MPPT คืออะไร
MPPT — Maximum Power Point Tracking — คืออัลกอริทึมที่ฝังอยู่ในโซลาร์ชาร์จคอนโทรลเลอร์ (และในกริดอินเวอร์เตอร์กับไฮบริดอินเวอร์เตอร์) เพื่อดึงกำลังสูงสุดที่มีอยู่ออกจากแผง PV ไม่ว่าสภาวะขณะนั้นจะเป็นอย่างไร
แผง PV ไม่ได้จ่ายกำลังคงที่ ในแต่ละขณะจะมีแรงดันเดียวที่แผงให้กำลังสูงสุด เรียกว่า จุดกำลังสูงสุด (Vmp หรือ peak power voltage) และจุดนี้เลื่อนตามความเข้มแสง อุณหภูมิอากาศ และอุณหภูมิเซลล์ แผงที่ระบุ Vmp = 41 V ที่สภาวะทดสอบมาตรฐาน (เซลล์ 25°C) อาจอยู่แถว 36 V ในบ่ายที่ร้อนจัด และขึ้นเกิน 44 V ในเช้าที่เย็นและฟ้าใส ชาร์จคอนโทรลเลอร์ที่แค่ดึงแผงลงมาเท่าแรงดันแบตเตอรี่ อย่างแบบ PWM รุ่นเก่า จะไม่เคยทำงานที่จุดนั้นและทิ้งกำลังส่วนหนึ่งไปเปล่าๆ MPPT หาจุดนั้นเจอและอยู่ตรงนั้นตลอด
I-V curve: กำลังอยู่ตรงไหน
แผงทุกใบอธิบายได้ด้วย I-V curve แกนตั้งคือกระแส แกนนอนคือแรงดัน ตัวเลข 5 ตัวกำหนดเส้นโค้งนี้:
| สัญลักษณ์ | ความหมาย |
|---|---|
| Pm (Pmax) | กำลังสูงสุด ยอดของเส้นโค้งกำลัง |
| Vmp (Vpm) | แรงดันที่กำลังสูงสุด |
| Imp (Ipm) | กระแสที่กำลังสูงสุด |
| Voc | แรงดันเปิดวงจร แรงดันสูงสุดที่แผงผลิตได้เมื่อไม่มีกระแสไหล |
| Isc | กระแสลัดวงจร กระแสสูงสุดเมื่อขั้วถูกลัดวงจร |
MPPT ทำงานอย่างไร
คอนโทรลเลอร์วัดเอาต์พุตของอาร์เรย์ เทียบกับแรงดันแบตเตอรี่ หากำลังดีที่สุดที่อาร์เรย์ผลิตได้ในขณะนั้น แล้วแปลงเป็นแรงดันที่ดันกระแสเข้าแบตเตอรี่ได้มากที่สุด และยังจ่ายโหลด DC ที่ต่อตรงกับแบตเตอรี่ด้วย
ในทางไฟฟ้า MPPT คอนโทรลเลอร์คือ DC-to-DC converter รับ DC จากอาร์เรย์ที่ Vmp สับเป็นคลื่น AC ความถี่สูง แล้วแปลงกลับเป็น DC ที่แรงดันและกระแสอีกค่าหนึ่งซึ่งตรงกับแบตเตอรี่พอดี โทโพโลยีที่ใช้มี 2 แบบ:
- บัคคอนเวอร์เตอร์ (Buck) แรงดันอาร์เรย์ *สูงกว่า* แบตเตอรี่ คอนโทรลเลอร์ลดแรงดันลง เป็นกรณีปกติ: อาร์เรย์ทำงานที่ 60-150 V เข้าแบตเตอรี่ 12, 24 หรือ 48 V คอนโทรลเลอร์สำหรับชุดแบตเตอรี่ไม่เกิน 48 V แทบทั้งหมดเป็นแบบบัค
- บูสต์คอนเวอร์เตอร์ (Boost) แรงดันอาร์เรย์ *ต่ำกว่า* แบตเตอรี่ คอนโทรลเลอร์เพิ่มแรงดันขึ้น ใช้กับชุดแบตเตอรี่แรงดันสูงหรืออาร์เรย์เล็กมาก
