Loading article…
最大電力点追従（MPPT）[ 1 ] [ 2 ]、または単に電力点追従（PPT）[ 3 ] [ 4 ]は、条件の変化に応じてエネルギー抽出を最大化するために可変電源で使用される技術です。[ 5 ]この技術は、太陽光発電（PV）システムで最も一般的に使用されていますが、風力タービン、光電力伝送、熱光起電力にも使用できます。
PV太陽光発電システムは、インバータシステム、外部グリッド、バッテリーバンク、その他の電気負荷とさまざまな関係を持っています。[ 6 ] MPPTが解決する中心的な問題は、太陽電池からの電力伝送効率が、利用可能な日光の量、日陰、ソーラーパネルの温度、および負荷の電気特性に依存することです。これらの条件が変化すると、最大の電力伝送をもたらす負荷特性（インピーダンス）が変化します。負荷特性が変化すると、電力伝送を最高の効率に保つようにシステムが最適化されます。この最適な負荷特性は、最大電力点（MPP）と呼ばれます。MPPTは、条件の変化に応じて負荷特性を調整するプロセスです。回路は、太陽電池に最適な負荷を提示し、電圧、電流、または周波数を他のデバイスやシステムに合わせて変換するように設計できます。
太陽電池の温度と全抵抗の非線形関係は、電流-電圧（IV）曲線と電力-電圧（PV）曲線に基づいて分析できます。[ 7 ] [ 8 ] MPPTはセル出力をサンプリングし、最大電力を得るために適切な抵抗（負荷）を適用します。[ 9 ] MPPTデバイスは通常、電力網、バッテリー、モーターなどのさまざまな負荷を駆動するための電圧または電流変換、フィルタリング、および調整を提供する電力変換システムに統合されています。ソーラーインバータはDC電力をAC電力に変換し、MPPTを組み込む場合があります。
MPPにおける電力（P mpp）は、MPP電圧（V mpp）とMPP電流（I mpp）の積である。
一般的に、部分的に日陰になったソーラーアレイのPV曲線には複数のピークが存在する可能性があり、一部のアルゴリズムは曲線の全体的最大値ではなく局所的最大値にとどまってしまうことがある。[ 10 ]
太陽電池は、動作環境と発電量との間に複雑な関係を持っています。特定の温度と日射条件下における特定の太陽電池の非線形IV特性曲線は、フィルファクター（FF ）によって機能的に特徴づけることができます。フィルファクターは、太陽電池からの最大電力と、開放電圧Vocと短絡電流Iscの積との比として定義されます。表形式のデータは、特定の条件下で最適な負荷において太陽電池が供給できる最大電力を推定するためによく使用されます。
ほとんどの場合、FF、Voc、およびIscの情報があれば、一般的な条件下でのセルの電気的挙動を概ね把握するのに十分です。
任意の条件セットに対して、セルには、セルの電流( I ) と電圧( V ) の値が最大出力電力を可能にする単一の動作点があります。[ 11 ]これらの値は、オームの法則で指定されているように、 V / Iに等しい特定の負荷抵抗に対応します。電力Pは、 P = VIで与えられます。
太陽電池は、その有効曲線の大部分において定電流源として機能します。[ 12 ]しかし、太陽電池のMPP領域では、電流と電圧の間にほぼ逆指数関数的な関係があります。基本的な回路理論によれば、デバイスに供給される電力は、 IV曲線の導関数（グラフでは傾き）dI / dVがI / V比（dP / dV = 0）と等しく逆符号になる点（MPP）で最適化され、曲線の「ニー」に対応します。[ 13 ]
抵抗値R = V / I がこの値の逆数に等しい負荷は、デバイスから最大の電力を引き出します。これは、セルの「特性抵抗」と呼ばれることもあります。これは、照度レベルや温度、セル状態などの他の要因によって変化する動的な量です。抵抗値が低い場合も高い場合も、出力電力は減少します。最大電力点追跡装置は、制御回路またはロジックを使用してこの点を特定します。
完全な電力-電圧（PV）曲線が利用可能な場合は、二分法を使用して最大電力点を取得できます。
