Regulator de incarcare pentru acumulatori (MPPT)

[Paul Petrescu]

Regulator de incarcare pentru acumulatori (MPPT)

Ce este un MPPT?
Ca să încărcaţi un acumulator (să măriţi tensiunea) este nevoie ca panoul solar să furnizeze tensiune mai mare decât tensiunea acumulatorului. Dacă tensiunea (Vpp) panoului solar este sub tensiunea acumulatorului, atunci curentul de încărcare este zero. De aceea voltajul terminal (Vpp) al panourilor solare de 12V în general este 17V măsurat la 25°C. Este nevoie de acesta fiindcă într-o zi foarte caldă poate să scadă la 15 V, respectiv poate urca la 18V în zilele foarte reci!

Ce se întâmplă, dacă Vpp este mult mai ridicat, decât tensiunea acumulatorului? Acumulatorul „trage” tensiunea panoului solar la o valoare mai scăzută decât cea ideală. Regulatorul MPPT face o analiza a tensiunii de ieşire a panoului solar si o compara cu tensiunea acumulatorului. In urma acestei analize dispozitivul decide care este puterea optima care trebuie transferată spre acumulator în aşa fel, încât sa fie transferat curentul maxim în Amperi, dinspre panoul solar spre acumulator.

După care stabileşte tensiunea optimă la care poate încărca acumulatorul cu curent maxim (curentul cu care se încarcă acumulatorul este cel mai definitor). Cele mai moderne dispozitive MPPT au un randament de conversie apropiat de 92-97%. Cu ajutorul acestui dispozitiv se obţine o creştere tipica intre 20% si 45% a cantităţii de energie transferată în perioada de iarna si intre 10% - 15% in perioada de vara. Câştigul energetic depinde de condiţiile meteo, temperatura, starea de încărcare a acumulatoarelor si alţi factori.

Regulatoarele MPPT lucrează cel mai eficient în circumstanţele de mai jos:

* Iarna şi/sau în zilele înnorate, ceţoase –când este nevoie de extra energie
* Vreme rece - panourile solare funcţionează mai bine la temperaturi scăzute dar fără MPPT se pierde puterea electrică generată suplimentar. Temperaturile scăzute se regăsesc în perioada de iarna când numărul de ore cu soare este mic si este necesară toata energia pentru a reîncărca acumulatoarele.
* Când bateria este foarte descărcata - cu cât este mai scăzută tensiunea pe acumulator un regulator MPPT introduce un curent mai mare – încă o ocazie, când este nevoie de un plus de energie. Circumstanţele de mai sus foarte des apar împreună.

Exemplu:
Să luăm ca exemplu un panou solar Kyocera KC-120 de 120W iar din datele tehnice observăm ca această putere nominală este produsă când panoul va furniza 7,1 Amperi iar tensiunea ajunge la 16,9 Volţi. Deci 7,1A x 16,9V = 120W.

Ce se întâmplă, când panoul solar de 120W este legată de acumulator? Din păcate ce se întâmplă nu corespunde 120W. Panoul solar furnizează 7,1 Amperi spre acumulatorul de 12V: 7,1Ax12V=85 Watt. Pierderea este de 35 Waţi. Diferenţa de 35 Waţi nu ajunge nicăieri, efectiv nu a fost furnizat de panoul solar spre acumulator din cauza „legăturii” necorespunzătoare.

În cazul în care acumulatorul este foarte descărcat, tensiunea pe acumulator este in jur de 10,5V situaţia este şi mai rea – poate suferi o pierdere de 35% din cauza conversiei proaste (10,5Vx7,1A= 75W). Vom constata o pierdere de 45W. În acest punct intră optimalizarea, urmărirea punctului de putere maximă. Să considerăm că bateria este descărcată şi tensiunea măsurabilă este la aproximativ 11,5Volti, iar panoul solar de 120W descris anterior în exemplul nostru este la putere maxima.

Un regulator solar MPPT analizează cei 16,9V furnizaţi împreuna cu acel curent de 7,1A si declanşează conversia. În urma acestui proces de conversie, acumulatorul va primii o valoare de 9,6 Amperi la o tensiune de 12,5V. Deci vom avea cei 120W disponibili.

