Uvod
U opisu rješenja primjene litijevih baterija na brodici pri praktičnoj realizaciji brodice dotaknuli smo se pitanja kako spojiti dva jednaka fotonaponska modula na jedan MPPT regulator punjenja. Naime, ako su oba modula jednaka i jednako osunčana, odgovor je jasan: kako god ih spojili dobiva se ista snaga. Ne može se ništa snage niti dobiti niti izgubiti promjenom spoja. No što se događa ako su dva jednaka modula nejednako osunčana što je na brodici jako vjerojatno? Koji spoj modula izabrati u tom slučaju: serijski ili paralelni?
Intuitivno najbolje rješenje je spojiti svaki modul na svoj MPPT regulator i potom svaki MPPT regulator na bateriju, dakle za dva jednaka modula potrebna su i dva jednaka MPPT regulatora. Ovo rješenje je najbolje jer bilo kakva sjena na jednom modulu utjecat će samo na taj modul i MPPT regulator i neće biti međudjelovanja na drugi modul i na drugi MPPT regulator. Iako je to i najbolje rješenje jer je na brodici sjena zaista nepredvidiva, ipak nisu svi investitori spremni platiti dva MPPT regulatora punjenja!
Zbog toga se i dolazi do pitanja izbora spoja dva jednaka modula na jedan MPPT regulator, ali za slučaj nejednakog osunčanja modula, slika 1. Koji spoj modula u tom slučaju izabrati, serijski ili paralelni? Pokušat će se odgovoriti na ovo pitanje preko fizikalne slike i karakteristika djelovanja modula grafički i opisno, a bez formula! Na svu sreću fotonaponski modul je dovoljno poznavati na razini njegovih karakteristika, tj kako se on ponaša u strujnom krugu, a ne i što se u njemu stvarno događa. Tako se može izbjeći priča o poluvodičima, P-N prijelazu, atomima, elektronima i šupljinama, a pri tome shvatiti što se događa u jednom ili u drugom spoju pri nejednakom osunčanju.
O diodi
Promotrimo najprije djelovanje diode. To je poluvodički ventil s dva energetska izvoda. Dioda se može nalaziti u stanju vođenja ili u stanju zapiranja.
Stanje vođenja. Idealna dioda u stanju vođenja predstavlja kratki spoj, a u stanju zapiranja predstavlja prekid strujnog kruga. Stvarna dioda pak počinje voditi struju u propusnom smjeru tek kada napon na diodi prijeđe prag vođenja. Prag vođenja je iznos za koliko mora biti anoda pozitivnija u odnosu na katodu da bi struja tekla kroz diodu od anode prema katodi. Prag vođenja možemo u pojednostavnjenoj slici s klasičnom sklopkom predstaviti da je to napon koji mora „pročistiti“ kontakte da bi struja stvarno i protekla. Ako su kontakti klasične sklopke masni, zaprljani onda mali naponi ne mogu provesti struju, no čim se napon poveća kontakti se „pročiste“ i sklopka provede. Sam simbol diode podsjeća na strelicu i upravo samo u tom smjeru može teći struja.
Stanje zapiranja. Ako je napon na anodi negativan u odnosu na katodu onda dioda dolazi u stanje zapiranja. U tom području struja gotovo ne teče, no u stvarnoj diodi ona postoji, zanemarivo je male razine i naziva se reverzna struja ili struja zapiranja. Ako se napon na anodi sada povećava tako da je sve više negativan u odnosu na katodu doći će do naponske razine koja se naziva prag proboja. Prag proboja je onaj napon pri kojem dioda više ne može izdržati zapiranje već probija, provede struju u zapornom smjeru i u pravilu se uništava. Potpuno pojednostavnjeno, u analognoj slici s običnom sklopkom, to bi mogao biti onaj prag napona kada kontakti iako razmaknuti više ne mogu izdržati da ne dođe do električnog luka među njima. Naravno da tako sklopka više nije u isklopljenom stanju, već je zaiskrila, provodi struju i općenito je neispravna. Na slici 2. prikazan je simbol diode, idealna i stvarna strujno-naponska karakteristika. Ovdje se zadovoljava predstavljanjem samo „statičke“ propusne i zaporne karakteristike poluvodičkog ventila diode, ne upuštajući se u fizikalne prelazne pojave trenutaka sklapanja i isklapanja strujnog kruga.
