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PWModerMPPT

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                                                                                          Wels, am 2017-02-08

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PWM = Pulsweitenmodulation
https://de.wikipedia.org/wiki/Pulsweitenmodulation


MPPT = Maximum Power Point Tracking,
MPP-Tracking oder MPPT (auf deutsch etwa „Maximal-Leistungspunkt-Suche“)
https://de.wikipedia.org/wiki/Maximum_Power_Point_Tracking



12V Solarladeregler im Vergleich (MPPT / PWM)


1) Was macht ein Solarregler
2) IUoU Ladekennlinie, was ist das?
3) Warum nicht das Solarmodul direkt an die Batterie?
4) Unterschied PWM zu MPPT Solarladeregler
5) PWM Solarregler:
6) Berechnung elektrischer Leistung:
7) MPPT Solar Regler
8) Hier ein kurzes Beispiel:
9) Vergleich MPPT zu PWM Laderegler in der Praxis
10) MPPT zu PWM Solarladeregler – Versuchsaufbau
10.1) Versuch 1: Steca PR1010 PWM Solarladeregler
10.2) Versuch 2: Victron Solar Laderegler MPPT
11) Victron MPPT Laderegler
12) Alternative Hersteller für Solar Laderegler 12V
13) Steca Solar Laderegler PWM
Fazit

In diesem Vergleich von Solarladeregler möchte ich die Unterschiede von MPPT und PWM anhand einem praktischen Beispiel und etwas Theorie näher erklären.

Wie funktionieren MPPT Solar Laderegler und lohnt sich die Umrüstung überhaupt?

1) Was macht ein Solarregler

Solarregler stellen die Verbindung zwischen dem Solarmodul und einer Batterie her.
Wie der Name Laderegler schon vermuten lässt, regeln Solarregler den Ladestrom zur Batterie.
Eine IUoU Ladekennlinie gehört heutzutage zum Standard und sorgt für schnelle und zugleich schonende Ladung einer Wohnmobil Batterie.


2) IUoU Ladekennlinie, was ist das?

IUoU ist das erweiterte IU Ladeverfahren welchem eine dritte Phase, die Ladeerhaltung, angehängt wurde.

Die IUoU Ladekennlinie setzt sich wie folgt zusammen:
I= Hauptladung mit konstantem Strom
U= Ausgleichsladung (Absorbtionsladung) mit konstanter Spannung über bestimmte Zeit
oU= Erhaltungsladung mit Abgesenkter Spannung

Mit dieser Ladekennlinie können Bleibatterien dauerhaft geladen werden.
Die hier im Vergleich beschriebenen Laderegler haben zusätzlich noch eine Ladezustandserkennung, welche bei Sonnenaufgang die Batteriespannung misst, und dann die Zeit der U Ladephase entsprechend dem vorhergegangenen Ladezustand anpasst.



3) Warum nicht das Solarmodul direkt an die Batterie?

Wie schon oben beschrieben übernimmt ein Laderegler Spannungsüberwachung beim Laden einer 12V Batterie.
Wenn du dein Solarmodul direkt an eine Batterie anschließen würdest, würde diese zwar geladen werden, aber die Ladespannung musst du dann selbst überwachen.
Ist die Ladeendspannung erreicht, musst du dein Modul von der Batterie trennen – wenn die Spannung wieder sinkt musst du es wieder anschließen.
Diese kannst du mehrmals pro Minute wiederholen über den kompletten Absorbtionszeitraum hinweg.
Würde das Modul bei voller Batterie nicht getrennt werden, würde die Batteriespannung immer weiter ansteigen.
Früher oder später würde das die Batterie zerstören.
Solarregler schützen in erster Linie vor Überladung einer Batterie.
MPPT Laderegler nutzen dazu noch die volle Leistung des Solarmoduls und bringen einen höheren Ladestrom als wenn das Modul direkt mit der Batterie verbunden wäre.

