ตอนที่ 3: เส้นโค้งกระแส-แรงดันไฟฟ้าและการติดตามจุดกำลังสูงสุด (I-V Characteristics and Maximum Power Point Tracking – MPPT)
เพื่อทำความเข้าใจการทำงานและการวิเคราะห์ระบบแผงโซล่าเซลล์ในภาคสนามอย่างละเอียด วิศวกรไฟฟ้าจำเป็นต้องเข้าใจพฤติกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์เมื่อประกอบขึ้นเป็นโมดูล (Module) และต่อพ่วงรวมกันเป็นสายอนุกรมหรือสตริง (String) ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงแตกต่างกันไป
1. พฤติกรรมของเส้นโค้งกระแส-แรงดันจากระดับเซลล์สู่ระดับโมดูล (Cell-to-Module Scaling)
เมื่อนำเซลล์แสงอาทิตย์เดี่ยวที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าคงที่มาต่อรวมกัน โครงสร้างระบบจะเปลี่ยนผ่านพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าดังนี้:
ระดับเซลล์เดี่ยว (Cell Level): กราฟ I-V แสดงกระแสไฟฟ้าเกือบคงที่ในช่วงแรงดันต่ำ และดิ่งลงสู่ศูนย์อย่างรวดเร็วเมื่อแรงดันแตะระดับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) ประสิทธิภาพเชิงคุณภาพประเมินจากสมการสัดส่วนความจัตุรัสหรือ Fill Factor (FF):
โดยคริสตัลไลน์ซิลิคอนเกรดพรีเมียมจะมีค่า FF ทางอุตสาหกรรมอยู่ที่ประมาณ 70% ถึง 85%
Source: A Modified Incremental Conductance Based Photovoltaic MPPT Charge Controller
ระดับโมดูลสำเร็จรูป (Module Level): แผงโซล่าเซลล์เชิงพาณิชย์หนึ่งแผงประกอบด้วยการนำเซลล์จำนวน Ns เซลล์มาต่ออนุกรมกัน (เช่น 72 เซลล์ หรือ 144 ครึ่งเซลล์) ส่งผลให้ค่าแรงดันไฟฟ้ารวมของสตริงภายในถูกคูณด้วยจำนวนเซลล์ (Vmodule = Ns x Vcell) ขณะที่กระแสไหลผ่านโมดูลจะเท่ากันทุกเซลล์ (Imodule = Icell)
อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมการเชื่อมต่ออนุกรมนี้มีความอ่อนไหวสูงมากต่อสภาวะความเข้ากันไม่ได้ของเซลล์ (Mismatch) หากมีเซลล์ใดเซลล์หนึ่งถูกเงาของกิ่งไม้หรือฝุ่นหนาบดบัง (Partial Shading) เซลล์นั้นจะผลิตกระแสไฟฟ้าได้ลดลงอย่างมาก เนื่องจากกฎการต่อวงจรอนุกรมระบุว่ากระแสรวมของสายจะถูกกำหนดโดยตัวนำที่แย่ที่สุด เซลล์ที่สว่างตัวอื่น ๆ จะพยายามดันกระแสผ่านเซลล์ที่โดนเงา บีบบังคับให้เซลล์ที่โดนเงานั้นทำงานในสภาวะไบอัสกลับด้าน (Reverse Bias) และเปลี่ยนบทบาทตัวเองจาก “แหล่งกำเนิดไฟฟ้า” ไปเป็น “โหลดตัวต้านทาน” คอยดูดกลืนกระแสไฟฟ้าและสะสมความร้อนจัดกลายเป็น จุดร้อนเสียหายรุนแรง (Hot-spot Heating) ซึ่งอาจส่งผลให้กระจกหน้าแผงแตกหรือเกิดเพลิงไหม้ได้
