Capítulo 1: O que é um controlador de carregamento solar?

Um controlador de carga solar, ou regulador de carga solar, é um instrumento importante em quase todos os sistemas de energia solar que usam baterias como solução de armazenamento de energia química. É usado em modo autônomo ou sistemas híbridos de energia solar mas não é usado em sistemas vinculados à rede, que não têm baterias recarregáveis.

sistema de energia solar autônomo

Sistema autônomo de energia solar

Suas duas funções básicas são muito simples:

  1. Evita que as baterias sobrecarreguem
  2. Bloqueia o fluxo de corrente reversa.

A sobrecarga pode resultar em superaquecimento da bateria ou, em casos extremos, em incêndio. Baterias de ciclo profundo inundadas sobrecarregadas também podem emitir gás de hidrogênio, que é explosivo. Além do mais, a sobrecarga arruinará rapidamente a bateria, reduzindo drasticamente sua vida útil.

Bateria de chumbo-ácido queimada

Bateria de chumbo-ácido queimada

Os controladores de carga solar podem impedir o fluxo de corrente reversa das baterias para os painéis solares à noite, quando a voltagem dos painéis solares é inferior à das baterias.

Além disso, os controladores de carga solar têm outros recursos opcionais, como sensor de temperatura da bateria e compensação, desconexão de baixa tensão (LVD), controle de carga (anoitecer ao amanhecer), monitores, monitoramento remoto e controle de carga de desvio.

Vamos mergulhar no artigo para verificar essas funções e recursos um por um.

Capítulo 2: Carregando uma bateria: carregamento em vários estágios

Mas antes de mergulharmos diretamente em Capítulo 3: Funções e recursos de um controlador de carregamento solar, é melhor dar uma olhada nas informações necessárias sobre como carregar uma bateria.

Se você já está bastante familiarizado com esta informação, pode pular para o capítulo 3 a partir daqui.

Despeje água no copo

Despeje água em um copo

2.1 Breve interpretação

Imagine despejar água em um copo - no início, você despejará mais rápido; quando o copo está quase cheio, o fluxo de água diminui para que a água não transborde do copo. Pelo contrário, se você continuar derramando água em uma taxa mais rápida, será difícil para você interromper o fluxo a tempo no final, e a água transbordará daquele copo.

Carregando bateria solar

Carregando bateria solar

A mesma teoria se aplica ao carregamento de uma bateria:

  • Quando a bateria está fraca, o controlador de carga fornece muita energia para uma carga rápida
  • Quando a bateria está quase cheia, ele desacelera o carregador regulando sua tensão e corrente.
  • Quando a bateria está cheia, ele envia apenas uma gota de energia para manter a carga completa.

Este é o chamado carregamento de várias etapas.

2.2 Exemplo: 3-4 estágios

Defina pontos:

Para ter certeza de que você pode entender facilmente o conteúdo a seguir, que se refere a um exemplo de carregamento em vários estágios (3-4 estágios), vamos primeiro explicar o jargão “pontos de ajuste”.

Em resumo,

o controlador de carregamento solar é configurado para alterar sua taxa de carregamento em tensões específicas, que são chamadas de pontos de ajuste.

Os pontos de ajuste geralmente são compensados ​​por temperatura e discutiremos este tópico após o exemplo de carregamento em vários estágios.

Agora, vamos examinar o exemplo em detalhes

A seguir está um exemplo da MorningStar, que possui 4 estágios de carregamento.

MorningStar 4 estágios de carregamento

Fonte: MorningStar, 4 estágios de carregamento

2.2.1 Estágio 1: Carga em Massa

Nesse estágio, o banco de baterias está baixo e sua tensão é inferior ao ponto de ajuste da tensão de absorção. Portanto, o controlador de carga solar enviará o máximo possível de energia solar disponível para o banco de baterias para recarga.

2.2.2 Estágio 2: Taxa de Absorção

Quando sua tensão atinge o ponto de ajuste da tensão de absorção, a tensão de saída do controlador de carregamento solar manterá um valor relativamente constante. A entrada de tensão constante evita que um banco de baterias superaquecimento e gaseificação excessiva. Normalmente, o banco de baterias pode estar totalmente carregado neste estágio.

2.2.3 Estágio 3: Carga flutuante

Como sabemos, o banco de baterias está totalmente carregado no estágio de absorção, e uma bateria totalmente carregada não pode mais converter energia solar em energia química. A energia adicional do controlador de carregamento só será transformada em aquecimento e gaseificação, pois está sobrecarregando.