4) Unterschied PWM zu MPPT Solarladeregler

Ein Solarmodul liefert eine elektrische Leistung.
Solarmodule bestehen aus mehreren Zellen welche in Reihe geschaltet sind.
Jede einzelne Zelle liefert eine Spannung von 0,5V bis 0,6V
So ergibt sich aus einem 12V Solarmodul mit 36 Zellen eine Arbeitsspannung von 18V bis 21,6V
Solarmodule haben 72 Zellen was zu einer Arbeitsspannung (Umpp) von 36V bis 43,2 Volt führt.

5) PWM Solarregler:

Ein PWM Regler verbindet ein Solarmodul mit einer Batterie, der Strom fließt dann durch den Regler zur Batterie.
Die Modulspannung bricht dabei fast auf die Batteriespannung ein.
Im Grunde passiert nichts anderes als im obigen Beispiel, wenn wir ein Solarmodul direkt mit einer 12V Batterie verbinden.
Wenn die Batterie aber voll wird (die Absorbtionsspannung erreicht wird), beginnt der Solarregler mit seiner Arbeit.
Er trennt Modul und Batterie voneinander und wenn die Batteriespannung ein paar Millivolt gesunken ist, wird das Solarmodul wieder zugeschaltet.
Dieser Vorgang findet mehrere male pro Sekunde statt.

Diese Regelart wird Pulsweitenmodulation (PWM) genannt.

Solarmodule liefern je nach Sonneneinstrahlung einen bestimmten Strom.
Dieser Strom ist unabhängig von der Modul-Spannung.


Folglich fließt bei 18V oder 13V der gleiche Strom.
Das Modul liefert aber eine Leistung (in Watt gemessen).
Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom.

Wer in Physik damals etwas aufgepasst hat weiß, dass sie elektrische Leistung einfach durch Multiplikation von Spannung und Strom errechnen lässt.
Demzufolge ist die Leistung bei 18V höher als bei 13V, wenn der gleiche Strom zu Grunde gelegt wird.



6) Berechnung elektrischer Leistung:

Watt (W)=Volt (V) x Ampere (A)

A = W : V
V = W : A
W = V x A



Kannst du dir schon denken worauf ich hinaus möchte? Jetzt kommt nämlich der MPPT Regler zum Einsatz.

7) MPPT Solar Regler

MPPT = Multi Power Point Tracking – auf Deutsch etwas so viel Mehrpunktverfolgung.
Ein MPPT Regler scannt die Leistungskurve des Solarmoduls und findet so den höchsten Leistungspunkt.
In der Regel liefert ein Modul die Höchstleistung bei einer Spannung von 16 bis 18V.
Die Leistung des Moduls wird nun auf die Batteriespannung umgeformt, wie bei einem Spannungswandler der aus 12V 230V macht oder aus 24V 12V erzeugt.
Diese Art ist so effektiv, dass trotz der Verluste im Regler durch die Spannungsumformung noch deutlich mehr Leistung in die Batterie wandert, als mit einem PWM Regler.


8) Hier ein kurzes Beispiel:

  • 100Wp bringen z.B. in der Sonne theoretisch ~ 18V und 5,55 A (entspricht ~ 100W)
  • Mit einem PWM Laderegler könnte man eine 13,5V Batterie mit 5A Ladestrom laden. Was einer Leistung von 67,5W (bei genau 13,5V) entspricht.
  • Mit einem MPPT Regler werden die 5A und 18V auf Batteriespannung umgewandelt und bei 13,5V fließen dann 6,66A (90W)
So die Theorie.
Solar Laderegler haben allerdings auch einen Eigenverbrauch und es kommt daher immer etwas weniger raus, als reingesteckt wird. (Wirkungsgrad eben nur 90%)
Aber selbst wenn unterm Strich nur 6 A fließen, sind das 20% Mehrleistung gegenüber einem PWM Laderegler!

9) Vergleich MPPT zu PWM Laderegler in der Praxis

Bringt ein MPPT Solao Laderregler wirklich etwas?
Ich habe es für euch einmal ausprobiert, was an dem Mythos MPPT dran ist.
Ein einfacher Versuchsaufbau mit einer Batterie, Solarregler und einem Messgerät bringt den Unterschied zu Tage.

