Capítulo 1: ¿Qué es un controlador de carga solar?

Un controlador de carga solar, o regulador de carga solar, es un instrumento importante en casi todos los sistemas de energía solar que utilizan baterías como solución de almacenamiento de energía química. Se utiliza de forma independiente o sistemas híbridos de energía solar pero no se usa en sistemas rectos conectados a la red, que no tienen baterías recargables.

sistema de energía solar independiente

Sistema de energía solar autónomo

Sus dos funciones básicas son muy sencillas:

  1. Evita que las baterías se sobrecarguen
  2. Bloquea el flujo de corriente inversa.

La sobrecarga puede provocar el sobrecalentamiento de la batería o, en una posibilidad extrema, un incendio. Las baterías inundadas de ciclo profundo sobrecargadas también podrían emitir gas de hidrógeno, que es explosivo. Además, la sobrecarga arruinará rápidamente la batería, acortando así su vida útil drásticamente.

Batería de plomo-ácido quemada

Batería de plomo-ácido quemada

Los controladores de carga solar pueden impedir el flujo de corriente inversa de las baterías a los paneles solares por la noche cuando el voltaje de los paneles solares es menor que el de las baterías.

Además, los controladores de carga solar tienen otras características opcionales, como sensor y compensación de temperatura de la batería, desconexión de bajo voltaje (LVD), control de carga (del anochecer al amanecer), pantallas, monitoreo remoto y control de carga de desvío.

Vamos a sumergirnos en el artículo para comprobar estas funciones y características una por una.

Capítulo 2: Carga de una batería: carga en varias etapas

Pero antes de sumergirnos directamente en Capítulo 3: Funciones y características de un controlador de carga solar, será mejor que echemos un vistazo a la información necesaria sobre la carga de una batería.

Si ya está bastante familiarizado con esta información, puede saltar al capítulo 3 desde aquí.

Vierta agua en una taza

Vierta agua en una taza

2.1 Breve interpretación

Imagínese vertiendo agua en una taza; al principio, verterá a un ritmo más rápido; cuando la taza está casi llena, el flujo de agua disminuye para que el agua no se desborde de la taza. Por el contrario, si sigue vertiendo agua a un ritmo más rápido, le resultará difícil detener el flujo a tiempo al final y el agua se desbordará de esa taza.

Cargando batería solar

Cargando batería solar

La misma teoría se aplica a la carga de una batería:

  • Cuando la batería está baja, el controlador de carga entrega mucha energía para una carga rápida
  • Cuando la batería está casi llena, ralentiza el cargador regulando su voltaje y corriente.
  • Cuando la batería está llena, envía solo un poco de energía para mantener una carga completa.

Esta es la llamada carga de múltiples etapas.

2.2 Ejemplo: 3-4 etapas

Puntos de ajuste:

Para asegurarse de que puede comprender fácilmente el siguiente contenido, que se refiere a un ejemplo de carga de múltiples etapas (3-4 etapas), primero expliquemos la jerga "puntos de ajuste".

En breve,

el controlador de carga solar está configurado para cambiar su tasa de carga a voltajes específicos, que se denominan puntos de ajuste.

Los puntos de ajuste suelen tener compensación de temperatura, y analizaremos este tema después del ejemplo de carga de varias etapas.

Ahora, veamos el ejemplo en detalle.

El siguiente es un ejemplo de MorningStar, que tiene 4 etapas de carga.

MorningStar 4 etapas de carga

Fuente: MorningStar, 4 etapas de carga

2.2.1 Etapa 1: Carga a granel

En esta etapa, el banco de baterías está bajo y su voltaje es menor que el punto de ajuste del voltaje de absorción. Por lo tanto, el controlador de carga solar enviará tanta energía solar disponible como sea posible al banco de baterías para su recarga.

2.2.2 Etapa 2: Carga de absorción

Cuando su voltaje alcanza el punto de ajuste de voltaje de absorción, el voltaje de salida del controlador de carga solar mantendrá un valor relativamente constante. La entrada de voltaje constante evita que el banco de baterías se sobrecaliente y gasee en exceso. Normalmente, el banco de baterías podría estar completamente cargado en esta etapa.

2.2.3 Etapa 3: Carga flotante

Como sabemos, el banco de baterías está completamente cargado en la etapa de absorción y una batería completamente cargada ya no puede convertir la energía solar en energía química. La energía adicional del controlador de carga solo se convertirá en calefacción y gasificación, ya que se está sobrecargando.

Goteo del grifo

Goteo del grifo

La etapa de flotación está diseñada para evitar que el banco de baterías se sobrecargue a largo plazo. En esta etapa, el controlador de carga reducirá el voltaje de carga y entregará una cantidad muy pequeña de energía, como goteo, para mantener el banco de baterías y evitar un mayor calentamiento y gasificación.

