasický regulátor by vstupné napätie 40V iba obmedzil na 25V, čo by pri vstupnom prúde 5A dávalo vo výsledku na výstupe len 125W. V praxi MPPT regulátory dokážu z FV panelov dostať priemerne až o 30% energie viac, ako PWM regulátory. MPPT regulátor okrem popísanej transformácie (lepšie povedané pred ňou) aktívne vyhľadáva bod maximálneho výkonu - MPP. U FV panelov sa poloha tohto bodu na výkonovej krivke mení zmenou intenzity osvetlenia a teploty panelov. Elektronika MPPT regulátora vlastne neustále skenuje panel, kým nenájde bod, keď bude súčin napätia a prúdu dávať maximálny výsledok. Existuje viacero metód MPPT. Jednou z najrozšírenejších je metóda 
"odchýlenia a vyhodnotenia" pri ktorej systém zmenou prúdu zmení známym smerom pracovné napätie FV článku a vyhodnocuje, či bol dosiahnutý vyšší, alebo nižší výkon. Za týmto účelom v krátkych impulzoch premeriava panel naprázdno - bez záťaže, aby poznal limitné napätia.
"odchýlenia a vyhodnotenia" pri ktorej systém zmenou prúdu zmení známym smerom pracovné napätie FV článku a vyhodnocuje, či bol dosiahnutý vyšší, alebo nižší výkon. Za týmto účelom v krátkych impulzoch premeriava panel naprázdno - bez záťaže, aby poznal limitné napätia. MPPT má pri spracovávaní napätia z FV panelov relatívne jednoduchú úlohu. Naprogramovaný algoritmus zohľadňuje VA charakteristiky panelov, ktoré sú v podstate veľmi podobné. Zmeny vonkajších podmienok ovplyvňujúcich výkon panelov (napríklad náhle zamračenie) sú viac-menej plynulé a ak by aj boli rýchlejšie, nič sa nestane ak MPPT zareaguje s miernym oneskorením.
MPPT regulátor a vietor
Ako to však bude pri použití iného zdroja ako FV panelu, napríklad alternátora poháňaného veternou energiou?
Tu to bude o niečo komplikovanejšie. Z troch najdostupnejších zdrojov - slnko, vietor, voda je vietor najdynamickejší. Regulátory MPPT určené pre FV panely nestíhajú reagovať na prudké a rozsahovo väčšie zmeny. Ale to nie je to najdôležitejšie, čo takéto regulátory nedokážu. Oveľa dôležitejšie je, že regulátor musí vyťažovať turbínu optimálne. Musí ju doslova dôverne poznať, pretože V-A charakteristika alternátora je odlišná, ako V-A charakteristika FV panelu. Musí ju udržiavať v optimálnych otáčkach (ešte lepšie by bolo keby ju vedel udržiavať aj v optimálnej rýchlobežnosti (TSR), ale to by už musel okrem iného merať aj rýchlosť vetra a počet otáčok turbíny).
Preto regulátory určené pre serióznu prácu s veternou turbínou majú možnosť takéto "spoznanie" turbíny zakomponovať do svojho programu. Obyčajne prostredníctvom tabuľky napätie - výkon. Regulátor potom presne vie, aký maximálny výkon môže odoberať z alternátora pri jeho konkrétnom výstupnom napätí. Tieto na prvý pohľad dva jednoduché stĺpce čísel však musia byť vypočítané precízne, pretože musia v sebe zahŕňať všetky relevantné informácie. Hlavne: plochu rotora turbíny (vrtule) a jej odhadovanú účinnosť, odpor vinutia statora, charakteristiku alternátora napätie-otáčky naprázdno, optimálne otáčky a TSR.
