Controlador de carga solar PWM:funcionamiento, dimensionamiento y selección

¿Qué es el controlador de carga solar con modulación de ancho de pulso (PWM)?

¿Qué es la modulación de ancho de pulso o un controlador de carga PWM?

Un PWM (Modulación de ancho de pulso ) el controlador es una transición (electrónica) entre los paneles solares y las baterías:

El controlador de carga solar (a menudo llamado regulador) es idéntico al cargador de batería estándar, es decir, controla la corriente que fluye desde el panel solar al banco de baterías para evitar sobrecargando las baterías. Como en un cargador de batería estándar, puede acomodar diferentes tipos de baterías.

El voltaje de absorción puede seleccionar el voltaje de flotación y, a menudo, también puede establecer el tiempo y la corriente de cola. Son los más adecuados para las baterías de fosfato de hierro y litio, ya que cuando el controlador está completamente cargado, permanece en el flotador fijo o mantiene un voltaje de aproximadamente 13,6 V (3,4 V por celda) durante el resto del día.

El perfil de carga más popular es la misma secuencia simple que se encuentra en un adaptador de red de calidad, es decir, modo a granel, modo de absorción, modo de flotación. La entrada al modo de carga masiva ocurre en:

• Amanecer en la mañana
• Si el voltaje de la batería cae por debajo del voltaje especificado por más tiempo que un período específico, por ejemplo, 5 segundos (reingreso)

Este reingreso al modo masivo funciona mejor para las baterías de plomo-ácido, ya que la caída y la caída de voltaje son más significativas que las baterías de litio, que retienen un voltaje más alto y más estable. por el resto del período de alta.

• Publicación relacionada: Controlador de carga solar MPPT:funcionamiento, dimensionamiento y selección

En el controlador de carga solar:

• El interruptor está ENCENDIDO mientras el modo de carga está en modo de carga masiva.
• El interruptor se enciende y se apaga cuando es necesario (modulado por ancho de pulso) para mantener el voltaje de la batería de absorción.
• Está APAGADO al final de la absorción cuando el voltaje de la batería disminuye al voltaje de flotación.
• El interruptor se enciende y se apaga de nuevo según sea necesario (modulado por ancho de pulso) para mantener el voltaje de la batería en el voltaje de flotación.

Observe que cuando el interruptor está apagado, el voltaje del panel estará en el voltaje de circuito abierto (Voc). Cuando el botón está en el panel, el voltaje será el voltaje de la batería + el voltaje disminuye entre la placa y el controlador.

La mejor combinación para un controlador PWM:

El panel que mejor se adapta a un controlador PWM es un panel con un voltaje justo por encima proporcionado para cargar la batería y teniendo en cuenta la temperatura, por lo general, una placa con un V_mp (voltaje máximo) de unos 18V para cargar una batería de 12V. A veces se los denomina fila de 12 V aunque tienen un V_mp de unos 18V.

A continuación se muestra el diagrama de bloques de un controlador de carga solar PWM típico.

Carga de 3 etapas PMW

Cargo masivo: El nivel de carga a granel es donde el dispositivo fotovoltaico continúa con gran parte de la carga de la batería. El dispositivo cargará la batería con una corriente y voltaje altos cuando el voltaje esté bajo. Cuando el voltaje al final de la batería es más significativo que este valor de mantenimiento durante la configuración, la carga directa debe detenerse.

Carga absorbida: Por lo general, después del primer paso de carga, la batería esperará un período para permitir que el voltaje disminuya naturalmente y luego alcance la etapa de carga equilibrada. La etapa también se llama carga de voltaje constante.

Cobro flotante: Es la última etapa de la carga en 3 etapas, conocida como carga por goteo. El goteo es una ligera corriente de carga a la batería a un ritmo bajo y constante. La mayoría de las baterías recargables pierden energía cuando están totalmente cargadas debido a la autodescarga. Si la carga se mantiene con la misma corriente baja que la tasa de autodescarga, puede mantener la capacidad de carga.

