Vereinfachung netzunabhängiger Photovoltaik-Energieversorgungslösungen mit integrierten Ladegeräten/Wechselrichtern

Netzunabhängige Energieversorgungslösungen, die von Photovoltaik(PV)-Panels mit einer Nachführung des maximalen Leistungspunktes (MPPT) unterstützt werden, werden immer beliebter, da die Nutzer alternative Energiequellen nutzen. Diese Systeme sind jedoch schwierig zu installieren und zu konfigurieren. Die Kombination der Optionen erfordert mehrere Wechselrichter und Ladegeräte, was die Kosten in die Höhe treibt.

Entwickler können jetzt die Kosten für netzunabhängige Stromversorgung und Batterieladung vereinfachen und reduzieren, indem sie eine einzige integrierte AC/DC-Lade-, DC/AC-Wandler- und AC-Bypass-Einheit verwenden.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über netzunabhängige Energieversorgungsanlagen und die Komplexität der PV-Panel/MPPT-Ladung. Anschließend werden integrierte Einheiten von MEAN WELL vorgestellt, um zu zeigen, wie sie die Installation und den Betrieb vereinfachen und gleichzeitig die Kosten senken können. Eine Haushaltsanwendung zeigt die Vorteile der Verwendung eines integrierten Produkts.

Was ist eine netzunabhängige Stromversorgungsanwendung?

Die netzunabhängige Stromversorgung wird immer beliebter, da die Technologie inzwischen so ausgereift ist, dass diese Systeme zuverlässig, effizient und kostengünstig sind und den Nutzern die Unabhängigkeit von Energieversorgern ermöglichen.

Wie der Name schon sagt, wird der netzunabhängige Strom aus netzunabhängigen Energiequellen gewonnen, in der Regel aus PV-Panels (Solarzellen), die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Auch Windenergie ist eine Option.

Für eine vollständige Netzautonomie benötigen netzunabhängige Systeme mehrere Schlüsselkomponenten:

• Solarzellen: zur Umwandlung von Sonnenlicht in Gleichstrom
• Externes MPPT-Solarladegerät: zur Optimierung des Stromflusses zu den Batterien, um die Energiespeicherung zu maximieren
• Batterien: zur Speicherung der von den Solarzellen erzeugten Energie
• DC/AC-Wechselrichter: zur Umwandlung von Batteriestrom in den für Haushaltsgeräte erforderlichen Wechselstrom

Viele Nutzer streben zwar eine vollständige Energieautonomie an, sind sich aber darüber im Klaren, dass die Solarzellen möglicherweise nicht durchgängig genug Strom für alle ihre Haushaltssysteme erzeugen, und werden daher vorsichtshalber auch eine Verbindung zum Stromversorger beibehalten. Die Wechselstromeinspeisung aus dem Netz wird in Gleichstrom umgewandelt, um die Batterieenergie zu erhöhen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt ein mit Solarzellen betriebenes, netzunabhängiges Stromversorgungssystem mit AC-Stromversorgung als Backup. (Bildquelle: MEAN WELL)

Ein autonomes, netzunabhängiges System ist praktisch, aber nicht einfach zu realisieren. Einrichtung und Wartung erfordern Aufmerksamkeit, und das Hinzufügen einer Rückspeisung zum Laden der Batterien erhöht die Komplexität. Unter der Annahme, dass die Solarzellen in der optimalen Position und im besten Winkel montiert sind und die Batterien über eine ausreichende Kapazität verfügen, um genügend Energie zu speichern, um die Wohnung auch in Stunden mit wenig oder gar keinem Sonnenlicht mit Strom zu versorgen, sind das externe MPPT-Solarladegerät, die AC/DC-Ladung, die DC/AC-Wandlung und der AC-Bypass die Schlüsselelemente, die die Effizienz des Systems bestimmen.