10) MPPT zu PWM Solarladeregler – Versuchsaufbau

Im Vergleich kommen zwei Highend Solarladeregler der Firmen Steca PR1010 und Victron Energy  Blue Power MPPT 75/15 zum Einsatz.
Den Solarstrom liefert ein 36 Zellen 55Wp BP Solarmodul.
Als Batterie nehme ich einen 12,8V Lithium LiFePo4 Akku, welcher von mir mit einem Batteriecomputer ausgestattet ist.
Mit dem Batteriecomputer lässt sich der effektive Ladestrom und die Ladeleistung einfach anzeigen.
Es scheint die Sonne, keine Wolke ist am Himmel zu sehen, somit ideale Voraussetzungen für einen Vergleich unter realen Bedingungen.
Die Batteriespannung ist beim ersten Versuch mit dem Steca Laderegler etwas niedriger, weshalb ich zusätzlich noch die Ladeleistung in Watt angeben werde, damit sich die beiden Versuche besser vergleichen lassen.


10.1) Versuch 1:

Steca Laderegler (PWM)  -   PR1010 PWM Solarladeregler

Folgende Daten wurden ermittelt:

  • Batteriespannung   13,21 V
  • Solar Ladestrom       2,80 A
  • Solar Ladeleistung  37,00 Watt


10.2) Versuch 2:

Victron Laderegler (MPPT)  -  Victron Solar Laderegler MPPT

Folgende Daten wurden gemessen:

  • Batteriespannung   13,50 V
  • Solar Ladestrom       3,26 A
  • Solar Ladeleistung  44,00 Watt

20% Mehrleistung beim MPPT Laderegler – ermittelt unter realen Bedingungen in der Sonne und nicht im Labor!
Je leerer die Batterie ist, umso effektiver wird der MPPT Laderegler.
Oder anders ausgedrückt, je weiter Batteriespannung und Modul MPP Spannung auseinander liegen, desto sinnvoller ist der MPPT Regler.
Ein MPPT Regler arbeitet mit der MPP Spannung vom Solarmodul.
Diese Spannung wird auch immer auf dem Typenschild meist als Umpp zur Leerlaufspannung angegeben.
Bei den 12V Modulen liegt diese Spannung meist bei ca. 18V, das ergibt sich aus 36 Solarzellen, die auf einem Modul verteilt sind und je 0,5V Spannung abliefern.



Solarladeregler VergleichPWM LadereglerMPPT Laderegler
Hersteller Steca PR1010 Victron Energy MPPT 75/15
Batteriespannung 13,21 Volt 13,5V Volt
Modulspannung 13,21 Volt 15,71 Volt
Solar Ladestrom 2,80 A 3,26 A
Solar Ladeleistung 37 Watt 44 Watt


Im normalen Ladebetrieb wird ein MPPT Regler durchschnittlich 20% Mehrleistung erzielen können.
Im schlechtesten Fall, wenn die Platten sehr heiß sind und die Batterie schon recht voll ist, wird der Zugewinn durch MPPT Technik nicht mehr ganz so groß sein.
An kalten Tagen, mit leeren Batterien, kann ein Zugewinn durch MPPT aber durchaus 30% Mehrleistung zu PWM Regelung überschreiten.
Dank MPPT Technik lassen sich an einem 12V Batteriesystem auch 24V Solarmodule mit 72 Zellen mit voller Leistung betreiben.
Diese Module aus der Haustechnik sind meist günstiger und ideal beim Bau großer Solaranlagen auf dem Wohnmobil.
Ich habe zum Beispiel drei 190Wp Module auf dem Wohnmobil.
Sie liefern eine MPP Spannung von 36V, welche vom Victron MPPT Regler erst an der Batterie auf die 12V Batteriespannung herabgesetzt wird.
Wegen der hohen Spannung ist der Strom in den Solar-Kabeln gering.
Ich kann dünnere Kabel verlegen und habe trotzdem keine so hohen Verluste.



11) Victron MPPT Laderegler

Der Victron MPPT 75/15 ist zwar ein sehr schlichter Regler, glänzt aber mit inneren Werten.
Ein Display sucht man vergebens, dafür hat er eine sehr effektiv arbeitende Elektronik, mit einem sehr hohen Wirkungsgrad.