เพื่อป้องกันความเสียหายดังกล่าว ผู้ผลิตจึงต้องติดตั้ง ไดโอดบายพาส (Bypass Diodes) ต่อขนานคร่อมกลุ่มเซลล์ย่อยในทิศทางสวนกลับ (เช่น ในแผง 72 เซลล์ จะมีไดโอดบายพาส 3 ตัว คุมกลุ่มเซลล์ย่อยละ 24 เซลล์) ในสภาวะที่แดดสม่ำเสมอ ไดโอดจะถูกไบอัสกลับด้านจึงเสมือนเป็นวงจรเปิดที่ไม่มีกระแสไหลผ่าน แต่เมื่อใดที่กลุ่มเซลล์ใดโดนบังแสงจนเกิดสภาวะแรงดันย้อนกลับ ไดโอดบายพาสขนานจะยอมเปิดทาง (Turn-on) เพื่อให้กระแสจากกลุ่มเซลล์ย่อยข้างเคียงไหลลัดวงจรข้ามผ่านกลุ่มที่โดนบังแสงไปอย่างปลอดภัย
การสลับมาทำงานของไดโอดบายพาสส่งผลให้แผงรักษากระแสไฟฟ้าหลักไว้ได้ แต่ทว่าแรงดันไฟฟ้าของแผงจะลดลงเท่ากับสัดส่วนของกลุ่มเซลล์ย่อยที่โดนข้ามไป (บวกกับแรงดันตกคร่อมไดโอด 0.5-0.7V) ส่งผลให้เกิดพฤติกรรมกราฟ I-V แตกตัวเป็นขั้นบันไดเกิดรอยหยัก (Notches) บนกราฟ I-V และสร้างจุดกำลังสูงสุดระดับย่อยหลายจุด (Local MPPs) บนกราฟ P-V แต่มีเพียงจุดเดียวเท่านั้นที่เป็น จุดกำลังสูงสุดที่แท้จริง (Global MPP – GMPP) และเป็นจุดที่อินเวอร์เตอร์ต้องการ
2. เส้นโค้งกระแส-แรงดันในระดับสายอนุกรม (String Level I-V Curves)
เมื่อเชื่อมต่อแผงโซล่าเซลล์หลายแผ่นรวมกันเป็นสตริง (String) เพื่อใช้งานในระบบที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ผลรวมพารามิเตอร์ของสตริงจะทับซ้อนกันและเพิ่มขึ้นอย่างเป็นระบบ อย่างไรก็ดี หากเกิดกรณีแผงในสตริงเดียวกันหันทิศรับแสงไม่ตรงกัน (เช่น บางแผงติดตั้งเอียงรับแสงเหนือ บางแผงเอียงรับแสงตะวันออก) หรือมีความเข้มแสงตกกระทบไม่เท่ากัน เกิดจากมีเงาบังหรือมีคราบสกปรกบนผิวหน้าของแผงโซล่าเซลล์ กราฟ I-V รวมจะคลาดเคลื่อนและปรากฎเป็นเส้นที่ทรุดต่ำลงตามแผงที่แย่ที่สุดทันที
Source: SolarEdge Power Optimizers: More Power, More Safety | SolarEdge
ในยุคปัจจุบันจึงได้มีการใช้เทคโนโลยี เครื่องปรับแต่งกำลังไฟฟ้าระดับโมดูล (DC Power Optimizers) เข้ามาจัดการปัญหาการคลาดเคลื่อน อุปกรณ์ชนิดนี้ทำงานเป็นระบบแปลงระดับไฟฟ้าระดับไมโคร (DC-DC Buck-Boost Converter) คอยสแกนจุดทำงานของโมดูลย่อยแต่ละใบแบบอิสระ และทำการแปลงอัตราส่วนไฟฟ้าขาออก (ปรับความกว้างพัลส์) โดยหากแผงใดโดนบังแสงจนกระแสตกเหลือ 6A แต่เพื่อนแผงในสตริงผลิตได้ 8A ตัว Optimizer จะทำการปรับลดแรงดันแผงลงชั่วคราวเพื่อเร่งดันกระแสขาออกขึ้นไปที่ 8A ให้มีความกลมกลืนเชิงกระแสของวงจรร่วมกัน ระบบจึงสามารถลดการเกิดรอยหยักบนกราฟสตริงรวม ขจัดสภาวะ Local MPPs และป้องกันการสูญเสียกำลังไฟฟ้าได้อย่างเห็นผล
3. อัลกอริทึมการค้นหาและติดตามจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (MPPT Algorithms)
