Napelem töltésvezérlő

A megújuló energiaforrás által táplált napelemes rendszerek többféle változatban épülhetnek ki:

• ha a napelemek felesleges energiáját akkumulátorok tárolják, akkor szigetüzemű
• ha a felesleges energiát a közműhálózat veszi át, akkor grid, más néven hálózatba kötött
• ha a kettő együtt teljesül, akkor pedig hibrid

Mindegyik típusnál a napelemes panelek állítják elő a villamos energiát. Ez egyenáram, és az akkumulátoros beruházásoknál a napelem töltésvezérlő gondoskodik a nap energiájának eljuttatásáról az akkuk irányába. Váltakozó árammá nem alakít, de van kimenete az egyenárammal működő fogyasztók kiszolgálására.

Az inverter a napelem egyenáramának átalakítását végzi váltakozó árammá, amit a háztartási készülékek is használhatnak, vagy amit a közműhálózat átvehet. Létezik olyan hibrid inverter is, ami elvégzi az áramátalakítást és gondoskodik az akkumulátor töltéséről.

A kiegészítő elemek között megtalálható még a napelemes tartószerkezet, amelynek részét képezik a sínek, a rögzítőkampók, a csavarok és a leszorítók.

A napelemek által termelt villamos energiát a szolár kábelek juttatják el az inverterhez, illetve a töltésvezérlőhöz, míg a törvényi előírásoknak megfelelően az inverterek elé a DC ágra tűzvédelmi kapcsoló beépítése is szükséges lehet. A kapcsolókat a kapcsolószekrény védi a portól, nedvességtől és a véletlen érintéstől.

Szigetüzemű vagy hibrid rendszereknél szintén elengedhetetlen az akkumulátorcsomag megléte, mely tárolja az el nem használt energiát.

A napelem töltésvezérlő a napelemes panelek és az akkumulátorok közé beépítve helyezkedik el a szigetüzemű vagy hibrid rendszerekben. Többféle funkciót lát el:

• a napelemekből érkező áramot úgy alakítja át, hogy megfeleljen az akkumulátorok számára
• védi az akkumulátorokat a túltöltéstől és a mélykisüléstől
• az egyenáramú fogyasztók számára áramot biztosít

A töltésvezérlő folyamatosan figyeli az akkuk felszültségét, megnyitja az áramkört a töltéshez, majd lezárja azt, ha a feszültség elérte a maximális értéket. Kétféle típusa érhető el a piacon, a PWM és az MPPT.

Akkumulátorok védelme

Az akkumulátorok a rendszer egyik legsérülékenyebb és leggyorsabban tönkre menő részének számítanak, ezért védeni kell őket a túltöltéstől és a mélykisüléstől is.

A túltöltés során az akkukat hosszabb ideig a megengedettnél nagyobb árammal töltik, ezért a párolgás megnő, és túl sok elektrolit távozik. A hiba hatására károsodhatnak a belső elemek, ami az akkumulátor teljesítményének csökkenéséhez vagy teljes tönkre meneteléhez vezethet.

A mélykisülés során a névlegesnél nagyobb energiamennyiséget veszünk ki az akkumulátorokból, ami szintén használhatatlanná teheti ezt az energiatároló egységet. Mindkét probléma elkerüléséért a napelem töltésvezérlő a felelős, mely nem engedi sem túlzottan feltölteni, sem túlzottan lemeríteni az akkukat.

A töltésvezérlők két típusa: MPPT és PWM

A napelem töltésvezérlők legegyszerűbb típusai mechanikus működésűek. Folyamatosan figyelik az akkumulátorok töltöttségét, majd, amikor az egy megadott érték alá zuhan, relék segítségével megindítják a töltés folyamatát. A megfelelő szint elérése után pedig lezárnak, így az akkuk nem lesznek túltöltve. Jelenleg mechanikus töltésvezérlőt már nem használnak az új beruházásoknál, hanem PWM vagy MPPT típusokat építenek be.

PWM töltésvezérlő

A Pulse With Modulation (PWM) töltésvezérlő figyeli az akkumulátorok töltöttségét, és ahogy azok egyre jobban megtelnek, fokozatosan csökkenti a betáplált villamos energia mennyiségét.

Mivel kisebb megterhelést jelent az akkumulátoroknak, ezért hosszabb ideig működnek megfelelően, és ritkábban kell cserélni őket.

