DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Off-Grid rešitve za napajanje brez omrežja, ki jih podpirajo fotovoltaični (PV) paneli, ki uporabljajo sledenje največji moči (MPPT), postajajo priljubljene, saj uporabniki uporabljajo alternativne vire energije.
Vendar je te sisteme zapleteno namestiti in konfigurirati. Kombinacija možnosti zahteva več pretvornikov in polnilnikov, kar povečuje stroške. Načrtovalci lahko zdaj poenostavijo in zmanjšajo stroške napajanja iz omrežja in polnjenja baterij z uporabo ene same integrirane enote za polnjenje AC/DC, pretvorbo DC/AC in obvodom AC.
V tem članku so na kratko predstavljene aplikacije za napajanje zunaj omrežja in zapletenost polnjenja iz fotovoltaičnih panelov/MPPT. Nato predstavi integrirane enote MEAN WELL [1] in pokaže, kako lahko poenostavijo namestitev in delovanje ter hkrati zmanjšajo stroške. Gospodinjska aplikacija prikazuje prednosti uporabe integriranega izdelka.
Kaj je off-grid aplikacija brez omrežne napetosti?
Napajanje brez omrežja postaja priljubljeno, ker je tehnologija tako napredovala, da so ti sistemi zanesljivi, učinkoviti in stroškovno ugodni ter uporabnikom omogočajo neodvisnost od energetskih podjetij.
Kot pove že ime, se električna energija iz omrežja pridobiva iz nekomercialnih virov energije, običajno iz fotovoltaičnih panelov, ki pretvarjajo sončno svetlobo v električno energijo. Možna je tudi vetrna energija.
Za popolno neodvisnost od omrežja potrebujejo off-grid sistemi več ključnih sestavnih delov:
PV paneli: za pretvorbo sončne svetlobe v enosmerno električno energijo
Zunanji MPPT solarni polnilnik: za optimizacijo pretoka energije v baterije za čim učinkovitejše shranjevanje energije.
Baterije: za shranjevanje energije, ki jo proizvedejo fotovoltaični paneli
DC/AC inverter: za pretvorbo energije iz baterij v izmenično napetost, ki jo potrebujejo gospodinjski aparati
Čeprav si mnogi uporabniki prizadevajo za popolno energetsko neodvisnost, se zavedajo, da fotovoltaični paneli morda ne bodo stalno proizvajali dovolj energije za vse domače sisteme, zato se bodo razumno povezali z dobaviteljem električne energije. Vhodna izmenična napetost iz omrežja se pretvori v enosmerno, da se poveča energija v akumulatorju (slika 1).
Avtonomni sistem brez omrežja je praktičen, vendar ga ni preprosto izvesti. Vzpostavitev in vzdrževanje zahtevata pozornost, dodajanje povratne energije za polnjenje baterij pa poveča zapletenost. Ob predpostavki, da so fotovoltaični paneli nameščeni na optimalnem mestu in pod najboljšim kotom ter da imajo baterije zadostno zmogljivost za shranjevanje dovolj energije za napajanje stanovanja v urah z omejeno ali ničelno sončno svetlobo, so zunanji solarni polnilnik MPPT, polnjenje AC/DC, pretvorba DC/AC in obvod AC ključni elementi, ki določajo učinkovitost sistema.
Ena od nalog inverterja je pretvoriti enosmerno električno energijo, ki prihaja iz sistema, sestavljenega iz fotovoltaičnih panelov in baterij, v izhodno napetost 230 voltov/50 Hercev (Hz). Izdelek, kot je MEAN WELL ISI-501-212B [2], omogoča vhodno napetost 12 voltov DC (VDC), pri čemer ponuja pravi sinusni izhod moči 450 vatov s skupnim harmonskim popačenjem (THD) <3 % in regulacijo AC ±3 %.
V postavitvi, prikazani na sliki 1, pretvornik deluje kot polnilnik MPPT PV, vključno z značilnostmi polnjenja s konstantnim tokom in konstantno napetostjo, ki jih zahtevajo svinčevi akumulatorji. Enota MEAN WELL zagotavlja polnilni tok do 30 amperov (A) z napetostnim razponom MPPT od 25 do 50 voltov za polnjenje odprtih ali zaprtih svinčevih akumulatorjev.
Kaj je MPPT?
MPPT se uporablja pri spremenljivih virih energije, kot so fotovoltaični paneli, da se čim bolj poveča pridobivanje energije glede na spreminjajoče se pogoje. MPPT rešuje izzive, ki nastanejo zaradi učinkovitosti prenosa energije iz PV celice, ki se spreminja glede na sončni tok, senčenje, temperaturo PV panela in električne značilnosti bremena. Ko se ti pogoji spreminjajo, se spreminja tudi značilnost (impedanca) bremena, ki omogoča največji prenos energije. Sistem je optimiziran, ko karakteristika bremena ohranja prenos moči z najvišjo učinkovitostjo, kar je točka največje moči (MPP). MPPT je postopek prilagajanja karakteristike bremena ob spreminjanju pogojev, da se doseže MPP.
