Vad är MPPT?

Så här är en rolig sak som hände i tisdags. Jag satt och fikade med Dave från vårt inköpsteam (du vet, killen som alltid klagar på leverantörernas ledtider), och han frågade mig: "Vad är det för MPPT-grejer du fortsätter att prata om under FoU-mötena?"

Rättvis fråga, verkligen. Vi kastar runt dessa förkortningar som konfetti på ett bröllop, men de flesta utanför ingenjörsbubblan har absolut ingen aning om vad vi pratar om.

MPPT står för Maximum Power Point Tracking. Och nej, trots vad vissa försäljningsbroschyrer får det att låta som, är det inte någon magisk svart låda som bara "gör dina solpaneler bättre." Det är faktiskt ganska okomplicerat när du väl kommit förbi det skrämmande namnet.

Okej, så bild det här. Du har en solpanel på taket. Verkar enkelt nog – solljus träffar det, elektricitet kommer ut, jobbet är klart. Förutom att det inte är så enkelt, eller hur?

Solpaneler är konstigt. De ger dig inte bara en konstant mängd kraft oavsett vad du gör med dem. Spänningen och strömmen de producerar ändras baserat på vilken belastning du ansluter till dem, och här är kickern: det finns bara EN specifik kombination av spänning och ström där du får ut maximal effekt från den panelen.

Vi kallar detta för Maximum Power Point, eller MPP. Fängslande namn, jag vet.

Nu rör sig denna punkt hela tiden. Moln passerar över huvudet? MPP flyttar. Temperaturförändringar? MPP flyttar. Blir panelen lite dammig? Du gissade rätt, MPP flyttar. Det är som att försöka träffa ett rörligt mål med ögonbindel.

Så här beskrev Sarah (vår ledande systemdesigner – briljant kvinna, fruktansvärd smak i kaffe) för en kund förra månaden: "Föreställ dig att du försöker fylla en hink med vatten, men krantrycket ändras hela tiden och du måste hela tiden justera hur långt du öppnar ventilen för att få bästa flödeshastighet." Inte perfekt, men det fick fram poängen.

Innan MPPT blev standard – vi pratar här i mitten av 1990-talet – använde de flesta solcellsinstallationer vad vi kallar PWM-kontroller. PWM står för Pulse Width Modulation, vilket bara är ett fint sätt att säga att de slår på och stänger av anslutningen mellan din panel och batteriet riktigt snabbt för att kontrollera laddningen.

Problemet? PWM-kontroller drar i princip ner din panelspänning för att matcha din batterispänning. Så om du har en 36V solpanel och ett 12V batteri, slänger du bara... en stor del av den spänningen. Det är som att köpa en sportbil och bara köra den på första växeln. Visst, det fungerar, men vad är det för jävla poängen?

Jag har faktiskt fortfarande en av dessa uråldriga PWM-enheter i mitt garage från ett projekt vi gjorde 2009. Det är en trevlig pappersvikt nu.

MPPT

En MPPT-kontroller är fundamentalt annorlunda. Istället för att bara sänka panelspänningen till batterinivå använder den en DC-DC-omvandlare (tänk på det som en elektronisk växellåda) för att faktiskt omvandla den högre spänningen till mer ström vid den lägre batterispänningen.

Här är fysikbiten, men jag lovar att hålla den kort: Ström=Spänning × Ström. Så om du har 36V vid 3A från din panel (108W), kan MPPT-styrenheten omvandla det till ungefär 12V vid 9A (även 108W, minus vissa förluster). Du får SAMMA kraft, bara i en annan form som ditt batteri faktiskt kan använda.

Men vänta, det finns mer! (Jag har sett för många informationsreklam)

MPPT-styrenheten gör inte bara denna konvertering en gång och kallar det en dag. Den mäter ständigt panelens uteffekt, justerar belastningen den presenterar för panelen, mäter igen och fortsätter att justera för att hitta den där söta punkten – Maximum Power Point – där den utvinner den absolut största möjliga kraften från din panel vid varje givet ögonblick.

Den gör den här dansen dussintals gånger per sekund. Hela dagen, varje dag.

Nu är det här det blir intressant och där företag som vårt spenderar alldeles för mycket tid på att argumentera i tekniska granskningsmöten.

Det finns massor av olika algoritmer för att spåra MPP:

Störa och observera (P&O)– Det här är den gamla pålitliga. Styrenheten knuffar driftpunkten i en riktning, kontrollerar om strömmen gick upp eller ner och knuffar sedan igen därefter. Enkelt, effektivt, men kan pendla runt MPP som en fylle som försöker hitta ett nyckelhål. Vi använder denna i vår modell S-150-serie eftersom den är beprövad och billig att implementera.