Gotejamento da torneira

Gotejamento da torneira

O estágio de flutuação é projetado para evitar que o banco de baterias sobrecarregue a longo prazo. Neste estágio, o controlador de carga reduzirá a tensão de carga e fornecerá uma quantidade muito pequena de energia, como gotejamentos, de modo a manter o banco de baterias e evitar aquecimento e gaseificação adicionais

2.2.4 Estágio 4: Taxa de equalização

A carga de equalização usa uma tensão mais alta do que a carga de absorção, de modo a nivelar todas as células em um banco de baterias. Como sabemos, as baterias em série ou / e paralelas constituem um banco de baterias. Se algumas células do banco de baterias não estiverem totalmente recarregadas, este estágio fará com que todas estejam totalmente recarregadas e completará todas as reações químicas da bateria.

Água fervente

Água fervente

Já que segue o estágio 3 (quando o banco de baterias está totalmente recarregado), quando aumentamos a tensão e enviamos mais energia para as baterias, os eletrólitos parecerão que estão fervendo. Na verdade, não está quente; é hidrogênio gerado a partir dos eletrólitos, produzindo muitas bolhas. Essas bolhas agitam os eletrólitos.

Agitar os eletrólitos regularmente dessa maneira é essencial para um banco de baterias inundado.

Podemos considerá-la uma sobrecarga periódica, mas é benéfica (às vezes essencial) para certas baterias, como baterias inundadas e baterias não seladas, como AGM e Gel.

Normalmente, você pode encontrar nas especificações da bateria quanto tempo a carga de equalização deve durar e, a seguir, definir o parâmetro no controlador de carga de acordo.

2.3 Por que bancos de baterias inundados precisam de equalização

Em suma,

para impedir a sulfatação de uma bateria de chumbo-ácido.

reação química de descarga

A reação química de descarga

As reações químicas de descarga da bateria geram cristais moles de sulfato de chumbo, que geralmente ficam presos à superfície das placas. Se a bateria continuar funcionando neste tipo de condição, com o passar do tempo, os cristais moles de sulfato se multiplicarão e se tornarão cada vez mais duros, tornando-os muito difíceis de serem convertidos em moles, ou até mesmo ativar os materiais que faziam parte de o eletrólito.

A sulfatação de baterias de chumbo-ácido é o flagelo de uma falha de bateria. Esse problema é comum em bancos de baterias de longo prazo com carga insuficiente.

Se carregados completamente, os cristais moles de sulfato podem ser convertidos de volta em materiais ativos, mas uma bateria solar raramente é totalmente recarregada, especialmente em um sistema fotovoltaico não bem projetado, onde o painel solar é muito pequeno ou o banco de baterias é superdimensionado .

Sulfação de bateria de chumbo-ácido

Sulfação de bateria de chumbo-ácido

Somente uma sobrecarga periódica em alta tensão pode resolver este problema; a saber, o carregamento de equalização, que funciona em alta tensão, gera bolhas e agita o eletrólito. É por isso que o estágio 4 é essencial para um banco de bateria inundado. Em muitos sistemas solares fora da rede, geralmente usamos um gerador + carregador para equalizar a bateria solar inundada periodicamente, de acordo com a especificação da bateria.

2.4 Pontos de ajuste de controle vs. temperatura

Uma vez que o ponto de ajuste de absorção (estágio 2), ponto de ajuste de flutuação (estágio 3) e ponto de ajuste de equalização (estágio 4), todos podem ser compensados ​​pela temperatura se houver um sensor de temperatura, gostaríamos de poupar algumas palavras para este pequeno tópico.

Em alguns controladores de carga avançados, os pontos de ajuste de carregamento de vários estágios flutuam com a temperatura da bateria. Isso é chamado de recurso de “compensação de temperatura”.

O controlador tem um sensor de temperatura e, quando a temperatura da bateria está baixa, o ponto de ajuste aumenta e vice-versa - ele se ajusta de acordo quando a temperatura aumenta.

Sonda do sensor de temperatura

Sonda do sensor de temperatura

Alguns controladores possuem sensores de temperatura embutidos, portanto, devem ser instalados próximos à bateria para detectar a temperatura. Outros podem ter uma sonda de temperatura que deve ser conectada diretamente à bateria; um cabo o conectará ao controlador para relatar a temperatura da bateria.

Se suas baterias forem aplicadas em uma situação em que a flutuação da temperatura seja maior que 15 graus Celsius todos os dias, é preferível adotar um controlador com compensação de temperatura.

2.5 Controlar pontos de ajuste vs. tipo de bateria

Quando falamos sobre o tipo de bateria, outro artigo sobre baterias solares é recomendado.

A maioria dos sistemas de energia solar adota uma bateria de chumbo-ácido de ciclo profundo, da qual existem 2 tipos: tipo inundado e tipo selado. Uma bateria inundada com chumbo-ácido não é apenas econômica, mas também prevalente no mercado.

Vários tipos de bateria solar

Vários tipos de bateria solar

Os tipos de bateria também afetam o projeto de pontos de ajuste para controladores de carga solar; os controladores modernos têm o recurso de permitir que você selecione os tipos de bateria antes de conectar a um sistema de energia solar.