Ventajas del controlador solar PWM:

• El regulador PWM ha madurado y establecido técnicas.
• Estructura simple y rentable
• Fácil implementación del regulador PWM
• El presupuesto más bajo en una pequeña iniciativa

Contras del controlador de carga solar PWM:

• Baja tasa de conversión
• El voltaje de entrada debe equilibrar el voltaje del banco de la batería.
• Menos escalabilidad para el desarrollo de dispositivos
• Menos modo de carga
• Menos protección;

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Función del controlador de carga solar:

El controlador de carga central esencialmente regula el voltaje de la unidad y abre el circuito, deteniendo la carga cuando el voltaje de la batería aumenta a una cierta cantidad. Más controles de carga usaban un relé mecánico para abrir o apagar el curso, detener o iniciar la energía de la unidad de almacenamiento eléctrico.

Por lo general, las baterías de 12 V son para aplicaciones de energía solar. Los paneles solares pueden transmitir mucho más voltaje del que necesita la batería para cargarse. El voltaje de carga se mantendrá en el nivel más alto posible, mientras que el tiempo necesario para configurar completamente el equipo de almacenamiento eléctrico es mínimo. Ayuda a los sistemas solares a funcionar continuamente de manera óptima. La disipación de energía de los cables es significativamente baja al ejecutar un voltaje más alto en los cables de los paneles solares al controlador de carga.

Los controladores de carga solar también pueden controlar el flujo de electricidad inversa. Los controladores de carga discernirán si no hay energía proveniente de los paneles solares y abrirán el circuito separando los paneles solares de los dispositivos de la batería y deteniendo el flujo de corriente inversa.

Tipos de controlador de cargador solar:

Tres tipos de controlador de carga solar

1) Controles simples de 1 o 2 fases:tiene transistores conmutados para regular el voltaje en uno o dos pasos.

2) PWM (modulación de ancho de pulso):esta es la forma tradicional del controlador de carga, por ejemplo, xantrex, Blue Sky, etc. Es la norma de la industria en este momento.

3) Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT):MPPT identifica el voltaje y el amperaje de funcionamiento óptimos de la pantalla del panel solar y coincide con el del banco de celdas eléctricas.

Dimensionamiento de un controlador de carga solar PWM

Los controladores PWM no pueden restringir su rendimiento actual. Solo están usando la colección actual. Por lo tanto, si la matriz solar generará 40 amperios de corriente y el controlador de carga que está utilizando solo tiene una capacidad nominal de 30 amperios, el controlador podría dañarse. Es esencial asegurarse de que su controlador de carga sea paralelo, compatible y del tamaño correcto para sus paneles.

Al observar un controlador de carga, se observan muchos elementos en la lista de características o etiquetas. Un controlador PWM tendría una lectura de amperios, por ejemplo, un controlador PWM de 30 amperios. Refleja cuántos amperios puede acomodar el controlador, en el ejemplo anterior, 30 amperios. En general, el amperaje y el voltaje nominal son las dos cosas que desea ver en un control PWM.

A continuación, queremos observar el voltaje nominal del dispositivo. Nos informaría con qué voltaje cumplen los bancos de baterías del controlador. Puede usar bancos de baterías de 12 V o 24 V en esta situación. El controlador no podría funcionar con nada superior, como un banco de baterías de 48 V.

En segundo lugar, la corriente nominal de la batería es importante. En este caso, supongamos que tiene un controlador de carga de 30 amperios. Se recomienda una relación de protección de al menos 1,25, lo que significa que puede promediar la corriente de los paneles en 1,25 y luego equipararla a 30 amperios. Por ejemplo, cinco paneles de 100 vatios tendrán 5,29 x 5 =26,45 amperios en paralelo. 26,45 amperios x 1,25 =33 amperios, y eso será demasiado para el controlador. El panel encontrará más corriente de lo que se valora cuando la exposición a los rayos del sol es superior a 1000 vatios/m^2.

