O que é um controlador MPPT para carregamento solar

O MPPT é uma das maneiras de usar os recursos de uma fonte de energia, seja uma bateria solar ou um gerador eólico, mas neste artigo falaremos especificamente sobre energia solar. Sua principal característica é aumentar a eficiência de uma fonte alternativa “puxando” a quantidade máxima de energia, escolhendo uma tensão e corrente específicas.

A escolha desses parâmetros é reduzida à análise das características de tensão e corrente da fonte e à determinação de qual consumo de tensão e corrente a potência máxima será consumida. É assim que a abreviação significa MPPT - Rastreamento de ponto de potência máximo (rastreando o ponto de potência máxima).

Princípios Gerais dos Controladores MPPT

À primeira vista na pergunta, você pode pensar: "Bem, use a tensão máxima possível, para que haja uma corrente de carga máxima (carga da bateria)". Isso é lógico, mas na realidade não é. Isso se deve principalmente à característica de tensão de corrente da célula solar.

No modo operacional (útil), a célula solar (parte horizontal da característica I-V) é uma fonte de corrente, ou seja, sua corrente de saída depende apenas ligeiramente da tensão em seus terminais. A tensão de saída (Uoutc) depende da resistência da carga conectada. Isso podemos ver no CVC.

Na parte direita, onde a tensão é máxima, você vê a tensão de circuito aberto Uхх, limitada pelo número de elementos na bateria e seu dispositivo interno. A corrente neste caso tende a 0. E vice-versa, no lado esquerdo, onde a tensão tende a 0 - tensão em curto-circuito Uкз, e a corrente é limitada pela potência dos elementos.

Se tomarmos a força atual da bateria solar na área útil por um valor inalterado, a tensão será determinada pela resistência da carga, se for infinito, observaremos o modo inativo (em Rн = ∞ ⇒ Uoutc = Uр.хх), respectivamente, com um curto-circuito, a resistência da carga tenderá a zero, como a tensão de saída (em Rn = ∞ ⇒ Uoutc = Ucz). A potência máxima chegará a uma certa proporção de resistência de carga, tensão e corrente.

O que tudo isso significa? Passamos de baterias para controladores!

O controlador é um link intermediário entre a bateria solar e a bateria, regula a corrente de carga por meio de um PWM, por exemplo, ou qualquer outro que o designer tenha escolhido. Mas apenas aplicar a tensão diretamente da bateria não significa garantir a máxima transferência de energia dos painéis para a bateria.

Para uma carga efetiva, o controlador monitora a corrente recebida da bateria e sua tensão de saída, bem como a corrente fornecida pela bateria e a tensão nela. Para garantir isso, selecionamos 2 pontos arbitrários na característica I - V (a seguir mostramos aqui novamente) e comparamos a potência neles com o ponto de potência máximo (TMM) indicado na figura, no qual a corrente parece não ser máxima ...

Digamos que temos uma bateria com uma tensão nominal de 12V, o que significa que, no estado carregado, obtemos cerca de 14,2-14,5 V nos terminais e cerca de 11V no estado descarregado, mesmo que em um caso tenhamos 13V e no outro - 12V. Escolheremos essas tensões com a característica I - V para uma análise aproximada da potência com uma conexão direta “painel solar - bateria”.

Segundo o CVC, em ambos os casos, a bateria fornecerá uma corrente de cerca de 3,6A, obtemos a seguinte potência transmitida durante a carga:

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

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

E no ponto de potência máxima marcado na característica I - V:

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

O resultado é óbvio - a energia no TMM é aproximadamente 25-35% a mais, dependendo da carga da bateria. Mas como fazer com que a bateria libere corrente a uma voltagem de 18,5V, em vez da que está presente nos terminais da bateria?

Tudo é simples e complexo ao mesmo tempo - procure o ponto de potência máximo

Como observado anteriormente, o controlador é instalado entre os painéis solares (bateria) e as baterias, verifica-se que serve como carga dos painéis e a bateria como carga do controlador, também é uma fonte de energia secundária. Qualquer fonte de energia e qualquer dispositivo em engenharia elétrica podem ser representados na forma de resistência. Isso é chamado de resistência "equivalente" ou "reduzida" (dependendo do caso específico), que é determinado pela mesma lei de Ohm, ou seja, podemos dizer que a resistência de entrada do controlador é:

Rcont = Uinput / Iin. Cons.

A tensão do ponto de potência máxima dos painéis solares depende de vários fatores:

• Iluminação

• Temperatura (a dependência do CVC e a posição do TMM em temperatura são mostradas na figura abaixo);

• Idade dos elementos, etc.

Portanto, não funcionará para configurá-lo fixo e universal, além de mudar de acordo com a resistência da carga e o consumo de corrente (a característica ideal de I-V é dada acima, na prática ainda haverá alguma inclinação na área de trabalho).