2.6 Determinando os pontos de ajuste ideais

Finalmente, chegamos à teoria sobre como determinar os pontos de ajuste ideais. Falando francamente, é mais sobre o equilíbrio entre carregamento rápido e carregamento lento de manutenção. O usuário de um sistema de energia solar deve levar vários fatores em consideração, como temperatura ambiente, intensidade solar, tipo de bateria e até mesmo cargas de eletrodomésticos.

É necessário lidar apenas com os 1 ou 2 principais fatores; isso é suficiente na maioria dos casos.

Capítulo 3: Qual é a função do controlador de carregamento solar?

3.1 Prevenção de sobrecarga

Quando uma bateria está completamente carregada, ela não pode armazenar mais energia solar como energia química. Mas se a energia for continuamente aplicada à bateria totalmente carregada em uma taxa alta, a energia será transformada em calor e gases, o que se apresentaria como uma bateria inundada com muitas bolhas de eletrólitos. Esse é o gás hidrogênio, gerado a partir de uma reação química. Esses gases são perigosos porque são explosivos. A sobrecarga também acelera o envelhecimento da bateria. E então precisamos de um controlador de carga solar.

Bateria danificada devido a sobrecarga

Bateria danificada devido a sobrecarga

A principal função do controlador de carregamento solar é regular a tensão e a corrente geradas pelos painéis solares que vão para as baterias para evitar que as baterias sobrecarreguem e garantir às baterias uma condição de trabalho segura e uma vida útil mais longa.

Existem 3 tipos de reguladores:

1. Regulador de corrente

Um regulador de corrente atua como um interruptor. Ele simplesmente liga ou desliga o circuito para controlar o fluxo de energia para o banco de baterias, assim como o carregamento em massa do estágio 1. Normalmente são chamados de controladores shunt, que não são mais usados ​​devido à sua tecnologia obsoleta.

2. Modulação de largura de pulso (PWM)

Os controladores shunt desligam a corrente completamente, enquanto o controlador PWM reduz a corrente gradualmente. O PWM é mais semelhante ao carregamento de flutuação de estágio 3.

Teremos uma discussão aprofundada sobre PWM e MPPT quando iniciarmos o tópico: PWM VS MPPT qual é o melhor.

3. Regulador de tensão

A regulação da tensão é comum. O controlador de carregamento solar regula o carregamento em resposta à tensão da bateria. É muito simples. Quando a tensão de uma bateria atinge um determinado valor, o controlador protege a bateria de sobrecarga, reduzindo a potência. Quando a voltagem de uma bateria cai devido a uma grande soma de consumo de energia, o controlador permitirá o carregamento em massa novamente.

3.2 Bloqueio de corrente reversa

A segunda função principal é evitar o fluxo de corrente reversa.

À noite, ou sempre que não houver luz solar, o painel solar não tem energia para se converter em eletricidade e, em um sistema de energia solar, a tensão do banco de baterias será superior à tensão do painel solar, pois todos nós conhecer os fluxos de eletricidade de alta tensão para baixa tensão. Portanto, sem um controlador de carga, a eletricidade fluirá do banco de baterias para o painel solar, o que é um desperdício de energia, pois o sistema de energia solar se esforça para coletar energia durante o dia, mas desperdiça um pouco durante a noite. Embora a perda seja apenas um pouco proporcional à energia total coletada, não é difícil de resolver.

Bloqueio de corrente reversa à noite

Bloqueio de corrente reversa à noite

Um controlador de carregamento solar pode lidar com esse problema.

A maioria dos controladores permite que o fluxo passe apenas do painel solar para um banco de baterias, projetando no circuito um semicondutor, que passa correntes apenas em uma direção.

Alguns controladores possuem uma chave mecânica, também chamada de relé. Quando o relé liga e desliga, você ouvirá um som de ruído. Quando a tensão dos painéis solares é inferior à do banco de baterias, ele detecta e desliga o circuito, desconectando os painéis solares do banco de baterias.

3.3 Controle de carga

Alguns controladores de carga solar são projetados com controle de carga, permitindo que você conecte uma carga CC, como uma lâmpada LED (um exemplo concreto está em nosso site luzes de rua LED solares tudo-em-um), direto para o controlador de carregamento solar, e o controle de carga ligará e desligará a lâmpada de acordo com suas pré-configurações (a tensão da bateria, sensor de fotocélula ou um temporizador).

Controlador de carga solar em postes de luz solares

Controlador de carga solar em postes de luz solares

Por exemplo, geralmente há temporizadores em luzes de rua solares de LED, e o controle de carga lerá a hora do temporizador e executará o comando: ligue o LED às 7h00 ao anoitecer e desligue-o às 6h00 a manhã seguinte. Ou o controle de carga irá ler as informações do sensor da fotocélula e então controlar o LED ligado e desligado de acordo com o brilho do ambiente.

