PV-Modulkonfiguration und MPPT-Ladereglerleistung

Der Einfluss verschiedener PV-Panel-Konfigurationen auf das Verhalten, die Umwandlungseffizienz und die thermischen Aspekte von MPPT-Ladereglern.

Phocos bietet unter den Photovoltaik-Ladereglern (PV) sowohl PWM- als auch MPPT-Versionen an.

PWM-Laderegler (Pulsweitenmodulation) den PV-Eingang schnell und ohne Spannungsumwandlung direkt an den Batterieausgang an- und abkoppeln. Phocos MPPT-Laderegler (Maximum Power Point Tracker) bestehen aus hocheffizienten DC/DC-Wandlern, die die Eingangsspannung aktiv und mit nur minimalen Umwandlungsverlusten in die Ausgangsspannung (Batteriespannung) umwandeln.

Das bedeutet, dass der MPPT-Laderegler den Punkt maximaler Leistungsabgabe auf der Kennlinie des angeschlossenen PV-Generators sucht, findet und verfolgt, um die maximal mögliche Leistungsmenge und damit die maximale Energie in Ihre Batterie und die angeschlossenen Verbraucher zu bringen. Die Nachführung ist notwendig, da die PV-Spannung am Punkt der maximalen Leistungsabgabe je nach Einstrahlung und Temperatur variiert.

Es gibt zwei Haupttypen von MPPT-Ladereglern: Abwärtswandler und Aufwärtswandler

• Ein Aufwärtswandler kann nur niedrigere PV-Eingangsspannungen in dieselbe oder eine höhere Ausgangsspannung zum Laden der Batterie umwandeln.
• Ein Abwärtswandler kann nur höhere PV-Eingangsspannungen in dieselbe oder eine niedrigere Ausgangsspannung zum Laden der Batterie umwandeln.
• Eine dritte Art, der Abwärts/Aufwärts-Wandler, kann beides, ist aber in der Regel viel weniger effizient als ein reiner Aufwärts- oder Abwärts-Wandler.

Die meisten MPPT-Laderegler sind Abwärtswandler und wandeln eine höhere Eingangsspannung (PV) in eine niedrigere Ausgangsspannung (Batterie) um. In diesem Artikel liegt der Schwerpunkt auf dem Abwärtswandler. Abgesehen von den Spannungspegeln gelten die folgenden Überlegungen jedoch auch für die anderen Wandlertypen.

PV-Überdimensionierung:

Die MPPT-Laderegler von Phocos dürfen an mehr PV-Leistung angeschlossen werden, als sie tatsächlich umwandeln können. Sie haben eine eingebaute Ausgangsstrombegrenzung und Temperaturkontrolle. Der Ausgangsstrom wird daher nie den maximal spezifizierten Ausgangsstrom überschreiten. Sollte der MPPT-Laderegler nicht optimal montiert sein und/oder hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein, begrenzt er seine maximale Innentemperatur, indem er bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle den Leistungsdurchsatz reduziert, damit er nicht überhitzt. Eine Überdimensionierung der PV-Anlage führt dazu, dass mehr Energie in die Batterien eingespeist wird, da die Sonneneinstrahlung die meiste Zeit nicht maximal ist und die PV-Paneele daher nicht ihre maximale Nennleistung liefern. Mit einer höheren PV-Nennleistung erhalten Sie also mehr Energie in Ihre Batterien. Bei den kleineren Geräten (15 A) können Sie bis zum etwa 1,25-fachen der maximalen Nennleistung und beim CIS-N-MPPT 100/30 bis zum etwa 1,5-fachen der maximalen Nennleistung verwenden.

