¿Qué es un controlador MPPT para carga solar?

MPPT es una de las formas de utilizar los recursos de una fuente de energía, ya sea una batería solar o un generador eólico, pero en este artículo hablaremos específicamente sobre la energía solar. Su característica principal es aumentar la eficiencia de una fuente alternativa al "extraer" la cantidad máxima de energía eligiendo un voltaje y corriente específicos.

La elección de estos parámetros se reduce al análisis de las características de voltaje de corriente de la fuente y a determinar a qué voltaje y consumo de corriente se consumirá la potencia máxima. Así es como la abreviatura significa MPPT - Seguimiento del punto de máxima potencia (seguimiento del punto de máxima potencia).

Principios generales de los controladores MPPT

A primera vista de la pregunta, podría pensar: "Bueno, use el voltaje máximo posible, de modo que haya una corriente de carga máxima (carga de la batería)". Esto es lógico, pero en realidad no lo es. Esto se debe principalmente a la característica de voltaje de corriente de la célula solar.

En el modo operativo (útil), la celda solar (porción horizontal de la característica I - V) es una fuente de corriente, es decir, su corriente de salida depende solo ligeramente del voltaje en sus terminales. El voltaje de salida (Uoutc) depende de la resistencia de la carga conectada. Esto lo podemos ver en el CVC.

En la parte derecha, donde el voltaje es máximo, se ve el voltaje de circuito abierto Uхх, que está limitado por el número de elementos en la batería y su dispositivo interno. La corriente en este caso tiende a 0. Y viceversa, en el lado izquierdo, donde el voltaje tiende a 0 - voltaje de cortocircuito Uкз, y la corriente está limitada por la potencia de los elementos.

Si tomamos la fuerza actual de la batería solar en el área útil para un valor constante, entonces el voltaje estará determinado por la resistencia de carga, si es infinito, observaremos el modo inactivo (en Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), respectivamente, con un cortocircuito, la resistencia de carga tenderá a cero, como el voltaje de salida (en Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). La potencia máxima vendrá en una cierta relación de resistencia de carga, voltaje y corriente.

¿Qué significa todo esto? ¡Pasamos de baterías a controladores!

El controlador es un enlace intermedio entre la batería solar y la batería., regula la corriente de carga a través de un PWM, por ejemplo, o cualquier otro que el diseñador haya elegido. Pero solo aplicar voltaje directamente desde la batería no significa garantizar la máxima transferencia de energía de los paneles a la batería.

Para una carga efectiva, el controlador monitorea la corriente recibida de la batería y su voltaje de salida, así como la corriente suministrada por la batería y el voltaje en ella. Para asegurarnos de esto, seleccionamos 2 puntos arbitrarios en la característica I - V (lo damos aquí nuevamente) y comparamos la potencia en ellos con el punto de máxima potencia (TMM) indicado en la figura, en el cual la corriente parece no ser máxima ...

Digamos que tenemos una batería con un voltaje nominal de 12V, lo que significa que en el estado cargado tenemos aproximadamente 14.2-14.5 V en los terminales y aproximadamente 11V en el estado descargado, incluso si en un caso tenemos 13V y en el otro - 12V. Elegiremos dichos voltajes con la característica I - V para un análisis aproximado de potencia con una conexión directa "panel solar - batería".

De acuerdo con el CVC, en ambos casos, la batería dará una corriente de aproximadamente 3.6A, obtenemos la siguiente potencia transmitida durante la carga:

1) 13 * 3.6 = 46.8 W

2) 12 * 3.6 = 43.2 W

Y en el punto de máxima potencia marcado en la característica I - V:

3) 18.5 * 3.25 = 60.125W

El resultado es obvio: la potencia en el TMM es aproximadamente un 25-35% más, dependiendo de la carga de la batería. Pero, ¿cómo hacer que la batería emita corriente a un voltaje de 18.5V, en lugar del que está presente en los terminales de la batería?

Todo es simple y complejo al mismo tiempo: busque el punto de máxima potencia

Como se señaló anteriormente, el controlador se instala entre los paneles solares (batería) y las baterías, resulta que sirve como la carga de los paneles, y la batería como la carga del controlador, también es una fuente de alimentación secundaria. Cualquier fuente de energía y cualquier dispositivo en ingeniería eléctrica se pueden representar en forma de resistencia. Esto se llama resistencia "equivalente" o "reducida" (dependiendo del caso específico), que está determinada por la misma ley de Ohm, es decir, podemos decir que la resistencia de entrada del controlador es:

Rcont = Entrada / Iin. Contras

El voltaje del punto de máxima potencia de los paneles solares depende de varios factores:

• Iluminación

• Temperatura (la dependencia del CVC y la posición del TMM en la temperatura se muestra en la figura a continuación);

• Edad de los elementos, etc.

Por lo tanto, no funcionará establecerlo de manera fija y universal, además de que cambia de acuerdo con la resistencia de la carga y el consumo de corriente (la característica I - V idealizada se da arriba, en la práctica todavía habrá cierta pendiente en el área de trabajo).

