Wat is de taak van Maximum Power Point Tracking (MPPT) bij een laadregelaar of zonnepaneelomvormer?

Een Maximum Power Point Tracker zorgt dat een zonnepaneelomvormer of zonnepaneellaadregelaar het maximale vermogen uit een zonnepaneel of een string zonnepanelen onttrekt bij de op dat moment geldende hoeveelheid zon-instraling op de zonnepanelen.

Wat is MPPT?

Wil je doorgronden wat MPPT bekent dan ontkom je er niet aan om een beetje de techniek in te duiken. Maar maak je geen zorgen, we nemen je aan het handje mee, zo moeilijk is het nou ook weer niet.

Als een zonnepaneel door licht beschenen wordt levert deze een bepaalde spanning afgeven. De spanning wordt afgekort met de letter U, de waarde wordt uitgedrukt in Volt. Zodra je het paneel belast, dus aansluit op een zonnepaneelomvormer of laadregelaar, dan zal een bepaalde stroom gaan vloeien. Stroom wordt afgekort met de letter I en de waarde wordt uitgedrukt in Ampère.

Als je de spanning (U) met de stroom (I) vermenigvuldigd krijg je het vermogen (P) dat uitgedrukt wordt in Watt. Dus de formule voor vermogen is P = U x I.

Levert een zonnepaneel een spanning van bijvoorbeeld 40 Volt en een stroom van 10 Ampère, dan is het vermogen P = U x I, P = 40 x 10, dus P is gelijk aan 400 Watt.

Spanning verandert met de stroom

Hierboven schreven we, "als het zonnepaneel een spanning levert van 40 Volt en een stroom van 10 Ampère...". Maar daar speelt het woordje "als" een grote rol.

Want wat blijkt? De stroom blijkt bij een zonnepaneel afhankelijk te zijn bij de te leveren spanning, en de spanning blijkt afhankelijk te zijn van de stroom. Een zonnepaneel geeft dus niet een constante spanning of stroom af.

Stel dat het zonnepaneel niet belast wordt, dus zonder dat je iets er op aansluit, dus als er geen stroom vloeit, zal het zonnepaneel bijvoorbeeld een spanning leveren van 40 Volt. Die spanning noemen we de "open klemspanning" of U_oc (U open circuit) noemen. Zodra je het zonnepaneel belast, dus dat er een stroom gaat lopen naar de belasting (zonnepaneelomvormer / laadregelaar), dan zal de spanning dalen.

Hoe zwaarder je het zonnepaneel belast, dus hoe groter de stroom die uit het zonnepaneel getrokken wordt, hoe lager de spanning. Hieronder zie je een grafiek waarbij je de relatie tussen die spanning en stroom van een zonnepaneel ziet.

Laten eens kijken wat we in die grafiek zien. We beginnen eerst geheel links en concentreren ons op de dikke rode lijn. Daar zien we dat bij een spanning van 0 Volt dit zonnepaneel een stroom levert van 14 Ampère. Dat punt wordt de I_sc genoemd, waarbij sc de afkorting is van short current. In het Nederlands noemen we dit de kortsluitstroom van het zonnepaneel. Als we de plus- en mindraden van een zonnepaneel kortsluiten (direct met elkaar verbinden) dan zal in dit geval een stroom vloeien van 14 Ampère. Omdat de plus- en mindraden van het zonnepaneel kortgesloten zijn, is de spanning tussen die plus- en minpolen 0 Volt.

Als we het vermogen dat het zonnepaneel op dat moment levert willen uitrekenen gebruiken we weer de formule P = U x I. U is in dit geval 0 Volt en I is 14 Ampère. Dus P, het vermogen, wordt in dit geval 0 x 14 en daar volgt uit 0 Watt.

Vervolgens kijken we in de grafiek geheel rechts bij de dikke rode lijn. Bij dat punt is de spanning het hoogst: 40 Volt, maar de stroom is het laagst, sterker nog hij is 0 Ampère. Dit punt wordt bij zonnepanelen de U_oc waarbij oc staat voor Open Circuit. In het Nederlands noemen we dat de open klemspanning, de spanning die het zonnepaneel afgeeft als de plus- en mindraden niet aangesloten zijn, dus als er geen stroom kan lopen. Bij dit punt is het vermogen: 40 Volt x 0 Ampère en dat is óók 0 Watt.