อินเวอร์เตอร์ (Inverter) ทำหน้าที่สแกนปรับความต้านทานไฟฟ้าเสมือนของตัวเอง (Impedance Matching) ตลอดวันเพื่อบังคับให้ระบบแผงโซล่าเซลล์ทำงานบนจุดยอดของกราฟกำลังไฟ (Maximum Power Point) ตลอดเวลาผ่านขั้นตอนวิธีตรวจหา 3 แนวทางหลัก:
การตรวจหา MPPT โดยเทคนิค Perturb and Observe (P&O), source: Modelling and Simulation of Perturb and Observe MPPT Algorithm Based on The PI Controller for Photovoltaic System
- Perturb and Observe (P&O): เป็นอัลกอริทึมแนวปีนเขา (Hill-Climbing) ที่เป็นที่นิยมสูงสุดเนื่องจากเข้าใจง่ายและใช้ทรัพยากรระบบต่ำ วิธีนี้ระบบจะทำการปรับกวน (Perturb) แรงดันไฟฟ้าทีละสเตปเล็กๆ และสังเกตกำลังไฟฟ้าที่ได้กลับคืน หากกำลังไฟฟ้ารวมเพิ่มขึ้น (dP > 0) ระบบจะจดจำและทำการขยับแรงดันไปในทิศทางเดิมต่อเนื่อง แต่หากรอบถัดไปกำลังไฟฟ้าเริ่มลดลง (dP < 0) ระบบจะสลับกลับทิศทางแรงดันกลับด้านทันที
ข้อจำกัด: P&O จะทนปัญหากระแสเปลี่ยนแปลงฉับพลันได้ไม่ดี โดยเมื่อระบบเข้าแตะจุด MPP แล้ว จุดทำงานจะยังคงวนแกว่งไปมาซ้ายขวารอบยอดเขาตลอดเวลา (Steady-state Oscillation) เกิดการสูญเสียพลังงานที่ไม่จำเป็นสะสมตลอดเวลาและกรณีที่ความเข้มแสงเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (เช่น เมฆวิ่งบังแสงกะทันหันขณะระบบกำลังจะเพิ่มแรงดัน) อัลกอริทึมจะแปลความผิดเพี้ยนว่าสเตปเดิมไปผิดทิศ จึงสั่งดึงแรงดันให้ลดลงทันที ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบตกลงอย่างฉับพลัน - Incremental Conductance (INC): เป็นแนวคิดการค้นหาจุดสูงสุดที่ออกแบบมาเพื่อแก้ไขปัญหาการแกว่งของจุดทำงานและการหลงทิศทางของ P&O โดยตรง INC อาศัยข้อเท็จจริงทางคณิตศาสตร์ที่ว่า ความชันของกราฟกำลังไฟ (dP/dV) ณ จุดยอดสูงสุด (MPP) จะมีค่าเท่ากับศูนย์พอดี และมีทิศทางสม่ำเสมอดังนี้:
เมื่อจัดรูปพจน์คณิตศาสตร์ อัลกอริทึมจะเข้าตรวจสอบความสอดคล้องระหว่าง ค่าความนำไฟฟ้าเฉลี่ยขณะทำงานปัจจุบัน (Instantaneous Conductance, -I/V) กับ ค่าความนำไฟฟ้าส่วนเพิ่ม (Incremental Conductance, dI/dV) เพื่อประเมินทิศทางจุดทำงาน:
- จุดทำงานอยู่ที่ MPP พอดี (ระบบจะสั่งค้างค่าแรงดันไว้ไม่ให้แกว่ง)
- จุดทำงานอยู่ซีกซ้ายของ MPP (ระบบต้องการการเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้า)
- จุดทำงานอยู่ซีกขวาของ MPP (ระบบต้องการการลดระดับแรงดันไฟฟ้า)
ข้อดี: อัลกอริทึมนี้ให้ความแม่นยำสูงสุด มีความรวดเร็วในการติดตามพิกัดการผลิตใหม่ได้อย่างมีเสถียรภาพ ปราศจากการเกิดวงแกว่งรอบจุดทำงาน และตอบสนองต่อสภาวะอากาศผันผวนได้อย่างเฉียบคม ทว่าต้องแลกด้วยการออกแบบซอฟต์แวร์ประมวลผลและการใช้เซ็นเซอร์วัดค่ากระแสไฟฟ้าที่ต้องมีความละเอียดและเสถียรยิ่งขึ้น