3.4 Desconexão de baixa tensão (LVD)

Imagine que você está fervendo água em uma panela e se esquece de desligar o fogo até que a água fervente evapore totalmente; não há mais água na panela seca e a panela superaquece. O pote é destruído permanentemente. Da mesma forma, descarregar uma bateria solar completamente resultará em danos permanentes à bateria.

Panela queimada

Panela queimada

Baterias de ciclo profundo são amplamente utilizados em sistemas de energia solar. A profundidade de descarga (DOD) pode ser tão grande quanto 80%; entretanto, eles são suscetíveis a danos permanentes se descarregados em até 90% ou, pior ainda, 100%.

Se você esperar para desligar a carga CC das baterias até que as luzes estejam diminuindo, o dano à bateria já pode ter acontecido. Tanto a capacidade da bateria quanto a expectativa de vida serão reduzidas sempre que ocorrer uma descarga excessiva. Se a bateria fosse configurada para funcionar nesse tipo de estado de descarga excessiva por um período de tempo, ela se arruinaria rapidamente.

A única solução prática para proteger as baterias contra descarga excessiva é desligar e ligar as cargas (como eletrodomésticos, luzes LED, etc.), desde que a tensão tenha se recuperado do carregamento em massa.

Normalmente, se uma bateria de 12 V cair para 10.9 volts, a bateria estará à beira de uma descarga excessiva. Da mesma forma, 21.9 volts para uma bateria de 24V.

Desconexão de baixa tensão

Desconexão de baixa tensão

Se o seu sistema solar doméstico tem algumas cargas DC, o recurso LVD é necessário. Alguns LVDs são integrados em controladores de carga, enquanto outros não.

3.5 Proteção contra sobrecarga

Fundir

Fundir

Quando o fluxo da corrente de entrada é muito maior do que o circuito pode lidar com segurança, o sistema fica sobrecarregado. Isso pode levar ao superaquecimento do sistema ou até mesmo causar um incêndio. A sobrecarga pode ser causada por diferentes motivos, como um projeto de fiação incorreto (curto-circuito) ou um dispositivo problemático (um ventilador preso). Normalmente, um reset de botão de pressão é projetado para o circuito de proteção de sobrecarga.

No entanto, há uma proteção de sobrecarga integrada em cada controlador de carregamento solar; grandes sistemas de energia solar geralmente requerem dupla proteção de segurança: fusíveis ou disjuntores. Se a capacidade de carga do fio for menor do que o limite de sobrecarga do controlador, é necessário instalar um fusível ou disjuntor em seu circuito.

3.6 monitores

Os visores dos controladores de carga solar variam de indicadores LED a visores de tela LCD, com informações de tensão e corrente. Os monitores para os sistemas de energia solar são o que os painéis do console são para os carros. Eles fornecem dados detalhados para que você possa monitorar o estado do seu banco de baterias: quanta energia você está usando ou gerando.

Controlador de carga solar com indicadores LED

Controlador de carga solar com indicadores LED

Se o seu sistema já tiver um monitor independente, o recurso de exibição não será importante. Mesmo o monitor mais barato incluiria medidores básicos, assim como os controladores têm.

Controlador de carga solar com tela LCD

Controlador de carga solar com tela LCD

Capítulo 4: controlador de carga PWM

4.1 Glossários que você precisa saber

No início, examinaremos alguns glossários - consulte a tabela a seguir.

NominalCélulasVocVmp
12V3622V17V
20V6038V30V
24V7244V36V
  • Voc, tensão de circuito aberto, é a tensão máxima em uma célula PV, quando você mede um painel solar em condições de teste teoricamente padrão (STC) com apenas um voltímetro conectado. A tensão que o medidor recebe é o Voc.
  • Vmp, tensão na potência máxima, é a tensão de saída dos painéis solares quando conectados ao sistema fotovoltaico.
  • Tensão nominal é uma voltagem de referência usada para categorizar equipamentos solares em um sistema fora da rede. Em um sistema vinculado à rede, as tensões nominais (12v, 24v e 48v) não fazem sentido.

Painel solar monocristalino de 120 W nominal, 12 V com 36 peças de quadrados de silício

Painel solar monocristalino de 120 W nominal, 12 V com 36 peças de quadrados de silício

Embora o carregamento de uma bateria exija uma voltagem mais alta, as voltagens nominais podem ajudá-lo a encontrar o equipamento correspondente (como um banco de bateria) com o qual um painel solar pode combinar.

Assim,

um painel solar de 12 V na verdade tem Voc de 22 V e Vmp de 17 V, com 36 peças de quadrados de silício na parte frontal.

Do mesmo modo,

o painel solar de 24V tem Voc de 44V e Vmp de 36V, com 72 peças de quadrados de silício.