Napäťovo-výkonová tabuľka potom v spolupráci s DC-DC meničom regulátora umožní v prvom rade spustiť začiatok odberu až po dosiahnutí želaných otáčok. Aký to má význam? Klasický, alebo aj MPPT regulátor pre FV by začal odoberať výkon z alternátora prakticky hneď, akonáhle by jeho výstupné napätie presiahlo napätie nabíjaných akumulátorov. To ale ešte turbína nemusí mať optimálne otáčky a keďže bude brzdená odberom, ani ich nikdy nedosiahne. Dalo by sa namietať, že na toto nepotrebujeme špeciálny regulátor, keďže rovnako tak môžeme vyrobiť optimálny stator alternátora, ktorý bude produkovať požadované počiatočné napätie až pri optimálnych otáčkach. To je síce pravda, ale okrem toho, že takto vyrobíme alternátor len pre konkrétnu turbínu a len pre konkrétne systémové napätie, budeme stále len na jednej strane výkonovej krivky. Zvyšovaním otáčok pri rastúcej rýchlosti vetra bude stúpať aj výstupné napätie alternátora, ktoré bude výrazne prevyšovať napätie akumulátora, a budeme produkovať stratu podobne ako u FV panelov s regulátorom bez MPPT. Vyššie napätie nebude využité. Pripomínam, že tu hovoríme o alternátoroch s permanentnými magnetmi, u ktorých nemôžeme regulovať výstupné napätie podobne ako na alternátore v aute, kde je rotor budený elektomagnetom a toto budenie môže byť pomerne jednoducho regulované. Čiže, v druhom rade, s regulátorom MPPT sa využije aj napätie výrazne prevyšujúce systémové napätie akumulátora. A v treťom rade, MPPT regulátor s možnosťou zadania charakteristiky veternej turbíny bude vždy odoberať len toľko výkonu, ako mu dovoľuje zadaná výkonová krivka. Navyše je to aj nástroj, ktorý umožňuje chrániť alternátor pred preťažením príliš vysokým prúdom. Ako to funguje v praxi, sa môžete presvedčiť porovnaním tabuľky z obrázka vyššie, so záznamom regulátora (záznamy sú prílohami staršieho článku Nové dáta z turbíny - prvá hodnota je namerané napätie, posledná hodnota je výkon).
Aké sú ďalšie výhody vyššieho napätia? Sú to najmä nižšie straty v statore a teda aj vyššia účinnosť alternátora. Pri vyšších napätiach prenesieme rovnaký výkon nižšími prúdmi. Nižšie prúdy znamenajú menej stratového tepla v statore a tiež nezanedbateľné nižšie straty vo vodičoch. Aj pri FV paneloch poskytuje MPPT regulátor takúto výhodu, keď vďaka nemu je možné zapájať viac panelov do série a zvodové vodiče potom prenášajú vyššie napätie, ale násobne menšie prúdy. Môžu byť vďaka tomu tenšie a lacnejšie, alebo dokonca zníženie strát prenosu vodičmi môže kompenzovať aj straty regulátora.
Chcelo by to nejaké záverečné rezumé... programovateľný MPPT regulátor je jednoznačne prínosom aj pre malú veternú elektráreň. Dá sa povedať, že môže byť použitý aj MPPT regulátor pre fotovoltiku, ak zabezpečíme optimálne štartovacie napätie pri prevádzkových otáčkach. To znamená, ak bude alternátor produkovať napätie tesne nad systémovým napätím akumulátorov až pri optimálnych otáčkach. MPPT regulátor, resp. zabudovaný DC-DC menič sa potom postará aj o napätia výrazne vyššie ako systémové, tak že ich bude transformovať na úroveň požadovaného nabíjacieho napätia. Ale kvôli pomalosti štandardného MPPT pre FV a hlavne chýbajúcej - v ďalšom odseku popísanej - vlastnosti, nebude jeho použitie pre veternú turbínu celkom optimálne.
Lepšie výsledky sa dajú dosiahnuť s MPPT regulátormi, v ktorých je možné do firmware vložiť napäťovo-výkonovú charakteristiku turbíny s alternátorom. Takýto regulátor potom presne vie, koľko výkonu môže elektráreň dodať pri konkrétnom produkovanom napätí. Tieto regulátory v režime pre vietor vôbec nevyužívajú MPPT ale sa presne pridržiavajú výkonovej krivky, ktorú si vytvoria na základe vložených dát. Regulátor potom funguje tak, že nechá roztočiť turbínu na prvé zadané napätie a v tej chvíli začne odoberať výkon, ale len do limitného výkonu prislúchajúcemu k príslušnému napätiu. Ak vietor silnie, turbína sa nechá roztočiť viac, pretože prvý limit výkonu ju viac nepribrzďuje. Keď sa dosiahne druhé limitné napätie, regulátor pozvoľna zvýši odoberaný výkon až po hranicu prislúchajúceho druhého výkonového limitu... atď. Detailných technických informácií je málo ale súdim tak podľa toho, že napríklad nemerajú napätie turbíny naprázdno (ako to robia u FV panelov, kde je to ale oveľa jednoduchšie).