Előnyei:

• kiforrott, hosszú ideje használt technológiának számít
• olcsó
• akár 60 Amperes méretben is kapható
• tartós, általában passzív hűtést használ
• sokféle méretben készül, így minden rendszerhez pontosan méretezhető

Hátrányai:

• a napelemek nominális feszültségének meg kell egyeznie az akkumulátorpakk nominális feszültségével[KP1] , emiatt ennél a típusnál nagyok a veszteségek
• 60 Ampernél nagyobb méretet egyetlen PWM sem tud kezelni
• nem használható olyan nagyobb feszültségű rendszernél, mely a közműhálózathoz is csatlakozik

MPPT töltésvezérlő

A Maximum Power Point Tracking (MPPT) töltésvezérlő egy még fejlettebb megoldást jelent az akkumulátorok és napelemek összekötésére, mivel az áramerősség növelésével kezelni tudja a túl nagy feszültséget. A legtöbb esetben ilyen típust használnak fel a modern fotovoltaikus rendszerek kiépítésekor.

A napelem panelek gyakran sokkal több áramot állítanak elő, mint amennyi az akkumulátorok töltéséhez szükséges. Hogy a túl nagy feszültség ne tegye tönkre az akkukat, az MPPT töltésvezérlő csökkenti a feszültséget, miközben megnő az áramerősség. Ennek hatására az akkumulátorok gyorsabban feltöltődnek, a napelemes rendszer pedig mindig az optimális hatásfokával tud működni.

Előnyei:

• akár 30%-kal is javítani tudja a töltés hatásfokát
• képes magasabb bemeneti feszültséget fogadni, mint az akkuk feszültsége
• akár 80 Amperes méretben is elérhető
• általában hosszabb garanciával rendelkezik
• rugalmasabb a rendszer kiépítésekor
• kizárólag ez a típus használható együtt a közműhálózatba is kötött rendszernél

Hátrányai:

• sokkal drágább
• nagyobb méretű eszköz
• használatakor a napelemcsoportnak stringként kell viselkednie

Az energiaveszteség csökkentése

A napelemes panelekből a töltésvezérlőig vezető kábelekben jelentkezik valamennyi veszteség, mely csökkenthető a feszültség növelésével. Mivel az átlagos akkumulátorok egy napelemes rendszerben 12V-osak, így PWM töltésvezérlő használatakor a napelemekből is 12V-os egyenáramot tud fogadni a rendszer.

Az MPPT töltésszabályozóknál nincs ilyen megkötés, így ott a napelemek és a vezérlő között nagyobb feszültségű egyenáram folyik. Emiatt kisebb veszteség keletkezik, és emelkedik a napelemek hatásfoka.

A napelem töltésvezérlő kiválasztásához mindenképpen érdemes igénybe venni olyan szakember segítségét, akinek gyakorlati tapasztalat van a szigetüzemű- vagy hibrid rendszerek tervezése, illetve kivitelezése során.

A megfelelő töltésvezérlő kiválasztásakor többféle szempontot is mérlegelni kell.

Napelemek teljesítménye

A töltésvezérlő méretezésekor a napelemek teljesítményével és nem a munkaponti áramerősséggel kell számolni. Ennek oka, hogy a vezérlő bemenetén és kimenetén ugyanaz a teljesítmény jelentkezik, míg a feszültségszintek eltérők.

Az akkumulátorok általában 12V-os feszültséggel rendelkeznek, a napelemek viszont ennél magasabbal. Ebből adódóan a töltésvezérlő kimenetén a panelek munkapontjánál jóval nagyobb áramerősség jelenik meg, mint a panelek munkapontján. A méretezésnél tehát a teljesítmény és az akkumulátorfeszültség értékéből kell kiszámolni a várható áramerősséget.

Napelemek és az akkumulátorok feszültsége

A napelemekből érkező, illetve az akkumulátorok feszültségének összehasonlításakor dől el, hogy melyik típusú töltésvezérlő az ideális. Ha nagyobb az eltérés, akkor mindenképpen MPPT típus szükséges, hogy a túlfeszültséget túlárammá alakítsa.

A PWM töltésszabályozó erre nem képes, így csak annyi áramot tud az akkumulátorok töltésére fordítani, amekkorát az általában 12 V-os kimeneti oldal elbír. Ilyenkor hiába érkezik nagyobb feszültségen áram a napelemek irányból, az energia jelentős mennyisége kárba megy.

Napelem töltésvezérlő hatásfoka

A PWM és MPPT töltésvezérlők eltérő hatásfokkal rendelkeznek. Egy átlagos PWM a bemenetére érkező energia 85%-át tudja továbbítani az akkumulátorok irányába, ez az értéke az MPPT töltésszabályozónál elérheti a 96%-ot is.

Az MPPT vezérlés további előnye, hogy kezelni tudja, amikor a panelek nagy száma miatt a rendszer áramerőssége nagyobb a töltésvezérlő által fogadható áramerősségtől. Ilyenkor a paneleket csoportosítják, stringbe kötik, és mindegyikre külön töltésvezérlőt kötnek. A stringek vezérlése független egymástól, és nagyon precíz optimalizálást tesz lehetővé. Szintén ilyen kötegeket alakítanak ki, ha néhány panel tájolása más, vagy hatásfoka rosszabb, és lerontaná a többi napelem teljesítményét.