Capitolo 1: Cos'è un regolatore di carica solare?

Un regolatore di carica solare, o regolatore di carica solare, è uno strumento importante in quasi tutti i sistemi di energia solare che utilizzano batterie come soluzione di accumulo di energia chimica. È usato in stand-alone o sistemi solari ibridi ma non utilizzato in sistemi collegati alla rete diritti, che non hanno batterie ricaricabili.

sistema di energia solare autonomo

Sistema di energia solare autonomo

Le sue due funzioni di base sono molto semplici:

  1. Previene il sovraccarico delle batterie
  2. Blocca il flusso di corrente inversa.

Il sovraccarico può provocare il surriscaldamento della batteria o, in un'estrema possibilità, un incendio. Le batterie allagate a ciclo profondo sovraccaricate potrebbero anche emettere gas di idrogeno, che è esplosivo. Inoltre, il sovraccarico rovinerà rapidamente la batteria, riducendo così drasticamente la sua durata.

Batteria al piombo-acido bruciata

Batteria al piombo-acido bruciata

I regolatori di carica solare possono precludere il flusso di corrente inversa dalle batterie ai pannelli solari di notte quando la tensione dei pannelli solari è inferiore a quella delle batterie.

Inoltre, i regolatori di carica solare hanno altre caratteristiche opzionali, come sensore di temperatura della batteria e compensazione, disconnessione a bassa tensione (LVD), controllo del carico (dal tramonto all'alba), display, monitoraggio remoto e controllo del carico deviato.

Immergiamoci nell'articolo per controllare queste funzioni e caratteristiche una per una.

Capitolo 2: Ricarica di una batteria: ricarica in più fasi

Ma prima di tuffarci direttamente in Capitolo 3: Funzioni e caratteristiche di un regolatore di carica solare, faremmo meglio a dare un'occhiata alle informazioni necessarie sulla ricarica di una batteria.

Se hai già abbastanza familiarità con questa informazione, puoi saltare al capitolo 3 da qui.

Versare l'acqua nella tazza

Versa l'acqua in una tazza

2.1 Breve interpretazione

Immagina di versare dell'acqua in una tazza: all'inizio, verserai più velocemente; quando la tazza è quasi piena, il flusso dell'acqua rallenta in modo che l'acqua non trabocchi dalla tazza. Al contrario, se continui a versare acqua a un ritmo più veloce, è difficile per te interrompere il flusso in tempo alla fine e l'acqua traboccherà da quella tazza.

Ricarica della batteria solare

Ricarica della batteria solare

La stessa teoria si applica alla ricarica di una batteria:

  • Quando la batteria è scarica, il regolatore di carica fornisce molta energia per una ricarica rapida
  • Quando la batteria è quasi carica, rallenta il caricabatterie regolandone la tensione e la corrente.
  • Quando la batteria è carica, invia solo una piccola quantità di energia per mantenere una carica completa.

Questa è la cosiddetta ricarica multistadio.

2.2 Esempio: 3-4 fasi

Set point:

Per essere sicuri di poter comprendere facilmente il seguente contenuto, che fa riferimento a un esempio di ricarica in più fasi (3-4 fasi), spieghiamo innanzitutto il gergo "set point".

In breve,

il regolatore di carica solare è impostato per modificare la sua velocità di carica a tensioni specifiche, chiamate setpoint.

I punti di regolazione sono generalmente compensati in base alla temperatura e discuteremo questo argomento dopo l'esempio della carica a più stadi.

Ora esaminiamo l'esempio in dettaglio

Quello che segue è un esempio di MorningStar, che ha 4 fasi di ricarica.

MorningStar 4 fasi di ricarica

Fonte: MorningStar, 4 fasi di ricarica

2.2.1 Fase 1: carica all'ingrosso

In questa fase, il banco batterie è basso e la sua tensione è inferiore al setpoint della tensione di assorbimento. Quindi, il regolatore di carica solare invierà quanta più energia solare disponibile possibile al banco della batteria per la ricarica.

2.2.2 Fase 2: carica di assorbimento

Quando la sua tensione raggiunge il punto di regolazione della tensione di assorbimento, la tensione di uscita del regolatore di carica solare manterrà un valore relativamente costante. Un ingresso di tensione costante impedisce il surriscaldamento di un banco di batterie e l'eccessiva gassificazione. Di solito, il banco della batteria potrebbe essere completamente carico in questa fase.

2.2.3 Fase 3: carica variabile

Come sappiamo, il banco di batterie è completamente carico nella fase di assorbimento e una batteria completamente carica non può più convertire l'energia solare in energia chimica. Ulteriore potenza dal regolatore di carica verrà trasformata solo in riscaldamento e gas, poiché è un sovraccarico.