2.2.4 Etapa 4: Carga de ecualización

La carga de ecualización utiliza un voltaje más alto que el de la carga de absorción, para nivelar todas las celdas de un banco de baterías. Como sabemos, las baterías en serie y / o en paralelo constituyen un banco de baterías. Si algunas celdas del banco de baterías no están completamente cargadas, esta etapa las hará todas completamente recargadas y completará todas las reacciones químicas de la batería.

Agua hirviendo

Agua hirviendo

Dado que sigue la etapa 3 (cuando el banco de baterías está completamente recargado), cuando aumentamos el voltaje y enviamos más energía a las baterías, los electrolitos parecerán que están hirviendo. En realidad, no hace calor; es hidrógeno generado a partir de los electrolitos, que produce muchas burbujas. Estas burbujas agitan los electrolitos.

Agitar los electrolitos regularmente de esta manera es esencial para un banco de baterías inundado.

Podemos considerarlo una sobrecarga periódica, pero es beneficioso (a veces imprescindible) para determinadas baterías, como las baterías inundadas y las baterías no selladas, como AGM y Gel.

Por lo general, puede encontrar en las especificaciones de la batería cuánto tiempo debe durar la carga de ecualización y luego establecer el parámetro en el controlador de carga en consecuencia.

2.3 Por qué los bancos de baterías inundados necesitan ecualización

En breve,

para evitar la sulfatación de una batería de plomo-ácido.

reacción química de descarga

La reacción química de la descarga.

Las reacciones químicas de la descarga de la batería generan cristales de sulfato de plomo blandos, que generalmente se adhieren a la superficie de las placas. Si la batería sigue funcionando en este tipo de condiciones, a medida que pasa el tiempo, los cristales de sulfato blando se multiplicarán y se volverán cada vez más duros, lo que hará que sea bastante difícil volver a convertirlos en blandos, o incluso activar más materiales que formaban parte de el electrolito.

La sulfatación de las baterías de plomo-ácido es el flagelo de una falla en la batería. Este problema es común en los bancos de baterías con poca carga a largo plazo.

Si se carga por completo, los cristales de sulfato blando se pueden convertir nuevamente en materiales activos, pero una batería solar rara vez se recarga por completo, especialmente en un sistema fotovoltaico solar que no está bien diseñado, donde el panel solar es demasiado pequeño o el banco de baterías es demasiado grande. .

Sulfatación de la batería de plomo-ácido

Sulfatación de la batería de plomo-ácido

Solo una sobrecarga periódica a alto voltaje puede resolver este problema; a saber, la carga de compensación, que funciona a alto voltaje, genera burbujas y agita el electrolito. Es por eso que la etapa 4 es esencial para un banco de baterías inundado. En muchos sistemas solares fuera de la red, generalmente usamos un generador + cargador para igualar la batería solar inundada periódicamente, de acuerdo con las especificaciones de la batería.

2.4 Puntos de ajuste de control frente a temperatura

Dado que el punto de ajuste de absorción (etapa 2), el punto de ajuste de flotación (etapa 3) y el punto de ajuste de ecualización (etapa 4) se pueden compensar por la temperatura si hay un sensor de temperatura, nos gustaría dejar algunas palabras para este pequeño tema.

En algunos controladores de carga avanzados, los puntos de ajuste de carga de varias etapas fluctúan con la temperatura de la batería. Esto se denomina función de "compensación de temperatura".

El controlador tiene un sensor de temperatura, y cuando la temperatura de la batería es baja, el punto de ajuste aumentará y viceversa; se ajustará en consecuencia una vez que la temperatura aumente.

Sonda del sensor de temperatura

Sonda del sensor de temperatura

Algunos controladores tienen sensores de temperatura incorporados, por lo que deben instalarse cerca de la batería para detectar la temperatura. Otros pueden tener una sonda de temperatura que se debe conectar directamente a la batería; un cable lo conectará al controlador para informar la temperatura de la batería.

Si sus baterías se aplican a una situación en la que la fluctuación de temperatura es mayor a 15 grados Celsius todos los días, es preferible adoptar un controlador con compensación de temperatura.

2.5 Puntos de ajuste de control frente al tipo de batería

Cuando hablamos de tipo de batería, se recomienda otro artículo sobre baterías solares.

La mayoría de los sistemas de energía solar adoptan una batería de plomo-ácido de ciclo profundo, de las cuales hay 2 tipos: tipo inundado y tipo sellado. Una batería de plomo-ácido no solo es económica, sino que también es frecuente en el mercado.

Varios tipos de baterías solares

Varios tipos de baterías solares

Los tipos de batería también afectan el diseño de los puntos de ajuste para los controladores de carga solar; Los controladores modernos tienen la función de permitirle seleccionar los tipos de batería antes de conectarse a un sistema de energía solar.