Inkrementell ledning– Mer matematiskt elegant, förmodligen mer exakt. I verkligheten? Jag har aldrig sett den prestera dramatiskt bättre än P&O i verkliga-förhållanden, trots vad de akademiska artiklarna hävdar. Vi testade båda sida-vid-sida i tre månader förra sommaren (juni till augusti 2022), och skillnaden i energiskörd var mindre än 2 %. Inte värt den extra bearbetningskostnaden för de flesta applikationer.

Fraktionell öppen kretsspänning– Tar en gissning baserat på panelens öppna-kretsspänning. Snabbt men mindre exakt. Några av de billiga kinesiska enheterna använder detta, och du kan säga - de är tillräckliga men inte bra.

Då har du alla tjusiga nyare metoder – neurala nätverk, luddig logik, styrning av skjutläge. Och se, jag är säker på att de har sin plats i forskningslabb och nischapplikationer, men för 95 % av installationerna? P&O gör jobbet bra.

Tom från vår marknadsavdelning pressar oss hela tiden att implementera "AI-driven MPPT" för buzz-faktorn. Vi fortsätter att berätta för honom att neurala nätverk inte är vettigt för den här applikationen och bara skulle lägga till kostnad och komplexitet utan någon verklig fördel. Detta argument har pågått sedan oktober. Skicka hjälp.

MPPT

"Men hur mycket bättre ÄR det?" – Varje. Enda. Klient. Möte.

Okej, så här är några faktiska siffror från fälttester vi körde under 2022:

I våra installationer i södra Spanien (Málaga-regionen, om du är nyfiken) såg vi:

MPPT vs PWM: 25-30 % mer energi skördas i genomsnitt

Bästa förbättring: 45 % (detta var i december med delvis skuggning)

Sämsta förbättringen: 15 % (mitten-sommar, klara dagar, när även PWM fungerar relativt bra)

Förbättringen är störst när:

Din panelspänning är mycket högre än batterispänningen

Du har delvis skuggning

Temperaturen varierar mycket

Du har felaktiga paneler i arrayen

Den är minst när allt är idealiskt – vilket i princip aldrig finns i den verkliga världen.

Jag kommer inte att tråka ut dig med ett fullständigt kretsschema, men här är den grundläggande topologin:

De flesta MPPT-styrenheter använder en buck-omvandlare (steg-ner), boost-omvandlare (steg-upp), eller buck-boost-omvandlare (kan göra båda) som deras effektsteg. Vi använder vanligtvis buck-topologi eftersom de flesta solpaneler har högre spänning än batterierna de laddar.

Kontrollsektionen har vanligtvis:

En mikrokontroller (vi använder STM32-serien i vår premiumlinje)

Spännings- och strömsensorer

Temperatursensorer (för panelen, batteriet och själva styrenheten)

Något slags användargränssnitt (LCD-skärm, Bluetooth, vad som helst)

Det är verkligen det. Magin finns i mjukvaran – algoritmen som bestämmer hur man justerar driftspunkten.

Vår nya Model X-300 som vi lanserar nästa månad (officiellt tillkännagivande på SolarTech Expo i Amsterdam den 8 mars – kom och säg hej om du är där!) använder en dubbelkärnig processor så att vi kan köra säkerhetsövervakning oberoende av MPPT-algoritmen. Lite överdrivet? Kanske. Men efter den incidenten med att konkurrentens enhet fattade eld i Australien förra året (kommer inte att nämna namn, men du har säkert hört talas om det), tar vi inga chanser.

"MPPT ger dig mer kraft från dina paneler"– Nej. Din panel producerar det den producerar baserat på solljus. MPPT säkerställer bara att du ANVÄNDER all tillgänglig kraft istället för att slösa bort den.

"Du behöver inte MPPT med små system"– Skräp. Även ett litet system gynnar. Visst, den absoluta energivinsten är mindre, men procentuellt sett är det samma.

"MPPT är endast för nät-bindningssystem"– Också fel. Fungerar utmärkt för batteriladdning, det är faktiskt där vi ser det mesta av vår försäljning.

"Alla MPPT-kontroller är i princip likadana"– Ha! Säg det till ingenjörsteamet. Vi ägnar månader åt att optimera effektivitet, termisk hantering och tillförlitlighet. Men jag ska erkänna, för den genomsnittliga användaren, en kinesisk enhet på £50 och vår £400 controller kanskeverkaliknande. Tills den billiga misslyckas efter ett halvår, alltså.

