Controlador de carga solar MPPT:funcionamiento, dimensionamiento y selección

¿Qué es el controlador de carga solar con seguimiento del punto de máxima potencia (MMPT)?

¿Qué es el seguimiento del punto de máxima potencia o un cargador MPPT?

El MPPT o 'Seguimiento del punto de máxima potencia Los controles son mucho más sofisticados que los controladores PWM y permiten que el panel solar funcione en su punto de máxima potencia o, más precisamente, en el voltaje óptimo para la máxima potencia de salida. Con esta tecnología inteligente, los controladores de carga solar MPPT pueden ser hasta un 30 % más efectivos según el voltaje y el voltaje del panel solar adjunto.

Como referencia general, los controladores de carga MPPT se pueden usar en todos los sistemas de mayor potencia que usan dos o más paneles solares o si el voltaje del panel (V_mp ) es de 8 V o más que el voltaje de la batería; consulte la definición completa a continuación.

El MPPT es esencialmente un convertidor de CC a CC eficaz para maximizar la potencia de salida de un panel solar. El primer MPPT fue inventado en 1985 por una pequeña empresa australiana llamada AERL y ahora es útil en casi todos los inversores solares conectados a la red y muchos controladores de carga solar.

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La teoría de funcionamiento del controlador de carga solar MPPT es elemental debido al grado cambiante de luz solar (irradiación) en el panel solar durante el día. El voltaje y la corriente del panel varían continuamente. Para obtener la mayor cantidad de electricidad, el rastreador del punto de mayor potencia realiza un barrido a lo largo del voltaje del panel para encontrar el "punto óptimo" o la combinación óptima de voltaje y corriente para proporcionar la mayor cantidad de energía. El MPPT está programado para monitorear y cambiar continuamente el voltaje para producir la mayor cantidad de electricidad, sin importar las condiciones climáticas.

Tenga en cuenta que, por lo general, solo los controladores MPPT de gama alta detectarán sombras parciales o controlarán varios puntos de alimentación. Mediante el uso de esta tecnología, el rendimiento del panel solar mejora y la cantidad de energía producida puede ser hasta un 30 % mayor que la del controlador de carga solar PWM.

El principio operativo del controlador de carga solar MPPT

La salida de la matriz fotovoltaica no es lineal. Lo determina la cantidad de luz solar, la temperatura de la atmósfera y el estado de la carga.

Con una intensidad de luz solar y una temperatura ambiental constantes, el conjunto fotovoltaico puede funcionar con varios voltajes de salida. Sin embargo, puede lograr la calidad de rendimiento de la matriz fotovoltaica con un límite de solo un voltaje de salida. En este punto, el punto de funcionamiento del conjunto fotovoltaico supera el umbral más alto de la curva de voltaje de potencia de salida, que se considera el "Punto de máxima potencia".

Por lo tanto, es necesario cambiar el punto de funcionamiento del conjunto fotovoltaico para mantenerlo cerca del punto de máxima potencia para aumentar su rendimiento general. Este concepto se conoce como "seguimiento del punto de máxima potencia".

El siguiente es el diagrama de bloques típico del controlador de carga solar MPPT.

Rendimiento y beneficios del controlador de carga solar MPPT

Ahora, equiparemos el controlador de carga solar MPPT con el controlador de carga solar general.

El controlador de carga solar general es como la caja de cambios manual de un automóvil. Si no subiéramos adecuadamente la caja de cambios a medida que aumentaba el régimen del motor, sin duda la velocidad del coche se vería afectada.

Hasta la distribución, debe establecer los parámetros de carga del controlador de carga solar general. Sin embargo, el controlador de carga solar MPPT puede monitorear el punto de máxima potencia del panel solar en tiempo real para lograr el máximo rendimiento. Al observar el punto de máxima potencia, cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la potencia máxima y mayor será la eficiencia de carga.

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El rendimiento del sistema de energía solar integrado con el controlador de carga solar MPPT es un 50 % superior al del controlador de carga solar convencional. Sin embargo, según una evaluación realista, este número es del 20 al 30 por ciento, según la atmósfera circundante y la pérdida de electricidad.

En conclusión, debido a los costos de construcción, se reducirá el área de paneles solares montados en vehículos recreativos. Además, habría una falta significativa de productividad debido a la instalación plana del panel solar de RV.

También debe usar un controlador de carga solar apropiado para lograr el máximo rendimiento del sistema de RV solar.

Dimensionamiento de un controlador de carga solar MPPT

Entendamos esto con un ejemplo básico. Consulte el siguiente ejemplo para obtener más detalles.

Suponga que tiene 4 paneles solares de techo de 100 vatios y todos están conectados en serie. cada uno de los paneles tiene un voltaje de circuito abierto de 22.5V. ¿Qué calificación del controlador MPPT es correcta?