2.6 Determinación de los puntos de ajuste ideales

Finalmente, llegamos a la teoría sobre la determinación de los puntos de ajuste ideales. Hablando francamente, se trata más de un equilibrio entre la carga rápida y la carga lenta de mantenimiento. El usuario de un sistema de energía solar debe tener en cuenta varios factores, como la temperatura ambiente, la intensidad solar, el tipo de batería e incluso las cargas de los electrodomésticos.

Es necesario hacer frente solo a los 1 o 2 factores principales; eso es suficiente en la mayoría de los casos.

Capítulo 3: ¿Cuál es la función del controlador de carga solar?

3.1 Prevención de la sobrecarga

Cuando una batería está completamente cargada, no puede almacenar más energía solar como energía química. Pero si se aplica energía continuamente a la batería completamente cargada a un ritmo alto, la energía se convertirá en calor y gaseamiento, lo que se presentaría como una batería inundada con muchas burbujas de los electrolitos. Ese es el gas hidrógeno, que se genera a partir de una reacción química. Estos gases son peligrosos porque son explosivos. La sobrecarga también acelera el envejecimiento de la batería. Y luego necesitamos un controlador de carga solar.

Batería dañada por sobrecarga

Batería dañada por sobrecarga

La función principal del controlador de carga solar es regular el voltaje y la corriente que generan los paneles solares que van a las baterías para evitar que las baterías se sobrecarguen y garantizar a las baterías un funcionamiento seguro y una vida útil más larga.

Hay 3 tipos de reguladores:

1. Regulador de corriente

Un regulador de corriente actúa como un interruptor. Simplemente enciende o apaga el circuito para controlar el flujo de energía al banco de baterías, al igual que la carga a granel de la etapa 1. Suelen denominarse controladores de derivación, que ya no se utilizan debido a su tecnología obsoleta.

2. Modulación de ancho de pulso (PWM)

Los controladores de derivación apagan la corriente por completo, mientras que el controlador PWM reduce la corriente gradualmente. PWM es más similar con la carga flotante de etapa 3.

Tendremos una discusión en profundidad sobre PWM y MPPT cuando comencemos el tema: PWM VS MPPT cuál es mejor.

3. Regulador de voltaje

La regulación de voltaje es común. El controlador de carga solar regula la carga en respuesta al voltaje de la batería. Es muy sencillo. Cuando el voltaje de una batería alcanza un cierto valor, el controlador protege la batería de la sobrecarga al reducir la potencia. Cuando el voltaje de una batería cae debido a una gran suma de consumo de energía, el controlador permitirá la carga masiva nuevamente.

3.2 Bloqueo de corriente inversa

La segunda función principal es evitar el flujo de corriente inverso.

Por la noche, o siempre que no haya luz solar, el panel solar no tiene energía para convertir en electricidad y, en un sistema de energía solar, el voltaje del banco de baterías será más alto que el voltaje del panel solar, ya que todos saber que la electricidad fluye de alto voltaje a bajo voltaje. Entonces, sin un controlador de carga, la electricidad fluirá desde el banco de baterías hasta el panel solar, lo que es un desperdicio de energía, ya que el sistema de energía solar se esfuerza por recolectar energía durante el día pero desperdicia un poco por la noche. Aunque la pérdida es solo una pequeña proporción de la energía total recolectada, no es difícil de resolver.

Bloqueo de corriente inversa por la noche

Bloqueo de corriente inversa por la noche

Un controlador de carga solar puede solucionar este problema.

La mayoría de los controladores permiten que el flujo vaya solo desde el panel solar a un banco de baterías al diseñar en el circuito un semiconductor, que solo pasa corrientes en una dirección.

Algunos controladores tienen un interruptor mecánico, que también se llama relé. Cuando el relé se enciende y apaga, escuchará un ruido metálico. Cuando el voltaje de los paneles solares es menor que el del banco de baterías, detecta y luego apaga el circuito, desconectando los paneles solares del banco de baterías.

3.3 Control de carga

Algunos controladores de carga solar están diseñados con control de carga, lo que le permite conectar una carga de CC, como una lámpara LED (un ejemplo concreto está en nuestro sitio web farolas LED solares todo en uno), directamente al controlador de carga solar, y el control de carga encenderá y apagará la lámpara de acuerdo con sus ajustes previos (el voltaje de la batería, el sensor de fotocélula o un temporizador).

Regulador de carga solar en farolas solares

Regulador de carga solar en farolas solares

Por ejemplo, comúnmente hay temporizadores en las farolas solares LED, y el control de carga leerá la hora del temporizador y luego ejecutará el comando: encienda el LED a las 7:00 pm al anochecer y apáguelo a las 6:00 am a la mañana siguiente. O el control de carga leerá la información del sensor de la fotocélula y luego controlará el encendido y apagado del LED de acuerdo con el brillo del entorno ambiental.