Goccia dal rubinetto

Goccia dal rubinetto

Lo stadio flottante è progettato per impedire il sovraccarico a lungo termine del banco batteria. In questa fase, il regolatore di carica ridurrà la tensione di carica e fornirà una quantità molto piccola di energia, come i gocciolamenti, in modo da mantenere il banco della batteria e precludere ulteriori riscaldamento e gas

2.2.4 Fase 4: carica di equalizzazione

La carica di equalizzazione utilizza una tensione superiore a quella della carica ad assorbimento, in modo da livellare tutte le celle di un banco batterie. Come sappiamo, le batterie in serie o / e parallele costituiscono un banco di batterie. Se alcune celle del banco batterie non sono completamente ricaricate, questa fase le farà ricaricare completamente e completerà tutte le reazioni chimiche della batteria.

Acqua bollente

Acqua bollente

Poiché segue la fase 3 (quando il banco di batterie è completamente ricaricato), quando aumentiamo la tensione e inviamo più potenza alle batterie, gli elettroliti sembreranno bollenti. In realtà, non è caldo; è l'idrogeno generato dagli elettroliti, che produce molte bolle. Queste bolle agitano gli elettroliti.

Mescolare regolarmente gli elettroliti in questo modo è essenziale per un banco di batterie allagato.

Possiamo considerarlo un sovraccarico periodico, ma è vantaggioso (a volte essenziale) per alcune batterie, come le batterie allagate e le batterie non sigillate, come AGM e Gel.

Di solito è possibile trovare nelle specifiche della batteria quanto dovrebbe durare la carica di equalizzazione, quindi impostare di conseguenza il parametro nel regolatore di carica.

2.3 Perché i banchi di batterie allagati necessitano di equalizzazione

In breve,

per impedire la solfatazione di una batteria al piombo.

reazione chimica di scarico

La reazione chimica della scarica

Le reazioni chimiche della scarica della batteria generano morbidi cristalli di solfato di piombo, che di solito sono attaccati alla superficie delle piastre. Se la batteria continua a funzionare in questo tipo di condizioni, con il passare del tempo, i cristalli molli di solfato si moltiplicheranno e diventeranno sempre più duri, rendendoli piuttosto difficili da riconvertire in quelli morbidi, o anche attivare ulteriormente i materiali che facevano parte di l'elettrolito.

La solfatazione delle batterie al piombo-acido è il flagello di un guasto della batteria. Questo problema è comune nei banchi di batterie a lungo termine e sottocariche.

Se caricati completamente, i morbidi cristalli di solfato possono essere riconvertiti in materiali attivi, ma una batteria solare raramente viene ricaricata completamente, specialmente in un sistema solare fotovoltaico non ben progettato, dove il pannello solare è troppo piccolo o il banco di batterie è sovradimensionato .

Solfatazione della batteria al piombo

Solfatazione della batteria al piombo

Solo un sovraccarico periodico ad alta tensione può risolvere questo problema; vale a dire, la carica di equalizzazione, che funziona ad alta tensione, genera bolle e mescola l'elettrolita. Ecco perché la fase 4 è essenziale per un banco di batterie allagato. In molti sistemi solari fuori rete, di solito usiamo un generatore + caricatore per equalizzare periodicamente la batteria solare allagata, secondo le specifiche della batteria.

2.4 Setpoint di controllo rispetto alla temperatura

Poiché il setpoint di assorbimento (stadio 2), il setpoint del galleggiante (stadio 3) e il setpoint di equalizzazione (stadio 4) possono essere tutti compensati per la temperatura se c'è un sensore di temperatura, vorremmo risparmiare qualche parola per questo piccolo argomento.

In alcuni regolatori di carica avanzati, i punti di regolazione della carica a più stadi variano con la temperatura della batteria. Questa è chiamata funzione di "compensazione della temperatura".

Il controller ha un sensore di temperatura e quando la temperatura della batteria è bassa, il setpoint verrà aumentato e viceversa - si regolerà di conseguenza una volta che la temperatura sarà più alta.

Sonda sensore di temperatura

Sonda sensore di temperatura

Alcuni controller hanno sensori di temperatura incorporati, quindi devono essere installati in prossimità della batteria per rilevare la temperatura. Altri possono avere una sonda di temperatura che dovrebbe essere collegata direttamente alla batteria; un cavo lo collegherà al controller per segnalare la temperatura della batteria.

Se le batterie vengono applicate a una situazione in cui la fluttuazione della temperatura è maggiore di 15 gradi Celsius ogni giorno, è preferibile adottare un controller con compensazione della temperatura.

2.5 Set point di controllo rispetto al tipo di batteria

Quando arriviamo al tipo di batteria, si consiglia un altro articolo sulle batterie solari.

La maggior parte dei sistemi di energia solare adotta una batteria al piombo-acido a ciclo profondo, di cui esistono 2 tipi: tipo allagato e tipo sigillato. Una batteria al piombo-acido non è solo economica, ma anche prevalente sul mercato.

Vari tipi di batterie solari

Vari tipi di batterie solari

I tipi di batteria influiscono anche sulla progettazione dei setpoint per i regolatori di carica solare; i controller moderni hanno la caratteristica di consentire di selezionare i tipi di batteria prima di collegarsi a un sistema di energia solare.