Thermische Aspekte:

Auch wenn die MPPT-Laderegler einen ausgezeichneten Wirkungsgrad und damit nur geringe Verluste haben, erwärmen sie sich dennoch. Sie erzeugen mehr Wärme, wenn mehr Leistung umgewandelt wird. Sie begrenzen zwar ihre interne Temperatur, um sich selbst zu schützen, aber eine höhere Temperatur bedeutet immer eine höhere Belastung für die elektronischen Komponenten im Inneren. Daher ist es am besten, den MPPT-Regler senkrecht an einer Wand zu montieren, so dass die natürliche Konvektion die Luft vertikal nach oben um die Oberflächen des MPPT strömen lässt, so dass er seine Verlustleistung (Wärme) in diese Luft ableiten kann, was dazu beiträgt, den MPPT kühler zu halten. Falls vorhanden, hilft die Montage auf einer Metalloberfläche, die als zusätzlicher Kühlkörper (Kühlfläche) fungiert, den MPPT-Laderegler kühl zu halten, insbesondere wenn das Gerät keine Kühlrippen hat, wie der ECO-N-MPPT.

Alle Laderegler sollten immer an einem kühlen, schattigen und belüfteten Ort montiert werden, damit sie nicht durch direkte Sonneneinstrahlung von außen aufgeheizt werden.

PV-Spannungsbereich:

Der Eingangsspannungsbereich von bis zu 85 Vdc oder 95 Vdc (je nach Laderegler-Modell) ermöglicht die Verwendung von weniger teuren PV-Paneelen, die normalerweise für netzgekoppelte Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel PV-Paneele mit 60 Zellen, die sich ohne MPPT nicht für Batterieanwendungen eignen würden (mit einem PWM-Laderegler müssen Sie die PV-Paneele immer an die gewünschte Batteriespannung anpassen). So können Sie beispielsweise zwei 36-Zellen-Paneele (je 130 Wp) durch ein 60-Zellen-Paneele (bis zu 280 Wp) zu geringeren Kosten ersetzen.

Beispiele:

• Ein 60-Zellen-Panel mit einem Phocos CIS-N-MPPT 85/15 in einem 12Vdc-System anstelle von zwei wesentlich teureren 36-Zellen-Panels
• Zwei 60-Zellen-Paneele in Reihe mit einem Phocos CIS-N-MPPT 85/15 in einem 24 Vdc-System anstelle von zwei oder drei wesentlich teureren 36-Zellen-Paneele
• Zwei 60- oder 72-Zellen-Paneele mit einem Phocos CIS-N-MPPT 100/30 in einem 12 Vdc-System anstelle von vier wesentlich teureren 36-Zellen-Paneele

Die maximale Leerlaufspannung der angeschlossenen PV-Paneele darf die maximale Eingangsspannung des MPPT-Ladereglers nicht wesentlich überschreiten. Die Phocos MPPT-Produkte verfügen über einen PV-Überspannungsschutz, der die Stromumwandlung im Falle einer zu hohen PV-Spannung abschaltet. Selbst wenn die PV-Eingangsspannung auf einen geringfügig höheren als den zulässigen Wert ansteigt, wird der MPPT-Regler nicht beschädigt, sondern bleibt inaktiv, solange diese höhere Spannung anliegt, sofern die Überspannung nicht zu extrem ist. Eine deutliche Überschreitung der PV-Spannung wird jedoch wahrscheinlich den Laderegler beschädigen. Im Benutzerhandbuch finden Sie spezifische Spannungsempfehlungen für jeden Phocos MPPT-Laderegler.

Wirkungsgrad bei der Umwandlung:

Obwohl die Phocos MPPT-Laderegler Eingangsspannungsbereiche von bis zu 85 V oder 95 V haben, ist es besser, eine niedrigere PV-Spannung zu verwenden, um den besten Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen, insbesondere in Kombination mit 12-V-DC-Systemen: Der Umwandlungswirkungsgrad des DC/DC-Wandlers im MPPT-Laderegler ist abhängig vom Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto besser ist der Umwandlungswirkungsgrad. Das Ergebnis ist eine höhere Ausgangsleistung und eine geringere thermische Belastung des Geräts. Wählen Sie die Konfiguration des PV-Generators bestenfalls so, dass die MPPT-Spannung (Vmp) deutlich über der maximalen Batteriespannung liegt, bestenfalls aber nicht sehr viel höher. Je näher die Vmp an der maximalen Batteriespannung liegt, desto höher ist der Wirkungsgrad des Ladereglers. Hierfür kann die Parallelschaltung von zwei Modulsträngen erforderlich sein.