3.4 Desconexión por baja tensión (LVD)

Imagina que estás hirviendo agua en una olla y te olvidas de apagar el fuego hasta que el agua hirviendo se haya evaporado por completo; ya no hay agua en la olla seca y la olla se sobrecalienta. La olla se destruye de forma permanente. De la misma manera, descargar una batería solar por completo resultará en un daño permanente a la batería.

Olla quemada

Olla quemada

Baterías de ciclo profundo son ampliamente utilizados en sistemas de energía solar. La profundidad de descarga (DOD) podría llegar al 80%; sin embargo, son susceptibles de sufrir daños permanentes si se descargan hasta en un 90% o, peor aún, en un 100%.

Si espera para desconectar la carga de CC de sus baterías hasta que las luces se atenúen, es posible que el daño de la batería ya haya ocurrido. Tanto la capacidad de la batería como la esperanza de vida disminuirán cada vez que se produzca una descarga excesiva. Si la batería estuviera configurada para funcionar en este tipo de estado de sobredescarga durante un período de tiempo, se estropearía rápidamente.

La única solución práctica para proteger las baterías de una descarga excesiva es apagar y encender cargas (como electrodomésticos, luces LED, etc.), siempre que el voltaje se haya recuperado de la carga a granel.

Normalmente, si una batería de 12 V cae a 10.9 voltios, la batería estaría al borde de una descarga excesiva. Del mismo modo, 21.9 voltios para una batería de 24 V.

Desconexión de baja tensión

Desconexión de baja tensión

Si su sistema solar doméstico tiene algunas cargas de CC, la función LVD es necesaria. Algunos LVD están integrados en controladores de carga, mientras que otros no.

Protección contra sobrecarga 3.5

fusible

fusible

Cuando el flujo de corriente de entrada es mucho más alto de lo que el circuito puede manejar de manera segura, su sistema se sobrecarga. Esto puede hacer que su sistema se sobrecaliente o incluso provocar un incendio. La sobrecarga puede deberse a diferentes motivos, como un diseño de cableado incorrecto (cortocircuito) o un aparato problemático (un ventilador atascado). Comúnmente, un reinicio de botón está diseñado para el circuito de protección de sobrecarga.

Sin embargo, hay una protección de sobrecarga incorporada en cada controlador de carga solar; Los grandes sistemas de energía solar suelen requerir una doble protección de seguridad: fusibles o disyuntores. Si la capacidad de carga del cable es menor que el límite de sobrecarga del controlador, entonces es imprescindible instalar un fusible o disyuntor en su circuito.

Pantallas 3.6

Las pantallas de los controladores de carga solar varían desde indicadores LED hasta pantallas LCD, con información de voltaje y corriente. Las pantallas de los sistemas de energía solar son lo que los paneles de consola son para los automóviles. Le proporcionan datos detallados para que pueda controlar el estado de su banco de baterías: cuánta energía está utilizando o generando.

Controlador de carga solar con indicadores LED

Controlador de carga solar con indicadores LED

Si su sistema ya tiene un monitor autónomo, entonces la función de visualización no sería importante. Incluso el monitor más barato incluiría medidores básicos, al igual que los controladores.

Controlador de carga solar con pantalla LCD

Controlador de carga solar con pantalla LCD

Capítulo 4: controlador de carga PWM

4.1 Glosarios necesarios

Al principio, revisaremos algunos glosarios; consulte la siguiente tabla.

NominalCélulasUstedVmp
12V3622V17V
20V6038V30V
24V7244V36V
  • Voc, voltaje de circuito abierto, es el voltaje máximo a través de una celda fotovoltaica, cuando mide un panel solar en condiciones de prueba teóricamente estándar (STC) con solo un voltímetro conectado. El voltaje que recibe el medidor es el Voc.
  • Vmp, voltaje a máxima potencia, es el voltaje de salida de los paneles solares cuando se conectan al sistema fotovoltaico.
  • Tensión nominal es un voltaje de referencia que se utiliza para clasificar los equipos solares en un sistema fuera de la red. En un sistema conectado a la red, los voltajes nominales (12v, 24v y 48v) no tienen sentido.

Panel solar monocristalino de 120W nominal 12V con 36 piezas de cuadrados de silicio

Panel solar monocristalino de 120W nominal 12V con 36 piezas de cuadrados de silicio

Aunque cargar una batería requiere un voltaje más alto, los voltajes nominales pueden ayudarlo a encontrar el equipo correspondiente (como un banco de baterías) con el que puede coincidir un panel solar.

¿Entonces

un panel solar de 12V en realidad tiene Voc de 22V y Vmp de 17V, con 36 piezas de cuadrados de silicio en la parte frontal.

De manera similar, los

el panel solar de 24V tiene Voc de 44V y Vmp de 36V, con 72 piezas de cuadrados de silicio.

Quizás se esté preguntando: ¿por qué un panel de 12 voltios no es de 12 voltios?

Aquí está el trato.