Você deve estar se perguntando: por que um painel de 12 volts não é de 12 volts?

aqui está o acordo.

4.2 Por que os painéis de 12 volts têm 17 volts

Uma bateria de 12 V totalmente carregada tem, na verdade, aproximadamente 12.6 volts; para carregar uma bateria de 12 V, precisamos de uma voltagem de entrada mais alta - cerca de 13.7 a 14.4 volts de um painel solar. Mas por que projetamos o painel solar Vmp para 17V e não apenas 14V?

Um Voc de um painel solar é medido sob condições de teste padrão ou STC, e Vmp também é medido sob STC, onde a temperatura ambiente não é muito alta, a intensidade do sol é perfeita - sem nuvens, sem neblina. No entanto, nem sempre temos essa sorte. Se encontrarmos algum tempo ruim - por exemplo, dias nublados ou nublados - a voltagem de um painel solar cairá; portanto, os painéis devem ser projetados com alguma voltagem extra para que seu sistema ainda possa receber voltagem suficiente, mesmo se o clima não for o ideal; ou seja, sem luz solar.

4.3 Tipos de controlador de carga:

Existem 3 tipos de controladores de carga solar:

  • Controladores shunt
  • PWM
  • MPPT

Controladores shunt: Mencionamos os controladores shunt quando falamos sobre a regulamentação atual - eles agem como um interruptor, ligando e desligando o fluxo de corrente para uma bateria. Você ainda pode ver alguns em sistemas antigos, embora já tenham sido retirados do mercado. PWM e MPPT são os 2 tipos principais que prevalecem hoje.

Estamos

Vamos primeiro ao PWM.

4.4 O que é controlador de carga solar PWM?

PWM (Pulse Width Modulated), literalmente, funciona modulando sua largura de pulso atual.

O PWM envia para a bateria pulsos de carregamento intermitentes em vez de uma saída de energia constante. Ele opera mais como carregamento de flutuação de estágio 3 que gera gotas de correntes para a bateria.

Mas a rapidez (frequência) e a duração (largura) do pulso deve ser produzido são determinados pelo estado da bateria que ele detecta. Se a bateria já estiver totalmente carregada e as cargas no sistema não estiverem funcionando, o PWM enviará apenas um pulso muito curto a cada poucos segundos; para uma bateria descarregada, os pulsos seriam quase contínuos. Este é o princípio básico de funcionamento.

Embora o PWM seja mais barato do que o MPPT, devido ao pulso agudo que o PWM gera, ao processar um interruptor rápido para ligar e desligar durante o trabalho, sua TV, rádios ou sinais de telefone podem sofrer interferências. Essa é a desvantagem inerente do PWM.

Quando seu sistema escolhe PWM como o controlador de carregamento, é importante fazer com que a voltagem nominal dos painéis solares seja igual à voltagem nominal de um banco de baterias;

nomeadamente,

PWM em sistema 12V

PWM em sistema 12V

se o seu banco de baterias for de 12 V, você também deve selecionar o painel solar de 12 V.

PWM em sistema 24V

PWM em sistema 24V

E se o seu banco de baterias for de 24 V, você deve usar um painel solar de 24 V ou conectar dois painéis solares de 12 V em série, para torná-lo um 24 V.

PWM em sistema 48V

PWM em sistema 48V

Mas se o seu banco de baterias for 48 V, você precisará conectar quatro painéis solares de 12 V em série, ou dois painéis solares de 24 V em série, para obter 48 V.

E assim por diante.

Enquanto isso, certifique-se de que as especificações PWM correspondam às do banco de baterias também.

4.5 Qual o tamanho de um controlador de carga solar que eu preciso: PWM

Como dimensionar um PWM quando projetamos um sistema fotovoltaico fora da rede?

Passo 1, Obtenha o painel solar Isc (Amps de curto-circuito) e Voc (tensão de circuito aberto) de sua placa de identificação e descubra quantas cordas em paralelo estão no painel solar.

placa de identificação do painel solar

Placa de identificação do painel solar

Da placa de identificação,

lemos o Voc 22.1V e Isc 8.68A, e confirmamos que é um painel solar nominal de 12V da Voc.

Vamos começar com um exemplo simples e assumir que temos apenas 1 string em paralelo.

Passo 2, Multiplique Isc pelo número de strings em paralelo.

8.68 Isc x 1 string = 8.68A

Passo 3, multiplique por 1.25 fator de segurança. (Por que o fator é 1.25: consulte NEC 690.8 (A) (1) Correntes de circuito de fonte fotovoltaica)

8.68Isc x 1 string x 1.25 = 10.85A

Portanto, podemos escolher um PWM cuja capacidade de carga atual seja maior que 10.85A.