負荷をセルに直接接続する場合、パネルの動作点は最大電力になることはほとんどありません。パネルの動作点は、パネルから見たインピーダンスによって決まります。インピーダンスを正しく設定することで、最大電力を得ることができます。パネルは直流デバイスであるため、DC-DCコンバータは 一方の回路（電源）のインピーダンスをもう一方の回路（負荷）のインピーダンスに変換します。DC-DCコンバータのデューティ比を変更すると、セルから見たインピーダンス（デューティ比）が変化します。パネルのIV特性曲線は、日射量や温度などの大気条件によって大きく影響を受ける可能性があります。
MPPTアルゴリズムは、パネルの電圧と電流を頻繁にサンプリングし、それに応じてデューティ比を調整します。 これらのアルゴリズムはマイクロコントローラによって実装されます。最新の実装では、分析や負荷予測のために、より高度なコンピュータが利用されることがよくあります。
コントローラは、電力出力を最適化するためにいくつかの戦略に従うことができます。MPPTは、状況に応じて複数のアルゴリズムを切り替えることができます。[ 14 ]
この方法では、コントローラはアレイからの電圧を少量調整し、電力を測定します。電力が増加する場合は、電力が増加しなくなるまでその方向にさらに調整を試みます。これは摂動観測(P&O) と呼ばれ、この方法では出力電力が振動する可能性がありますが、最も一般的です。[ 15 ] [ 16 ]また、最大電力点より下の電圧に対する電力曲線の上昇と、その点より上の下降に依存するため、ヒルクライミング法とも呼ばれます。 [ 17 ]摂動観測は、実装が容易なため、最も一般的に使用される方法です。[ 15 ]摂動観測 (P&O) アルゴリズムは、太陽光発電 (PV) システムの動作電圧を調整して、最大電力点 (MPP) を追跡します。電圧を周期的に摂動し、結果として生じる電力の変化を観測することで、アルゴリズムは動作電圧を上げるか下げるかを決定します。電力が増加する場合は、摂動は同じ方向に継続されます。そうでない場合は、方向が反転します。摂動観測法は、適切な予測的かつ適応的なヒルクライミング戦略を採用すれば、最高レベルの効率性をもたらす可能性がある。[ 18 ] [ 19 ]
この方式では、コントローラは増分電流と電圧の変化を測定して電圧変化の影響を予測します。この方式ではコントローラでの計算量が多くなりますが、P&Oよりも変化条件を迅速に追跡できます。出力電力は振動しません。[ 20 ]増分コンダクタンス（）太陽光発電アレイの）電圧に対する電力変化の符号を計算する（) 増分コンダクタンス法は、増分コンダクタンス() アレイコンダクタンス (これら2つが同じ場合（) 出力電圧は最大電力点電圧です。コントローラはこの電圧を維持し、照射量が変化するとプロセスが繰り返されます。
増分コンダクタンス法は、MPPにおいて、そして、アレイからの電流は、電圧の関数として表すことができる。
したがって、これをゼロに設定すると、次のようになります。したがって、増分コンダクタンスが瞬時コンダクタンスの負の値に等しいときに MPP が達成されます。電力-電圧曲線特性は、電圧が MPP より小さい場合、、 それで電圧が最大電力点（MPP）より大きい場合、またはしたがって、トラッカーは、電流/電圧の変化と電流電圧自体の関係を計算することによって、電力-電圧曲線上のどこにあるかを知ることができる。
電流掃引法では、アレイ電流の掃引波形を使用して、PVアレイのIV特性を取得し、一定の時間間隔で更新します。その後、同じ間隔で特性曲線からMPP電圧を計算できます。[ 21 ] [ 22 ]
定電圧方式には、あらゆる条件下で出力電圧を一定値に調整する方法と、測定された開放回路電圧に対する一定比率に基づいて出力電圧を調整する方法がある（後者の手法は「開放電圧」方式とも呼ばれる。[ 23 ]出力電圧を一定に保つ場合、最大電力点（MPP）の追跡は行われないため、厳密にはMPPT技術ではないが、MPP追跡が失敗する傾向がある場合には機能するため、補助的に使用されることもある。開放電圧方式では、電力供給を一時的に中断し、電流がゼロの状態で開放電圧を測定する。その後、コントローラは、開放電圧の0.76などの固定比率で電圧を制御して動作を再開する。[ 24 ]これは通常、想定される動作条件に対して、経験的に、またはモデリングに基づいて、MPPとして予め決定された値である。[ 20 ] [ 25 ]したがって、アレイ電圧を調整し、それを固定基準電圧に合わせることで、アレイの動作点はMPP付近に維持される。. の価値MPPだけでなく他の要因に対しても最適なパフォーマンスが得られるように選択することもできますが、中心となる考え方は比率として決定されますこの方法に内在する近似の1つは、MPP電圧とこれはあくまで近似的な定数に過ぎないため、さらなる最適化の余地が残されている。