Hay muchos métodos para encontrar este "mágico". En una realización, el controlador MPPT escanea las características de voltaje de corriente de las células solares para determinar los parámetros óptimos para las condiciones de funcionamiento actuales, por ejemplo, al cambiar la corriente de entrada, su resistencia de entrada cambia en consecuencia. Usando sensores de corriente y voltaje, el sistema de control calcula el valor de potencia y lo compara con el anterior hasta que alcanza su valor máximo. Esto se llama el "método de perturbación y observación".

Dependiendo del método específico para determinar TMM y el dispositivo interno del controlador, incl. su firmware, la búsqueda de TMM ocurre con cierta frecuencia. Sin embargo, en la práctica, la mayoría de los métodos son similares y se basan en el principio de "desviarse y observar". En algunos modelos, es posible configurar este período en el rango de 1 vez en varios minutos a 1 vez en varias horas. Dependiendo de la frecuencia de la búsqueda, se determina el rendimiento general del sistema.

Como como resultado de cambiar los parámetros de entrada obtenemos la máxima potencia posible de elementos específicos, la siguiente tarea es darle la carga, es decir, usar la batería para cargar. Al final, todo se reduce a controlar un convertidor de potencia electrónico, digamos que tenemos una corriente TMM de 5A a un voltaje de 17.5V, esto es:

17.5 * 5 = 87.5 W

Por lo tanto, es posible darle a la batería con un voltaje de 12 V en los terminales la siguiente corriente:

87.5 / 12 = 7.3A

En la mayoría de los casos, la conversión se realiza utilizando un convertidor buck (buck) o un convertidor buck-boost. Estructuras típicas de convertidores que consideramos en el artículo anterior.

Mientras que cuando se usa ON / OFF o Controladores PWM La corriente de entrada y salida sería igual. Lo que conduce a una eliminación menos eficiente de la energía disponible, por ejemplo, dado que la corriente de entrada era de 5 A, con esta corriente de salida, la energía gastada en cargar las baterías sería igual a:

12 * 5 = 60 vatios.

Esto nuevamente ilustra los cálculos presentados en la discusión de las características de corriente - voltaje.

Sin embargo, no debe considerar la tecnología MPPT como una panacea para la energía solar. La diferencia en la eficiencia de carga de la batería usando el controlador MPPT y PWM es cuanto más pequeña, más se carga la batería. Cuando el voltaje en sus terminales (Uakb) aumenta, y la diferencia entre Umm disminuye, entonces se usa una gran potencia del panel solar.

De manera similar al ejemplo anterior, suponga que el voltaje en la batería no es 12, sino 13.5V, siempre que el panel solar funcione con los mismos parámetros, se verá así:

13.5 * 5 = 67.5W

Si a 12 V se usó el 68% de la potencia máxima, entonces a 13,5 V ya se usa el 77%. También tenga en cuenta que sus baterías no se cargarán constantemente, y no recibirán corriente de la misma potencia constantemente.Por lo tanto, en los controladores MPRT, generalmente se implementan varias etapas de carga, por ejemplo: MPPT (con potencia máxima) - ecualización - rápido (forzado) - soporte. Entre otras cosas, vale la pena recordar que la corriente de la batería solar no debe exceder la corriente nominal del controlador, de lo contrario, el uso máximo de energía no se realiza.

Pero todo esto no nos dice que los controladores MPPT no necesitan ser utilizados, sino que no deben ser sobreestimados.

El hecho es que en el segmento de menor precio, los dispositivos con tecnología MPPT son más caros que PWM, pero no siempre ... Por ejemplo, hay un controlador MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", cuyo costo está en el rango de $ 180, y un controlador PWM de precio similar ($ 180-200) con una corriente de salida de 20A STECA PR2020.

Al mismo tiempo, hay otro dispositivo PWM con la misma corriente de salida: "SRNE SR-HP2420" cuesta un poco más de $ 20, mientras que MPPT del mismo fabricante "SRNE SR-ML2420" con la misma corriente de salida, cuesta $ 85.

Precios para algunos modelos de controladores, lo consideraremos a continuación.

Resumen del mercado moderno para controladores MPPT

Ver la tabla en un archivo separado

La tabla no proporciona una lista completa de funciones y protecciones, ya que ocupa una gran cantidad. Para información, un conjunto típico de funciones se parece a esto:

• de la polaridad incorrecta de la conexión de la empresa conjunta y la batería;

• de cortocircuito en la entrada del panel solar;

• por cortocircuito en la carga;

• por sobrecalentamiento;

• apagar el panel solar después de llegar al final de la carga de la batería;

• desprendimiento de carga cuando el voltaje de la batería es demasiado bajo;

• de una ruptura en el circuito de la batería;

• evitar la descarga de la batería a través del panel solar por la noche;

• control de consumo de corriente por carga.

La tabla refleja el hecho de que el costo del controlador MPPT depende no solo de su corriente máxima (potencia), sino también del rango de voltajes de salida, la lista de baterías compatibles, la capacidad de conectar herramientas de visualización, visualización y monitoreo, y una serie de otros factores. La elección de un controlador es complicada y muy individual, por lo que al menos no tiene sentido hacer ninguna comparación y calificación.