2.6 Determinazione dei set point ideali

Infine, arriviamo alla teoria sulla determinazione dei set point ideali. Francamente, si tratta più di equilibrio tra ricarica rapida e ricarica di mantenimento. L'utente di un sistema di energia solare dovrebbe prendere in considerazione vari fattori, come la temperatura ambiente, l'intensità solare, il tipo di batteria e persino i carichi degli elettrodomestici.

È necessario affrontare solo i primi 1 o 2 fattori; questo è sufficiente nella maggior parte dei casi.

Capitolo 3: Qual è la funzione del regolatore di carica solare?

3.1 Prevenzione del sovraccarico

Quando una batteria è completamente carica, non può immagazzinare più energia solare come energia chimica. Ma se l'alimentazione viene applicata continuamente alla batteria completamente carica ad un ritmo elevato, la potenza verrà trasformata in calore e gas, che si presenterebbe come una batteria allagata con molte bolle dagli elettroliti. Questo è l'idrogeno gassoso, che viene generato da una reazione chimica. Questi gas sono pericolosi poiché sono esplosivi. Il sovraccarico accelera anche l'invecchiamento della batteria. E poi abbiamo bisogno di un regolatore di carica solare.

Batteria danneggiata a causa del sovraccarico

Batteria danneggiata a causa del sovraccarico

La funzione principale del regolatore di carica solare è quella di regolare la tensione e la corrente che viene generata dai pannelli solari che vanno alle batterie per evitare che le batterie si sovraccarichino e garantire alle batterie una condizione di funzionamento sicuro e una maggiore durata.

Esistono 3 tipi di regolatori:

1. Regolatore di corrente

Un regolatore di corrente agisce come un interruttore. Semplicemente accende o spegne il circuito per controllare il flusso di energia al banco della batteria, proprio come la carica di massa della fase 1. Di solito sono chiamati shunt controller, che non vengono più utilizzati a causa della loro tecnologia obsoleta.

2. Modulazione di larghezza di impulso (PWM)

I controller shunt interrompono completamente la corrente, mentre il controller PWM riduce gradualmente la corrente. Il PWM è più simile alla carica flottante allo stadio 3.

Avremo una discussione approfondita su PWM e MPPT quando inizieremo l'argomento: PWM VS MPPT quale è il migliore.

3. Regolatore di tensione

La regolazione della tensione è comune. Il regolatore di carica solare regola la carica in risposta alla tensione della batteria. È abbastanza semplice. Quando la tensione di una batteria raggiunge un certo valore, il controller protegge la batteria dal sovraccarico riducendo la potenza. Quando la tensione di una batteria si abbassa a causa di una grande somma di consumo energetico, il controller consentirà di nuovo la ricarica di massa.

3.2 Blocco della corrente inversa

La seconda funzione principale è impedire il flusso di corrente inverso.

Di notte, o ogni volta che non c'è luce solare, il pannello solare non ha il potere di convertirsi in elettricità e, in un sistema di energia solare, la tensione del banco batterie sarà superiore alla tensione del pannello solare, poiché tutti noi sapere che l'elettricità scorre da alta tensione a bassa tensione. Quindi, senza un regolatore di carica, l'elettricità fluirà dal banco della batteria al pannello solare, il che è uno spreco di energia, poiché il sistema di energia solare si sforza di raccogliere energia durante il giorno, ma ne spreca un po 'di notte. Sebbene la perdita sia solo leggermente proporzionale all'energia totale raccolta, non è difficile da risolvere.

Blocco della corrente inversa di notte

Blocco della corrente inversa di notte

Un regolatore di carica solare può affrontare questo problema.

La maggior parte dei controller consente al flusso di passare solo dal pannello solare a un banco di batterie progettando nel circuito un semiconduttore, che fa passare le correnti solo in una direzione.

Alcuni controller hanno un interruttore meccanico, chiamato anche relè. Quando il relè scatta e si spegne, sentirai un rumore metallico. Quando la tensione dei pannelli solari è inferiore a quella del banco batterie, rileva e poi spegne il circuito scollegando i pannelli solari dal banco batterie.

3.3 Controllo del carico

Alcuni regolatori di carica solare sono progettati con il controllo del carico, consentendo di collegare un carico CC, come una lampada a LED (un esempio concreto è sul nostro sito web lampioni solari a LED all-in-one), direttamente al regolatore di carica solare, e il controllo del carico accenderà e spegnerà la lampada in base alle sue preimpostazioni (la tensione della batteria, il sensore della fotocellula o un timer).

Regolatore di carica solare nei lampioni solari

Regolatore di carica solare nei lampioni solari

Ad esempio, ci sono comunemente dei timer nei lampioni solari a LED e il controllo del carico leggerà l'ora dal timer e quindi eseguirà il comando: accendi il LED alle 7:00 al tramonto e spegnilo alle 6:00 la prossima mattina. Oppure il controllo del carico leggerà le informazioni dal sensore della fotocellula e quindi controllerà l'accensione e lo spegnimento del LED in base alla luminosità dell'ambiente circostante.