Descrierea funcţionării
MPPT (Maximum Power Point Tracking) înseamnă că cu ajutorul algoritmului de încărcare regulatorul preia cea mai mare energie disponibilă de la panourile solare şi o transmite spre acumulator cu pierderi minime.

Punctul de putere maximă al panourilor solare este influenţat de mai mulţi factori, cum ar fi temperatura panoului, măsura radierii, tipul panoului, etc. Microprocesorul încorporat în regulator caută tot timpul acest punct de putere maximă, şi preia cea mai mare energie disponibilă de la panourile solare şi o transmite spre acumulator cu pierderi minime.

Regulatorul MPPT se poate utiliza la toate panourile solare cu pământare negativă (-), fiindcă ramura pozitivă (+) a ieşirii consumatorilor DC se întrerupe la decuplare. În cazul sistemelor solare (fotovoltaice) pentru acumularea energiei solare cel mai utilizat este acumulatorul cu plăci de plumb.

Aceste acumulatoare trebuie protejate împotriva supraîncărcării şi supradescărcării. Regulatoarele MPPT satisfac ambele cerinţe. Datorită posibilităţii de comutare automată 12/24V se poate utiliza atât în cazul sistemelor de 12 V cât şi în cazul sistemelor de 24V. Dacă nu aţi regula producerea de gaze durata de viaţă a acumulatorului ar scădea. Regulatoarele MPPT datorită încărcării compensate în funcţie de temperatură nu permite ca în acumulator producerea de gaze să depăşească limita normală în timpul încărcării. Ieşirea consumatorilor DC face posibilă, ca printr-o simplă apăsare de buton să decuplaţi, respectiv să decuplaţi manual consumatorii.

Protecţie împotriva supradescărcării
Acumulatoarele cu plăci de plumb trebuie protejate împotriva descărcării în exces, în caz contrar celulele acumulatorului se deteriorează şi din această cauză scade considerabil durata de viaţă a acumulatorului. Dacă nivelul de încărcare al acumulatorului scade sub o anumită valoare, regulatorul de încărcare decuplează consumatorii DC şi aceşti consumatori se pot recupla manual (butonul de PORNIRE/OPRIRE consumator DC se află pe spatele aparatului), când elementele solare au încărcat din nou acumulatorul peste un anumit nivel. Starea neadecvată a acumulatorului generează de asemenea decuplarea consumatorilor DC.

Protecţie împotriva supraîncărcării
Depăşirea tensiunii maxime de încărcare conduce la formarea excesivă a gazelor în acumulator, care are efect dăunător asupra acumulatorului din mai multe cauze (hidrogenul produs împreună cu oxigenul formează gaz care poate exploda, respectiv din cauza electrolitului evaporat în urma acumulării de gaz şi a temperaturii ridicate partea superioară a celulelor se poate usca în cazul în care nu completăm lichidul cu apă distilată). Cantitatea gazului format depinde de temperatura mediului în care se află acumulatorul. Senzorul de temperatură reglează automat tensiunea de încărcare conform temperaturii acumulatorului. În cazul în care am atins tensiunea maximă a acumulatorului, dacă consumatorii DC sunt decuplaţi, regulatorul de încărcare se cuplează în modul de desulfurare.


Modul de desulfurare
Pentru deteriorarea, îmbătrânirea acumulatorului în proporţie de 90% de vină este depunerea sulfatului de plumb pe plăcile acumulatorului, care împiedică fluxul electrolitului între electroni şi plăci. Regulatoarele MPPT utilizează o tehnică de încărcare cunoscută de multă vreme, aşa numita încărcare în impulsuri. Impulsurile de desulfurare (cu o durată de 100 μs – impulsuri de 60 V) ajung la acumulator în intervale de 3 secunde în cazul în care la regulatorul solar nu este cuplat un consumator DC (pentru evitarea eventualelor perturbări). Datorită încărcării în impulsuri stratul de sulfat de plumb depus pe plăci ajunge înapoi în electrolit şi sulfatul nu se mai depune. Încărcarea în impulsuri pe lângă păstrarea capacităţii maxime a acumulatorului prelungeşte şi durata de viaţă a acestuia, fapt care menajează atât natura, cât şi portmoneul.