Laten we nu eens naar het punt kijken waar de rode lijn die van geheel links naar rechts loopt bij een spanning van 30 Volt naar beneden buigt. Dat is (ongeveer) het punt dat die rode lijn gekruist wordt door de andere rode lijn (die lijn is nu niet relevant, maar dan weet je waar je moet kijken).

Op dat punt is de spanning 30 Volt en de stroom 14 Ampère. Het vermogen dat het zonnepaneel dan afgeeft is (P = I x U): P = 14 x 30 dus P = 420 Watt.

De grafiek hierboven is van een zonnepaneel met een vermogen van 440 Wp. Dus die 420 Watt van hiervoor is niet het maximale vermogen dat hij af kan geven. Het maximale vermogen dat dit zonnepaneel kan afgeven blijkt iets verder dan die 30 Volt te liggen. In de specificaties van het zonnepaneel lezen we dat dit 32,99 Volt is en bij die spanning is de stroom 13,34 Ampère.

Als we het vermogen bij dat punt uitrekenen is dat: P = 32,99 x 13,34 dus P is afgerond 440 Watt, geheel volgens de specificaties van dit 440 Wp zonnepaneel.

Als de zonnepaneelomvormer of laadregelaar het maximale vermogen uit dit paneel wil halen dan moet hij zich zodanig instellen dat een stroom wordt getrokken van 13,34 Ampère. Want alleen dán zal het maximale vermogen uit het zonnepaneel gehaald worden. Dat punt van 32,99 Volt en 13,34 Ampère wordt het maximum power point genoemd.

In de grafiek zie je een tweede dikke rode lijn. Die begint geheel links bij 0 Volt en 0 Ampère en stijgt vervolgens met een rechte lijn naar circa 33 Volt, daar maakt hij een knik en daarna daalt de lijn sterk om bij 40 Volt en 0 Ampère aan de rechterkant te eindigen.

Dié rode lijn stelt het vermogen voor die het zonnepaneel afgeeft bij diverse combinaties van spanning een stroom. Op de rechter y-as zie je dan ook het vermogen (Power) in Watt staan. En die slaat op die tweede vermogenslijn.

Wat je daar ziet dat geheel links het vermogen 0 Watt is, en naarmate de spanning stijgt (we naar rechts in de grafiek gaan) stijgt het vermogen van het zonnepaneel. Die lijn bereikt zijn top bij circa 33 Volt en daarna daalt hij weer.

Die lijn geeft dus precies weer wanneer het zonnepaneel zijn maximale vermogen kan afgeven.

Maximaal vermogen afhankelijk van zon-instraling

Als het allemaal zo makkelijk was als we hierboven hebben voorgesteld dan kon je voor ieder type paneel de maximum power point waarde instellen in de zonnepaneelomvormer of laadregelaar. Maar het blijkt complexer te zijn.

Het maximale vermogenspunt blijkt namelijk afhankelijk te zijn van de zon-instraling. Hoe minder sterk de zon schijnt hoe minder stroom je het zonnepaneel moet laten leveren wil je op het maximale vermogenspunt zitten.

De rode lijn is van toepassing bij een instraling van 1000 Watt/m² (volle zonneschijn en dat het zonnepaneel loodrecht staat t.o.v. de zon), de lijnen daaronder bij ongeveer: 11, 8 6 en 3 Ampère gelden bij een zon-intensiteit van 800, 600, 400 en 200 Watt/m². Dus afhankelijk van de zon-intensiteit ligt het maximum power point op een andere plaats. En zelfs van het paneel speelt een rol in dit kader.

Het is de taak van de MPPT functie in de zonnepaneelomvormer of laadregelaar om continue, het maximum power point te "tracken". Vandaar dat als een wolkje voor de zon verschijnt zie je het vermogen van de zonnepaneelomvormer of laadregelaar naar beneden gaan, dan weer omhoog en zoekt hij naar dit maximum vermogenspunt.