MPPT ให้ประโยชน์มากที่สุดเมื่อ:
- อากาศเย็น ฟ้าครึ้ม หรือมีหมอก แผงให้แรงดันสูงขึ้นในอากาศเย็นและ MPPT เก็บเกี่ยวได้ ส่วนใต้เมฆจุดกำลังสูงสุดเลื่อนมากที่สุด
- แบตเตอรี่เหลือน้อย แรงดันแบตเตอรี่ต่ำทำให้ช่องว่างระหว่าง Vmp กับแรงดันแบตเตอรี่กว้างขึ้น MPPT แปลงช่องว่างทั้งหมดเป็นกระแสเพิ่ม
- แผงต่ออนุกรม ให้แรงดันอาร์เรย์สูงกว่าแบตเตอรี่
MPPT กับ PWM ต่างกันอย่างไร
| PWM | MPPT | |
|---|---|---|
| หลักการ | สวิตช์ที่ต่ออาร์เรย์เข้าแบตเตอรี่โดยตรง อาร์เรย์ถูกดึงลงมาเท่าแรงดันแบตเตอรี่ | DC-DC converter ที่ให้อาร์เรย์ทำงานที่จุดกำลังสูงสุด แล้วแปลงเป็นแรงดันแบตเตอรี่ |
| พลังงานที่เก็บเกี่ยวได้ | ฐาน | มากกว่าโดยทั่วไป 10-30% สูงสุดถึง 40% ในวันอากาศเย็น |
| แรงดันอาร์เรย์ | ต้องตรงกับแบตเตอรี่ (อาร์เรย์ 12 V → แบตเตอรี่ 12 V) | สูงกว่าแบตเตอรี่ได้ ต่อแผงอนุกรม ใช้แผง 60 หรือ 72 เซลล์กับแบตเตอรี่ 12/24 V ได้ |
| การเดินสาย | สายใหญ่ ระยะสั้น | สายเล็กกว่า ระยะไกลได้ที่แรงดันสูง |
| ราคา | ต่ำ | สูงกว่า แต่มักถูกกว่าต่อวัตต์ที่เก็บเกี่ยวได้เมื่อระบบเกินไม่กี่ร้อยวัตต์ |
| เหมาะกับ | ระบบ 12 V เล็ก ไฟส่องสว่าง งบจำกัด | ระบบเกิน ~300 W โซลาร์โฮม ปั๊มน้ำ โทรคมนาคม ไมโครกริดออฟกริด |
คุณสมบัติหลักของ MPPT ชาร์จคอนโทรลเลอร์
- ตาม I-V curve ของแผง PV ทุกชนิด และชดเชยการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิและความเข้มแสง
- บังคับให้แผงทำงานใกล้จุดกำลังสูงสุด เก็บเกี่ยวกำลังทั้งหมดที่มี
- รับแรงดันอาร์เรย์สูงกว่าแบตเตอรี่ได้ จึงต่อแผงอนุกรมและวางแผงไกลจากคอนโทรลเลอร์ด้วยสายเล็กได้ กำลังมาถึงที่กระแสต่ำและสูญเสียต่ำ
- ลดความซับซ้อนของระบบ โดยยังคงประสิทธิภาพสูง เอาต์พุตของอาร์เรย์ขับคอนเวอร์เตอร์โดยตรง และคอนโทรลเลอร์ตัวเดียวกันรับแหล่ง DC อื่นเช่นกังหันลมหรือน้ำขนาดเล็กได้
- ปกป้องแบตเตอรี่ ชาร์จ 3 ขั้น (bulk, absorption, float) ชดเชยอุณหภูมิ ตัดเมื่อชาร์จเกินและจ่ายเกิน ป้องกันต่อขั้วกลับและเสิร์จ รุ่นใหม่เพิ่มการตัดโหลด DC เมื่อแรงดันต่ำ ตัวตั้งเวลาสำหรับไฟส่องสว่าง และพอร์ตสื่อสารสำหรับมอนิเตอร์
วิธีเลือกขนาด MPPT ชาร์จคอนโทรลเลอร์