Încărcare compensată în funcţie de temperatură
Senzorul de temperatură externă care se aplică pe acumulator regulează tensiunea de încărcare a panoului solar în funcţie de temperatura acumulatorului, împiedicând astfel formarea excesului de gaz în acumulator. Din acest motiv regulatoarele de încărcare solară se montează în apropierea acumulatorului şi senzorul de temperatură pe acumulator.


Opţiunea panel cu telecomandă cu memorie
Prin racordarea opţională a panelului cu telecomandă (informaţii suplimentare pe foaia de date a produsului MPPT REMOTE) de pe display-ul LED se pot citi parametrii importanţi ai sistemului şi de la distanţă, se pot decupla, respectiv cupla ieşirile consumatorilor DC, se poate trezi regulatorul de încărcare din modul de funcţionare standby, şi se pot memora valorile de tensiune (V) şi de curent (A) ale panoului solar şi acumulator. Aceste date sunt memorate automat de sistem din 10 în 10 secunde pe cardul de memorie SD (nu este accesoriu), aceste date în viitor se pot evalua pe calculator (cu ajutorul datelor se poate calcula de exemplu valoarea energiei produse în Wh).


Părţile componente şi legarea regulatorului de încărcare

* Senzor de temperatură externă
* Racordare panel cu telecomandă
* Buton PORNIRE/OPRIRE consumator DC
* LED semnalizare nivel de încărcare acumulator
* LED semnalizare stare panou solar
* LED semnalizare stare consumator DC
* LED semnalizare stare acumulator
* Intrare panou solar(+/-)
* IeÅŸire consumatori DC
* Intrare acumulator (+/-)

Atenţie: În cazul în care consumatorii DC se leagă cu polaritate inversă aceştia se pot deteriora. Fiecare consumator DC trebuie să aibă rezistenţă proprie. Panelul cu telecomandă se montează în apropierea acumulatorului, în loc ferit de adversităţile vremii. În interesul funcţionării optime a aparatului, regulatorul de încărcare se montează cu racordurile în jos, pe suprafaţă verticală, stabilă. Să aveţi grijă să nu montaţi regulatorul de încărcare deasupra unui corp care emană căldură (ex. radiator). Să lăsaţi spaţiu liber de minim 10 cm sub şi deasupra regulatorului.


Punere în funcţiune
Atenţie: aveţi grijă la legăturile cu polaritate corectă! Înainte să puneţi aparatul în funcţiune să verificaţi dacă tensiunea elementelor din sistem – panou solar, acumulator, consumatori DC şi regulator de încărcare – sunt de aceeaşi valoare (12 sau 24V). Dacă nu sunteţi sigur, luaţi legătura cu distribuitorul înainte de a pune aparatul în funcţiune. Să respectaţi instrucţiunile de mai jos:

* Legaţi acumulatorul la polii corespunzători ai regulatorului de încărcare solară, care sunt potriviţi pentru cabluri cu diametrul de 16 mm². Ca să evitaţi scăderea tensiunii cablului, utilizaţi cabluri cu diametrul minim de 1,5 mm² (până la 10A), 2,5 mm² (până la 20A) sau 4 mm² (până la 30A). Dacă distanţa între acumulator şi regulatorul de încărcare este mai mare, atunci să utilizaţi cabluri mai groase decât cele prevăzute. Pe polul pozitiv al acumulatorului să puneţi siguranţă proprie →Atenţie: În cazul legării unui acumulator cu polaritate inversă LED-ul de semnalizare stare acumulator (7) va lumina. Regulatorul de încărcare solară se montează în apropierea acumulatorului şi senzorul de temperatură se montează pe acumulator.
* Legaţi panourile solare pe polii corespunzători ai regulatorului de încărcare solară. Aveţi grijă ca grosimea cablului utilizat să fie proporţională cu distanţa. → LED-ul de semnalizare stare panou solar (5): semnalizează cu lumină verde
* Verificaţi dacă ieşirea consumatorilor DC este decuplată sau nu, dacă nu este atunci să-l decuplaţi (butonul 3)
* Legaţi consumatorii DC de polii corespunzători ai regulatorului de încărcare. Legarea se face în baza simbolurilor de pe spatele regulatorului de încărcare respectiv a desenului de mai sus.
* Ca ultim pas al legării apăsaţi butonul de PORNIRE/OPRIRE al consumatorilor DC (3), în cazul în care aparatul în timpul racordării a trecut în funcţiune standby. Dacă ieşirea consumatorilor DC este decuplată (activă), atunci LED-ul de semnalizare stare consumator DC (6): semnalizează cu lumină verde. → Ieşirea consumatorilor DC se poate cupla doar manual prin apăsarea butonul de PORNIRE/OPRIRE (3) a consumatorilor DC: în modul de funcţionare activ se apasă o dată, în modul de funcţionare standby (sleep) de două ori (cu prima apăsare „treziţi” întregul sistem din modul de funcţionare standby, după care cu a două apăsare cuplaţi consumatorii DC).

