Monitorización del Punto de Máxima Potencia: Optimización de los paneles solares

Al considerar la integración de un panel solar fotovoltaico en un proyecto, una suposición ingenua sería que simplemente apunta el panel en la dirección del Sol y genera cargas de corriente continua pura, lista para cargar la batería. Hasta cierto punto, esta suposición es correcta, pero agregar la salida del panel solar a algo así como un controlador PWM antiguo o un controlador de ganancia difícilmente lo acercará a las especificaciones completas del panel.

Las palabras clave aquí son ‘punto de máxima potencia’ (MPP), que se refiere al punto óptimo en la curva IV de un panel solar. Esta es una propiedad que es importante no solo para dispositivos fotovoltaicos, sino también para turbinas eólicas y otras fuentes de energía altamente variables. El seguimiento de este punto de máxima potencia es lo que generalmente se conoce como “MPPT”, pero este acrónimo cubre muchos algoritmos diferentes, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. En este artículo, veremos cuáles son estos algoritmos MPPT y cuándo desea elegir uno en particular.

Curvas fuertes

Las especificaciones de las celdas solares generalmente enumeran el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Entre estos extremos, el voltaje que puede producir una celda solar depende de la cantidad de corriente que produzca. A medida que aumenta la corriente, el voltaje que puede producir disminuye.

Piense en una boquilla al final de una manguera: cuanto mayor sea el flujo de agua que libere, menor será la presión en la salida. Si lo dejas bien abierto, obtendrás el flujo máximo, pero se derramará sobre tus piernas. Si cierras un poco la boquilla, sale menos agua, pero vuela más lejos.

La potencia es el producto del voltaje y la corriente, P = I * V, y eso es lo que nos importa. En las especificaciones, uno de I o V es cero, por lo que no se produce energía. Entre estos casos hay una potencia máxima para una iluminación dada.

Ejemplo de la curva IV de un panel solar fotovoltaico.
Ejemplo de la curva IV de un panel solar fotovoltaico. Una línea vertical sigue al MPP.

El objetivo del rastreador de puntos de energía es resistir el flujo de corriente de la celda solar para que opere a una corriente y voltaje intermedios que maximice su salida de energía: abriendo la válvula para que el agua empuje la rueda hidráulica lo más rápido posible. .

Es esta simplicidad la que también esconde la complejidad del MPPT: en el caso de un panel solar fotovoltaico, su MPP cambiará constantemente a medida que cambia la radiación solar debido al paso de las nubes, el ángulo cambiante del Sol y muchos otros factores. Esto significa que el MPP debe actualizarse continuamente, lo que significa determinar el voltaje óptimo con un sobreimpulso o un sobreimpulso mínimos. A lo largo de los años, se han desarrollado varios enfoques diferentes para resolver este problema.

Aunque hay algunas variaciones y algoritmos MPPT personalizados, los siguientes son los algoritmos más populares.

Voltaje constante

Placa MPPT de voltaje constante CN3722 genérica.
Placa MPPT de voltaje constante CN3722 genérica.

Uno de los algoritmos MPPT más antiguos y básicos, el seguimiento de voltaje constante (CV), varía la corriente de salida para mantener un voltaje de referencia constante. Este enfoque usa una cierta proporción del voltaje de circuito abierto, generalmente alrededor del 80%, lo que significa que técnicamente no sigue el MPP en absoluto.

Sigue siendo un enfoque útil debido a su simplicidad, pero ofrece baja eficiencia y sufre en situaciones en las que el panel solar está mal colocado y no ve pleno sol. Los bajos requisitos lo convierten en un objetivo ideal para soluciones de un solo chip de bajo costo, como los ubicuos circuitos integrados MPPT de Consonance-Elec, como el CN3722 y el CN3791.

Se puede obtener una placa MPPT básica de 5 A CV en una variedad de formas genéricas por menos de $10. Esto los hace ideales para aplicaciones de aficionados y sensibles a los costos donde la eficiencia no es primordial y un MPP aproximadamente aproximado es suficiente.

Molestar y observar

Este algoritmo MPPT es un algoritmo de seguimiento real bastante sencillo. Como sugiere el nombre, este algoritmo se basa en cambiar ligeramente el punto de referencia actual del MPP, medir la corriente y el voltaje, determinar si la potencia producida ha aumentado o disminuido y repetir el cambio en consecuencia.

Aunque bastante eficiente incluso en esta forma básica, el principal problema con el algoritmo de perturbación y observación es que tiende a oscilar alrededor del MPP, lo que reducirá la eficiencia general.

Para que este algoritmo determine si ajustar el punto de ajuste de MPP, debe cambiar ese punto de ajuste para que pueda observar el efecto de este cambio en forma de potencia de salida. Aunque este seguirá el MPP óptimo, oscilará constantemente a su alrededor. Aquí, mantener el tamaño de paso de la adaptación lo más pequeño posible parece ser una optimización razonable, pero esto hace que el sistema responda muy lentamente cuando ocurre un cambio rápido, como una nube que oscurece el panel fotovoltaico.

Este enfoque es un buen compromiso entre un enfoque simple de voltaje constante y algo aún más sofisticado.

conductividad incremental

La conductancia incremental mide los cambios en la corriente y el voltaje para predecir el efecto del cambio de voltaje utilizando la conductancia del sistema (ΔI / ΔV), la pendiente de la curva de potencia. Cuando perturbe y observe tome pasos de tamaño fijo y pruebe si están en la dirección correcta, la conductancia incremental cambia el tamaño del paso dependiendo de qué tan lejos esté del óptimo. Esto tiene el efecto de que cuando ya está en MPP, el tamaño del paso llega a cero y simplemente permanece allí.

Calcular la pendiente, la relación entre el voltaje y los cambios de corriente, es más sensible al error que medir los niveles mismos. Entonces, si bien la conductividad incremental utiliza una mejor estrategia de optimización, también viene con los requisitos de hardware más estrictos, incluidos componentes precisos y un controlador que puede realizar constantemente los cálculos necesarios. Esto lo convierte en una buena opción para aplicaciones donde la eficiencia es primordial y el presupuesto disponible es lo suficientemente generoso para cubrir los costos adicionales.

Solo el principio

Lo anterior es solo una introducción mínima a MPPT y los tres algoritmos más comunes, y el diablo está en los detalles. Por ejemplo, en ambos métodos de optimización, ¿qué sucede si un pájaro sobrevuela justo cuando ha perturbado el punto de referencia o ha dado un paso de voltaje? Puede concluir erróneamente que el cambio que hizo provocó que la potencia disminuyera. La temperatura y otras condiciones del mundo real también juegan un papel, por lo que lo que funciona en el papel puede no funcionar en la práctica, lo que ayuda a explicar la persistencia del método de voltaje constante.

Pero nada de esto es tan complicado como para no implementar su propio controlador MPPT. Uno de esos ejemplos se encuentra para el microcontrolador STM32F334 en la nota de aplicación 5324 (AN5324), que detalla el software y los circuitos necesarios para usar el temporizador de alta resolución y otros periféricos como el ADC y el opamp integrado en esta MCU para implementar lo que que es esencialmente un algoritmo de perturbación y observación que controla el convertidor de modo de conmutación LLC.

Si bien un controlador MPPT estándar es probablemente la mejor opción para cualquier proyecto en el que las cosas necesitan Just Work™, también son uno de esos dispositivos intrigantes que son muy simples y tan complicados como usted quiera que sean, lo que los convierte en un gran proyecto para aficionados. ocurrencia.

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