Wie funktionieren Solarladeregler? Was sind die verschiedenen Typen?

Solarstromanlagen bieten eine umweltfreundliche und kostengünstige Möglichkeit, die Energie der Sonne zu nutzen und in nutzbaren Strom umzuwandeln. Unabhängig davon, ob Sie Solarmodule für Ihr Zuhause oder eine netzunabhängige Installation in Betracht ziehen, spielen Solarladeregler eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Effizienz und Langlebigkeit Ihres Systems. In diesem Artikel untersuchen wir die Funktionsweise von Solarladereglern und die verschiedenen verfügbaren Typen, um Ihnen dabei zu helfen, fundierte Entscheidungen für Ihr Solarprojekt zu treffen.

Wie funktioniert ein Solarladeregler?

Das erste Schema des Solarladereglers, dargestellt in Abbildung 1, veranschaulicht den Anschluss eines Solarladereglers zur Versorgung einer Gleichstromlast (DC). Das zweite Schema, dargestellt in Abbildung 2, bezieht sich auf eine Wechselstromlast (AC).

Abbildung 1: Off-Grid-Diagramm mit DC-Last

Bei der Installation eines Solarladereglers empfiehlt es sich, eine bestimmte Reihenfolge beim An- und Abklemmen einzuhalten:

Schließen Sie zuerst den Akku an den Controller an.
Verbinden Sie den PV-Generator mit dem Controller.
Schließen Sie die elektrische Last an den Controller an.

Beim Trennen sollten Sie diese Reihenfolge umkehren. Die Batterie versorgt den Controller mit Strom. Stellen Sie daher immer sicher, dass die Solarmodule und Lasten abgeklemmt sind, bevor Sie die Batterie an den Controller anschließen oder davon trennen. Um die Sicherheit zu erhöhen und die Installation und den Abbau zu vereinfachen, wird empfohlen, Trennschalter in den Verbindungen zwischen Batterie, Last, PV-Array und dem Controller vorzusehen.

Im Schaltplan mit Gleichstromlast gelangt Sonnenlicht auf die Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrischen Gleichstrom umwandeln. Dieser Strom wird dann an einen Laderegler geliefert. Der Laderegler regelt die Stromstärke und Spannung, die den Verbrauchern zugeführt werden, und überschüssiger Strom wird an das Batteriesystem weitergeleitet, um den Ladezustand ohne Überladung aufrechtzuerhalten. Abends, wenn kein Sonnenlicht scheint, wird Batteriestrom zum Betreiben der Last verwendet.

Möglicherweise stellen Sie fest, dass die Batterie am Minuspol der Batterie geerdet ist. Dies liegt daran, dass alle unsere PWM- und MPPT-Controller eine gemeinsame negative Masse haben. Daher ist es möglich, eine gemeinsame negative Erdung für das gesamte System, einschließlich Solaranlage, Controller, Batterie und Last, einzurichten. Diese Konfiguration entspricht den NEC-Codeanforderungen für die Erdung. Bei Controllern ohne Geräteerdungsklemme können Sie eine Geräteerdung für alle Metallteile direkt am Controllergehäuse anschließen.

Abbildung 2: Off-Grid-Diagramm mit AC-Last

Das nächste Diagramm, wie in Abbildung 2 zu sehen, veranschaulicht die Komponenten und Anschlüsse, die zur Stromversorgung einer Wechselstromlast erforderlich sind. Dieses Schema mit einer Wechselstromlast ähnelt stark dem vorherigen Beispiel einer Gleichstromlast. In diesem Szenario wurde dem System jedoch ein Wechselrichter hinzugefügt. Die Aufgabe des Wechselrichters besteht darin, Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom umzuwandeln, der zum Betrieb von Wechselstromlasten wie dem im Schaltplan gezeigten Fernseher verwendet werden kann.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Wechselrichter direkt über die Batterie angeschlossen und mit Strom versorgt wird und nicht über die Lastklemmen des Controllers, wie im Beispiel mit der Gleichstromlast. Diese Anordnung ist notwendig, da Wechselrichter während des Startvorgangs einen hohen Energiestoß erzeugen können, der die Nennkapazität des Ladereglers überschreiten kann. Batterien hingegen können den hohen Energiestoßbedarf decken.

Ladereglertypen: PWM vs. MPPT

Aus der folgenden Tabelle ist ersichtlich, dass PWM-Controller mit Batteriespannung arbeiten und kleiner sindMPPT-Controllermit neuerer Technologie mit maximaler Netzspannung betrieben werden. Dadurch wird die Array-Spannung bei kälteren Bedingungen zunehmend höher als die Batteriespannung, wodurch die erzeugte Strommenge maximiert wird. Darüber hinaus können MPPT-Regler mit höheren Spannungen und niedrigeren Array-Strömen betrieben werden, was zu weniger parallel geschalteten Strings und kleineren Kabelgrößen führen kann.

Ein PWM-Controller kann nur mit Arrays verwendet werden, die an die Batteriespannung angepasst sind, daher sind die verwendbaren Module begrenzt. Viele 60-Zellen-Module haben eine maximale Leistungsspannung (Vmp) von etwa 30 V, wodurch sie für MPPT-Controller, jedoch nicht für PWM-Controller geeignet sind.

Kurz gesagt: Was ist besser, PWM oder MPPT? Unter sonst gleichen Bedingungen ist MPPT die neuere Technologie, die eine größere Energiemenge gewinnt. Trotz der Vorteile von MPPT ist es nicht immer eine kluge Wahl, einen PWM-Controller zu wählen, insbesondere bei kleineren Systemen oder in warmen Klimazonen, in denen MPPT-Verstärkungen weniger spürbar sind.