Eine der Aufgaben des Wechselrichters ist die Umwandlung des Gleichstroms, der von einem System aus Solarzellen und Batterien stammt, in eine 230V/60Hz-Ausgabe. Ein Produkt wie der Wechselrichter ISI-501-212B von MEAN WELL akzeptiert einen 12V_DC-Eingang und bietet eine echte Sinusleistung von 450 W mit einer Gesamtverzerrung (THD) von <3% sowie eine AC-Regelung von ±3%.

In dem in Abbildung 1 gezeigten Aufbau arbeitet der Wechselrichter als MPPT-PV-Ladegerät, das die von Blei-Säure-Batterien geforderten Ladeeigenschaften mit konstantem Strom und konstanter Spannung aufweist. Das Einheit von MEAN WELL liefert einen Ladestrom von bis zu 30 Ampere (A) mit einem MPPT-Spannungsbereich von 25 V bis 50 V, um offene oder versiegelte Blei-Säure-Batterien wieder aufzuladen.

Was ist MPPT?

MPPT wird bei variablen Energiequellen wie Solarzellen eingesetzt, um die Energiegewinnung bei unterschiedlichen Bedingungen zu maximieren. MPPT befasst sich mit den Herausforderungen, die sich aus der Effizienz der Leistungsübertragung von der Solarzelle ergeben, die je nach Sonneneinstrahlung, Abschattung, Temperatur der Solarzelle und den elektrischen Eigenschaften der Last variiert. Wenn sich diese Bedingungen ändern, ändert sich auch die Lastcharakteristik (Impedanz), die die höchste Leistungsübertragung bietet. Das System ist optimiert, wenn die Lastcharakteristik die Leistungsübertragung mit dem höchsten Wirkungsgrad aufrechterhält, d. h. im Punkt maximaler Leistung (MPP). MPPT ist der Prozess der Anpassung der Lastcharakteristik, wenn sich die Bedingungen ändern, um den MPP zu erreichen.

Die meisten modernen MPPTs bieten bei der Umwandlung einen Wirkungsgrad von 93 bis 97%. Der ISI-501-212B von MEAN WELL bietet einen typischen Umwandlungswirkungsgrad von 98%.

Das Ausgangssignal des MPPT-Ladegeräts ISI-501-212B wird zum Laden der Batterien des netzunabhängigen Stromversorgungssystems unter Verwendung der Erträge der Solarzellen verwendet. Dazu wird ein definiertes Konstantstrom-/Konstantspannungs-Ladeprofil verwendet, das mithilfe von MPPT die höchste Batteriekapazität gewährleistet und die Anzahl der Batterieladezyklen maximiert (Abbildung 2). Die Erhaltungsladung (Float) hält die Batterie auf einem nahezu vollen Ladezustand, um eine Selbstentladung zu verhindern.

Abbildung 2: Dargestellt ist ein Ladeprofil mit konstantem Strom und konstanter Spannung unter Verwendung von MPPT zur Optimierung der Batteriekapazität bei gleichzeitiger Maximierung der Anzahl der Batterieladezyklen. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die Bedeutung von reinen Sinus-Wechselspannungen

Das MPPT-Ladegerät des ISI-501-212B ist zwar von zentraler Bedeutung, aber es ist nur ein Teil eines netzunabhängigen Stromversorgungssystems. So ist beispielsweise eine Gleichstrom/Wechselstrom-Umwandlung erforderlich, um den Strom aus den Blei- oder Lithium-Ionen-Batterien in die von Haushaltsgeräten benötigte Wechselspannung umzuwandeln. Solche Geräte müssen mit reinen Sinus-Wechselspannungen versorgt werden, um elektrische Herausforderungen wie die Korrektur des Leistungsfaktors zu vermeiden.

Der DC/AC-Wechselrichter verwendet dazu eine H-Brückenschaltung und Steuerschaltungen wie die Pulsweitenmodulation (PWM). Durch die Kombination von H-Brücke und PWM wird eine durchschnittliche Spannung erzeugt, die einer Sinuskurve ähnelt. PWM wird in der Regel von einer oder mehreren Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) gesteuert und beinhaltet die Variation der Impulsbreite, um eine durchschnittliche Spannung zu erzeugen, die eine annähernde Sinuswelle bildet. Eine weitere Reduzierung der harmonischen Verzerrungen kann durch eine Induktivität-Kondensator-Filterung (LC) erreicht werden, die die Wellenform glättet und eine sauberere Sinuswelle erzeugt.