4.2 Por qué los paneles de 12 voltios son 17 voltios

Una batería de 12 V completamente cargada es en realidad de aproximadamente 12.6 voltios; para cargar una batería de 12 V, necesitamos un voltaje de entrada más alto, alrededor de 13.7-14.4 voltios de un panel solar. Pero, ¿por qué diseñamos el panel solar Vmp a 17V y no solo a 14V?

El Voc de un panel solar se mide en condiciones de prueba estándar o STC, y el Vmp también se mide en STC, donde la temperatura ambiente no es demasiado alta, la intensidad de la luz solar es perfecta: sin nubes, sin neblina. Sin embargo, no siempre tenemos tanta suerte. Si nos encontramos con mal tiempo, por ejemplo, días nublados o brumosos, el voltaje de un panel solar bajará; por lo tanto, los paneles deben diseñarse con un voltaje adicional para que su sistema pueda recibir suficiente voltaje, incluso si el clima no es ideal; es decir, sin luz solar.

4.3 Tipos de controladores de carga:

Hay 3 tipos de controladores de carga solar:

  • Controladores de derivación
  • PWM
  • MPPT

Controladores de derivación: Mencionamos los controladores de derivación cuando hablamos de la regulación actual: actúan como un interruptor, activando y desactivando el flujo de corriente a una batería. Es posible que todavía vea algunos en sistemas antiguos, aunque ya se han retirado del mercado. PWM y MPPT son los 2 tipos principales que prevalecen en la actualidad.

Ahora

Vayamos primero a PWM.

4.4 ¿Qué es el controlador de carga solar PWM?

PWM (Pulse Width Modulated), literalmente, funciona modulando su ancho de pulso actual.

PWM envía a la batería pulsos de carga intermitentes en lugar de una salida de potencia constante. Funciona más como una carga flotante de etapa 3 que genera goteos de corrientes a la batería.

Pero qué tan rápido (frecuencia) y cuánto tiempo (ancho) debe producirse el pulso está determinado por el estado de la batería que detecta. Si la batería ya está completamente cargada y las cargas del sistema no funcionan, el PWM solo enviará un pulso muy corto cada pocos segundos; para una batería descargada, los pulsos serían casi continuos. Este es el principio de funcionamiento básico.

Aunque el PWM es menos costoso que el MPPT, debido al pulso agudo que genera el PWM, cuando se procesa un encendido y apagado rápido durante el trabajo, es posible que a menudo se interfieran con las señales de su televisor, radio o teléfono. Esa es la desventaja inherente de PWM.

Cuando su sistema elige PWM como controlador de carga, es importante hacer que el voltaje nominal de los paneles solares sea el mismo que el voltaje nominal de un banco de baterías;

a saber,

PWM en sistema de 12V

PWM en sistema de 12V

Si su banco de baterías es de 12V, también debe seleccionar el panel solar de 12V.

PWM en sistema de 24V

PWM en sistema de 24V

Y si su banco de baterías es de 24 V, entonces debe usar un panel solar de 24 V o cablear dos paneles solares de 12 V en serie para convertirlo en 24 V.

PWM en sistema de 48V

PWM en sistema de 48V

Pero si su banco de baterías es de 48V, entonces necesita cablear cuatro paneles solares de 12V en serie, o dos paneles solares de 24V en serie, para obtener 48V.

Y así sucesivamente.

Mientras tanto, asegúrese de que las especificaciones de PWM también coincidan con las de su banco de baterías.

4.5 ¿Qué tamaño de controlador de carga solar necesito? PWM

¿Cómo dimensionar un PWM cuando diseñamos un sistema fotovoltaico fuera de la red?

Paso 1:, Obtenga el panel solar Isc (amperios de cortocircuito) y el panel solar Voc (voltaje de circuito abierto) de su placa de identificación, y averigüe cuántas cadenas en paralelo hay en la matriz solar.

placa de identificación del panel solar

Placa de identificación del panel solar

De la placa de identificación,

leemos el Voc 22.1V e Isc 8.68A, y confirmamos que es un panel solar nominal de 12V de Voc.

Comencemos con un ejemplo simple y supongamos que solo tenemos 1 cadena en paralelo.

Paso 2:, Multiplique Isc por el número de cadenas en paralelo.

8.68Isc x 1 cuerda = 8.68A

Paso 3:, multiplique por 1.25 factor de seguridad. (Por qué el factor es 1.25: consulte NEC 690.8 (A) (1) Corrientes del circuito de fuente fotovoltaica)

8.68Isc x 1 cuerda x 1.25 = 10.85A

Entonces, podemos elegir un PWM cuya capacidad de carga actual debe ser mayor que 10.85A.

PWM en sistema 24V 2 strings

PWM en sistema 24V 2 strings

Ahora, veamos otro ejemplo con 2 cadenas en 2 paralelos usando el mismo panel de 140w mencionado hace un momento.