Existem muitos métodos para encontrar essa "mágica". Em uma modalidade, o controlador MPPT varre as características de tensão de corrente das células solares para determinar os parâmetros ideais para as condições operacionais atuais, por exemplo, alterando a corrente de entrada, sua resistência de entrada muda de acordo. Utilizando sensores de corrente e tensão, o sistema de controle calcula o valor da potência e o compara com o anterior até atingir o valor máximo. Isso é chamado de "método de perturbação e observação".

Dependendo do método específico para determinar o TMM e o dispositivo interno do controlador, incl. No firmware, a busca pelo TMM ocorre com uma certa frequência. No entanto, na prática, a maioria dos métodos é semelhante e baseia-se no princípio de "desviar e observar". Em alguns modelos, é possível configurar esse período no intervalo de 1 vez em vários minutos a 1 vez em várias horas. Dependendo da frequência da pesquisa, o desempenho geral do sistema é determinado.

Como, como resultado da alteração dos parâmetros de entrada, obtemos a energia máxima possível de elementos específicos, a próxima tarefa é fornecê-la à carga, ou seja, usar a bateria para carregar. No final, tudo se resume a controlar um conversor de energia eletrônico, digamos que temos uma corrente TMM de 5A a uma tensão de 17,5V, isto é:

17,5 * 5 = 87,5 W

Portanto, é possível fornecer à bateria com tensão de 12 V nos terminais a seguinte corrente:

87,5 / 12 = 7,3A

Na maioria dos casos, a conversão é realizada usando um buck (buck) ou um conversor buck-boost. Estruturas típicas de conversores que consideramos no artigo anterior.

Enquanto que ao usar ON / OFF ou Controladores PWM corrente de entrada e saída seria igual. O que leva a um descarte menos eficiente da energia disponível, por exemplo, como a corrente de entrada era 5A, com essa corrente de saída, a energia gasta no carregamento das baterias seria igual a:

12 * 5 = 60 watts.

Isso ilustra mais uma vez os cálculos apresentados na discussão das características da corrente - tensão.

No entanto, você não deve considerar a tecnologia MPPT uma panacéia para a energia solar. A diferença na eficiência de carga da bateria usando os controladores MPPT e PWM é menor, quanto mais a bateria é carregada. Quando a tensão em seus terminais (Uakb) aumenta e a diferença entre Umm diminui, então uma grande potência do painel solar é usada.

Da mesma forma que no exemplo acima, suponha que a voltagem da bateria não seja 12, mas 13,5V, desde que o painel solar funcione com os mesmos parâmetros, terá a seguinte aparência:

13,5 * 5 = 67,5W

Se em 12V 68% da potência máxima foi usada, então em 13,5V 77% já está sendo usado. Observe também que suas baterias não serão carregadas constantemente e não receberão corrente da mesma energia constantemente.Portanto, nos controladores MPRT, geralmente são implementados vários estágios de carga, por exemplo: MPPT (com potência máxima) - equalização - rápido (forçado) - suporte. Entre outras coisas, vale lembrar que a corrente da bateria solar não deve exceder a corrente nominal do controlador, caso contrário, o uso máximo de energia não será realizado.

Mas tudo isso não nos diz que os controladores MPPT não precisam ser usados, mas apenas que eles não devem ser superestimados.

O fato é que, no segmento de preço mais baixo, os dispositivos com tecnologia MPPT são mais caros que o PWM, mas nem sempre ... Por exemplo, existe um controlador MPPT "EPSolar MPPT TRACER-2210A", cujo custo está na faixa de US $ 180 e um controlador PWM de preço semelhante (US $ 180-200) com uma corrente de saída de 20A STECA PR2020.

Ao mesmo tempo, há outro dispositivo PWM com a mesma corrente de saída - "SRNE SR-HP2420" custando pouco mais de US $ 20, enquanto o MPPT do mesmo fabricante "SRNE SR-ML2420" com a mesma corrente de saída, custa US $ 85.

Preços para alguns modelos de controladores, consideraremos abaixo.

Visão geral do mercado moderno de controladores MPPT

Veja a tabela em um arquivo separado

A tabela não fornece uma lista completa de funções e proteções, pois ocupa uma grande quantidade. Para informações, um conjunto típico de funções se parece com isso:

• da polaridade incorreta da conexão da joint venture e da bateria;

• de curto-circuito na entrada do painel solar;

• de curto-circuito na carga;

• de superaquecimento;

• desligar o painel solar depois de atingir o fim da carga da bateria;

• queda de carga quando a voltagem da bateria estiver muito baixa;

• de uma interrupção no circuito da bateria;

• impedir a descarga da bateria através do painel solar à noite;

• controle do consumo atual por carga.

A tabela reflete o fato de que o custo do controlador MPPT depende não apenas de sua corrente máxima (energia), mas também da faixa de tensões de saída, da lista de baterias suportadas, da capacidade de conectar ferramentas de exibição, exibição e monitoramento e vários outros fatores. A escolha de um controlador é complicada e muito individual, pelo que é inútil fazer comparações e classificações.