PWM em sistema de 24 strings 2V

PWM em sistema de 24 strings 2V

Agora, vamos verificar outro exemplo com 2 strings em 2 paralelos usando o mesmo painel de 140w mencionado agora.

Mas lembre-se - estamos usando um controlador de carga PWM, portanto, precisamos prestar atenção em quantos painéis estão em cadeias para que a tensão do painel solar corresponda à tensão do banco de baterias.

Neste exemplo, temos 2 cadeias paralelas e 2 painéis em série, portanto, o painel solar é para o sistema de bateria de 24V.

8.68 Isc x 2 cordas x 1.25 = 21.7A

Um controlador de carga solar PWM 25A seria o suficiente.

Capítulo 5: controlador de carga MPPT

5.1 Como funciona um controlador de carregamento solar MPPT?

Qual é o significado de MPPT?

MPPT é a sigla para Maximum Power Point Tracking, que é um tipo de rastreamento digital eletrônico.

MPPT é mais sofisticado - e também o mais caro - dos dois. MPPT tem cerca de 94% - 98% de eficiência de conversão. Isso é energia de entrada (do painel solar) quase igual a energia de saída (para o banco de baterias).

Os controladores de carga MPPT lêem a saída dos painéis solares e a voltagem das baterias para descobrir o melhor ponto de energia para extrair do painel solar; então, o MPPT diminui a tensão para atender a tensão de carga da bateria enquanto aumenta a corrente. Ao fazer isso, o MPPT pode aumentar a energia que finalmente obtemos dos painéis solares em quase 40%, em comparação com o PWM, já que o PWM não pode aumentar a corrente para rastrear o ponto de potência máxima.

Ao contrário do PWM, que exige que as tensões correspondam a ambos os lados, o MPPT pode ser aplicado ao sistema fotovoltaico, cuja tensão do painel solar é maior do que a do banco de baterias. Esse recurso traz muitas vantagens ao MPPT, que discutiremos no Capítulo 6

Agora,

vamos passar para os exemplos para que você possa entender rapidamente.

5.2 Como dimensionar o controlador de carga solar mppt?

Lembra-se dos painéis nominais de 20 V com 60 peças de células?

No circuito PWM, eles são muito grandes para corresponder a um banco de baterias de 12 V e muito pequenos para um banco de baterias de 24 V, mas o MPPT pode resolver essa situação embaraçosa.

O painel de 20 V tem 30 Vmp e 9 A Imp, e sua potência nominal = 30 x 9 = 270W.

Suponha que o painel de 20 V se aplique à bateria de 12 V. O MPPT converterá 30 V para cerca de 14 V para carregar a bateria e aumenta a corrente para que possa extrair o máximo de energia do painel solar.

Se reduzirmos 30V para 14V, a taxa diminuída é

30 / 14 = 2.14.

Então, o aumento da corrente é

9 x 2.14 = 19.28A.

Finalmente,

30 x 9 = 14 x 19.28 = 270 watts (potência entrada é igual a potência de saída);

como a corrente de saída é 19.28A, multiplicamos por 1.25 fator de segurança.

Nós temos

19.28 x 1.25 = 24.1A.

Portanto, será bom que escolhamos um MPPT com uma capacidade de corrente maior que 24.1A.

Outro exemplo com 2 cordas em 2 paralelos usando o painel nominal de 20 V para carregar a bateria de 12 V: a potência total em é

270 x 4 = 1080 W.

A saída atual seria

1080/14 = 77.14A.

Multiplique por 1.25

77.14 x 1.25 = 96.43A.

Então, vamos escolher um MPPT 100A.

5.3 Dimensionamento do controlador de carga: a tensão do controlador

Mais uma coisa que precisamos prestar atenção ao dimensionar um controlador de carregamento solar é a tensão. Certifique-se de que o controlador seja capaz de transportar a tensão de entrada dos painéis. Um controlador de carregamento de 150 V pode carregar apenas três painéis nominais de 20 V em série. Você pode se perguntar ... 3 x 20 = 60V? Isso está longe de 150V!

Porquê?

Isso ocorre porque a tensão real que os painéis solares geram pode ser muito superior a 20 V; às vezes, mais alto do que Vmp 30V. Então, usamos Voc para fazer o cálculo. Voc = 38V.

3 x 38 = 114 V

Então, três painéis nominais de 20 V em série são 114 V

Tabela NEC 690.7

Tabela NEC 690.7

Visto que a tensão do painel aumentará no clima frio, consulte a Tabela 690.7 do NEC. Então pegamos o fator mais seguro, 1.25, multiplicamos 114v por 1.25,

obtemos

114 x 1.25 = 142.5 V.

Agora você pode entender por que um controlador de 150 V só pode suportar três 20 V em série, especialmente no inverno.

Hoje em dia, os controladores recém-desenvolvidos podem ter tensões muito mais altas; alguns modelos suportam até entrada de 700V. Isso é muito importante quando o painel solar está instalado longe do banco de baterias.

