Tấm pin mặt trời giữa trưa nắng đủ sức chạy một quạt 100 W; bạn nối thẳng vào ắc quy 12 V tưởng sẽ sạc đầy — nhưng khối năng lượng mất đi vô cùng, không ai chạm vào, không có tổn thất nhiệt, chỉ vì bạn ấn tất cả lên một điện áp sai. Mười có tám:
Tấm pin không là nguồn điện áp cố định
Tấm pin có bốn con số trên nhãn: điện áp hở mạch V_oc = 22,5 V (không có dòng), dòng ngắn mạch I_sc = 5,86 A (không có điện áp), rồi hai con số ở điểm công suất cực đại V_mp = 18,5 V và I_mp = 5,71 A — nơi tấm pin sản xuất công suất nhiều nhất: 105,6 W. Bốn con số ấy là nền tảng để tự tính lợi nhuận từ điện mặt trời. Vấn đề là nó sản xuất công suất cực đại này ở một điện áp cụ thể, chứ không phải bất kỳ điện áp nào.
Điều gì xảy ra khi bạn ép tấm pin làm việc ở các điện áp khác? Nếu điện áp quá cao (gần 22,5 V), dòng sẽ rất nhỏ nên công suất vẫn nhỏ (P = V × I). Nếu điện áp quá thấp (gần 0 V), điện áp sẽ bé nên công suất cũng nhỏ. Chỉ ở một điểm duy nhất — V_mp = 18,5 V với dòng I_mp = 5,71 A — công suất đạt đỉnh cao 105,6 W. Đó là một lu luận phổ biến trong tất cả hệ thống công suất: bạn luôn cần tìm điểm tối ưu giữa hai yếu tố đối lập.
Ắc quy ép tấm pin khỏi điểm công suất cực đại
Bộ sạc PWM (điều chế chiều rộng xung) rẻ tiền chỉ làm một việc: nối thẳng tấm pin vào ắc quy. Một ắc quy 12 V lúc sạc được ép ở 13,8 V — dưới V_mp = 18,5 V. Dung lượng ắc quy phụ thuộc cách bạn xả nó; điện áp bạn ép nó làm việc cũng vậy. Ở điện áp thấp này, dòng gần như không thay đổi, vẫn cứ ~5,80 A (tấm pin cố gắng duy trì dòng), nên công suất chỉ còn 80,0 W — mất 24% dù nắng không đổi, dù tấm pin hoàn toàn lành lặn.
Bộ sạc MPPT (điểm công suất cực đại theo dõi) làm điều khác: nó không nối thẳng. Thay vào đó, nó điều chỉnh để tấm pin luôn làm việc ở V_mp = 18,5 V — thu được 105,6 W — rồi dùng mạch biến áp để chuyển thành điện áp ắc quy. Kết quả: ắc quy nhận lấy 105,6 W thay vì 80,0 W, tức 33% công suất thêm mỗi phút so với PWM.
Nhiệt độ và nắng thay đổi điểm công suất cực đại
Bốn con số trên nhãn chỉ đúng ở một điều kiện: 25 °C, 1 000 W/m². Nếu trời thay đổi thì V_mp trôi dạo.
Cường độ nắng ảnh hưởng thẳng: ở 500 W/m² nửa trưa, dòng giảm nửa, công suất cũng giảm nửa — nhưng V_mp không đổi quá nhiều, vẫn ~18,5 V. Bộ sạc MPPT vẫn khóa vào điểm đó và vẫn bắt được hầu hết công suất khả dụng.
Nhiệt độ ảnh hưởng khác: mỗi độ C tăng lên, V_oc và V_mp đều giảm theo −0,35%/K (chiều dài sóng bước sóng của điện tử tăng, tiềm năng giảm). Ở 65 °C — nhiệt độ thực tế ngoài trời giữa trưa hè — V_mp tụt xuống khoảng 15,9 V. Khi đó, ắc quy ở 13,8 V bỗng gần bằng V_mp, bộ sạc PWM rẻ tiền chỉ còn mất ~13% thay vì 24%. Nhưng lúc đó công suất tối đa đã rơi xuống ~78 W vì tấm pin nóng — bạn chỉ mất 13% của một cái bình tồi hơn.
Trường hợp biên: pin gần đầy hay trời lạnh
Buổi sáng lạnh 15 °C, V_mp vọt lên khoảng 19,1 V. Khoản mất công suất ở 13,8 V lên 27%. Bộ sạc MPPT thu 105 W; bộ sạc PWM chỉ được 82 W.
Nhưng khi ắc quy gần đầy hoặc tải rất nhẹ, MPPT không giúp gì: nó có thể khóa tấm pin ở 18,5 V, nhưng không có chỗ để đổ điện. Mọi con số hiệu suất chỉ có ý nghĩa khi ắc quy đang sạc tích cực.