Večina sodobnih MPPT zagotavlja približno 93 do 97 % učinkovitost pretvorbe. MEAN WELL ISI-501-212B ima tipično učinkovitost pretvorbe 98 %.
Izhod iz polnilnika MPPT naprave ISI-501-212B se uporablja za polnjenje akumulatorjev sistema za napajanje brez omrežja, pri čemer se uporabljajo izhodi fotovoltaičnih panelov. Pri tem se uporablja določen profil polnjenja s konstantnim tokom/konstantno napetostjo, ki z uporabo MPPT zagotavlja največjo zmogljivost baterije in povečuje število ciklov polnjenja baterije (slika 2). Faza plavajočega polnjenja vzdržuje baterijo na skoraj polni ravni napolnjenosti, da se prepreči samopraznjenje.
Pomembnost čistega sinusnega signala izmenične napetosti
Čeprav je MPPT polnilec v modelu ISI-501-212B ključnega pomena, je le en del sistema za napajanje brez omrežja. Za pretvorbo energije iz svinčevih ali litij-ionskih (Li-ion) baterij v izmenično napetost, ki jo potrebujejo gospodinjski aparati, je na primer potrebna DC/AC pretvorba. Takšne naprave je treba napajati s čistimi sinusnimi izmeničnimi napetostmi, da bi se izognili električnim izzivom, kot je korekcija faktorja moči.
Za to DC/AC pretvornik uporablja vezje H-mostiča in krmilno vezje, kot je pulznoširinska modulacija (PWM). Kombinacija H-mostiča in PWM ustvari povprečno napetost, ki se približuje sinusnemu signalu. PWM običajno krmili ena ali več mikrokontrolerskih enot (MCU) in vključuje spreminjanje širine impulzov, da se ustvari povprečna napetost, ki tvori približek sinusnega signala. Dodatno zmanjšanje harmonskega popačenja je mogoče doseči s filtriranjem s pomočjo tuljave in kondenzatorja (LC), ki zgladi obliko valovanja in ustvari čistejši sinusni signal.
Na primer, stalni pretvornik NTN-5K-248 [3] podjetja MEAN WELL uporablja MCU za ustvarjanje pravega sinusnega signala s THD <3 % (slika 3).
Ena oblika ustreza vsem
Z uporabo fotovoltaičnih panelov, pretvornika MEAN WELL ISI-501-212B in trajnega pretvornika NTN-5K-248 lahko načrtovalci zgradijo celoten sistem brez omrežja, vendar trajni pretvornik ponuja še več. Z enim izdelkom lahko razvijalec zagotovi polnjenje baterij z AC/DC, pretvorbo DC/AC za napajanje naprav in enoto za premostitev AC.
NTN-5K-248 potrebuje 48-voltni vhod in proizvaja 230-voltni izmenični tok (VAC). Zagotavlja lahko neprekinjeno moč 5000 W z največjo učinkovitostjo 93 %. Je del serije MEAN WELL NTN-5K [4], ki ima več različic. NTN-5K-2380 [5] je na primer zelo zanesljiv off-grid pravi sinusni DC-AC pretvornik z vgrajenim AC polnilnikom in funkcijo UPS (AC by-pass). Njegove ključne značilnosti vključujejo digitalno zasnovo z nadzorom MCU, poenostavljeno krmilno vezje, ki se hitro odziva na spremembe v okolju in izboljšuje zanesljivost, visokokakovostni ventilator z nizkim zvočnim hrupom, neprekinjeno 5000-vatno izhodno moč in izhodno napetost 230 VAC z vhoda 380 VDC. Največja učinkovitost znaša 94,5 % (slika 4).
Serija NTN-5K je primerna za uporabo v stanovanjskih in poslovnih prostorih, na morju, v avtomobilih, rudnikih, na gradbiščih in na oddaljenih območjih brez dostopa do napajanja (slika 5). Serija ima vgrajeno funkcijo aktivne delitve toka in jo je mogoče vzporedno povezati z do 6 enotami, da se zagotovi večja izhodna moč izmenične napetosti.
Zaključek
Sistemi za off-grid napajanje so privlačni zaradi neodvisnosti, ki jo ponujajo. Vendar je take sisteme zapleteno namestiti in konfigurirati. Nepretrgan inverter MEAN WELL je poenostavil in zmanjšal stroške napajanja zunaj omrežja in polnjenja baterij z uporabo integrirane enote za polnjenje AC/DC, inverzijo DC/AC in premostitveno AC enoto. Primer je serija polnilnikov/pretvornikov NTN-5K, ki opravljajo funkcije, potrebne za napajanje gospodinjstva zunaj omrežja in polnjenje baterij.
Spletne povezave:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/mean-well
2: https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/ISI-501-212B/7704701
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/NTN-5K-148/24390022
4: https://www.digikey.com/en/product-highlight/m/mean-well/ntn-5k-series-chargers-inverters
5: https://www.digikey.com/en/products/detail/mean-well-usa-inc/NTN-5K-2380/24390025