En tercer lugar, debemos fijarnos en la entrada máxima de energía solar. Le muestra cuántos voltios puede llegar al controlador. Este controlador no puede tolerar más de 50 voltios. Se trata de hacer paneles de 2 x 100 vatios en serie con un total de 22,5 V (voltaje de circuito abierto) x 2 =45 voltios. En este caso, estará bien cablear estos dos paneles en serie.

En cuarto lugar, deberíamos echar un vistazo a los terminales. Cada controlador normalmente tendrá el tamaño máximo del calibre terminal. Es fundamental al comprar cableado para su máquina.

Finalmente, observe el tipo de batería. Nos dice qué baterías son compatibles con el controlador de carga. Es esencial verificar, ya que no desea obtener baterías que el dispositivo controlador no puede alimentar.

Veamos a continuación otro ejemplo básico para dimensionar un controlador de carga solar PWM.

Ejemplo:

¿Cuál es el tamaño adecuado del controlador de carga solar PWM para un panel solar de 100 W y 12 V con I_SC (Corriente de cortocircuito) de 8A?

Solución:

Tendremos que sumar el factor de seguridad del 25% de corriente, es decir, 1,25 x I_SC para encontrar el tamaño apropiado del controlador de carga solar.

De esta manera; 8A x 1,25 =10A.

Por lo tanto, puede usar con seguridad un 10A, 12V de controlador de carga solar para este sistema básico de paneles solares.

Otra forma, si la carga total de CC conectada es de 12 V, 95 W.

Corriente de carga nominal =Carga CC total / Voltaje nominal del sistema =95 W / 12 V

Corriente de carga nominal =7,91 A

Factor de seguridad x corriente de carga nominal

1,25 x 7,91 =9,9A

Finalmente, un método básico de fórmula de potencia, es decir, P =V x I

I =(P/V) x 1,25

=(95W/12V) x 1,25

I =9.9A

Tenga en cuenta que tendrá que aplicar la misma fórmula para paneles solares y baterías conectados en serie y en paralelo de acuerdo con las clasificaciones de voltaje y corriente. Puede ver más ejemplos resueltos para dimensionar el controlador de carga PWM y MMPT en la publicación anterior.

La discrepancia entre los controladores de carga solar PWM y MPPT

El quid de la diferencia es:

• Con el controlador PWM, la corriente sale del panel justo por encima del nivel de la batería mientras
• Con el controlador MPPT, la corriente sale del panel en el botón de "tensión de alimentación máxima" (piense en el controlador MPPT como un "convertidor inteligente de CC a CC").

También verá eslóganes como "obtendrá un 20 % o más de recolección de energía de un controlador MPPT". Este extra también difiere significativamente, y lo siguiente es una referencia a si el panel está a plena luz del sol y el controlador está en modo de carga masiva. Ignorar las disminuciones de voltaje, usando un panel simple y matemáticas simples como ejemplo:

• Corriente de alimentación máxima del panel (Imp) =5,0 A
• Voltaje de alimentación máximo del panel (Vmp) =18 V

El voltaje del cargador =13 V (el voltaje de la batería puede variar entre, por ejemplo, 10,8 V completamente descargada y 14,4 V durante el modo de carga de absorción). A 13 V, el amplificador del panel sería un poco más alto que el amplificador de potencia total, digamos 5,2 A.

Con un controlador PWM, la salida del panel es 5,2A*13V =67,6 vatios. Esta suma de energía se obtendría independientemente de la temperatura del panel, siempre que el voltaje del panel se mantenga por encima del voltaje de la batería.