Pero recuerde: estamos usando un controlador de carga PWM, por lo que debemos prestar atención a cuántos paneles hay en cadenas para que el voltaje de la matriz solar coincida con el voltaje del banco de baterías.

En este ejemplo, tenemos 2 cadenas paralelas y 2 paneles en serie, por lo que la matriz solar es para un sistema de batería de 24 V.

8.68Isc x 2 cuerdas x 1.25 = 21.7A

Un controlador de carga solar 25A PWM sería suficiente.

Capítulo 5: controlador de carga MPPT

5.1 ¿Cómo funciona un controlador de carga solar MPPT?

Cuál es el Significado de MPPT.

MPPT es el acrónimo de Maximum Power Point Tracking, que es un tipo de seguimiento digital electrónico.

MPPT es más sofisticado, y también más caro, de los dos. MPPT tiene una eficiencia de conversión de alrededor del 94% al 98%. Es decir, la energía que entra (del panel solar) es casi igual a la energía que sale (al banco de baterías).

Los controladores de carga MPPT leen la salida de los paneles solares y el voltaje de las baterías para determinar el mejor punto de energía para extraer del panel solar; luego, el MPPT reduce el voltaje para alcanzar el voltaje de carga de la batería mientras aumenta la corriente. Al hacer esto, el MPPT puede aumentar la energía que finalmente obtenemos de los paneles solares en casi un 40%, en comparación con PWM, ya que PWM no puede aumentar la corriente para rastrear el punto de máxima potencia.

A diferencia de PWM, que requiere que los voltajes coincidan con ambos lados, MPPT se puede aplicar al sistema fotovoltaico, cuyo voltaje de la matriz solar es más alto que el del banco de baterías. Esta característica aporta al MPPT muchas ventajas, que discutiremos en el Capítulo 6.

Ahora,

Pasemos a los ejemplos para que pueda captar el punto rápidamente.

5.2 ¿Cómo dimensionar el controlador de carga solar mppt?

¿Recuerda los paneles nominales de 20 V con 60 piezas de celdas?

En el circuito PWM, son demasiado grandes para coincidir con un banco de baterías de 12 V y demasiado pequeños para un banco de baterías de 24 V, pero el MPPT puede resolver esta situación embarazosa.

El panel de 20V tiene 30Vmp y 9A Imp, y su potencia nominal = 30 x 9 = 270W.

Suponga que el panel de 20 V se aplica a la batería de 12 V. El MPPT convertirá 30 V a alrededor de 14 V para cargar la batería y aumentará la corriente para que pueda extraer la máxima potencia del panel solar.

Si reducimos 30 V a 14 V, la tasa disminuida es

30 / 14 2.14 =.

Entonces la corriente aumentada es

9 x 2.14 = 19.28A.

Finalmente,

30 x 9 = 14 x 19.28 = 270 vatios (la entrada es igual a la salida);

como la corriente de salida es 19.28 A, multiplicamos por 1.25 el factor de seguridad.

Obtenemos

19.28 x 1.25 = 24.1A.

Entonces, será bueno que elijamos un MPPT con una capacidad de corriente superior a 24.1A.

Otro ejemplo con 2 cadenas en 2 paralelos usando el panel nominal de 20 V para cargar la batería de 12 V: la potencia total en es

270 x 4 = 1080 W.

La salida actual sería

1080/14 = 77.14A.

Multiplicar por 1.25

77.14 x 1.25 = 96.43A.

Entonces, vamos a elegir un MPPT de 100A.

5.3 Dimensionamiento del controlador de carga: el voltaje del controlador

Una cosa más a la que debemos prestar atención al dimensionar un controlador de carga solar es el voltaje. Asegúrese de que el controlador sea capaz de transportar voltaje de entrada desde los paneles. Un controlador de carga de 150 V solo puede transportar tres paneles nominales de 20 V en serie. Quizás se pregunte… ¿3 x 20 = 60V? ¡Eso está muy lejos de 150V!

¿Por qué?

Esto se debe a que el voltaje real que generan los paneles solares podría ser mucho mayor que 20 V; a veces, más alto que el Vmp 30V. Entonces, usamos Voc para hacer el cálculo. Voc = 38V.

3 x 38 = 114 V

Luego, tres paneles nominales de 20 V en serie son 114 V

Tabla NEC 690.7

Tabla NEC 690.7

Dado que el voltaje del panel aumentará en el clima frío, consulte la Tabla 690.7 del NEC. Luego tomamos el factor más seguro, 1.25, multiplicamos 114v por 1.25,

obtenemos

114 x 1.25 = 142.5 V.

Ahora puede comprender por qué un controlador de 150 V solo puede admitir tres de 20 V en serie, especialmente en invierno.

Hoy en día, los controladores desarrollados recientemente podrían tener voltajes mucho más altos; algunos modelos incluso admiten una entrada de hasta 700 V. Esto es muy importante cuando su panel solar se instala lejos de su banco de baterías.