Dá sa dokonca povedať, že takýto regulátor podstatne zvýši použiteľnosť takmer ľubovolného alternátora tým, že dokáže zmeniť, resp. prispôsobiť jeho prevádzkový rozsah. Samozrejme za predpokladu, že dokáže vyrobiť vyššie napätie, ako je napätie nabíjaného akumulátora.
Takže áno, či nie, bude nakoniec otázkou ceny. Pre 100 W turbínku si len málokto kúpi chytrý regulátor za 400-500 eur. Dúfajme, že sa ich ponuka čoskoro rozrastie aj o lacnejšie typy.
Zatiaľ jediným takto vybaveným univerzálnym regulátorom, o ktorom viem, je TriStar MPPT-45, alebo TriStar MPPT-60. Ani tu to však nie je celkom jednoduché, pretože pre vietor funguje len s firmware verzie 13, ktorý nie je oficiálne dostupný. Výrobca vám ho na požiadanie zašle, ale zatiaľ s upozornením, že sa jedná o testovaciu verziu a nie je zodpovedný za prípadné spôsobené škody. Na tomto mieste si dovolím ešte dôrazne upozorniť na to, že nesmie byt prekročené maximálne vstupné napätie regulátora (v tomto konkrétnom pripade 150V). V opačnom prípade hrozí jeho zničenie.
Tak čo, risknete to tiež priatelia? :-)
Ak viete o inom vhodnom MPPT regulátore pre veternú turbínu, alebo ešte lepšie, ak s takým regulátorom máte osobné skúsenosti, neváhajte o tom napísať komentár pod článkom!
Ak chcete pridať komentáre, tak sa musíte VAWT.sk © 2017 OM2CM
MPPT
Tu som niečo našiel vhodne pre vyššie vstupne napätia a je to aj programovateľne. www.ginlong.com/Products/Hybrid_GCI_5K.htm
Re: MPPT
Veľmi pekné, ale je to GTI (invertor do siete) a tu som našiel aj cenu: http://www.rs-energietechnik.de/cms/upload/Roger/Windkraft/PDF_zum_download/Technische_Daten_Solar_Wind_WR_RS_.pdf
Re: regulator a vietor
Johny956, nejaké konkrétne linky by neboli? Našiel som asi niečo iné: http://www.phaesun.com/components/product-range/overview/electronics/hybrid-charge-controllers/phaesun-hybrid-charge-controllers-all-round.html
Problém je, že obyčajne sa človek nedozvie nič podstatné z technických údajov. Najčastejšie je"wind" regulátor každý, ktorý má tri svorky na vstupe pre 3 fázy turbíny, vie pripojiť umelú záťaž pri nadbytku energie, prípadne zastaviť turbínu. O nejakom programovaní to ani nesnívalo.
Regulator MPPT
All round 600MPPT a 2000MPPT su regulátory ako ste ich nazvali s troma svorkami zabudovaným zátazom+ display ale bez moznosti volneho programovania. Informácie mi poskytla firma Solariss sro. aj nasledujúcu dokumentáciu.
Linky pre All round ktore ste vy nasli.
Myslim ze tieto maju moznost nastavenia
http://www.solariss.sk/Hybridny-regulator-nabijania-48v-1KW-d231.htm?tab=download
http://www.solariss.sk/Hybridny-regulator-nabijania-12v-400w-d359.htm?tab=download
Re: Regulátor MPPT
Myslím, že nemajú. Oba sú PWM, to znamená, že na rozdiel od MPPT regulátorov nemajú DC-DC meniče. A tie sú základným predpokladom možnosti programovania Napätie-Výkon. Ak si viem nastaviť, že pri U1 napätí môže byť odoberaný P1 výkon..... a pri U10 napätí P10 výkon, môžem tak nastaviť v desiatich bodoch skoro optimálnu výkonovú krivku turbíny pre rôzne otáčky (lebo napätie je závislé od otáčok).