Vergleich zwischen PWM- und MPPT-Solarladereglern

PWM-Controller	MPPT-Controller
Die Array-Spannung wird auf die Batteriespannung „heruntergezogen“.	Überschüssige Eingangsspannung in Stromstärke umwandeln
Im Allgemeinen unterhalb von Vmp arbeiten	Bei Vmp betreiben
Geeignet für kleine Modulkonfigurationen	Geeignet für große Modulkonfigurationen mit geringeren Kosten pro Watt
Wird oft für sehr heiße Klimazonen gewählt, die nicht so viel MPPT-Boost liefern	Bietet mehr Boost als PWM, insbesondere an kalten Tagen und/oder wenn die Batteriespannung niedrig ist

PWM-Aufladung

Herkömmliche Solarregler mit PWM-Ladefunktion (Pulsweitenmodulation), indem sie eine direkte Verbindung von der Solaranlage zur Batteriebank herstellen. Während der Hauptladephase, wenn eine ununterbrochene Verbindung vom Array zur Batteriebank besteht, gleicht sich die Ausgangsspannung des Arrays an die Batteriespannung an. Die Batteriespannung unterliegt geringfügigen Anpassungen basierend auf der Stromversorgung des Arrays sowie der Größe und den Eigenschaften der Batterie.

MPPT-Aufladung

Die MPPT-Regler von Morningstar verfügen über die TrakStar-Technologie, die darauf ausgelegt ist, schnell und präzise die Vmp (maximale Leistungsspannung) der Solaranlage zu bestimmen. TrakStar MPPT-Regler verwenden eine Technik, bei der sie den Solareingang „durchsuchen“, um die Spannung zu ermitteln, bei der das Array die maximale Leistung erzeugt. Der Controller erfasst bei dieser Vmp-Spannung Strom aus dem Array und wandelt ihn in die Batteriespannung um, wodurch gleichzeitig der Ladestrom erhöht wird.

Warum sollten Sie sich für PWM anstelle von MPPT entscheiden?

Der Vergleich zwischen PWM und MPPT wirft möglicherweise die Frage auf, warum man sich für a entscheiden solltePWM-Controllerüber einen MPPT-Regler. Mehrere Faktoren können die Vorteile von MPPT-Reglern verringern oder zunichte machen. Zu berücksichtigen sind auch die Kosten, da MPPT-Controller im Allgemeinen teurer sind als ihre PWM-Gegenstücke. Bei der Entscheidung für einen Controller ist es wichtig, die zusätzlichen Kosten von MPPT im Verhältnis zu den folgenden Faktoren abzuschätzen:

Anwendungen mit geringem Stromverbrauch:Bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, insbesondere bei Ladeanwendungen mit geringem Stromverbrauch, kann mit einem PWM-Controller eine ähnliche oder sogar bessere Energieausbeute erzielt werden. PWM-Controller sorgen unabhängig von der Systemgröße für eine relativ konstante Ernteeffizienz. Im Gegensatz dazu kann es bei MPPT-Reglern zu einer verringerten Ernteeffizienz kommen, wenn sie in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt werden. Bei der Auswahl eines Reglers ist es wichtig, die Effizienzkurven zu prüfen, die in den MPPT-Reglerhandbüchern von Morningstar verfügbar sind.

Klimaaspekte:Der größte Vorteil eines MPPT-Reglers wird häufig in kälteren Klimazonen beobachtet, in denen Vmp (Spannung bei maximaler Leistung) höher ist. Umgekehrt sinkt Vmp in heißeren Klimazonen, was die MPPT-Ernte im Vergleich zu PWM verringert. Hohe durchschnittliche Umgebungstemperaturen am Installationsort können die Vorteile von MPPT weniger wirtschaftlich machen.

Volle Batteriebedingungen:Systeme, in denen die Leistungsabgabe der Solaranlage die Leistungsaufnahme der Systemlasten deutlich übersteigt, können dazu führen, dass die Batterien die meiste Zeit voll oder nahezu voll geladen bleiben. In solchen Fällen kann die erhöhte Erntekapazität eines MPPT-Reglers unnötig sein, insbesondere wenn die Autonomie kein kritischer Faktor ist.

Warum MPPT statt PWM wählen?

Die Entscheidung für MPPT-Regler bietet mehrere Vorteile:

Erhöhte Energieernte:MPPT-Regler arbeiten mit Array-Spannungen über der Batteriespannung und steigern die Energieausbeute von Solaranlagen im Vergleich zu PWM-Reglern je nach Klimabedingungen um 5 bis 30 %. Spannung und Stromstärke des Arrays werden im Laufe des Tages kontinuierlich angepasst, um die Leistungsabgabe zu maximieren.

Weniger Modulbeschränkungen:MPPT-Regler, die Arrays mit Spannungen betreiben, die höher als die Batteriespannung sind, können mit einer breiteren Palette von Solarmodulen und Array-Konfigurationen verwendet werden. Sie können auch Systeme mit kleineren Drahtgrößen unterstützen.

Unterstützung für übergroße Arrays:Im Gegensatz zu PWM-Controllern können MPPT-Controller übergroße Arrays aufnehmen, die andernfalls die maximalen Leistungsgrenzen des Ladereglers überschreiten könnten. Der Controller verwaltet dies, indem er die Stromaufnahme des Arrays in Zeiten hoher Sonnenenergieversorgung, normalerweise mitten am Tag, begrenzt. Während überschüssige Energie aus dem Array während dieser Zeit reguliert wird, können übergroße Arrays zu Beginn und am Ende des Tages mehr Leistung liefern als kleinere, nicht übergroße Arrays.