この方法は MPP 電圧を推定します (）太陽電池モジュールの温度を測定し、基準値と比較することによって。[ 26 ]照射レベルの変化はMPP電圧にほとんど影響を与えないため、その影響は無視できる。電圧は温度に比例して変化すると仮定される。
このアルゴリズムは、以下の式を計算します。
どここれは、特定の温度における最大電力点での電圧です。は基準温度です。は測定された温度です。は温度係数です（データシートに記載されています）。
P&Oと増分コンダクタンスはどちらも、アレイの動作条件における電力曲線の局所最大値を見つけることができる「ヒルクライミング」法の例であり、真のMPPを提供します。[ 7 ] [ 17 ] [ 20 ]
P&Oは、定常状態の放射照度下においても、最大電力点付近で出力の変動を生じさせる。
インクリメンタルコンダクタンスは、振動することなく最大電力点を決定できます。[ 15 ]急速に変化する照射条件下でも、P&Oよりも高い精度でMPPTを実行できます。[ 15 ]ただし、この方法は振動を生じさせる可能性があり、急速に変化する大気条件下では不安定な動作をする可能性があります。P&Oと比較してアルゴリズムの複雑さが増すため、サンプリング周波数が低下します。[ 25 ]
定電圧比（または「開放電圧」）方式では、電流がゼロに設定されている間にエネルギーが失われる可能性がある。[ 25 ] 76% の近似値は、比率は必ずしも正確ではありません。[ 25 ]実装は簡単で低コストですが、中断によりアレイの効率が低下し、実際のMPPを見つけることが保証されません。ただし、一部のシステムの効率は95%を超える場合があります。[ 24 ]
従来の太陽光発電インバータは、アレイ全体に対してMPPTを実行します。このようなシステムでは、インバータによって制御される同じ電流がストリング（直列）内のすべてのモジュールを流れます。異なるモジュールは、製造公差、部分的な日陰などにより、異なるIV曲線と異なるMPPを持つため、このアーキテクチャでは、一部のモジュールがMPPを下回るパフォーマンスとなり、効率が低下します。[ 28 ]
その代わりに、MPPT（最大電力点追従制御）を個々のモジュールに導入することで、日陰の程度、汚れ、電気的不整合に関わらず、各モジュールが最高の効率で動作することが可能になる。
データによると、東向きと西向きのモジュール数が同数のプロジェクトでは、インバータ1台とMPPT1台を使用する方が、インバータ2台またはインバータ1台とMPPT複数台を使用する場合と比べて不利になることはない。[ 29 ]
夜間、オフグリッド太陽光発電システムは、負荷への電力供給にバッテリーを使用する場合があります。完全に充電されたバッテリーパックの電圧は、太陽光発電パネルの最大電力点（MPP）電圧に近い値になる可能性がありますが、バッテリーが部分的に放電している日の出時には、この限りではありません。充電は、太陽光発電パネルのMPP電圧よりもかなり低い電圧から開始される可能性があり、MPPT（最大電力点追従制御）によってこの電圧の不一致を解消できます。
バッテリーが完全に充電され、太陽光発電量が局所的な負荷を超えると、余剰電力を吸収する負荷がないため、MPPTはパネルを最大電力点（MPP）で動作させることができなくなります。そのため、MPPTは発電量が需要と一致するまで、太陽光発電パネルの動作点を最大電力点からずらす必要があります。（宇宙船で一般的に用いられる別の方法として、余剰の太陽光発電電力を抵抗負荷に振り向け、パネルを最大電力点で連続的に動作させることで、パネルの温度をできるだけ低く保つという方法があります。[ 30 ]）
系統連系システムでは、太陽光発電モジュールから供給される電力はすべて系統に送られます。そのため、系統連系システムのMPPT（最大電力点追従制御）は常に最大電力点（MPP）で動作しようとします。
ウィキメディア・コモンズにある最大電力点トラッカーに関連するメディア