Napr., ak turbína beží s uspokojivou rýchlobežnosťou od 150 otáčok/min., a vtedy dáva napätie 40V, nastavím U1=40V a P1 hoci 5W. U2 bude napr. 44V a P2 50W... atď. (s prihliadnutím na priemer drôtu cievok, aby neboli prekročené medzné prúdové hodnoty). U1 musí byť samozrejme väčšie, ako systémové napätie akumulátorov. V tomto prípade 12, alebo 24V. Transformáciu 40V na 12 alebo 24V musí urobiť DC-DC menič.
No a cenovo... veď ten 1000W regulátor sa cenou blíži TriStaru MPPT 60. Takže aj v tomto ohľade je to bez diskusie...
Iná vec je, že pre menšie turbíny je TriStar MPPT 60 priveľký, TriStar MPPT 45 častokrát tiež, a navyše nemá webserver a cena nie je výrazne nižšia ako u 60-ky. Je tu ešte najnovší TriStar MPPT 30, ale u toho ešte nie je potvrdená funkcionalita pre vetenú turbínu.
MPPT
Dakujem za rychlu reakciu a vysvetlenie. Do forumu som dal este jeden prispevok. Prosim o vás názor.Dakujem.
MPPT regulátor a vietor
Po dlhom hladani som nasiel par regulátorov MPPT pre vietor.
All Round 600.
600w VE MPPT
680W PV PWM
nab. 24v
Cena sa pohibuje od 230eur
All Round 2000
2000w VE MPPT
2040w PV MPPT
nab 48v
cena zacina pri 350EUR
Co ludia najcastejsie kupuju su regulatory TriStar MPPT-45. Su kvalitne dobre programovatelne a hlavne spolahlive.
Re: MPPT regulátor
Miloš, v tej diskusii ktorú dal Tom, je kopec múdrych myšlienok, ale asi to zostane len pri nich. Šikovný programátor napr. Arduina by to mal podľa mňa zvládnuť v pohode. Program MPPT pre solar na Arduine existuje už dávno a je voľne dostupný http://www.timnolan.com/index.php?page=arduino-ppt-solar-charger. Pre vietor by to musel byť ale celkom iný program.
Tiež by ma to mimoriadne potešilo, ak by niekto vymyslel vhodný regulátor pre slabšie turbínky. O takomto existujúcom profi výrobku neviem. Pátram... :-)
MPPT regulátor
Nevie niekto o MPPT regulátoroch tak 300 až 500 W pre solár aj vietor?
MPPT regulátor pro větrník
TriStar není jediný MPPT větrný regulátor. Použít lze také MidNite Solar Classic který je pro FVE, vítr i vodu.
www.midnitesolar.com/documents.php?productCat_ID=21&productCatName=Charge%20Controllers%20for%20Solar,%20Wind,%20Hydro&model=CLASSIC%20LITE%20150&product_ID=331
k tomu je vhodný kopit ještě Clipper (usměrnovač, ochrany, dump load)
http://www.solar-electric.com/mnsolar.html
Do regulátoru TriStar a MidNite Solar Classic je vhodné nahrát křivku použitého větrníku Wind Curves, případně upravit nebo vytvořit vlastní křivku. Tyto regulátory jsou na DC napětí a nemají informaci o frekvenci (otáčkách větrníku)
Existují i regulátory s MPPT pro vítr, které jsou na AC napětí a mají informaci o frekvenci (otáčkách větrníku):
zvyšující i snižující (Boost&Buck)
http://www.03ne.com/en_version/product/view.php?id=14
pouze zvyšující (Boost)
http://www.03ne.com/en_version/product/view.php?id=15
pouze snižující (Buck)
http://www.03ne.com/en_version/product/view.php?id=16
Zkušenost s ne MPPT regulátorem jsem popsal zde:
http://forum.mypower.cz/viewtopic.php?f=41&t=463&start=60#p25591
a dále je velice zajímavá diskuze o možné funkci MPPT regulátoru pro větrník.
Firmware 13 – pro vodníky???
Jen doplním pár drobností k TS60MPPT pro vodní turbínu. I v tomto případě je nutný upgrade sw na verzi 13!!!