3.4 Disconnessione a bassa tensione (LVD)

Immagina di far bollire l'acqua in una pentola e ti dimentichi di spegnere il fuoco fino a quando l'acqua bollente non sarà completamente evaporata; non c'è più acqua nella pentola asciutta e la pentola si surriscalda. Il vaso viene distrutto in modo permanente. Allo stesso modo, scaricare completamente una batteria solare provocherà danni permanenti alla batteria.

Pentola bruciata

Pentola bruciata

Batterie a ciclo profondo sono ampiamente utilizzati nei sistemi di energia solare. La profondità di scarica (DOD) potrebbe raggiungere l'80%; tuttavia, sono suscettibili di danni permanenti se scaricati fino al 90% o, peggio ancora, al 100%.

Se aspetti di disattivare il carico CC dalle batterie finché non trovi le luci che si attenuano, il danno alla batteria potrebbe essere già accaduto. Sia la capacità della batteria che l'aspettativa di vita diminuiranno ogni volta che si verifica una scarica eccessiva. Se la batteria fosse impostata per funzionare in questo tipo di stato di scarica eccessiva per un periodo di tempo, si rovinerebbe rapidamente.

L'unica soluzione pratica per proteggere le batterie dallo scaricamento eccessivo è spegnere e riaccendere i carichi (come elettrodomestici, luci LED e così via), a condizione che la tensione sia stata ripristinata dalla carica di massa.

In genere, se una batteria da 12V scende a 10.9 volt, la batteria sarebbe sul punto di scaricarsi eccessivamente. Allo stesso modo, 21.9 volt per una batteria da 24V.

Disconnessione a bassa tensione

Disconnessione a bassa tensione

Se il tuo sistema solare domestico ha alcuni carichi CC, è necessaria la funzione LVD. Alcuni LVD sono integrati nei controller di carica mentre altri no.

3.5 Protezione da sovraccarico

Fusibile

Fusibile

Quando il flusso di corrente in ingresso è molto più alto di quello che il circuito può gestire in sicurezza, il sistema si sovraccarica. Ciò può portare il sistema a surriscaldarsi o addirittura provocare un incendio. Il sovraccarico può essere causato da diversi motivi, come un cablaggio errato (cortocircuito) o un apparecchio problematico (una ventola bloccata). Comunemente, un reset a pulsante è progettato per il circuito di protezione da sovraccarico.

Tuttavia, c'è una protezione da sovraccarico incorporata in ogni regolatore di carica solare; i grandi sistemi di energia solare richiedono solitamente una doppia protezione di sicurezza: fusibili o interruttori automatici. Se la capacità di trasporto del filo è inferiore al limite di sovraccarico del controller, è necessario installare un fusibile o un interruttore nel circuito.

3.6 display

I display dei regolatori di carica solare variano da indicatori LED a display LCD, con informazioni su tensione e corrente. I display dei sistemi di energia solare sono ciò che i cruscotti delle console sono per le auto. Ti forniscono dati dettagliati in modo da poter monitorare lo stato del tuo banco di batterie: quanta energia stai utilizzando o generando.

Regolatore di carica solare con indicatori LED

Regolatore di carica solare con indicatori LED

Se il sistema dispone già di un monitor autonomo, la funzione di visualizzazione non sarebbe importante. Anche il monitor più economico includerebbe misuratori di base, proprio come i controller.

Regolatore di carica solare con schermo LCD

Regolatore di carica solare con schermo LCD

Capitolo 4: regolatore di carica PWM

4.1 Glossari da conoscere

All'inizio esamineremo alcuni glossari - fare riferimento alla tabella seguente.

NominaleCelleVocVmp
12V3622V17V
20V6038V30V
24V7244V36V
  • Voc, tensione a circuito aperto, è la tensione massima attraverso una cella fotovoltaica, quando si misura un pannello solare in condizioni di test teoricamente standard (STC) con solo un voltmetro collegato. La tensione ricevuta dal misuratore è la Voc.
  • Vmp, tensione alla massima potenza, è la tensione di uscita dei pannelli solari quando collegati all'impianto fotovoltaico.
  • Tensione nominale è una tensione di riferimento utilizzata per classificare le apparecchiature solari in un sistema off-grid. In un sistema collegato alla rete, le tensioni nominali (12 V, 24 V e 48 V) sono prive di significato.

Pannello solare monocristallino da 120W nominali 12V con 36 pezzi di quadrati di silicio

Pannello solare monocristallino da 120W nominali 12V con 36 pezzi di quadrati di silicio

Sebbene la ricarica di una batteria richieda una tensione più elevata, le tensioni nominali possono aiutarti a trovare le apparecchiature corrispondenti (come un banco di batterie) con cui un pannello solare può adattarsi.

Così,

un pannello solare a 12V ha effettivamente Voc di 22V e Vmp di 17V, con 36 pezzi di quadrati di silicone sul lato anteriore.

Analogamente,

il pannello solare 24V ha Voc di 44V e Vmp di 36V, con 72 pezzi di quadrati di silicio.

Ti starai chiedendo: perché un pannello da 12 volt non è da 12 volt?

Ecco l'accordo.