Der unschlagbare Preis von unter 100 Euro, machen ihn zum perfekten Solarregler für Solaranlagen bis 250Wp (flach auf dem Dach liegend).
Via Bluetooth Dongle lassen sich alle Daten vom Laderegler komfortabel übers Smartphone oder Tablet auslesen.

Alle Victron MPPT Regler lassen sich auch mit dem Bluetooth Dongle an jeden Batterietyp anpassen.
Alternativ gibt es auch ein USB Datenkabel, womit der Regler mit dem PC verbunden werden kann.
PC Software und Handy App sind identisch aufgebaut.

Wer beides nicht braucht, kann auch eine Fernanzeige (MPPT Control) im Design des Batteriecomputers BMV am Victron Laderegler anschließen.
Trotz der vielen Anzeigemöglichkeiten muss beachtet werden, dass immer nur eine Option gleichzeitig verwendet werden kann.
Also entweder MPPT Control Anzeige oder Bluetooth Dongle (oder USB Datenkabel).

Eine Lademöglichkeit der Starterbatterie bieten Victron Regler zwar nicht, ein Standby Charger lässt sich aber einfach in jedem Fahrzeug für unter 30 Euro nachrüsten.
Daher würde ich dies nicht als Nachteil werten.
Alle Laderegler von Victron gehen für 12V und 24V, die größeren Modelle sogar bis 48V Batteriespannung.

12) Alternative Hersteller für Solar Laderegler 12V

Votronic MPPT Solar Laderegler haben bis auf den MPP 165 Duo Dig alle einen Lüfter eingebaut.
Bewegliche Teile gehen mit der Zeit kaputt, das gefällt mir weniger gut.
Des Weiteren lassen sie sich nicht frei programmieren, sondern man muss voreingestellte Ladeprogramme auswählen.
Was jedoch nett ist und darum biete ich die Regler auch an: sie haben einen Ladeausgang mit 2A für die Starterbatterie.
Votronic Regler arbeiten gleich effektiv wie die Victron Laderegler.

13) Steca Solar Laderegler PWM

Steca baut tolle Laderegler mit Anzeige.
Die PR Serie  PR1010  PR2020  PR2525  PR3030  verfügt über eine nette LCD Anzeige und gibt Auskunft über Batteriespannung, Tagesertrag und Ladestrom.
Aber nur deswegen auf 20% Mehrleistung eines MPPT Reglers verzichten lohnt sich nicht.

MPPT Regler von Steca sind für Bleibatterien nicht schlecht, lassen sich aber für spezielle Anforderungen nicht ausreichend konfigurieren und haben keine grafische Anzeige.

14) Fazit

Kurz und knapp gesagt, dieser Praxistest hat die Theorie mehr als bestätigt.
Ich beziehe mich allein auf die Vergleichsergebnisse, in manch anderen Situationen habe ich mit MPPT Reglern schon Mehrleistungen von 30% gemessen, besonders wenn die Batteriespannung sehr niedrig ist oder es besonders kalt und windig ist.
MPPT Regler sind inzwischen auch deutlich günstiger geworden und der Kauf eines konventionellen Solarregler lohnt nicht wirklich.
Warum teuer erkaufte Solarleistung durch veraltete Solarregler Technik verschenken?

Mein Favoriten sind Victron Solar Laderegler.
Victron Geräte sind passiv gekühlt und die schöne Bluetooth Anzeige findet man sonst nirgends.



Quelle:
https://www.amumot.de/solar-laderegler-12v-mppt/




                 Laderegler in Inselanlagen

Die Lebensdauer von Solarakkumulatoren, die in photovoltaischen Insel-Anlagen eine zentrale Rolle spielen,
hängt unter anderem vom Ladeverfahren sowie von einem sicheren Schutz vor Überladung und Tiefentladung ab.