Con un controlador MPPT, la potencia de salida del panel es de 5,0A*18V =90 vatios, es decir, un 25 % más. Sin embargo, esto es excesivamente ambicioso ya que el voltaje disminuye a medida que aumenta la temperatura; por lo tanto, suponga que la temperatura del panel aumenta a 30 °C por encima de la temperatura de las condiciones normales de prueba (STC) de 25 °C. El voltaje cae un 4 por ciento cada diez °C, es decir, un total de 12 por ciento, la salida del MPPT sería 5A*15,84 V =79,2 W, es decir, un 17,2 por ciento más de potencia que el controlador PWM.

Por lo tanto, hay un aumento en la recolección de energía para los controles MPPT, pero el porcentaje de aumento en la recolección difiere considerablemente a lo largo del día.

Ventajas del cargador PWM

Cargar una batería alimentada por energía solar es un desafío único y desafiante. En los viejos tiempos, se usaban reguladores de encendido y apagado esenciales para reducir la batería de gas cuando el panel solar proporcionaba un exceso de electricidad. Sin embargo, a medida que los sistemas solares evolucionaron, se hizo evidente cuánto habían alterado el proceso de carga estos instrumentos simplistas.

La experiencia de los reguladores de encendido y apagado ha sido errores tempranos de batería, aumento de las desconexiones de carga y aumento de la frustración de los consumidores. PWM ha surgido recientemente como el primer avance en la carga de baterías solares. Los cargadores solares PWM utilizan hardware similar a la mayoría de los cargadores de batería modernos y de alta calidad.

A medida que el voltaje de la batería excede el límite de control, el algoritmo PWM disminuye lentamente la corriente de carga para evitar que la batería se caliente y gaseosa, mientras que la carga comienza a devolver la cantidad total de energía a la batería en el menor tiempo posible. Da como resultado una mejor eficiencia de carga, una recarga rápida y una batería de larga duración a máxima potencia.

Además, esta nueva forma de cargar baterías solares ofrece algunas ventajas de pulsación PWM muy fascinantes e inusuales.

Estos incluyen:

1. Capacidad para restaurar la energía de la batería reducida y disipar la batería
2. Aumente drásticamente la aprobación de la carga de la batería.
3. Conserve una alta capacidad general de la batería (del 90 % al 95 %) en relación con los rangos de estado de carga controlados de encendido y apagado, generalmente entre el 55 % y el 60 %.
4. Ecualice las celdas de deriva de la batería.
5. Limite el calentamiento y la gasificación de la batería.
6. Compensa automáticamente la antigüedad de la batería.
7. Autorregulación de aumentos de voltaje y efectos de temperatura en sistemas solares

Elegir el mejor controlador solar

El PWM es una opción decente de bajo costo:

• Para dispositivos más pequeños
• Donde la confiabilidad del dispositivo no es esencial (el proceso de carga)
• Para paneles solares con tensión nominal (Vmp) de hasta 18V para cargar una batería de 12V (36V para batería de 24V, etc.)
• El controlador MPPT es ideal para:
• Para redes más extensas donde vale la pena un 20%* adicional o más de recolección de energía;
• Donde el voltaje del panel solar es considerablemente más significativo que el voltaje de la batería, por ejemplo, al usar paneles domésticos para cargar baterías de 12 V;

Aplicaciones

En los últimos días, el método de producción de electricidad a partir de la luz solar se ha vuelto más común que otras fuentes alternativas, y los paneles fotovoltaicos están libres de emisiones y no requieren un alto mantenimiento. Aquí hay algunos ejemplos en los que estamos usando energía solar.

• Las farolas utilizan células fotovoltaicas para transformar la luz solar en carga eléctrica de CC. Esta máquina usa un dispositivo de carga solar para almacenar CC en las baterías y lo usa en varios lugares.
• Los sistemas domésticos utilizan el módulo fotovoltaico para fines domésticos.
• El panel solar híbrido utiliza varias fuentes de energía para proporcionar suministros de respaldo de tiempo completo a otras fuentes.

Nota:Este artículo es publicado por www.electricaltechnology.org