4.2 Perché i pannelli da 12 volt sono 17 volt

Una batteria da 12V completamente carica è in realtà di circa 12.6 volt; per caricare una batteria da 12V, abbiamo bisogno di una tensione di ingresso più elevata, circa 13.7-14.4 volt da un pannello solare. Ma perché abbiamo progettato il pannello solare Vmp a 17V e non solo a 14V?

Un Voc di un pannello solare viene misurato in condizioni di test standard o STC e Vmp viene misurato anche in STC, dove la temperatura ambiente non è troppo alta, l'intensità del sole è perfetta: niente nuvole, niente foschia. Tuttavia, non siamo sempre così fortunati. In caso di maltempo, ad esempio giornate nebbiose o nuvolose, la tensione di un pannello solare diminuirà; quindi, i pannelli dovrebbero essere progettati con un po 'di tensione extra in modo che il tuo sistema possa ancora ricevere una tensione sufficiente, anche se il tempo non è l'ideale; cioè niente luce solare.

4.3 Tipi di controller di carica:

Esistono 3 tipi di regolatori di carica solare:

  • Controller shunt
  • %PWM
  • MPPT

Controller shunt: Abbiamo menzionato i controller shunt quando abbiamo parlato della regolazione della corrente: agiscono proprio come un interruttore, accendendo e spegnendo il flusso di corrente a una batteria. Potresti ancora vederne alcuni sui vecchi sistemi, sebbene siano già stati ritirati dal mercato. PWM e MPPT sono i 2 tipi principali che prevalgono oggi.

Adesso

Andiamo prima in PWM.

4.4 Cos'è il regolatore di carica solare PWM?

PWM (Pulse Width Modulated), letteralmente, funziona modulando la sua larghezza di impulso corrente.

PWM invia alla batteria impulsi di carica intermittenti anziché un'uscita di potenza costante. Funziona più come una carica flottante allo stadio 3 che genera flussi di corrente alla batteria.

Ma la velocità (frequenza) e la durata (larghezza) dell'impulso deve essere prodotto è determinato dallo stato della batteria che rileva. Se la batteria è già completamente carica ei carichi nel sistema non funzionano, il PWM invierà solo un brevissimo impulso ogni pochi secondi; per una batteria scarica, gli impulsi sarebbero prossimi al continuo. Questo è il principio di funzionamento di base.

Sebbene il PWM sia meno costoso dell'MPPT, a causa dell'impulso acuto che il PWM genera, durante l'elaborazione di un rapido interruttore di accensione e spegnimento durante il lavoro, i segnali TV, radio o telefonici possono spesso subire interferenze. Questo è lo svantaggio intrinseco del PWM.

Quando il sistema sceglie PWM come regolatore di carica, è importante rendere la tensione nominale dei pannelli solari uguale alla tensione nominale di un banco di batterie;

cioè,

PWM nel sistema 12V

PWM nel sistema 12V

se il tuo banco batteria è 12V, devi selezionare anche il pannello solare 12V.

PWM nel sistema 24V

PWM nel sistema 24V

E se il tuo banco di batterie è 24V, allora devi usare un pannello solare da 24V, o collegare due pannelli solari da 12V in serie, per renderlo un 24V.

PWM nel sistema 48V

PWM nel sistema 48V

Ma se il tuo banco di batterie è a 48 V, devi collegare quattro pannelli solari da 12 V in serie, o due pannelli solari da 24 V in serie, per ottenere 48 V.

E così via.

Nel frattempo, assicurati che anche le specifiche PWM corrispondano a quelle del tuo banco batterie.

4.5 Di quanto mi serve un regolatore di carica solare: PWM

Come dimensionare un PWM quando progettiamo un sistema fotovoltaico off-grid?

I 1 Passi, Prendi il pannello solare Isc (Short Circuit Amps) e Voc (Open-Circuit Voltage) dalla sua targhetta e calcola quante stringhe in parallelo ci sono nel pannello solare.

targhetta del pannello solare

Targhetta del pannello solare

Dalla targhetta,

leggiamo Voc 22.1V e Isc 8.68A, e confermiamo che si tratta di un pannello solare 12V nominale di Voc.

Cominciamo con un semplice esempio e supponiamo di avere solo 1 stringa in parallelo.

I 2 Passi, Moltiplica Isc per il numero di stringhe in parallelo.

8.68Isc x 1 stringa = 8.68A

I 3 Passi, moltiplicare per 1.25 il fattore di sicurezza. (Perché il fattore è 1.25: fare riferimento a NEC 690.8 (A) (1) Correnti del circuito della sorgente fotovoltaica)

8.68Isc x 1 stringa x 1.25 = 10.85A

Quindi, possiamo scegliere un PWM la cui capacità di carico attuale dovrebbe essere maggiore di 10.85A.

PWM in sistema 24V 2 stringhe

PWM in sistema 24V 2 stringhe

Ora, controlliamo un altro esempio con 2 stringhe in 2 paralleli usando lo stesso pannello da 140w menzionato poco fa.

Ma ricorda: stiamo usando un regolatore di carica PWM, quindi dobbiamo prestare attenzione a quanti pannelli sono in stringhe in modo che la tensione del campo solare corrisponda alla tensione del banco di batterie.

