MPPT - Maximum Power Point Tracker

MPPT is een mechanisme in de zonnepaneelomvormer die zorgt dat onder alle omstandigheden het maximale vermogen uit het zonnepaneel wordt gehaald. Dit doet de omvormer door het zonnepaneel niet maximaal maar juist optimaal te belasten.

Het vermogen wat een zonnepaneel kan leveren wijzigt continu door verandering van instraling (lichtintensiteit), eventuele gedeeltelijke schaduw, bijvoorbeeld bewegende takken van bomen maar ook de temperatuur van de zonnecel. Een Maximum Power Point Tracker (MPPT), is een mechanisme die bij een het zonnepaneel zoekt naar het punt van maximale vermogensafgifte, en in alle situaties het uiterste uit het zonnepaneel haalt.

Waarom heb je MPPT nodig?

MPPT is een mechanisme in de omvormer die zorgt dat het zonnepaneel niet maximaal maar optimaal belast wordt door de omvormer en daardoor het maximale vermogen uit het zonnepaneel haalt. Voordat we uitleggen hoe dat werkt maken we eerst een klein uitstapje naar de verbrandingsmotor. Dit doen we om te laten zien dat het heel normaal is dat een apparaat niet maximaal presteert als je hem zwaar belast.

Een verbrandingsmotor in de auto geeft niet het meeste vermogen en koppel af bij het hoogst mogelijke toerental van de motor. Bij een laag toerental zijn vermogen en koppel ook niet maximaal.

Ergens tussen die twee uitersten levert een verbrandingsmotor het maximale vermogen en koppel. Wil je als berijder het beste uit je auto halen dan zal je rond dit optimale toerentalpunt moeten rijden. Dat is dan het punt van maximaal vermogen (of koppel). In de grafiek hiernaast is het maximum koppel reeds bereikt bij ongeveer 4300 toeren per minuut, daarna stort het snel in elkaar. Het vermogen van deze motor heeft een maximum bij zo'n 5700 toeren per minuut. Het is dus maar wat je wil, maximaal koppel of maximaal vermogen, iedere bij een ander toerental, of wil je van ieder wat en ga je met het toerental tussen deze twee pieken zitten? Maar één ding is zeker, bij deze motor is het niet slim om een hoger toerental dan 5700 te gebruiken, terwijl hij dat wel kan.

Bij zonnepanelen is het niet anders. Wanneer de omvormer het zonnepaneel zwaar of juist licht belast haalt deze niet het maximale vermogen uit het paneel. De omvormer die aangesloten is op het zonnepaneel moet het zonnepaneel zodanig belasten dat hij het maximale vermogen uit het paneel haalt.

De elektronica in de omvormer is in staat om zelf te bepalen hoeveel stroom er vloeit van het zonnepaneel naar de omvormer. Daarmee beïnvloedt de omvormer de uitgangsspanning van het zonnepaneel (zie doorgetrokken lijnen in de grafiek). De omvormer bepaalt dus zelf hoe zwaar hij het zonnepaneel belast, vergelijkbaar met het variëren van het toerental bij de verbrandingsmotor.

Wanneer de omvormer het zonnepaneel de maximaal haalbare stroom laat leveren (stroom staat afgezet op y-as) is de uitgangsspanning van het zonnepaneel gedaald tot 0 Volt. Dat is het meest linkerpunt van de bovenste doorgetrokken lijn, dus bij de waarde 0 op de x-as. Vermogen is spanning maal stroom, dus het vermogen is dan 0 Volt x 8,3 Ampère = 0 Watt. Daar heb je dus niets aan.

Het andere uiterste is als de omvormer het zonnepaneel de maximale spanning laten leveren. We zitten dan aan de rechterkant van de grafiek, helemaal onderin. De stroom is dan 0 Ampère maar de spanning is dan maximaal, hier zo'n 37 Volt. Ook dan is het vermogen wat geleverd wordt door het paneel 37 Volt x 0 Ampère = 0 Watt. Dat is ook niet slim. Ergens tussen deze twee uitersten zit een punt waarbij het zonnepaneel het meeste vermogen zal overdragen aan de omvormer.

Dit punt van maximale vermogensafgifte (Maximum Power Point) is niet een vast punt. Dit punt varieert met de instraling, de temperatuur en eventuele gedeeltelijke schaduw op het zonnepaneel. Daarom moet constant het beste punt gezocht worden. Vandaar het woord "tracker" in de term Maximum Power Point Tracker.

In de grafiek laten de onderbroken drie lijnen een vermogenscurve zien bij drie verschillende instralingsniveaus (op de rechter y-as staat het bijbehorende vermogen in Watt). Bij de onderste onderbroken lijn (laag instralingsniveau) wordt het maximum behaald bij een spanning van ongeveer 27 Volt en 4,6 Ampère (zoek eerst de top bij de onderbroken lijn en ga dan loodrecht naar beneden en zoek het corresponderende punt op de doorgetrokken lijn waar je de spanning en stroom kan afleiden). Het vermogen is dan maximaal en ligt op zo'n 126 Watt. Bij de bovenste onderbroken lijn (volle zon) ligt dit punt bij zo'n 29,5 Volt en 7,6 Ampère. Het zonnepaneel geeft dan een vermogen af van ongeveer 225 Watt.