Modul de funcţionare standby
Pentru un randament mai mare şi pentru a economisii energie, regulatorul de încărcare MPPT intră în modul de funcţionare standby, în cazul în care din partea panourilor solare nu primeşte energie care să acopere măcar necesitatea regulatorului de încărcare. În acest caz un regulator convenţional de încărcare ia din acumulator curentul necesar funcţionării.

Deci într-o zi noroasă sau noaptea, când funcţionarea regulatorului de încărcare ar fi posibilă doar cu acumulator, nu se consumă energie în plus. Aparatul intră în modul de funcţionare standby dacă ieşirea consumatorilor DC nu este activă (nu este consumator DC legat sau consumatorul este decuplat).

Microcontrolerul încorporat periodic măsoară şi compară energia produsă de panoul solar cu consumul propriu al regulatorului de încărcare şi dacă autoconsumul este mai mare, decât energia produsă, atunci trimite regulatorul de încărcare în modul de funcţionare standby. Indicatorii LED sunt de asemenea în modul de funcţionare standby. Se „trezeşte” din modul de funcţionare standby când energia produsă de panoul solar este mai mare decât autoconsumul SAU dacă butonul de PORNIRE/OPRIRE al consumatorilor DC a fost apăsat SAU butonul „STANDBY” a fost apăsat pe panelul cu comandă.


Schimbarea siguranţelor interioare
Din motive de siguranţă tehnică regulatorul de încărcare MPPT este dotat cu siguranţă internă. În cazul în care arde siguranţa, se îndepărtează capacul aparatului ca să ajungeţi la siguranţă. Înainte de îndepărtarea capacului să dezlegaţi cablurile legate de poli acumulatorului şi îndepărtaţi şuruburile care ţin capacul.

După îndepărtarea capacului siguranţa interioară devine accesibilă. Atenţie! În timpul îndepărtării, respectiv punerii la loc a capacului să aveţi grijă să nu prindeţi între peretele aparatului şi capac cablul senzorului de temperatură externă, precum indicatorii LED să intre în locul lor.


Indicatorii LED ai nivelului de încărcare a acumulatorului:
LED roşu: Nivelul de încărcare a acumulatorului a scăzut până la punctul supradescărcării. Ieşirea consumătorilor DC a fost decuplată.
LED galben: acumulatorul se încarcă
LED verde: Acumulatorul este încărcat. Modul de desulfurare a fost activat, în cazul în care consumatorul DC a fost decuplat sau nu a fost legat.

Sursa - http://eolin.ro/mppt.htm

[Paul Petrescu]

Ce este un controler (regulator) de incarcare cu MPPT?

articol creat de Florin Fleseriu

Aceasta sectiune acopera teoria si functionarea unui controler de incarcare solar, utilizand metoda "Urmaririi Punctului de Putere Maxima" ( Maximum Power Point Tracking). Aceasta metoda este utilizata de cele mai performate controlere de incarcare solare fabricate de producatorii de echipamente.



Un controler MPPT sau in traducere, "controler cu urmarirea punctului de putere maxima" este un convertor DC - DC care optimizeaza perfect transferul de energie intre aria de panouri solare fotovoltatice si bateria de acumulatori, reteaua nationala sau pompele solare de curent continuu. (Se mai regasesc in literatura denumite si "Power Tracker" dar nu trebuie confundate cu dispozitivele denumite "PANEL Tracker" destinate urmaririi deplasarii relative a soarelui pe cer.)


Deci ... ce inseamna pana la urma "optimizare" ?