In questo esempio, abbiamo 2 stringhe parallele e 2 pannelli in serie, quindi l'array solare è per il sistema di batterie a 24V.

8.68Isc x 2 stringhe x 1.25 = 21.7A

Sarebbe sufficiente un regolatore di carica solare PWM da 25A.

Capitolo 5: regolatore di carica MPPT

5.1 Come funziona un regolatore di carica solare MPPT?

Qual è il significato di MPPT?

MPPT è l'acronimo di Maximum Power Point Tracking, che è un tipo di tracciamento digitale elettronico.

MPPT è più sofisticato - e anche il più costoso - dei due. MPPT ha circa il 94% - 98% di efficienza di conversione. Questa è la potenza in entrata (dal pannello solare) quasi uguale alla potenza in uscita (al banco batterie).

I regolatori di carica MPPT leggono l'uscita dei pannelli solari e la tensione delle batterie per capire il miglior punto di alimentazione da prelevare dal pannello solare; quindi, l'MPPT abbassa la tensione per soddisfare la tensione di carica della batteria mentre aumenta la corrente. In questo modo, l'MPPT può aumentare l'energia che finalmente otteniamo dai pannelli solari di quasi il 40%, rispetto al PWM, poiché il PWM non può aumentare la corrente per tracciare il punto di massima potenza.

A differenza del PWM, che richiede la corrispondenza delle tensioni con entrambi i lati, MPPT può essere applicato al sistema fotovoltaico, la cui tensione del campo solare è superiore a quella del banco batterie. Questa caratteristica porta all'MPPT molti vantaggi, di cui parleremo nel Capitolo 6

Adesso,

passiamo agli esempi in modo da poter cogliere rapidamente il punto.

5.2 Come dimensionare il regolatore di carica solare mppt?

Ricordi i pannelli da 20V nominali con 60 pezzi di celle?

Nel circuito PWM, sono troppo grandi per corrispondere a un banco di batterie da 12V e troppo piccoli per un banco di batterie da 24V, ma l'MPPT può risolvere questa situazione imbarazzante.

Il pannello da 20 V ha 30 Vmp e 9 A Imp e la sua potenza nominale = 30 x 9 = 270 W.

Supponiamo che il pannello da 20 V si applichi alla batteria da 12V. L'MPPT convertirà 30 V a circa 14 V per caricare la batteria e aumenta la corrente in modo che possa assorbire la massima potenza dal pannello solare.

Se prendiamo 30 V fino a 14 V, la velocità ridotta è

30 / 14 = 2.14.

Quindi la corrente aumentata è

9 x 2.14 = 19.28A.

Infine,

30 x 9 = 14 x 19.28 = 270 watt (la potenza in ingresso è uguale alla potenza in uscita);

poiché la corrente di uscita è 19.28 A, moltiplichiamo per 1.25 il fattore di sicurezza.

Noi abbiamo

19.28 x 1.25 = 24.1A.

Quindi, sarà bene scegliere un MPPT con una capacità di corrente maggiore di 24.1 A.

Un altro esempio con 2 stringhe in 2 paralleli utilizzando il pannello da 20V nominali per caricare la batteria da 12V: la potenza totale in ingresso è

270 x 4 = 1080 W.

L'uscita corrente sarebbe

1080/14 = 77.14A.

Moltiplicare per 1.25

77.14 x 1.25 = 96.43A.

Quindi, sceglieremo un MPPT da 100A.

5.3 Dimensionamento del controller di carica: la tensione del controller

Un'altra cosa a cui dobbiamo prestare attenzione quando si dimensiona un regolatore di carica solare è la tensione. Assicurarsi che il controller sia in grado di trasportare la tensione di ingresso dai pannelli. Un regolatore di carica da 150 V può trasportare solo tre pannelli nominali da 20 V in serie. Potresti chiederti ... 3 x 20 = 60 V? Questo è lontano da 150 V!

Perché?

Questo perché la tensione effettiva generata dai pannelli solari potrebbe essere molto superiore a 20V; a volte, superiore alla Vmp 30V. Quindi, usiamo Voc per fare il calcolo. Voc = 38V.

3 x 38 = 114V

Quindi tre pannelli da 20V nominali in serie sono 114V

Tabella NEC 690.7

Tabella NEC 690.7

Poiché la tensione del pannello aumenta con il freddo, fare riferimento alla tabella NEC 690.7. Quindi prendiamo il fattore più sicuro, 1.25, moltiplichiamo 114v per 1.25,

otteniamo

114 x 1.25 = 142.5 V.

Ora puoi capire perché un controller da 150 V può supportare solo tre 20 V in serie, soprattutto in inverno.

Al giorno d'oggi, i controller di nuova concezione potrebbero avere tensioni molto più elevate; alcuni modelli supportano anche fino a 700V di ingresso. Questo è molto importante quando il tuo pannello solare è posizionato lontano dal banco della batteria.

Esploriamo il motivo nel capitolo 6.