De conclusie die je hier uit kan trekken is dat wanneer de zon niet zo sterk schijnt de omvormer bij een zonnepaneel­spanning van 27 Volt het maximale uit het paneel haalt. Maar bij volle zon is die spanning 29,5 Volt. De MPPT zal steeds, bij verschillende instralingsniveaus, de stroom, dus ook de spanning, zodanig aanpassen dat dit maximale vermogenspunt in de grafiek opgezocht wordt.

De grafiek laat deze verschillen zien bij een zonnecel temperatuur van 25 graden Celsius. Bij lagere en hogere temperaturen veranderen de curves van deze grafiek. Dan zal het punt van maximale vermogensafgifte dus ook verschuiven. De MPPT zal constant, bij al deze variabelen het beste punt proberen op te zoeken en zo het meeste vermogen te halen uit de zonnepanelen.

Schaduw

Wanneer een zonnepaneel al een heel klein beetje in de schaduw ligt, al wordt maar één van de 60 of 72 cellen gedeeltelijk beschaduwd, zal de vermogensgrafiek zoals deze hierboven is afgebeeld anders van vorm worden. De stroom die de gedeeltelijk beschaduwde cel kan leveren duikt in elkaar. Omdat de zonnecellen in serie staan in één paneel beïnvloed deze de prestaties van het gehele paneel. Feitelijk is de zaak nog complexer omdat de moderne zonnepanelen gebruik maken van by-pass diodes en technisch gezien het zonnepaneel bestaat uit (bijvoorbeeld) drie kleine zonnepanelen waarbij de vermogenscurve van het beschaduwde deel anders is dan de niet beschaduwde delen.

Bij gedeeltelijke schaduw, denk aan schaduw van een schoorsteen, dakkapel, vogelpoep, gevallen blad, of nog erger bewegende schaduw van takken van een boom, zal het MPPT mechanisme het beste uit je zonnepaneel proberen te halen.

Gedeeltelijke schaduw bij zonnepaneel strings

De grafiek laat de curves zien van één zonnepaneel bij verschillende instralingsniveaus. Wanneer je een aantal panelen in serie hebt geschakeld tot een string (wat zeer gebruikelijk is) en één of meerdere panelen gedeeltelijk in de schaduw liggen worden deze curves zeer complex. In zo'n geval zal menig MPPT in de war raken en mogelijk het verkeerde, lagere vermogenspunt opzoeken. In de grafiek, zie je dat bij verschillende spanningen van het zonnepaneel verschillende vermogensmaxima zich voordoen.

Menig omvormer zal kiezen voor het P1 punt en het vermogen is dan een heel stuk lager dan bij punt P2. Dit komt doordat de omvormer – zodra punt P1 wordt bereikt - de zonnepanelen zwaarder gaat belasten (naar rechts in de grafiek gaat) waardoor het vermogen daalt. De MPPT zal dan denken dat hij voorbij het maximale vermogenspunt is en zal snel terugkeren naar punt P1 en er nooit achter komen dat bij nog zwaardere belasting van de zonnepanelen een veel beter punt P2 bereikt kan worden.

MPPT scanning - OptiTrac Global Peak

Bij de meeste zonnepaneelinstallaties staan de zonnepanelen in serie, ook wel string genoemd. Als je bij zo'n installatie last hebt van gedeeltelijke schaduw op één of meerdere zonnepanelen, zal het MPPT mechanisme mogelijk niet het maximale vermogen uit het zonnepaneel halen. In zo'n situatie is een omvormer die een MPPT scan kan maken een verstandige keuze. Op regelmatige tijdstippen, bijvoorbeeld om de 15 minuten, zal de omvormer de stroom variëren van maximaal naar nul en dan meten wat voor vermogen dit oplevert. Feitelijk zal de omvormer de vermogenscurve in de grafiek van het begin tot het einde volgen en vaststellen waar de maximale vermogenspunten zitten en dan het beste vermogenspunt daar uit kiezen.

Dit scannen kost een paar seconde en op dat moment zal de vermogensafgifte niet optimaal zijn. Hierdoor daalt heel even de opbrengst van je panelen. Die tijdelijke daling in opbrengst wordt ruimschoots gecompenseerd doordat je met deze MPPT scantechniek altijd het maximale vermogen uit je zonnepanelen haalt.

Heb je echter zonnepanelen die nooit of voor het allergrootste gedeelte van de dag in de zon liggen dan zal het vermogensverlies tijdens het scannen niet in je voordeel werken. In dat geval is het verstandig om deze MPPT scantechniek uit te zetten of laten.

Realiseer dat niet alle stringomvormers een MPPT scan hebben. Als ze het hebben moet je kijken of je deze MPPT scan kan aan- en uitzetten. Bij SMA omvormers wordt deze MPPT scantechniek "OptiTrac Global Peak" genoemd en is dit aan en uit te zetten. Andere fabrikanten hebben er andere mooie namen voor verzonnen en soms staat dit standaard aan (wat dus niet altijd wijs is).

Staat bij de beschrijving van de omvormer niets vermeld over deze MPPT scantechniek dan is vrijwel zeker dat de omvormer deze scantechniek niet bezit en bij zonnepaneelinstallaties die last hebben van (een beetje) schaduw veel minder energie zullen opleveren.