Exploremos la razón en el capítulo 6.

Capítulo 6: PWM vs. MPPT

6.1 PWM vs. MPPT: ¿Cuál es mejor?

Hemos aprendido sobre las características de ambos controladores (PWM y MPPT) en capítulos anteriores. Observamos bien que PWM no convierte el voltaje adicional en corrientes, lo que da como resultado tasas de conversión de energía bajas. En otras palabras, PWM no transfiere toda la energía que recolectan los paneles solares a las baterías, pero MPPT siempre rastrea el punto de máxima potencia de los paneles y ajusta sus corrientes y voltaje en consecuencia para que pueda transferir toda la energía recolectada por el panel solar. a la batería.

PWM frente a MPPT

PWM frente a MPPT

Un ejemplo concreto lo explicará claramente:

La fórmula física básica:

Potencia (vatios) = V (voltios) x I (amperios)

Si usamos un panel solar nominal de 12V, 100W para cargar un sistema de batería de 12V, el Vmp real es de 17V y podemos calcular su salida de corriente:

I = Potencia / V

I = 100/17 = 5.88 amperios

Ahora sabemos que la salida del panel es de 17 V y 5.88 A.

Escenario 1: El sistema fotovoltaico es con controlador de carga solar PWM.

PWM reducirá el voltaje hasta el voltaje de carga de la batería, aproximadamente 14V. Después de pasar por el PWM, la energía solar solo queda 14V y 5.88A.

Esto es:

P = V x yo = 14 x 5.88 = 82.32 W

Escenario 2: El sistema fotovoltaico es con el controlador de carga solar MPPT.

El MPPT no solo reduce el voltaje a 14 V, sino que también aumenta la corriente, de modo que la potencia casi equivale a apagarse.

Entonces, si el voltaje disminuye en 17/14 = 1.21

Luego, la corriente a la batería aumenta en 1.21, obtenemos

5.88 x 1.21 = 7.11 A

Total de energía

P = 14 x 7.11 = 99.54 W

En este ejemplo, la energía desperdiciada por PWM es

99.54 - 82.32 = 17.22 W

Casi el 20% de la energía no se convirtió en energía química de la batería. Si consideramos el escenario en una gran matriz solar, la pérdida podría ser tremenda.

Por lo tanto, es mejor usar MPPT para paneles solares grandes.

6.2 Los puntos fuertes de MPPT

a) Alta eficiencia de conversión

Si su sistema fotovoltaico viene con una matriz solar grande, MPPT sería la mejor opción para aumentar la conversión de energía solar, especialmente en climas fríos, ya que el voltaje del panel aumentará a medida que desciende la temperatura. La tasa de conversión de MPPT podría aumentar del 20% al 40%. Eso es energía verde y gratuita que realmente ahorra dinero en su factura.

Matriz de paneles solares en la distancia

Matriz de paneles solares en la distancia

b) Menor pérdida de energía en cables o menor costo de compra de cables.

Por favor recuerde Fórmula de la ley de Ohm

V (voltios) = R (ohmios) x I (amperios)

Potencia de salida P(Watts) = V (Voltios) x I (Amperios)

So

Pérdida de resistencia PR(Vatios) = R (ohmios) x I2 (Amperios)

Entonces, si sus paneles fotovoltaicos están instalados a una gran distancia de su banco de baterías, la pérdida de potencia de la resistencia del cable es considerable (PR = R x yo2  ). Aquí R representa la resistencia de los cables. R aumenta a medida que aumenta la longitud del cable:

Fórmula de resistencia del cable

Fórmula de resistencia del cable

Pero si duplicamos el voltaje de la matriz solar cableándolos en más series, según P = V x I, no hay cambios en la salida de potencia total P, por lo que la corriente a través del cable debería ser la mitad.

Finalmente, la resistencia PR(Vatios) = R (ohmios) x I2 (Amperios) será un cuarto que antes.

De hecho, con MPPT, podría aumentar aún más el voltaje del panel solar para reducir el flujo de corriente.

En este caso, aumentamos el voltaje del panel para reducir la pérdida de resistencia a través de los cables, y dado que estamos usando MPPT, que siempre rastrea para recolectar la máxima potencia de los paneles, no tenemos desperdicio de voltaje como el que puede tener PWM.

Podríamos revisar este tema desde otro aspecto. Si no puede aumentar el voltaje de los paneles, entonces debe buscar alguna solución para reducir la resistencia del cable, ya que resistencia = resistividad × longitud / área, parece que la única forma es usar cables con áreas transversales grandes, y esa será otra enorme suma de dinero para gastar.

En resumen, cuando se trata de sistemas pequeños, PWM es una buena solución ya que es económico, pero para sistemas grandes, para mejorar las tasas de conversión y no desperdiciar la capacidad del panel solar de aprovechar la energía solar, es preferible MPPT. MPPT siempre se aplicaría a sistemas de mayor potencia.