Capitolo 6: PWM vs MPPT

6.1 PWM vs MPPT: qual è il migliore?

Abbiamo appreso le caratteristiche di entrambi i controller (PWM e MPPT) nei capitoli precedenti. Abbiamo notato bene che PWM non converte la tensione extra in correnti, il che si traduce in bassi tassi di conversione della potenza. In altre parole, PWM non trasferisce tutta l'energia raccolta dai pannelli solari alle batterie, ma MPPT segue sempre il punto di massima potenza dai pannelli e regola di conseguenza le sue correnti e tensione in modo che possa trasferire tutta l'energia raccolta dal pannello solare alla batteria.

PWM contro MPPT

PWM contro MPPT

Un esempio concreto lo spiegherà chiaramente:

La formula fisica di base:

Potenza (watt) = V (Volt) x I (Amp)

Se utilizziamo un pannello solare da 12 V, 100 W nominali per caricare un sistema di batterie da 12 V, la Vmp effettiva è 17 V e possiamo calcolare la sua uscita di corrente:

I = Potenza / V

I = 100/17 = 5.88 ampere

Ora sappiamo che l'uscita del pannello è 17 V e 5.88 A.

Scenario 1: L'impianto fotovoltaico è con regolatore di carica solare PWM.

PWM trascinerà la tensione verso il basso alla tensione di carica della batteria - circa 14 V. Dopo aver attraversato il PWM, l'energia solare rimane solo 14 V e 5.88 A.

Cioè:

P = V x I = 14 x 5.88 = 82.32 W.

Scenario 2: L'impianto fotovoltaico è con il regolatore di carica solare MPPT.

L'MPPT non solo trascina la tensione fino a 14 V, ma aumenta anche la corrente, in modo che la potenza sia quasi uguale a quella di spegnimento.

Quindi, se la tensione diminuisce di 17/14 = 1.21

Quindi la corrente alla batteria aumenta di 1.21, otteniamo

5.88 x 1.21 = 7.11 A.

Potenza totale fuori

P = 14 x 7.11 = 99.54 W.

In questo esempio, la potenza sprecata dal PWM è

99.54 - 82.32 = 17.22 W.

Quasi il 20% dell'energia non è stata convertita in energia chimica della batteria. Se consideriamo lo scenario in un grande impianto solare, la perdita potrebbe essere enorme.

Quindi, è meglio usare MPPT per grandi pannelli solari.

6.2 I punti di forza di MPPT

a) Alta efficienza di conversione

Se il tuo impianto fotovoltaico è dotato di un ampio pannello solare, l'MPPT sarebbe la scelta migliore per aumentare la conversione dell'energia solare, specialmente quando fa freddo, poiché la tensione del pannello aumenterà al diminuire della temperatura. Il tasso di conversione MPPT potrebbe salire dal 20% al 40%. Questa è energia verde e gratuita che fa davvero risparmiare denaro sulla bolletta.

Matrice di pannelli solari in lontananza

Matrice di pannelli solari in lontananza

b) Minore perdita di energia nei cavi o minor costo per l'acquisto dei cavi.

Per favore ricorda Formula della legge di Ohm

V (Volt) = R (Ohm) x I (Amp)

Potenza in uscita P(Watt) = V (Volt) x I (Amp)

So

Perdita di resistenza PR(Watt) = R (Ohm) x I2 (Amplificatori)

Quindi, se i tuoi pannelli FV sono installati a grande distanza dal tuo banco di batterie, la perdita di potenza della resistenza del cavo è considerevole (PR = R x I2  ). Qui R rappresenta la resistenza dei cavi. R aumenta all'aumentare della lunghezza del cavo:

Formula di resistenza del cavo

Formula di resistenza del cavo

Ma se raddoppiamo la tensione del campo solare collegandoli in più serie, secondo P = V x I, non vi è alcuna variazione della potenza totale P, quindi la corrente attraverso il cavo dovrei essere la metà.

Infine, la resistenza PR(Watt) = R (Ohm) x I2 (Amp) sarà un quarto rispetto a prima.

Con MPPT, infatti, è possibile aumentare ulteriormente la tensione del campo solare per ridurre il flusso di corrente.

In questo caso, aumentiamo la tensione del pannello per ridurre la perdita di resistenza attraverso i cavi e poiché stiamo utilizzando MPPT, che traccia sempre per raccogliere la massima potenza dai pannelli, non abbiamo sprechi di tensione come potrebbe avere PWM.

Potremmo rivedere questo argomento da un altro aspetto. Se non puoi aumentare la tensione dei pannelli, devi trovare qualche soluzione per ridurre la resistenza del cavo, poiché resistenza = resistività × lunghezza / area, sembra che l'unico modo sia usare cavi con grandi aree trasversali, e questo sarà un altro enorme somma di denaro da spendere.

Per ricapitolare, quando si tratta di piccoli sistemi, PWM è una buona soluzione poiché è poco costoso, ma per i grandi sistemi, al fine di migliorare i tassi di conversione e non sprecare la capacità del pannello solare di sfruttare l'energia solare, è preferibile MPPT. MPPT verrebbe sempre applicato a sistemi di potenza superiore.