คอนโทรลเลอร์ระบุด้วย แรงดันแบตเตอรี่พิกัด และ กระแสชาร์จสูงสุด พร้อม แรงดัน PV ขาเข้าสูงสุด และ ช่วงแรงดัน MPPT ขั้นตอน:
- แรงดันแบตเตอรี่ กำหนดแรงดันพิกัดของแบตเตอรี่ที่คอนโทรลเลอร์จะชาร์จ 12, 24 หรือ 48 V (หรือสูงกว่าสำหรับระบบใหญ่)
- กระแสชาร์จ กระแสชาร์จ (A) = Wp ของอาร์เรย์ ÷ แรงดันแบตเตอรี่ คูณด้วย ตัวคูณความปลอดภัย 1.2 (เผื่อแสงเกิน 1,000 W/m² และเอาต์พุตในอากาศเย็นตามแนวทาง NEC)
- เลือกรุ่น ที่กระแสชาร์จสูงสุดครอบคลุมตัวเลขนั้น
- ตรวจแรงดันสตริง เมื่อแผงต่ออนุกรม Vmp(ระบบ) = Vmp(แผง) × จำนวนแผงอนุกรม และ Voc(ระบบ) = Voc(แผง) × จำนวนแผงอนุกรม Vmp ต้องอยู่ในช่วง MPPT ของคอนโทรลเลอร์ Voc ต้องต่ำกว่าแรงดันขาเข้าสูงสุด ที่อุณหภูมิ ต่ำสุด ของพื้นที่ เพราะ Voc สูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิลด (ราว +0.3% ต่อ °C ที่ต่ำกว่า 25°C สำหรับซิลิคอน)
- สตริงขนาน เพิ่มกระแส ไม่เพิ่มแรงดัน: Isc(ระบบ) = Isc(แผง) × จำนวนสตริง ตรวจกับกระแส PV ขาเข้าสูงสุดของคอนโทรลเลอร์ถ้าระบุไว้
ตัวอย่างที่ 1 — โซลาร์โฮม
อาร์เรย์: แผง 450 Wp 2 ใบต่ออนุกรม (Vmp 41 V, Voc 49 V ต่อใบ) แบตเตอรี่: 48 V LFP
- กระแสชาร์จ = 900 ÷ 48 = 18.75 A × 1.2 = 22.5 A → เลือกคอนโทรลเลอร์ 48 V / 30 A
- Vmp(ระบบ) = 82 V, Voc(ระบบ) = 98 V เช้าที่ 10°C Voc ≈ 98 × 1.045 ≈ 102 V → คอนโทรลเลอร์ต้องรับ PV ขาเข้าสูงสุดอย่างน้อย 150 V
ตัวอย่างที่ 2 — ปั๊มน้ำหรือไซต์โทรคมนาคมออฟกริด
อาร์เรย์: แผง 450 Wp 6 ใบ (2,700 Wp) เป็น 3 สตริง สตริงละ 2 ใบ แบตเตอรี่: 48 V
- กระแสชาร์จ = 2,700 ÷ 48 = 56 A × 1.2 = 67.5 A → เลือกคอนโทรลเลอร์ 48 V / 70-80 A หรือคอนโทรลเลอร์ 48 V / 40 A สองตัว แต่ละตัวรับอาร์เรย์ย่อยของตัวเอง ซึ่งเป็นทางเลือกที่นิยมเพื่อสำรอง
- แรงดันสตริงเท่าตัวอย่างที่ 1 (82 V / 98 V) สตริงขนาน 3 ชุดจ่าย Isc ≈ 3 × 11.5 A = 34.5 A เข้าขาเข้าคอนโทรลเลอร์
ตัวอย่างที่ 3 — ระบบไฟส่องสว่าง 12 V
อาร์เรย์: แผง 200 Wp 1 ใบ (Vmp 20 V, Voc 24 V) แบตเตอรี่: 12 V
- กระแสชาร์จ = 200 ÷ 12 = 16.7 A × 1.2 = 20 A → คอนโทรลเลอร์ 12 V / 20 A