Jako vodníci máme však výhodu, že nemusíme pracně počítat hodnoty pro napěťově – výkonovou tabulku. Nám stačí nastavit regulaci na konkrétní pevné napětí. A teď se asi někdo ohradí, že médium jako médium a že……???…… bude vhodné tabulku zadat??? Opak je pravdou a uvědomění si omylu mi trvalo téměř rok. Vysvětlení je vcelku jednoduché. Výkon vodní turbíny (Banki), není s ohledem na průtokovou charakteristiku, lineární!! Tzn., že nejlepší účinnost turbíny je někde okolo 75% jm. průtoku. Jinak řečeno od průtoku 0% po 80% výkon (a účinnost) stoupá. Po překročení této hranice výkon sice stoupá (pokud je dostatek vody), ale účinnost klesá. Paradoxně tak můžeme (a dosáhneme) většího výkonu při 75% jm. průtoku než při 90%, kdy proženeme turbínou daleko větší množství vody. No a s tímto souvisí i jm.otáčky. Vodní turbína má nejlepší účinnost pokud pracuje při jmenovitých otáčkách. Účinnost rapidně klesá, pokud se turbína podtáčí nebo přetáčí. Zde je třeba ještě připomenout, že napětí je přímo-úměrné otáčkám. A konečně jsem se dostal k té tabulce v Tristaru. Správné U/P hodnoty pro vodní turbínu, by musely být zadány tak, že zhruba do poloviny budou mít stoupající charakter U a P a od poloviny klesající U se stoupajícím P. Což je vlastně nesmysl – prakticky odzkoušeno – Tristár reguluje špatně – a logicky. Zkoušel jsem i jiné U/P řady, ale vždy se TS dostal někam, kam jsem nechtěl. Více to rozepisovat nebudu. Bylo by to nadlouho.
Takže co s tím? TS lze nastavit i do polohy regulace pevného vstupního napětí. Pracuje pak tak, že maximálně zatěžuje zdroj (turbínu s generátorem), ale vstupní napětí do regulátoru udržuje konstantní. Tím dosáhneme toho, že se turbína bude točit na jmenovitých otáčkách s nejlepší účinností (protože platí že U je přímo úměrné RPM). Zjištění tohoto Uvst je jednoduché. Nastavíme napětí vstupu třeba na 50V a necháme regulátor zjistit výkon. Takto to změříme několikrát při různém Uvst (otáčkách) a nakonec zadáme napětí s nejvyšším dosaženým výkonem. Dalším předpokladem je, že při měření máme stále stejný spád a průtok větší než 65% jmenovitého. Nejlépe 75 – 90%.
Při tomto nastavení TS mi stoupl denní příkon o cca 1100W.
A ještě pozor na zadání nízkého napětí. TS netuší, jak silným vodičem jsou navinuté cívky a mohlo by se stát, že vám TS alternátor přetíží. Je třeba hlídat vstupní proud.
P.S.
Trochu jsem to zjednodušil, ale pro pochopení to snad bude stačit.
Re:Firmware 13–pro vodníky
Vdaka za zaujimavy koment. Mozno je u vodnikov tabulka napatie-vykon naozaj zbytocna, kedze voda je skoro (teda aspon oproti vetru) stabilny zdroj. Nepojde tam o tak caste cykly nabehov, zastaveni.... Aj ked by som sa mozno pokusil tabulku predsa len vyuzit. Po dosiahnuti menovitych otacok, resp. napatia pri menovitych otackach, by som do tabulky daval uz len zvysovanie napatia v malych krokoch a vykon by mohol narastat podstatne viac. Az po bezpecnu prudovu hranicu pre nespalenie statora.
firmware 13
Ahoj, nešlo by sem dať na stiahnutie ten novší firmware verz.13 pre tristar mppt? A veľké ďakujem za tento článoček, pomohol mi pochopiť veľa vecí!
Re: firmware 13
Nechcel som tu verziu zverejnovat, ak ju sam vyrobca nezverejnil. Radsej poslem mailom, ak to inak nepojde. Ale ovela lepsie by bolo, keby kazdy poziadal vyrobcu. Uz je to totiz dost dlho, co V.13 existuje a je to stale len Beta verzia. Ako inak dotlacit vyrobcu k dokonceniu a spristupeniu ostrej 13. verzie? Mozno ze ked bude vacsi zaujem, aj prace sa urychlia. snad...