Vamos explorar o motivo no capítulo 6.

Capítulo 6: PWM vs. MPPT

6.1 PWM vs. MPPT: Qual é o melhor?

Aprendemos sobre os recursos de ambos os controladores (PWM e MPPT) nos capítulos anteriores. Notamos bem que o PWM não converte tensão extra em correntes, o que resulta em baixas taxas de conversão de energia. Em outras palavras, o PWM não transfere toda a energia que é coletada pelos painéis solares para as baterias, mas o MPPT está sempre rastreando o ponto de potência máxima dos painéis e ajustando suas correntes e voltagem de forma que possa transferir toda a energia coletada pelo painel solar à bateria.

PWM vs. MPPT

PWM vs. MPPT

Um exemplo concreto irá explicar isso claramente:

A fórmula física básica:

Potência (watts) = V (Volts) x I (Amps)

Se usarmos um painel solar nominal de 12 V, 100 W para carregar um sistema de bateria de 12 V, o Vmp real é 17 V, e podemos calcular sua saída de corrente:

I = Potência / V

I = 100/17 = 5.88 amperes

Agora sabemos que a saída do painel é 17V e 5.88A.

Cenário 1: O sistema fotovoltaico é com controlador de carga solar PWM.

O PWM reduzirá a tensão para a tensão de carga da bateria - aproximadamente 14V. Depois de passar pelo PWM, a energia solar permanece apenas 14V e 5.88A.

Isto é:

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

Cenário 2: O sistema fotovoltaico está com o controlador de carregamento solar MPPT.

O MPPT não apenas reduz a tensão para 14 V, mas também aumenta a corrente, de modo que a potência é quase igual à saída.

Então, se a tensão diminuir em 17/14 = 1.21

Em seguida, a corrente para a bateria aumenta em 1.21, obtemos

5.88 x 1.21 = 7.11A

Sem energia total

P = 14 x 7.11 = 99.54 W

Neste exemplo, a energia desperdiçada pelo PWM é

99.54 - 82.32 = 17.22W

Quase 20% da energia não foi convertida em energia química da bateria. Se considerarmos o cenário em um grande painel solar, a perda pode ser enorme.

Portanto, é melhor usar MPPT para grandes painéis solares.

6.2 Os pontos fortes do MPPT

a) Alta eficiência de conversão

Se o seu sistema fotovoltaico vem com um grande painel solar, o MPPT seria a melhor escolha para aumentar a conversão de energia solar, especialmente em climas frios, pois a tensão do painel aumentará com a queda da temperatura. A taxa de conversão de MPPT pode aumentar de 20% para 40%. Isso é energia verde e gratuita que realmente economiza dinheiro em sua conta.

Conjunto de painéis solares à distância

Conjunto de painéis solares à distância

b) Menor perda de energia em cabos ou menor custo para compra de cabos.

Por favor lembre-se Fórmula da lei de Ohm

V (Volts) = R (Ohm) x I (Amps)

Potência de saída P(Watts) = V (Volts) x I (Amps)

So

Perda de resistência PR(Watts) = R (Ohm) x I2 (Amps)

Então, se seus painéis fotovoltaicos forem instalados a uma longa distância de seu banco de baterias, a perda de energia da resistência do cabo é considerável (PR = R x I2  ) Aqui, R representa a resistência dos cabos. R aumenta conforme o comprimento do cabo aumenta:

Fórmula de resistência do cabo

Fórmula de resistência do cabo

Mas se dobrarmos a voltagem do painel solar, conectando-os em mais séries, de acordo com P = V x I, não há mudança na potência total de saída P, então a corrente através do cabo que eu deveria ser metade.

Finalmente, a resistência PR(Watts) = R (Ohm) x I2 (Amps) será um quarto do que antes.

Na verdade, com o MPPT, você pode aumentar a tensão do painel solar ainda mais para reduzir o fluxo de corrente.

Neste caso, aumentamos a tensão do painel para reduzir a perda de resistência através dos cabos e, como estamos usando MPPT, que sempre rastreia para obter a potência máxima dos painéis, não temos desperdício de tensão como o PWM pode ter.

Poderíamos revisar este tópico de outro aspecto. Se você não pode aumentar a tensão dos painéis, então você tem que encontrar uma solução para reduzir a resistência do cabo, como resistência = resistividade x comprimento / área, parece que a única maneira é usar cabos com grandes áreas transversais, e isso será outro enorme soma de dinheiro para gastar.

Para recapitular, quando se trata de sistemas pequenos, o PWM é uma boa solução por ser barato, mas para sistemas grandes, a fim de melhorar as taxas de conversão e não desperdiçar a capacidade do painel solar de aproveitar a energia solar, o MPPT é preferível. MPPT sempre seria aplicado a sistemas de alta potência.