Experten-Tipp: Die Parallelschaltung von zwei Photovoltaik-Paneelen oder zwei Strings ist kein Problem und erfordert keinen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand (oder einen PV-Kombinationskasten), wenn Sie zu diesem Zweck leicht erhältliche Y-Verbinder verwenden.

Der breite Eingangsspannungsbereich in Verbindung mit der PV-Überdimensionierungsfähigkeit der Phocos MPPT-Laderegler ermöglicht die Auswahl vieler verschiedener PV-Paneele und Konfigurationen.

Beispiele für die Konfiguration von Solarmodulen:

1. 12 Vdc System mit Phocos, CIS-N-MPPT 85/15, oder CIS-N-MPPT-LED
   Maximale Leistungsumwandlungsfähigkeit: 15 A x 15 V = 225 W. Mit der PV-Überdimensionierungsfunktion können Sie bis zu 280 Wp anschließen.
   Optionen:
   1. Zwei 36-zellige 130-Wp-Paneele in Reihe oder parallel oder
   2. Ein 60- oder 72-Zellen-Panel mit (bis zu) 280 Wp
      
2. 24 Vdc-System mit Phocos, CIS-N-MPPT 85/15 oder CIS-N-MPPT-LED
   Maximale Energieumwandlungskapazität: 15 A x 30 V = 450 W. Mit der PV-Überdimensionierungsfunktion können Sie bis zu 560 Wp anschließen.
   Optionen:
   1. Vier 36-zellige 130-Wp-Paneele in 2s2p-Konfiguration (zwei in Reihe und zwei parallel) oder
   2. Zwei 280 Wp 60-Zellen-Paneele in Reihe oder
   3. Zwei 280 Wp 72-Zellen-Paneele in Parallelschaltung für bessere Umwandlungseffizienz und geringere thermische Belastung
      
3. 12 Vdc-System mit Phocos CIS-N-MPPT 100/30
   Maximale Energieumwandlungskapazität: 30 A x 15 V = 450 W. Mit der PV-Überdimensionierungsfunktion können Sie bis zu 675 Wp anschließen.
   Optionen:
   1. Vier 36-Zellen-Paneele mit 130 Wp in 2s2p-Konfiguration (zwei in Reihe und zwei parallel) oder alle parallel geschaltet oder
   2. Verwenden Sie entweder zwei 60- oder 72-Zellen-Paneele mit bis zu über 300 Wp in Reihe oder parallel für eine bessere Umwandlungseffizienz und geringere thermische Belastung
      
4. 24 Vdc-System mit Phocos CIS-N-MPPT 100/30
   Maximale Energieumwandlungskapazität: 30 A x 30 V = 900 W. Mit der PV-Überdimensionierungsfunktion können Sie bis zu 1350 Wp anschließen.
   Optionen:
   1. Verwenden Sie 8 Stk. 36-zellige 130-Wp-Paneele in 4s2p-Konfiguration (vier in Reihe und zwei parallel) oder für eine bessere Umwandlungseffizienz und geringere thermische Belastung in 2s4p-Konfiguration (zwei in Reihe und vier parallel) oder
   2. Verwenden Sie vier 60- oder 72-Zellen-Paneele mit bis zu über 300 Wp in einer 2s2p-Konfiguration (zwei in Reihe und zwei parallel)

Diese detaillierte Übersicht und technische Beschreibung soll Ihnen helfen, die Planung und Installation Ihres nächsten Solarprojekts zu optimieren. Seit 20 Jahren liefert Phocos bewährte, robuste PWM- und MPPT-Laderegler. Klicken Sie hier für eine einfache Zusammenfassung der Modelle und Funktionen (Seite 5 und 6).