6.3 Pro e contro

Prima di prendere la decisione di acquistare un regolatore di carica solare per il tuo impianto fotovoltaico, è necessario apprendere informazioni consapevoli dal contenuto precedente. Si suggerisce anche una tabella di confronto, che elenca la differenza tra PWM e MPPT. Quindi, abbiamo messo insieme i loro pro e contro per renderlo più comodo da esaminare.

VantaggiCONTRO
%PWM
  • La tecnologia PWM è disponibile nei sistemi fotovoltaici da molto tempo ed è una tecnologia relativamente stabile e matura
  • Sono convenienti e convenienti per la maggior parte dei consumatori
  • PWM può sopportare fino a 60 ampere di carico attualmente
  • La maggior parte dei PWM ha una struttura di dissipazione del calore ragionevole che consente loro di lavorare continuamente
  • PWM è disponibile in diverse dimensioni per adattarsi a un'ampia gamma di applicazioni
  • Se PWM viene applicato a sistemi solari fotovoltaici, la tensione del pannello solare deve corrispondere a quella del banco batterie
  • L'attuale capacità di carico di un singolo PWM non è stata sviluppata ed è ancora solo fino a 60 ampere
  • Alcuni regolatori di carica PWM di dimensioni più piccole non possono essere elencati UL a causa della loro struttura scadente
  • Alcuni PWM di dimensioni più piccole non hanno raccordi di conduit
  • PWM ha talvolta problemi di interferenza del segnale. I controller generano rumore in TV o radio
  • PWM limita in una certa misura l'espansione dei sistemi solari fotovoltaici
  • Non può essere applicato a pannelli solari ad alta tensione fuori rete
MPPT
  • MPPT massimizza la conversione dell'energia solare dai pannelli fotovoltaici e le tariffe possono essere il 40% più efficienti del PWM
  • MPPT può essere utilizzato nei casi in cui la tensione del pannello solare è superiore alla tensione della batteria.
  • MPPT può sopportare una corrente di carico fino a 80 ampere
  • MPPT offre garanzie più lunghe rispetto a PWM
  • MPPT non limita l'espansione dei pannelli solari nel sistema
  • MPPT è l'unica soluzione per un sistema di energia solare ibrido
  • Gli MPPT sono più costosi del PWM. Il prezzo di alcuni modelli è il doppio di quello di un controller di carica PWM
  • Poiché MPPT ha più componenti e funzioni, la sua dimensione fisica è maggiore di PWM.
  • Gli MPPT sono più complicati, quindi la maggior parte delle volte dobbiamo seguire una guida per il dimensionamento del pannello solare
  • Il regolatore solare MPPT costringe costantemente l'array di pannelli solari cablato in stringhe

6.4 Ogni sistema solare fotovoltaico necessita di un regolatore di carica?

La risposta è no.

In generale, se il tuo pannello solare è inferiore a 5 watt per ogni 100 ampere di batteria, non hai bisogno di un regolatore di carica solare.

Ecco una formula che possiamo usare:

Quoziente = Capacità della batteria (Amp / ora) / Imp del pannello solare (Amp)

Se il quoziente è maggiore di 200, non è necessario un controller; altrimenti, è meglio installare un controller.

Ad esempio, se si dispone di una batteria da 200 Ah e di un pannello da 20 W, il quoziente sarebbe 200 / 1.18 = 169.5; in questo caso, è necessario un controller.

Se hai una batteria da 400 Ah e un pannello da 10 W, il quoziente sarebbe 400 / 0.59 = 677.9; in questo caso non serve un controller.

Glossari

  • Imposta puntiLe tensioni specifiche impostate per i regolatori di carica per modificare le velocità di ricarica.
  • DoD: Profondità di scarica, la proporzione della capacità della batteria (ampere / ora) rimossa da una batteria completamente carica. Ad esempio, se la capacità totale della batteria è di 100 Ah e 40 Ah sono già scariche, il DoD è del 40%.
  • Batteria a ciclo profondo: Batteria al piombo, che può sempre essere scaricata completamente fino a un livello di carica basso. Le batterie a ciclo profondo hanno un DoD elevato.
  • Diavoletto: Corrente alla massima potenza; il quoziente di potenza massima di Vmp.
  • STC: Condizioni di prova standard, condizioni ideali in un laboratorio in cui viene testato un dispositivo.
  • Voc: Tensione a circuito aperto, la tensione massima attraverso una cella fotovoltaica, quando si misura un pannello solare in condizioni di test teoricamente standard (STC) con solo voltmetro collegato. La tensione che riceve il misuratore è la Voc.
  • Vmp: Tensione alla massima potenza, la tensione di uscita di un pannello solare quando è collegato all'impianto fotovoltaico.
  • Tensione nominale: Una tensione di riferimento utilizzata per classificare le apparecchiature solari in un sistema off-grid. In un sistema collegato alla rete, le tensioni nominali (12 V, 24 V e 48 V) sono prive di significato.
  • È c: Corrente di cortocircuito, la corrente massima attraverso un circuito esterno privo di carichi o resistenze.