Componentele de baza din cadrul unui sistem solar (celule solare, acumulatori) sunt dispozitive de finete dar "lipsite de inteligenta". Este de la sine inteles ca aceste sisteme solare sunt construite pentru a functiona la 12V, 24V sau 48V, tensiuni de lucru standard global. Este evident ca panourile solare trebuie sa fie capabile sa livreze curentul pentru aceste tensiuni. Sa luam ca exemplu tensiunea de lucru de 12V. In acest caz este obligatoriu ca si panourile solare cat si acumulatorii sa fie compatibili cu aceasta tensiune de lucru. In realitate nu se intampla asa. Panourile fotovoltaice furnizeaza o tensiune de aprox 16V - 17V la putere maxima ( sau in jur de 34V - 36V pentru versiunea de 24V). Acumulatorii in timpul incarcarii au o tensiune de aproximativ 13,2 - 14,2V la incarcare completa fiind un element extrem de dinamic din acest punct de vedere. Deci exista o diferenta mare de tensiune intre ceea ce furnizeaza un panou solar si tensiunea de lucru pe acumulatori.



Sa consideram un panou fotovoltaic de 120W iar din datele tehnice observam ca aceasta putere nominala este produsa cand panoul va furniza 7,1Amperi iar tensiunea ajunge la 16,9Volti. Deci 7,1A x 16,9V = 120W. In cazul in care bateria de acumulatori este foarte descarcata, tensiunea pe acumulatori este in jur de 11V. Vom constata ca la bornele bateriei vom avea o putere egala cu 7,1A x 11V = 78W !! Probabil va veti intreba unde au disparut cei 42W ? ... Raspunsul este evident . Acea putere nu a fost produsa din cauza ca nu exista o compatibilitate de tensiune intre panoul solar si acumulatori. Diferenta este intradevar enorma ... 35% ... pierdere !!!


Ce e de facut ?

Ne-am putea gandii ca una dintre solutii ar fi fabricarea panourilor solare fotovoltaice, in asa fel incat tensiunea de lucru sa fie compatibila cu cea de pe acumulatori. Nu ar fi solutia cea mai simpla de rezolvat aceasta problema? Din nefericire ... raspunsul este negativ.
Panoul solar de 120W din exemplul nostru, va produce cei 120W doar in conditii standard de iluminare ( STC - standard test condition). Daca temperatura fizica a panoului solar creste atunci tensiunea de la bornele lui va scadea. In conditii de vara, acest lucru se intampla des, ceea ce va face ca acumulatorii sa nu mai dispuna de suficienta tensiune pentru a fi incarcati.

Ce este urmarirea punctului de putere maxima ( Maximum Power Point Tracking) ?

In primul rand vom elimina confuzia creata de termenul "tracking" (urmarire).

Panel tracking - acesta este un dispozitiv mecanic care permite panoului solar sa urmareasca curba descrisa de miscarea solarelui pe cer. Acest dispozitiv permite obtinerea unei puteri maxime a panoului fotovoltaic, prin mentinerea in permanenta a unui unghi optim de incidenta a razelor solare, pe suprafata panoului. In general se accepta ca energia produsa zilnic, suplimentar prin aceasta metoda este cu 15% mai mare in perioada de iarna, iar vara se apropie de 30%.

Atentie! Unele companii pretind ca se poate obtine mai mult decat am mentionat, dar acest lucru este adevarat NUMAI in conditii de iluminare standard ( STC - standard test condition). Aceste conditii sunt ideale si nu sunt intalnite in realitate decat in mod aleator.

Maximum Power Point Tracking - acesta este un dispozitiv electronic si nu are nici o legatura cu dispozitivul mecanic prezentat anterior. Acest controler face o analiza a tensiunii de iesire a panoului solar si il compara cu cel al acumultorului. In urma acestei analize dispozitivul decide care este puterea optima care trebuie transferata spre acumulatori in asa fel incat sa fie transferat curentul maxim in Amperi, dinspre panoul solar spre bateria de acumulatori. Cu ajutorul acestui dispozitiv se obtine o crestere tipica intre 20% si 45% a cantitatii de energie transferata in perioada de iarna si intre 10% - 15% in perioada de vara. Castigul energetic depinde de conditile meteo , temperatura, starea de incarcare a acumulatorilor si alti factori.

Cele mai moderne dispozitive MPPT au un randament de conversie apropiat de 92-97%, ceea ce este un beneficiu evident.