1) Shuntregler für Modulleistungen bis 240 Wp
2) SOC-geführter Hybrid-Shunt-Regler. z.B. steca PR1010 PR1515 PR2020 PR2525 PR3030
3) Solarladeregler mit Maximum-Power-Tracking (MPT). ( oder MPPT )



Schaltschema eines Seriereglers mit Tiefentladeschutz

   2.1 Serieregler
Wie das Schaltschema für eine photovoltaische Inselanlage mit einem Serieregler zeigt, trennt ein Leistungstransistor den Solargenerator vom Akkumulator.
Er kann linear geregelt werden oder einfach als Schalter dienen.
Man spricht deshalb von einem linearen beziehungsweise einem schaltenden Serieregler.
Beide haben Vor- und Nachteile.
Bei einem linearen Serieregler wird der Leistungstransistor so lange durchgeschaltet und damit der Ladevorgang aufrecht erhalten, bis die eingestellte Ladegrenzspannung erreicht wird und der Akkumulator voll ist.
Dann wird der Leistungstransistor so eingestellt, dass nur noch der zur Aufrechterhaltung der Grenzladespannung erforderliche Ladestrom fließen kann.
Ein Nachteil dieser Regelung ist, dass am teilweise gesperrten Leistungstransistor, bedingt durch den Spannungsabfall, eine nicht unerhebliche Verlustleistung in Form von Wärme entsteht, die durch Kühlmaßnahmen abgeführt werden muss.
Die auch im durchgeschalteten Zustand bei der Sättigungsspannung anfallende Verlustwärme hingegen ist so gering, dass sie die nutzbare Leistung des Solargenerators nur unmerklich reduziert.
Das Problem der großen Verlustwärme lässt sich mit einem schaltenden Serieregler weitgehend vermeiden:
Der Leistungstransistor schaltet zunächst durch mit der Folge, dass der Akkumulator mit maximalem Strom aufgeladen wird.
Ist die Ladegrenzspannung erreicht, regelt der Transistor – jetzt kommt der Unterschied – nicht wie oben beschrieben den
Ladestrom auf das noch erforderliche Minimum herunter, sondern schaltet den Ladevorgang komplett ab, sodass kein Strom mehr fließen und keine Verluste auftreten können.
Der Ladevorgang wird erst dann wieder gestartet, mit vollem Strom, wenn die Akkuspannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
Leider hat aber auch der schaltende Solarladeregler seine Nachteile:
Die steilen Schaltflanken des Transistors könnten elektronische Geräte in der Umgebung stören.
Die Schaltflanken müssen deshalb EMV-gerecht gefiltert und die Gehäuse abgeschirmt werden.




Schaltschema eines Parallelreglers mit Tiefentladeschutz

    2.2 Parallelregler
Bei photovoltaischen Inselanlagen mit einem Parallelregler (Shuntregler) wird der Ausgang des Solargenerators von einem parallel geschalteten Leistungstransistor mehr oder weniger kurzgeschlossen
Dieses Mehr oder Weniger hängt davon ab, wieviel Strom der Akkumulator noch benötigt.
Ein wesentlicher Vorteil des Parallelreglers ist die Tatsache, dass immer die volle Leistung des Solargenerators zur Verfügung steht, solange der Akku noch nicht voll geladen ist.
Ein linearer Parallelregler sperrt den Leistungstransistor solange, bis die eingestellte Ladegrenzspannung erreicht ist und der Akkumulator voll ist.
Ab diesem Zeitpunkt stellt der Regler den Transistor kontinuierlich so ein, dass der vom Akkumulator oder Verbraucher nicht benötigte Solarstrom über ihn abfließen kann.
Dabei entsteht natürlich eine beträchtliche Verlustleistung in Form von Wärme – im ungünstigsten Fall die Gesamtleistung des Solargenerators –, die vom Parallelregler aufgenommen und abgeführt werden muss
Die Erwärmung des Leistungstransistors lässt sich stark reduzieren, wenn man statt des linearen einen schaltenden Parallelregler einsetzt, der – wie ein schaltender Serieregler
auch – als Komparator mit einem bestimmten Hysteresewert oder als Zweipunktregler ausgelegt ist.
Zunächst sperrt dieser Regler den Leistungstransistor mit der gewünschten Folge, dass der maximale Ladestrom fließt; dann, wenn die Ladegrenzspannung erreicht ist, schaltet er ihn durch und überbrückt somit den Generatorausgang.
Am Transistor fällt jetzt nur noch die Sättigungsspannung ab, die Verlustleistung bleibt klein.
Erst wenn eine etwas unter der Ladegrenzspannung liegende Ausschaltschwelle unterschritten wird, schaltet der Leistungstransistor wieder um.