6.3 Prós e contras

É necessário aprender informações com conhecimento do conteúdo anterior antes de tomar a decisão de comprar um controlador de carregamento solar para seu sistema fotovoltaico. Uma tabela de comparação, listando a diferença entre PWM e MPPT, também é sugerida. Portanto, reunimos seus prós e contras para tornar mais conveniente sua revisão.

PrósContras
PWM
  • A tecnologia PWM está disponível em sistemas fotovoltaicos há muito tempo e é uma tecnologia relativamente estável e madura
  • Eles são econômicos e acessíveis para a maioria dos consumidores
  • PWM pode suportar até 60 amperes de carga atualmente
  • A maioria dos PWMs tem uma estrutura de dissipação de calor razoável que lhes permite trabalhar continuamente
  • O PWM vem em tamanhos diferentes para se adequar a uma ampla gama de aplicações
  • Se o PWM for aplicado a sistemas solares fotovoltaicos, a voltagem do painel solar deve corresponder à do banco de baterias
  • A capacidade de carga atual de um único PWM não foi desenvolvida e ainda é de apenas 60 amperes
  • Alguns controladores de carga PWM menores não podem ser listados pela UL devido ao seu projeto de estrutura pobre
  • Alguns PWM de tamanho menor não têm encaixes de conduíte
  • O PWM às vezes tem problemas de interferência de sinal. Os controladores geram ruído na TV ou rádios
  • PWM limita a expansão de sistemas solares fotovoltaicos em certa medida
  • Não pode ser aplicado a painéis solares de alta tensão fora da rede
MPPT
  • MPPT maximiza a conversão de energia solar de painéis fotovoltaicos e as taxas podem ser 40% mais eficientes do que PWM
  • O MPPT pode ser usado nos casos em que a voltagem do painel solar é superior à voltagem da bateria.
  • MPPT pode suportar até 80 amperes de corrente de carga
  • MPPT oferece garantias mais longas do que PWM
  • MPPT não limita expansão de painéis solares no sistema
  • MPPT é a única solução para um sistema de energia solar híbrido
  • MPPT são mais caros do que PWM. O preço de alguns modelos é o dobro de um controlador de carga PWM
  • Como o MPPT tem mais componentes e funções, seu tamanho físico é maior do que o PWM.
  • MPPT são mais complicados, então, na maioria das vezes, precisamos seguir um guia ao dimensionar o painel solar
  • O controlador solar MPPT constantemente força o painel solar conectado em cordas

6.4 Todo sistema fotovoltaico solar precisa de um controlador de carregamento?

A resposta é não.

Geralmente, se o seu painel solar tem menos de 5 watts para cada 100 amp / hora de bateria, você não precisa de um controlador de carregamento solar.

Aqui está uma fórmula que podemos usar:

Quociente = Capacidade da bateria (Amp-hora) / Imp do painel solar (Amps)

Se o quociente for maior que 200, você não precisa de um controlador; caso contrário, é melhor você instalar um controlador.

Por exemplo, se você tiver uma bateria de 200AH e painel de 20W, o quociente seria 200 / 1.18 = 169.5; neste caso, você precisa de um controlador.

Se você tiver bateria de 400AH e painel de 10W, o quociente seria 400 / 0.59 = 677.9; neste caso, você não precisa de um controlador.

Glossários

  • Defina pontosAs tensões específicas que foram definidas para controladores de carregamento para alterar as taxas de carregamento.
  • DoD: Profundidade de descarga, a proporção da capacidade da bateria (amperes-hora) removida de uma bateria totalmente carregada. Por exemplo, se a capacidade total da bateria for 100 Ah e 40 Ah já estiver descarregada, o DoD é 40%.
  • Bateria de ciclo profundo: Bateria de chumbo-ácido, que sempre pode ser descarregada profundamente para um estado de baixa carga. Baterias de ciclo profundo têm alto DoD.
  • Criança levada: Corrente com potência máxima; o quociente de potência máxima por Vmp.
  • STC: Condições de teste padrão, condições ideais em um laboratório onde um acessório é testado.
  • Voc: Tensão de circuito aberto, a tensão máxima em uma célula fotovoltaica, quando você mede um painel solar em condições de teste teoricamente padrão (STC) com apenas um voltímetro conectado. A voltagem que o medidor obtém é o Voc.
  • Vmp: Tensão na potência máxima, a tensão de saída de um painel solar quando conectado ao sistema fotovoltaico.
  • Tensão nominal: Uma voltagem de referência usada para categorizar o equipamento solar em um sistema fora da rede. Em um sistema vinculado à rede, as tensões nominais (12v, 24v e 48v) não fazem sentido.
  • Isc: Corrente de curto-circuito, a corrente máxima em um circuito externo sem nenhuma carga ou resistência.