Respuesta-

El voltaje en serie será=22.5 x 4

V =90 V

La clasificación de voltaje escrita en el controlador MPPT debe ser de 90 V o el controlador debe aceptar 90 V

Dado que los controladores MPPT limitan su rendimiento, puede hacer que la matriz sea tan grande como desee y el controlador puede restringir la salida. Sin embargo, esto significa que la máquina no es tan efectiva como debería ser. Los controladores MPPT tendrán una lectura de amperios, por ejemplo, un controlador MPPT de 40 amperios. Si los paneles pueden generar 80 A de corriente, el controlador de carga MPPT solo puede generar 40 A de corriente, pase lo que pase.

Los controladores MPPT tendrán una lectura de amperios, por ejemplo, un controlador MPPT de 40 amperios. A diferencia de PWM, la clasificación de voltaje de entrada de los controladores MPPT es mucho más alta que los bancos de baterías que lo cargan. Se debe a la característica única del controlador MPPT de reducir el voltaje al voltaje del banco de la batería y luego aumentar la corriente para compensar la falta de energía. No es necesario utilizar un alto voltaje de entrada para evitar conexiones en serie en sistemas pequeños, pero esto es muy útil en sistemas más grandes.

Supongamos que la marca del controlador indica que puede admitir bancos de baterías de 12 V o 24 V. Busque la importancia de Rov. Por ejemplo, si es Rov-40, la corriente es la tasa de 40 amperios.

En tercer lugar, debemos observar el voltaje de entrada solar más alto. Por ejemplo, si el controlador MPPT admite 100 voltios de entrada, puede tomar hasta 100 voltios y cambiarlo a su batería de 12 V o 24 V. Supongamos que tiene 4 paneles de 100 vatios en serie, cada uno con un voltaje de circuito abierto de 22,5 V. Los 4 de la secuencia serán 4 x 22,5 V =90 Voltios, que tendrá en cuenta el controlador.

Ejemplo

Entendamos esto con un ejemplo aquí. Suponga que una habitación tiene las siguientes cargas de CC que tienen una clasificación de 24 V; cuatro lámparas de 25 W y dos ventiladores de 25 W

Todas las cargas mencionadas anteriormente están alimentadas por dos módulos fotovoltaicos conectados en paralelo, cada módulo fotovoltaico tiene una corriente de punto de potencia máxima IMP de 5 A y una corriente de cortocircuito ISC de 8 A. Ahora tenemos que encontrar el voltaje nominal del sistema, la corriente nominal del conjunto de elementos fotovoltaicos y la corriente de carga nominal del controlador de carga solar.

Carga CC total =(N.º de lámparas × Vataje de cada lámpara) + (N.º de ventiladores × Vataje de cada ventilador)

Carga CC total =(4 × 25) + (2 × 25) =100 + 50 =  150 W

El voltaje nominal del sistema del controlador de carga solar es el mismo que el voltaje nominal de la carga y el conjunto de paneles.

Corriente nominal del conjunto de elementos fotovoltaicos =2 × 8 (la corriente de cortocircuito de cada módulo fotovoltaico es de 7 A y están conectados en paralelo)

Corriente nominal del conjunto de elementos fotovoltaicos =16 A

Considerando el factor de seguridad de 1,25, la corriente nominal del conjunto de elementos fotovoltaicos es 1,25 × 16 =20 A

Corriente de carga nominal =Carga CC total / Voltaje nominal del sistema =150/24

Corriente de carga nominal =6,25 A

Por lo tanto, necesita un controlador de carga solar MPPT de 6,25 A para el sistema fotovoltaico. Vea más ejemplos resueltos para dimensionar el controlador de carga PWM y MMPT en la publicación anterior.

¿Cuáles son los diferentes 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 (anchura de pulso modulada) :esta es la forma tradicional del controlador de carga, por ejemplo, xantrex, Blue Sky, etc. Son 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.

Cómo elegir el mejor controlador de carga para un trabajo

Controladores de carga MPPT frente a PWM

MPPT

MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) es una tecnología moderna y más eficaz. A medida que aumenta la potencia y el voltaje del panel solar, más y más paneles necesitan controladores de carga MPPT.

Con los controladores MPPT, la energía solar entrante pasa a un voltaje comparativamente más alto y el controlador reduce el voltaje para la carga correcta de la batería. La corriente entrante aumenta proporcionalmente con pérdidas insignificantes, lo que resulta en un cargador solar altamente efectivo.

PWM

Los controladores de carga PWM (modulación de ancho de pulso) dependen de un hardware más antiguo y menos confiable y le permiten ajustar el voltaje del panel solar al voltaje de la batería. Por ejemplo, si tuviera que hacer funcionar un panel solar nominal de 12 voltios a través de un controlador de carga PWM, necesita un banco de baterías de 12 voltios.

Los controladores PWM no son tan confiables y pueden perder alrededor del 20 % de la energía entrante debido a la falta de eficiencia. Por ejemplo, un panel de 100 vatios/12 voltios produce aproximadamente 5,5 amperios a 18 voltios en condiciones máximas. El uso de un controlador PWM reducirá la potencia a aproximadamente 14,5 voltios a 5,5 amperios u 80 vatios (14,5 V x 5,5a =80 vatios).

