Controlador de carga solar PWM - Trabalho, dimensionamento e seleção

O que é o controlador de carga solar de modulação por largura de pulso (PWM)?

O que é Modulação por Largura de Pulso ou um Controlador de Carga PWM?

Um PWM (Modulação de largura de pulso ) é uma transição (eletrônica) entre os painéis solares e as baterias:

O controlador de carregamento solar (frequentemente chamado de regulador) é idêntico ao carregador de bateria padrão, ou seja, ele controla a corrente que flui do painel solar para o banco de baterias para evitar sobrecarregar as baterias. Como em um carregador de bateria padrão, ele pode acomodar diferentes tipos de baterias.

A tensão de absorção pode selecionar a tensão de flutuação e, muitas vezes, também pode definir o tempo e a corrente de cauda. Eles são mais adequados para baterias de lítio-ferro-fosfato, pois quando o controlador está em carga total, ele permanece no flutuador fixo ou mantém uma tensão de cerca de 13,6 V (3,4 V por célula) pelo resto do dia.

O perfil de carregamento mais popular é a mesma sequência simples encontrada em um adaptador de rede de qualidade, ou seja, modo em massa – modo de absorção – modo flutuante. A entrada no modo de carregamento em massa acontece em:

• Nascer do sol pela manhã
• Se a voltagem da bateria cair abaixo da voltagem especificada por mais de um período especificado, por exemplo, 5 segundos (reentrada)

Esta reentrada no modo em massa funciona melhor para baterias de chumbo-ácido, pois a queda e queda de tensão são mais significativas do que as baterias à base de lítio, que retêm uma tensão mais alta e mais estável para o restante do período de alta.

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No controlador de carregamento solar:

• O interruptor está LIGADO enquanto o modo de carregamento está no modo de carregamento em massa.
• O interruptor é ligado e desligado quando necessário (modulação por largura de pulso) para manter a tensão da bateria de absorção.
• Ele fica DESLIGADO no final da absorção quando a tensão da bateria diminui para a tensão de flutuação.
• O interruptor é LIGADO e DESLIGADO  novamente conforme necessário (modulação por largura de pulso) para manter a voltagem da bateria na voltagem flutuante.

Observe que quando a chave está desligada, a tensão do painel estará na tensão de circuito aberto (Voc). Quando o botão está no painel, a tensão estará na tensão da bateria + a tensão diminui entre a placa e o controlador.

A melhor combinação para um controlador PWM:

O painel mais adequado para um controlador PWM é um painel com uma tensão um pouco acima fornecida para carregar a bateria e levar em consideração a temperatura, geralmente uma placa com um V_mp (tensão máxima) de cerca de 18V para carregar uma bateria de 12V. Às vezes, eles são chamados de linha de 12V, embora tenham um V_mp de cerca de 18V.

Abaixo está o diagrama de blocos de um controlador de carregamento solar PWM típico.

Carregamento de 3 estágios do PMW

Cobrança em massa: O nível de carregamento em massa é onde o dispositivo fotovoltaico continua grande parte da carga da bateria. O dispositivo carregará a bateria com alta corrente e tensão quando a tensão estiver baixa. Quando a tensão no final da bateria for mais significativa do que este valor de manutenção durante a configuração, o carregamento direto deve parar.

Absorver cobrança: Normalmente, após a primeira etapa de carregamento, a bateria aguardará um período para permitir que a tensão diminua naturalmente e, em seguida, atingir o estágio de carregamento balanceado. O estágio também é chamado de carregamento de tensão constante.

Cobrança flutuante: É o último estágio do carregamento de 3 estágios, conhecido como carregamento de gotejamento. O trickle é uma ligeira corrente de carregamento para a bateria a uma taxa baixa e constante. A maioria das baterias recarregáveis ​​perde energia quando totalmente alimentada devido à autodescarga. Se o carregamento permanecer na mesma corrente baixa que a taxa de autodescarga, ele poderá sustentar a capacidade de carga.