- Voc 24 V ต่ำกว่าขีดจำกัดขาเข้าของคอนโทรลเลอร์ทุกรุ่นมาก ขนาดนี้ใช้ PWM ก็ได้ แต่ MPPT จะเก็บเกี่ยวได้มากกว่า 15-20% ในฤดูหนาว
คำถามที่พบบ่อย
MPPT ย่อมาจากอะไร
Maximum Power Point Tracking วิธีควบคุมที่ให้อาร์เรย์ PV ทำงานที่แรงดันซึ่งผลิตกำลังได้มากที่สุด แล้วแปลงกำลังนั้นเป็นแรงดันของแบตเตอรี่MPPT ให้พลังงานมากกว่า PWM เท่าไร
โดยทั่วไป 10-30% ต่อปี และสูงถึง 40% ในวันอากาศเย็นหรือฟ้าครึ้มที่แรงดันจุดกำลังสูงสุดของอาร์เรย์ห่างจากแรงดันแบตเตอรี่มาก ประโยชน์น้อยที่สุดในบ่ายที่ร้อนและแบตเตอรี่เต็มต่อแผง 24 V เข้าแบตเตอรี่ 12 V ด้วย MPPT ได้ไหม
ได้ นี่คือข้อได้เปรียบหลักของ MPPT คอนโทรลเลอร์ลดแรงดันอาร์เรย์ที่สูงกว่าลงมาเท่าแบตเตอรี่ และเปลี่ยนแรงดันส่วนเกินเป็นกระแสเพิ่ม ถ้าใช้ PWM จะเสียกำลังของแผงไปราวครึ่งหนึ่งเลือกพิกัดแอมป์ของ MPPT อย่างไร
เอาวัตต์-พีครวมของอาร์เรย์หารด้วยแรงดันแบตเตอรี่พิกัดแล้วคูณ 1.2 อาร์เรย์ 900 Wp บน 48 V ต้องการ 900 ÷ 48 × 1.2 = 22.5 A จึงใช้คอนโทรลเลอร์ 30 Aแรงดัน PV สูงสุดของชาร์จคอนโทรลเลอร์คืออะไร
แรงดันเปิดวงจรสูงสุดที่ขาเข้าของคอนโทรลเลอร์ทนได้ โดยทั่วไป 100, 150 หรือ 250 V สำหรับคอนโทรลเลอร์ชุดแบตเตอรี่ และสูงถึง 1,500 V สำหรับหน่วย DC-coupled ขนาดโรงไฟฟ้า ตรวจ Voc ของสตริงที่อุณหภูมิต่ำสุดของพื้นที่เทียบกับค่านี้ใช้ไฮบริดอินเวอร์เตอร์แล้วต้องมี MPPT คอนโทรลเลอร์แยกไหม
ไม่ต้อง ไฮบริดอินเวอร์เตอร์เช่น MTP-620x ของ LEONICS มี MPPT ในขาเข้า PV อยู่แล้ว คอนโทรลเลอร์แยกจำเป็นเฉพาะระบบ DC-coupled ที่อาร์เรย์ชาร์จแบตเตอรี่โดยตรงสรุป
MPPT คือความต่างระหว่างอาร์เรย์ที่จ่ายได้ตามที่ดาต้าชีตสัญญา กับอาร์เรย์ที่จ่ายได้เท่าที่แรงดันแบตเตอรี่ยอม คอนโทรลเลอร์ตามจุดกำลังสูงสุดเมื่อแสงและอุณหภูมิเปลี่ยน แล้วใช้ DC-DC converter เปลี่ยนทุกโวลต์ที่เหลือเป็นกระแสชาร์จ ได้พลังงานมากกว่า แรงดันอาร์เรย์สูงกว่า สายเล็กกว่า และดูแลแบตเตอรี่ดีกว่า หาขนาดจาก Wp ของอาร์เรย์กับแรงดันแบตเตอรี่ แล้วตรวจ Voc ของสตริงในเช้าที่เย็นที่สุด
ดู MPPT ชาร์จคอนโทรลเลอร์ ของ LEONICS, รุ่น PWM สำหรับระบบเล็ก หรือกลับไปที่ คู่มือออกแบบระบบโซลาร์ PV สำหรับส่วนที่เหลือของระบบ