Existen restricciones sobre las opciones de equipos, incluido el uso de paneles solares nominales de 12 o 24 voltios. Por lo general, los controladores PWM son más pequeños y tienen límites firmes en las opciones de equipos disponibles porque necesitan el mismo voltaje que el banco de baterías.

Debido a esto, la mayoría de nuestros clientes residenciales se apegan a los controladores MPPT para sistemas más grandes. Los controladores de carga PWM también son famosos por aplicaciones más pequeñas, como vehículos recreativos, pequeñas cabinas aisladas de la red y sitios industriales remotos que requieren cantidades limitadas de electricidad.

Compatibilidad de equipos

Podemos hacer coincidir los controladores de carga con las instalaciones solares con características eléctricas idénticas. Para elegir el mejor controlador, consulte los siguientes atributos:

• Voltaje de entrada: el voltaje más alto que el controlador puede soportar. Generalmente oscila entre 100 y 600 V CC para controladores de carga MPPT.
• Voltaje de la batería: el voltaje del controlador de carga debe ser consistente con el voltaje del banco de la batería. La mayoría de los controladores pequeños son de 12 V o 24 V, mientras que los controladores más grandes suelen configurarse en 12/24/36/48 voltios.
• Actual: amperios de carga completa, por ejemplo, 100 amperios para FM100 AFCI
• Tipo de batería: asegúrese de que el controlador de carga esté clasificado para acomodar el tipo de batería que está utilizando (la mayoría de los controladores de carga están diseñados para baterías de plomo-ácido, por lo que este punto es importante para el Li-ion).

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Cumplimiento del código y seguridad

Verifique que el controlador haya obtenido la acreditación para cumplir con los estándares de construcción municipales y la legislación de seguridad. Busque la siguiente información:

• Listado por UL según UL 1741
• Protección de falla a tierra (GFCI)
• UL 458 (para aplicaciones móviles)
• Protección contra fallas de arco (AFCI)

Monitoreo en línea

La mayoría de los controladores pueden vincularse a un servicio de seguimiento para que pueda verificar el rendimiento de su dispositivo de forma remota. Explore los portales de rastreo compatibles para asegurarse de que brinden toda la funcionalidad que necesita para rastrear el éxito de su dispositivo. En ciertos casos, la supervisión y el control remotos requerirán hardware adicional.

Comunicación

Muchos controladores de carga se conectarán en red con inversores, pantallas de batería, arrancadores de generadores automáticos, baterías de iones de litio, etc. Verifique la capacidad de red del controlador para asegurarse de que funciona bien con otros aspectos del dispositivo.

Control auxiliar

El control auxiliar permite que el controlador desconecte automáticamente otros componentes del dispositivo según los criterios definidos por el usuario final. Es útil para monitorear dispositivos cableados como interruptores de arranque automático, desvío de carga y más. Por lo general, implica la adición de relés graduados adecuadamente para alimentar sus sistemas.

Eficiencia y Autoconsumo

El controlador de carga en sí mismo absorbe electricidad, lo que significa que su procesamiento de señal no es 100 % confiable. Busque controladores de carga de bajo consumo y alto rendimiento. La mayoría de los controladores de carga MPPT tienen una eficacia del 98 % o superior, mientras que los controladores PWM y las soluciones MPPT de menor costo están a la altura.

Aplicaciones de los controladores de carga solar MPPT

El siguiente sistema básico de instalación de paneles solares muestra la regla importante del controlador de carga solar y un inversor. El inversor (que convierte la energía de CC de las baterías y los paneles solares en energía de CA) se utiliza para conectar los aparatos de CA a través del controlador de carga. Por otro lado, los electrodomésticos de CC se pueden conectar directamente al controlador de carga solar para alimentar la energía de CC a los electrodomésticos a través de paneles fotovoltaicos y baterías de almacenamiento.

Un sistema de alumbrado público solar es un sistema que utiliza un módulo fotovoltaico para transformar la luz solar en electricidad de CC. El dispositivo usa solo energía de CC e incluye un controlador de carga solar para almacenar CC en el compartimiento de la batería para que no sea visible durante el día o la noche.

El sistema solar doméstico utiliza la energía generada por el módulo fotovoltaico para alimentar electrodomésticos u otros electrodomésticos. El dispositivo incluye un controlador de carga solar para almacenar CC en el banco de baterías y un traje para usar en cualquier entorno donde la red eléctrica no esté disponible.

El sistema híbrido consta de varias fuentes de energía para proporcionar energía de emergencia a tiempo completo u otros fines. Por lo general, integra una matriz solar con otros medios de generación, como generadores diésel y fuentes de energía renovable (generador de turbina eólica e hidrogenerador, etc.). Incluye un controlador de carga solar para almacenar CC en un banco de baterías.

El sistema solar de bombeo de agua es un sistema que utiliza energía solar para bombear agua de depósitos naturales y superficiales para la casa, el pueblo, el tratamiento de agua, la agricultura, el riego, la ganadería y otras aplicaciones.

El controlador de carga solar MPPT minimiza la complejidad de cualquier sistema manteniendo alta la salida del sistema. Además, puede usarlo con otras fuentes de energía más variadas.