Prinzipschaltbild eines Solarladereglers mit Maximum-Power-Tracker (MPT)



2.3 MPT-Solarladeregler
Mit Serie- und Parallelreglern lässt sich das solare Energieangebot nicht immer optimal ausnutzen, da die von ihnen geregelte Akkuspannung den Arbeitspunkt der Module auf der Modulkennlinie (I / U-Kennlinie) bestimmt und dieser Punkt selten mit dem gewünschten MPP (Maximum Power Point) übereinstimmt.
Zur Verdeutlichung: 12-V-Module haben einen Maximum Power Point, der bei direkter Sonneneinstrahlung und 25 °C Umgebungstemperatur (hat einen großen Einfluss auf den MPP) zwischen 16,5 und 17 V liegt.
Die Spannung eines Solarakkumulators beträgt je nach Ladezustand 11,8 bis 14,4 V.
Das bedeutet, dass die Betriebsspannung des Moduls etwa 25 % unterhalb des MPP-Werts liegt.
Die daraus resultierenden Leistungsverluste können durch den Einsatz eines Reglers mit sogenanntem Maximum-Power-Tracker (MPT) weitgehend vermieden werden.
Die wichtigste Komponente eines MPT-Solarladereglers ist der geregelte DC/DC-Wandler

Dessen Ansteuerung übernimmt der Maximum-Power-Tracker (MPT), der in einem Abstand von etwa 5 Minuten die Strom-Spannungs-Kennlinie des Solargenerators überprüft, die MPP-Leistung bestimmt und dann den
DC/DC-Wandler so einstellt, dass die Leistungsentnahme an die Ladespannung des Akkumulators angepasst wird.
Bei kleineren Leistungen sind die Umwandlungsverluste des Wandlers meist höher als der Gewinn durch die Regelung.
Es ist deshalb vor der Planung genau zu untersuchen, ob sich die Kosten für einenMPT-Solarladeregler wirklich lohnen





2.4 Tiefentladeschutz und Rückstromdiode
Tiefentladungen können die Lebensdauer eines Akkumulators stark einschränken.
Deshalb sollte immer ein entsprechender Tiefentladeschutz vorgesehen werden.
Dessen Aufgabe ist es, vor dem Unterschreiten der Entladeschlussspannung (etwa 1,75 bis 1,85 V pro Zelle) die angeschlossenen Verbraucher abzuschalten und sie erst dann wieder zuzuschalten, wenn die Akkuspannung wieder ihren normalen Wert erreicht hat. Manchmal genügt dem Akkumulator aber auch eine kurze Erholungspause, um wieder elektrische Energie liefern zu können.
Das ist oft der Fall, wenn die Spannung – beispielsweise durch den Anlaufstrom eines Motors – „kurz in die Knie“ gegangen ist.
Dann ist es recht praktisch, wenn sich kleinere Verbraucher manuell wieder zuschalten lassen. In den marktgängigen Solarladereglern ist ein Tiefentladeschutz in der Regel bereits integriert.
Ein Akkumulator kann sich nicht nur (gewollt) zur Verbraucherseite hin entladen, sondern auch ungewollt über den Solargenerator, der nachts keinen Strom liefern kann und stattdessen als Verbraucher fungiert.
Man installiert deshalb in der Zuleitung eine Rückstrom beziehungsweise eine sogenannte Blocking-Diode, die den Stromfluss vom Akkumulator zur PV-Anlage sperrt, den Strom in entgegengesetzte Richtung jedoch durchlässt.
Auch die Rückstromdiode ist meist im Solarladeregler integriert.



https://www.elektropraktiker.de/pv-2008-03-30-33.pdf?eID=tx_nawsecuredl&falId=14303&hash=0f5d28f1b5c71b5b8a310f49951f5097









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