Der kontinuierliche Wechselrichter NTN-5K-148 von MEAN WELL beispielsweise verwendet MCUs, um eine echte Sinuswelle mit einem Klirrfaktor von <3% zu erzeugen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der kontinuierliche Wechselrichter NTN-5K-148 verwendet MCUs, um einen echten Sinus-Wechselstrom mit einem Klirrfaktor von <3% zu erzeugen. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die Lösung für alle Probleme

Mit Solarzellen, einem ISI-501-212B-Wechselrichter von MEAN WELL und einem Dauerwechselrichter NTN-5K-148 können Entwickler ein komplettes netzunabhängiges System aufbauen, aber der Dauerwechselrichter bietet noch mehr. Mit einem einzigen Produkt kann ein Entwickler AC/DC-Ladung für Batterien, DC/AC-Wandlung zur Stromversorgung von Geräten und eine AC-Bypass-Einheit anbieten.

Der NTN-5K-148 benötigt einen 48V-Eingang und erzeugt einen 110V_AC-Ausgang. Er kann eine kontinuierliche Leistung von 4000 W mit einem Spitzenwirkungsgrad von 93% liefern. Er ist Teil der Serie NTN-5K von MEAN WELL, die mehrere Varianten umfasst. Der NTN-5K-2380 zum Beispiel ist ein äußerst zuverlässiger netzunabhängiger DC/AC-Wechselrichter mit integriertem AC-Ladegerät und USV-Funktion (AC-Bypass). Zu seinen Hauptmerkmalen gehören ein digitales Design mit MCU-Steuerung, ein optimierter Steuerschaltkreis, der schnell auf Veränderungen der Umgebungsbedingungen reagiert und die Zuverlässigkeit verbessert, ein hochwertiger Lüfter mit geringem Geräuschpegel, eine Dauerleistung von 5000 W und ein 230V_AC-Ausgang aus einem 380V_DC-Eingang. Der Spitzenwirkungsgrad beträgt 94,5% (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der NTN-5K-2380 ist ein netzunabhängiger DC/AC-Wechselrichter mit integriertem AC-Ladegerät und USV-Funktion (AC-Bypass). Er bietet eine kontinuierliche Leistung von 5000 W und 230V_AC aus einem 380V_DC-Eingang. (Bildquelle: MEAN WELL)

Die Serie NTN-5K eignet sich für den Einsatz in Privathaushalten, Gewerbebetrieben, in der Schifffahrt, in Kraftfahrzeugen, im Bergbau, auf Baustellen und in abgelegenen Gebieten ohne Zugang zur Netzstromversorgung (Abbildung 5). Die Serie verfügt über eine integrierte aktive Stromteilungsfunktion und kann mit bis zu 6 Geräten parallel geschaltet werden, um eine höhere AC-Ausgangsleistung zu erzielen.

Abbildung 5: Die Abbildung zeigt eine typische häusliche Anwendung eines NTN-5K (Bildquelle: MEAN WELL)

Fazit

Netzunabhängige Stromversorgungssysteme sind aufgrund ihrer Unabhängigkeit sehr attraktiv. Solche Systeme sind jedoch komplex zu installieren und zu konfigurieren. Der Dauerwechselrichter von MEAN WELL hat die Kosten für netzunabhängige Stromversorgung und Batterieladung durch den Einsatz einer integrierten AC/DC-Lade-, DC/AC-Wandler- und AC-Bypass-Einheit vereinfacht und reduziert. Ein Beispiel ist die Serie NTN-5K aus Ladegeräten/Wechselrichtern, die die Funktionen für netzunabhängige Haushaltsstromversorgung und Batterieladung übernehmen.