Cum functioneaza acest dispozitiv MPPT (Maximum Power Point Tracking) ?

Sa consideram ca bateria este descarcata si tensiunea masurabila este la aproxivativ 11,5Volti, iar panoul solar de 120W descris anterior in exemplul nostru este la putere maxima. Un controler solar MPPT analizeaza cei 16,9V furnizati impreuna cu acel curent de 7,1A si declanseaza conversiea. In urma acestui proces de conversie, acumulatorul va primii o valoare de 9,6Amperi la o tensiune de 12,5V. Deci vom avea cei 120W disponibili. :)

PV Maximum Power Point Graph
Alaturat va prezentam o imagine extarsa din programul de analiza a productiei de energie electrica a unui panou fotovoltaic (faceti click pe imagine pentru marire). Daca veti analiza linia verde veti vedea ca exista o valoare maxima in partea din dreapta sus. Acela este punctul de productie maxima. Controlerul solar MPPT determina acel punct si executa convestia tensiunii si a curentului de la panoul solar in tensiunea si curentul necesar la un moment dat acumulatorului pentru incarcare.

Un controler MPPT determina precis punctul de putere maxima care este in diferit in aproape toate situatile fata de STC (Standard Test Conditions). In conditii de temperatura foarte scazuta un panou solar de 120W este capabil sa ofere mai mult de 130W putere, pentru ca in masura in care temperatura merge in jos puterea intodeauna creste. Fara un dispozitiv MPPT nu veti putea beneficia de aceasta putere suplimentara. In perioada de vara lucrurile sunt exact invers. Daca temperatura creste si puterea scade.

Controlerul de incarcare MPPT este esential in urmatoarele conditii:

Perioada de iarna si/sau cer cu nori si ploaie - cand este necesara intodeauna o putere suplimentara.

* Vreme rece - panourile solare functioneaza mai bine la temperaturi scazute dar fara MPPT se pierde puterea electrica generata suplimentar. Temperaturile scazute se regasesc in perioada de iarna cand numarul de ore cu soare este mic si este necesara toata energia pentru a reincarca acumulatorii.
* Cand bateria este foaret descarcata - cu cat este mai scazuta tensiunea pe acumulatori cu atat mai mult un controler MPPT introduce un curent mai mare.

Care este diferenta intre un controler MPPT (Maximum Power Point Tracker) liniar sau digital ?

Asa cum am precizat deja un controler solar MPPT este net superior fata de unul conventional. Exista pe piata mai multe tipuri de controlere MPPT, insa doar cele digitale controlate prin microprocesor produc performanta de care este nevoie. Acele contolere liniare MPPT (non digital) fabricate in "zone exotice", sunt mult mai ieftine decat cele digitale fabricate de Steca, Xantrex, Outback Power MX60 sau Morningstar, iar performanta lor reala este imposibil de determinat in mod corect.

Din determinarile efectuate de noi asupra unor controlere liniare, s-a determinat ca eficienta lor este extrem de redusa si am vazut cateva care au pierdut complet gasirea punctului de maxim blocand complet incarcarea bateriei de acumulatori. Acest lucru s-a intamplat in momentul in care am simulat trecerea unui nor sporadic deaupra unui panou solar. Controlerul liniar incerca sa determine urmatorul punctul de maxim in momentul in care a scazut iradierea solara pierzand analiza imediat ce soarele a revenit si blocand incarcarea. Practic la variatii de intensitate luminoasa poate devenii mai slab decat un controler conventional. Algoritmul de cautare liniar, este net inferior si functioneaza cu sincope in comparatie cu unul digital si asa cum am determinat deja.


Sursa - http://www.ecovolt.ro/ro/support/ce_est ... r_mppt.htm

[Niky Radu]

Am verificat ambele site-uri, primul nu mai are actualizate preturile din 2009, iar cel de al 2lea mi se pare scump, am facut comparatie efectiva la cat costa un panou solar si am gasit mai ieftin la http://www.mondoplast.ro/Panouri-Solare ... eglabile-9 , pentru precizarile aratate si necesitatea regulatorului "jos palaria"

[Paul Petrescu]

@Niky Radu
Eu NU am pomenit nici un producator si nu am spus nimic de pret.... Atata timp cat articolele nu sunt conceptia mea, corect este sa mentionam sursa.