Titta, det är meningen att jag ska sälja våra produkter till dig, men låt mig vara ärlig (säg inte till min chef att jag sa detta):

Om du har ett mycket litet system (under 50W), en kort kabeldragning, din panelspänning stämmer väl överens med din batterispänning, och du har en knapp budget – PWM kan vara bra. Du kommer att lämna lite energi på bordet, men ibland är det en acceptabel avvägning-.

Vi hade en kund förra året som ville driva en liten väderstation i det skotska höglandet. 20W-panel, 12V batteri, 30 GBP budget. Jag rekommenderade en billig PWM-kontroller. Han köpte vår MPPT-enhet ändå för att "han ville ha det bästa." Helt rätt, det är hans pengar, men avkastningen på det beslutet är förmodligen aldrig.

Vart är den här tekniken på väg? Tja, vi ser några trender:

Distribuerad MPPT– Istället för en stor kontroller för hela arrayen, mindre optimerare på varje panel. Bättre för skuggning, men ökar kostnaden och komplexiteten. Vi testar just nu dessa i ett pilotprojekt i Norge.

Molnanslutning– Alla vill att deras solpanel ska prata med sin smartphone. Visst, varför inte. Vår app är faktiskt ganska bra, även om jag får säga det själv. Du kan se realtid-prestanda, historiska data och den varnar dig om något är fel. Vi skickade en uppdatering förra veckan som fixar batteristatusen-av-laddningsuppskattningen – den var ungefär 5 % för optimistisk tidigare.

Bättre algoritmer– Det här är min personliga besatthet. Jag har arbetat på en prediktiv algoritm som använder väderprognosdata för att förebygga-justera spårningsparametrarna. Fungerar det? Ibland. Är det värt ansträngningen? Juryn är fortfarande ute.

MPPT

Har gjort detta tillräckligt länge för att känna till de vanligaste misstagen:

Storlek den rätt– Köp inte en 60A MPPT-kontroller för en 10A-panel. Det är slösaktigt. Likaså, underdimensionera det inte och tro att du kommer att spara pengar. Du kommer bara att skada den när du oundvikligen lägger till fler paneler senare.

Håll det svalt– Dessa saker genererar värme. Montera den inte i en förseglad låda i direkt solljus. Ja, folk gör faktiskt så här. Nej, jag förstår inte varför.

Batteritemperatursensor– Använd det! Laddningsspänningen bör temperaturkompenseras-. Rumstemperatur och mitten av Sahara kräver olika spänningar.

Kabeldimensionering– Vi får SÅ många samtal om att styrenheter inte fungerar som de ska, och det är nästan alltid underdimensionerade kablar som orsakar spänningsfall. Använd den blodiga kalkylatorn för kabeldimensionering på vår hemsida.

Inställningarna är viktiga– Standardinställningarna är konservativa. Läs manualen (jag vet, chockerande förslag) och konfigurera den för din specifika batterityp.

Så, vad är MPPT? Det är i grunden en smart elektronisk matchmaker som säkerställer att din solpanel och ditt batteri arbetar tillsammans så effektivt som möjligt och ständigt anpassar sig till förändrade förhållanden för att pressa ut alla möjliga watt ur din installation.

Är det värt det? För de flesta installationer, absolut. Den extra kostnaden för en MPPT-styrenhet över PWM betalar sig själv i ökad energiskörd inom ett eller två år.

Är vi partiska för att vi säljer dem? Säker. Men vi tror också på dem, annars skulle vi inte ha ägnat de senaste 15 åren åt att förfina tekniken och bygga några av de bästa MPPT-kontrollerna på marknaden. (Och ja, jag vet att alla företag säger det, men vårt är det faktiskt. Kämpa på mig.)

Hur som helst, om du har frågor, skriv dem i kommentarerna eller skicka ett mejl till mig. Eller ännu bättre, ta mig på mässan i Amsterdam i mars. Jag kommer att vara den som dricker för mycket kaffe och förklarar MPPT för alla som lyssnar.

Åh, och en snabbplugg – koppla ihop din MPPT med enjoniskt litiumbatteriom du kan. Den snabba laddningsegenskapen låter faktiskt regulatorn fungera korrekt under korta vinterdagar. Vi har testat den här kombinationen sedan förra året och effektivitetsvinsterna är ärligt talat värda att nämna.