Od diode do fotonaponskog modula
Što se događa ako diodu kao poluvodički ventil izvedemo tako da na nju može dolaziti svjetlost? Dobiva se fotonaponska ćelija. Kada svjetlo obasja diodu, energija fotona stvara slobodne nositelje naboja. To se može predstaviti strujnim izvorom paralelno spojenim s diodom. Strujni izvor predstavlja ustaljenu struju stvorenu energijom fotona (fotoelektrična struja), koja zavisi od razine osunčanja. Što je osunčanje veće, veća je i fotoelektrična struja. Može se i ovako reći: pod djelovanjem svjetla, karakteristika diode klizi prema dolje, dakle u smjeru reverzne struje i to upravo za iznos fotoelektrične struje stvorene svjetlom, slika 3 – lijevo. Poznavajući karakteristiku diode, a to je fotonaponska ćelija u mraku, sada tako spoznajemo i vanjsku karakteristiku fotonaponske ćelije pri nekom ustaljenom osunčanju. U tehničkoj literaturi koristi se samo jedan kvadrant karakteristike fotonaponske ćelije, pri čemu strujna os, zbog estetike prikaza, ali i logike trošilo/generator, mijenja još i predznak. Pozitivna struja je ona koja izlazi iz fotonaponske ćelije jer je obasjana fotonaponska ćelija u stvari izvor struje – generator struje, slika 3 desno- crvena linija. Na slici 3. se na strujno-naponskoj karakteristici fotonaponske ćelije uočavaju dvije karakteristične vrijednosti: napon praznog hoda kao napon pri otvorenim stezaljkama fotonaponske ćelije (UOC) i struja kratkog spoja kao struja uz kratko spojene stezaljke fotonaponske ćelije (ISC). Sve među-točke naponsko strujne karakteristike fotonaponske ćelije mogu se dobiti terećenjem osunčane fotonaponske ćelije i snimanjem iznosa napona i struje. U našem pojednostavnjenom pristupu zamišljamo cijeli niz fotonaoponskih ćelija spojenih u seriju koji čini fotonaponski modul. Pa se govori o strujno naponskoj karakteristici fotonaponskog modula. Vrlo često uz strujno naponsku karakteristiku crta se i karakteristika snage u zavisnosti od ulaznog napona tako da se pomnoži struja i napon strujno-naponske karakteristike i točke snage se ucrtaju u zavisnosti od napona. Karakteristika snage počinje s nulom snage pri kratko spojenim stezaljkama i opet završava s nulom snage pri otvorenim stezaljkama. U jednoj točki postiže se maksimum snage, slika 3 desno – zelena karakteristika. Točka gdje karakteristika snage doseže maksimum se naziva točkom maksimalne snage (engl. maximal power point) i upravo tu radnu točku nastoji pronaći MPPT regulator punjenja baterije kako bi što više snage, tj. energije predao bateriji.
Serijski spoj
Slika 4. prikazuje dva jednaka serijski spojena modula koji su pri tome jednako osunčani. Crtkanom crvenom linijom označena je strujno-naponska karakteristika jednog modula. Kroz oba modula prolazi ista struja. Zbog lakšeg praćenja karakteristika ucrtane su četiri struje:I1,I2,I3, I4. Kako se radi o serijskom spoju tako se naponi pri istoj struji zbrajaju i tako se dobiva ukupna strujno-naponska karakteristika serijski spojenih modula – puna crvena linija na slici 4. Iz te se pak krivulje može nacrtati i krivulja snage serijski spojenih modula – zelena krivulja na slici 4.
Što se pak događa ako jedan modul nije cijeli osunčan prikazuje slika 5. Na gornjem dijelu slike je za uočiti dvije krivulje, jedna za osunčani modul, druga za modul sa smanjenim osunčanjem. Također ucrtane su i karakteristične točke pojedinih krivulja pri izabrane 4 karakteristične struje. Na slici 5. u donjem dijelu slike punom crvenom linijom prikazana je strujno-naponska karakteristika koja se dobije zbrajanjem napona pri karakterističnim strujama svakog modula. Uočava se da je uz struju primjerice struje I3 i I4 napon osjenjenog modula negativan, što znači da pri tim strujama modul više ne „predaje“ već „prima“ snagu.
