Què és un controlador MPPT per a la càrrega solar

MPPT és una de les maneres d’utilitzar els recursos d’una font d’energia, ja sigui una bateria solar o un generador eòlic, però en aquest article parlarem específicament d’energia solar. La seva característica principal és augmentar l'eficiència d'una font alternativa "tirant" la quantitat màxima d'energia escollint una tensió i un corrent específics.

L'elecció d'aquests paràmetres es redueix a l'anàlisi de les característiques de la tensió actual de la font i determina a quina tensió i consum de corrent es consumirà la potència màxima. Així és l'abreviació MPPT - Seguiment màxim de punts de potència (seguiment del punt de potència màxima).

Principis generals dels controladors MPPT

A primera vista de la pregunta, podríeu pensar: "Bé, utilitzeu la màxima tensió possible, de manera que hi haurà una màxima corrent de càrrega (càrrega de la bateria)." Això és lògic, però en realitat no ho és. Això es deu principalment a la característica de corrent de tensió de la cèl·lula solar.

En el mode de funcionament (útil), la cèl·lula solar (porció horitzontal de la característica I-V) és una font de corrent, és a dir, el seu corrent de sortida només depèn lleugerament de la tensió dels seus terminals. La tensió de sortida (Uoutc) depèn de la resistència de la càrrega connectada. Això el podem veure al CVC.

A la part dreta, on el voltatge és màxim, veieu el voltatge del circuit obert Uхх, que està limitat pel nombre d’elements de la bateria i el seu dispositiu intern. El corrent en aquest cas tendeix a 0. I viceversa, a la part esquerra, on la tensió tendeix a 0 - curtcircuit de tensió Uкз, i el corrent està limitat per la potència dels elements.

Si prenem la força actual de la bateria solar a la zona útil per a un valor constant, aleshores la tensió serà determinada per la resistència de càrrega, si és infinita, observarem el mode inactiu (a Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), respectivament, amb un curtcircuit, la resistència de càrrega tendirà a zero, com la tensió de sortida (a Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). La potència màxima arribarà a una certa relació de resistència de càrrega, tensió i corrent.

Què significa tot això? Passem de piles a controladors!

El controlador és un enllaç intermedi entre la bateria solar i la bateria, regula el corrent de càrrega mitjançant un PWM, per exemple, o qualsevol altre que el dissenyador hagi escollit. Però només aplicar tensió directament de la bateria no significa assegurar la màxima transferència de potència dels panells a la bateria.

Per obtenir una càrrega efectiva, el controlador supervisa la corrent rebuda de la bateria i el seu voltatge de sortida, així com la corrent subministrada per la bateria i el voltatge que hi ha. Per assegurar-nos d’això, seleccionem 2 punts arbitraris de la característica I-V (ho donem de nou aquí) i comparem la potència que hi ha amb el punt de potència màxima (TMM) indicat a la figura, en què el corrent sembla no ser màxim ...

Diguem que tenim una bateria amb una tensió nominal de 12V, cosa que vol dir que en l’estat de càrrega tenim uns 14,2-14,5 V als terminals i uns 11V en estat descarregat, encara que en un cas tinguem 13V i en l’altre - 12V. Triarem aquestes tensions amb la característica I-V per a un anàlisi aproximat de la potència amb una connexió directa “panell solar - bateria”.

Segons el CVC, en ambdós casos, la bateria tindrà un corrent d'aproximadament 3.6A, obtenim la següent potència transmesa durant la càrrega:

1) 13 * 3,6 = 46,8 W

2) 12 * 3,6 = 43,2 W

I al punt de màxima potència marcat a la característica I-V:

3) 18,5 * 3,25 = 60,125W

El resultat és obvi: la potència del TMM és aproximadament del 25-35% més, depenent de la càrrega de la bateria. Però, com fer que la bateria es desprengui del corrent a una tensió de 18,5 V, en lloc de la que està present als terminals de la bateria?

Tot és senzill i complex alhora: busqueu el màxim de potència

Com es va assenyalar anteriorment, el controlador s’instal·la entre els panells solars (bateria) i les bateries, resulta que serveix de càrrega dels panells i la bateria com a càrrega del controlador, també és una font d’energia secundària. Qualsevol font d’energia i qualsevol dispositiu d’enginyeria elèctrica es pot representar en forma de resistència. Això s'anomena resistència "equivalent" o "reduïda" (segons el cas concret), que es determina per la mateixa llei Ohm, és a dir, podem dir que la resistència d'entrada del controlador és:

Rcont = Uinput / Iin. Contres.

La tensió del punt de màxima potència de les plaques solars depèn de diversos factors:

• Il·luminació

• Temperatura (la dependència del CVC i la posició del TMM a la temperatura es mostra a la figura següent);

• Edat dels elements, etc.

Per tant, no funcionarà per fixar-la fixa i universal, a més de canviar d’acord amb la resistència de càrrega i el consum actual (la característica I-V idealitzada es dóna més amunt, a la pràctica encara hi haurà certa pendent a la zona de treball).