6.3 Pros y contras

Es necesario aprender información experta del contenido anterior antes de tomar la decisión de comprar un controlador de carga solar para su sistema fotovoltaico. También se sugiere una tabla de comparación que enumere la diferencia entre PWM y MPPT. Por lo tanto, reunimos sus pros y contras para que sea más conveniente para usted revisar.

VentajasDesventajas
PWM
  • La tecnología PWM ha estado disponible en sistemas fotovoltaicos durante mucho tiempo y es una tecnología relativamente estable y madura.
  • Son rentables y asequibles para la mayoría de los consumidores.
  • PWM puede soportar una carga de hasta 60 amperios actualmente
  • La mayoría de los PWM tienen una estructura de disipación de calor razonable que les permite trabajar de forma continua
  • PWM viene en diferentes tamaños para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones
  • Si se aplica PWM a sistemas solares fotovoltaicos, el voltaje del panel solar debe coincidir con el del banco de baterías
  • La capacidad de carga actual de un solo PWM no se ha desarrollado y todavía es de solo 60 amperios
  • Algunos controladores de carga PWM de tamaño más pequeño no pueden ser listados por UL debido a su diseño de estructura deficiente
  • Algunos PWM de menor tamaño no tienen accesorios de conducto
  • PWM tiene problemas de interferencia de señal a veces. Los controladores generan ruido en TV o radios
  • PWM limita la expansión de los sistemas solares fotovoltaicos hasta cierto punto
  • No se puede aplicar a paneles solares de alto voltaje fuera de la red.
MPPT
  • MPPT maximiza la conversión de energía solar de paneles fotovoltaicos, y las tasas pueden ser un 40% más eficientes que PWM
  • MPPT se puede utilizar en los casos en que el voltaje del panel solar es mayor que el voltaje de la batería.
  • MPPT puede soportar hasta 80 amperios de corriente de carga
  • MPPT ofrece garantías más largas que PWM
  • MPPT no limita la expansión de paneles solares en el sistema
  • MPPT es la única solución para un sistema de energía solar híbrido
  • MPPT es más caro que PWM. El precio de algunos modelos es el doble que el de un controlador de carga PWM
  • Dado que MPPT tiene más componentes y funciones, su tamaño físico es mayor que PWM.
  • Los MPPT son más complicados, por lo que la mayoría de las veces, necesitamos seguir una guía al dimensionar el panel solar
  • El controlador solar MPPT obliga constantemente a la matriz de paneles solares cableada en cadenas

6.4 ¿Todos los sistemas solares fotovoltaicos necesitan un controlador de carga?

La respuesta es no.

Por lo general, si su panel solar tiene menos de 5 vatios por cada 100 amperios por hora de batería, entonces no necesita un controlador de carga solar.

Aquí hay una fórmula que podemos usar:

Cociente = Capacidad de la batería (amperios hora) / Imp del panel solar (amperios)

Si el cociente es mayor que 200, no necesita un controlador; de lo contrario, será mejor que instales un controlador.

Por ejemplo, si tiene una batería de 200AH y un panel de 20W, el cociente sería 200 / 1.18 = 169.5; en este caso, necesita un controlador.

Si tiene una batería de 400AH y un panel de 10W, el cociente sería 400 / 0.59 = 677.9; en este caso, no necesita un controlador.

Glosarios

  • Puntos de ajusteLos voltajes específicos que se establecieron para que los controladores de carga cambien las tasas de carga.
  • DoD: Profundidad de descarga, la proporción de capacidad de la batería (amperios hora) extraída de una batería completamente cargada. Por ejemplo, si la capacidad total de la batería es de 100 Ah y ya se han descargado 40 Ah, entonces el DoD es del 40%.
  • Batería de ciclo profundo: Batería de plomo-ácido, que siempre se puede descargar profundamente a un estado de carga bajo. Las baterías de ciclo profundo tienen un DoD alto.
  • Diablillo: Corriente a máxima potencia; el cociente de potencia máxima por Vmp.
  • STC: Condiciones de prueba estándar, condiciones ideales en un laboratorio donde se prueba un accesorio.
  • Usted: Voltaje de circuito abierto, el voltaje máximo a través de una celda fotovoltaica, cuando mide un panel solar en condiciones de prueba teóricamente estándar (STC) con solo un voltímetro conectado. El voltaje que obtiene el medidor es el Voc.
  • Vmp: Voltaje a máxima potencia, el voltaje de salida de un panel solar cuando está conectado al sistema fotovoltaico.
  • Tensión nominal: Voltaje de referencia que se utiliza para clasificar los equipos solares en un sistema fuera de la red. En un sistema conectado a la red, los voltajes nominales (12v, 24v y 48v) no tienen sentido.
  • Isc: Corriente de cortocircuito, la corriente máxima a través de un circuito externo que no tiene carga ni resistencia.