Ako se iz strujno-naponske karakteristike serijski spojena dva jednaka fotonaponska modula pri nejednakom osunčanju uslijed zasjenjenja jednog modula prema slici 5. izračuna i ucrta krivulja snage dobiva se slika 6.
Paralelni spoj
Promijeni li se spoj dva jednaka modula i to pri jednakom osunčanju u paralelni spoj, dobiva se slika 7. U tom spoju oba modula imaju isti napon, a struje im se zbrajaju. Tako su na slici 7. zbog lakšeg praćenja ucrtana 3 karakteristična napona za koje su ucrtane točke struje na strujno-naponskoj karakteristici jednog modula (crtkana crvena krivulja) i na ukupnoj strujno-naponskoj karakteristici paralelno spojenih modula (puna crvena linija). I na ovoj slici ucrtana je karakteristika snage oba spojena modula (zelena puna krivulja).
Što se događa ako jedan od paralelno spojenih modula dođe u sjenu prikazuje slika 8. Lijeva strana prikazuje strujno-naponske karakteristike pojedinih modula. Desna pak strana prikazuje kako se dolazi do rezultirajuće strujno-naponske karakteristike paralelno spojenih, različito osunčanih modula. Za karakteristične napone zbrajaju se struje pojedinih modula (puna crvena linija na slici 8. desno je ukupna struja paralelno spojenih modula).
Kao i za serijski spoj nejednako osunčanih modula moguće je sada i u sliku 8. koja vrijedi za paralelni spoj nejednako osunčanih modula dodatno ucrtati krivulju snage, slika 9. Kako se u ovom slučaju struje pri zajedničkom naponu zbrajaju, to se i snage zbrajaju. Može se jasno uočiti da je karakteristika snage paralelno spojenih fotonaponskih modula zbroj karakteristika snaga pojedinih modula.
Usporedba spojeva
Sada se ovo promišljanje može konačno zaključiti slikom 9. Na njoj su ucrtane sve četiri karakteristike snage: za dva tipa spoja (serijski i paralelni) i to za jednako osunčane module i slučaj da je jedan modul potpuno osunčan. a drugi ponešto zasjenjen. Zasjenjenje jednog modula je jednako za oba spoja, tj. i za serijski i za paralelni spoj. Na slici se vidi da je maksimalna snaga uz jednako osunčanje nezavisna o spoju modula. To smo uvodno i tvrdili. No ako je jedan modul zasjenjen, a drugi modul potpuno osunčan, tada je povoljniji paralelni spoj od serijskog spoja modula. Pri paralelnom spoju svaki modul uspije predati svu svoju snagu koju može razviti zavisno o osunčanju. Pri serijskom spoju ako struja preraste struju zasjenjenog modula, zasjenjeni modul prestaje proizvoditi snagu i počinje se ponašati kao trošilo! Serijski spoj dva jednaka modula stoga nije dobro rješenje.
Ovaj grafički način zaključivanja može se dalje primijeniti i za paralelni ili serijski spoj dva nejednaka modula uz jednako ili možda i nejednako osunčanje, prema slici 11. No to ipak nećemo ovdje sve rascrtati. To prepuštamo vama dragi čitatelji, načelo razmišljanja je objašnjeno.
Zaključak
U ovom nastavku pokazano je kako grafički odrediti rezultirajuću snagu dva jednaka modula u slučaju da je jedan modul zasjenjen i da su moduli jednom slučaju spojeni u seriju, drugi puta u paralelu. Objašnjeno je zašto se preporučuje module spojiti u paralelu! Naravno ostaje uvijek činjenica da je najbolje svaki modul staviti na svoj MPPT regulator. Tada sigurno iz svakog modula izvlačimo najvišu moguću snagu, ali imamo i zalihost rješenja ako se jedan MPPT regulator pokvari!