Hi ha molts mètodes per trobar aquest "màgic". En una realització, el controlador MPPT analitza les característiques de tensió actual de les cèl·lules solars per determinar els paràmetres òptims per a les condicions de funcionament actuals, per exemple, canviant el corrent d'entrada, la seva resistència d'entrada canvia en conseqüència. Utilitzant sensors de corrent i tensió, el sistema de control calcula el valor de potència i el compara amb l’anterior fins assolir el seu valor màxim. Això s’anomena “mètode de pertorbació i observació”.

Segons el mètode específic per determinar TMM i el dispositiu intern del controlador, incl. el seu firmware, la cerca de TMM es produeix amb una certa freqüència. Tanmateix, a la pràctica, la majoria de mètodes són similars i es basen en el principi de "desviar-se i observar". En alguns models, és possible configurar aquest període en un rang des d'una vegada en diversos minuts fins a 1 una en diverses hores. En funció de la freqüència de cerca, es determina el rendiment general del sistema.

Ja que com a resultat de canviar els paràmetres d’entrada obtenim la màxima potència possible d’elements específics, la següent tasca és donar-la a la càrrega, és a dir, utilitzar la bateria per carregar-se. Al final, es tracta de controlar un convertidor electrònic de potència, diguem que teníem un corrent TMM de 5A a una tensió de 17.5V, això:

17,5 * 5 = 87,5 W

De manera que és possible donar a la bateria una tensió de 12 V als terminals el corrent següent:

87,5 / 12 = 7,3A

En la majoria dels casos, la conversió es realitza utilitzant un buck (buck) o un convertidor de buck-boost (buck-boost). Estructures típiques dels convertidors que teníem en compte a l’article anterior.

Mentre que quan s'utilitza ON / OFF o Controladors PWM el corrent d’entrada i sortida seria igual. La qual cosa comporta una eliminació menys eficient de l’energia disponible, per exemple, ja que el corrent d’entrada era de 5 A, amb aquest corrent de sortida, la potència gastada en carregar les bateries seria igual a:

12 * 5 = 60 watts.

Això torna a il·lustrar els càlculs presentats en la discussió de les característiques de tensió actual.

Tanmateix, no heu de considerar la tecnologia MPPT una panacea per a l’energia solar. La diferència d’eficiència de càrrega de la bateria mitjançant el controlador MPPT i PWM és menor, més es carrega la bateria. Quan la tensió als seus terminals (Uakb) augmenta i la diferència entre Umm disminueix, s'utilitza una gran potència del panell solar.

De la mateixa manera que a l’exemple anterior, suposem que la tensió de la bateria no és de 12, sinó de 13,5V, sempre que el panell solar funcioni amb els mateixos paràmetres, quedarà així:

13,5 * 5 = 67,5 W

Si a 12V es va utilitzar el 68% de la potència màxima, a 13,5V ja s’utilitza el 77%. Tingueu en compte també que les bateries no es carregaran constantment i no rebran corrent de la mateixa potència constantment.Per tant, en els controladors MPRT, se solen implementar diverses etapes de càrrega, per exemple: MPPT (amb la màxima potència) - igualant - ràpid (forçat) - suport. Entre altres coses, convé recordar que el corrent de la bateria solar no hauria de sobrepassar el corrent nominal del controlador, en cas contrari, no es realitza l’aprofitament màxim d’energia.

Però tot això no ens diu que no cal fer servir controladors MPPT, sinó només que no s’han de sobreestimar.

Es manté el fet que en el segment de preus més baixos els dispositius amb tecnologia MPPT són més cars que els PWM, però no sempre ... Per exemple, hi ha un controlador MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", el cost dels quals és de 180 $ i un controlador PWM de preu similar (180-200 $) amb un corrent de sortida de 20A STECA PR2020.

Al mateix temps, hi ha un altre dispositiu PWM amb el mateix corrent de sortida - "SRNE SR-HP2420" costant una mica més de 20 dòlars, mentre que MPPT del mateix fabricant "SRNE SR-ML2420" amb el mateix corrent de sortida, costa 85 dòlars.

A continuació, es mostraran els preus per a alguns models de controladors.

Visió general del mercat modern per a controladors MPPT

Vegeu la taula en un fitxer independent

La taula no proporciona una llista completa de funcions i proteccions, ja que ocupa una gran quantitat. Per obtenir informació, un conjunt típic de funcions sembla una cosa així:

• per la polaritat equivocada de la connexió de l’empresa conjunta i la bateria;

• des de curtcircuit a l’entrada de la placa solar;

• des de curtcircuit en la càrrega;

• del sobreescalfament;

• apagueu el panell solar després d’arribar al final de la càrrega de la bateria;

• vessament de càrrega quan la tensió de la bateria és massa baixa;

• a partir d’una pausa al circuit de la bateria;

• evitar la descàrrega de la bateria a través del panell solar durant la nit;

• control del consum actual per càrrega.

La taula reflecteix el fet que el cost del controlador MPPT depèn no només del seu corrent màxim (potència), sinó també del rang de tensions de sortida, de la llista de bateries compatibles, de la capacitat de connectar eines de visualització, de visualització i de monitorització i d'altres factors. L'elecció d'un controlador és complicada i molt individual, per la qual cosa és almenys inútil fer cap comparació i qualificació.