Prós do controlador solar PWM:

• O Regulador PWM amadureceu e estabeleceu técnicas.
• Estrutura simples e econômica
• Fácil implantação do regulador PWM
• O menor orçamento em uma pequena iniciativa

Controlador de carga solar PWM Contras:

• Baixa taxa de conversão
• A tensão de entrada deve equilibrar a tensão do banco da bateria.
• Menos escalabilidade para desenvolvimento de dispositivos
• Modo de carregamento menos
• Menos proteção;

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A função do controlador de carga solar:

O controlador de carregamento central basicamente regula a tensão da unidade e abre o circuito, interrompendo a carga à medida que a tensão da bateria aumenta para um determinado valor. Mais controles de carga usaram um relé mecânico para abrir ou desligar o curso, parar ou iniciar a energia da unidade de armazenamento elétrico.

Geralmente, baterias de 12V são para aplicações de energia solar. Os painéis solares podem transmitir muito mais tensão do que a bateria precisa carregar. A tensão de carga será mantida no nível mais alto possível, enquanto o tempo necessário para configurar totalmente o equipamento de armazenamento elétrico é mínimo. Ajuda os sistemas solares a funcionar continuamente de forma otimizada. A dissipação de energia dos fios é significativamente baixa, executando uma tensão mais alta nos cabos dos painéis solares para o controlador de carga.

Os controladores de carga solar também podem controlar o fluxo de eletricidade reversa. Os controladores de carga irão discernir se não há energia proveniente dos painéis solares e abrir o circuito que separa os painéis solares dos dispositivos de bateria e interrompendo o fluxo de corrente reversa.

Tipos de controlador de carregador solar:

Três tipos de controlador de carregamento solar

1) Controles simples de 1 ou 2 fases:possui transistores chaveados para regular a tensão em uma ou duas etapas.

2) PWM (modulação por largura de pulso):esta é a forma tradicional do controlador de carregamento, por exemplo, xantrex, Blue Sky e assim por diante. É a norma da indústria no momento.

3) Rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT):MPPT identifica a tensão de operação ideal e a amperagem do visor do painel solar e coincide com a do banco de células elétricas.

Dimensionamento de um controlador de carregamento solar PWM

Os controladores PWM não podem restringir seu desempenho atual. Eles estão apenas usando a coleção atual. Portanto, se o painel solar gerar 40 amperes de corrente e o controlador de carregamento que você está usando for classificado apenas em 30 amperes, o controlador poderá ser prejudicado. É essencial garantir que seu controlador de carregamento seja paralelo, compatível e dimensionado corretamente para seus painéis.

Ao olhar para um controlador de carregamento, muitos itens são vistos na lista de recursos ou tags. Um controlador PWM teria um amp lido com ele, por exemplo, um controlador PWM de 30 amp. Ele reflete quantos amperes o controlador pode acomodar, no exemplo acima, 30 amperes. Em geral, a amperagem e a tensão nominal são as duas coisas que você deseja observar em um controle PWM.

A seguir, queremos ver a tensão nominal do dispositivo. Isso nos informaria com qual voltagem os bancos de baterias do controlador são compatíveis. Você pode usar bancos de baterias de 12V ou 24V nesta situação. O controlador não seria capaz de operar em nada mais alto, como um banco de baterias de 48V.

Segundo, a corrente nominal da bateria é importante. Nesse caso, vamos supor que você tenha um controlador de carga de 30 amperes. Recomenda-se uma taxa de proteção de pelo menos 1,25, o que significa que você pode calcular a média da corrente dos painéis em 1,25 e depois igualá-la a 30 amperes. Por exemplo, cinco painéis de 100 watts terão 5,29 x 5 =26,45 amperes em paralelo. 26,45 Amps x 1,25 =33 A, e isso será demais para o controlador. O painel encontrará mais corrente do que o valor valorizado quando a exposição aos raios solares for superior a 1000 watts/m^2.

Em terceiro lugar, devemos olhar para a entrada máxima de energia solar. Ele mostra quantos volts você pode obter para o controlador. Este controlador não pode tolerar mais de 50 volts. Está dando uma olhada em fazer 2 painéis de 100 Watts em série com um total de 22,5V (tensão de circuito aberto) x 2 =45 volts. Nesse caso, não há problema em conectar esses dois painéis em série.

Quarto, devemos dar uma olhada nos terminais. Cada controlador normalmente terá o tamanho máximo do medidor de terminal. É fundamental ao comprar fiação para sua máquina.

Finalmente, observe o tipo de bateria. Ele nos informa quais baterias são compatíveis com o controlador de carregamento. É essencial verificar, pois você não deseja obter baterias que o dispositivo controlador não possa alimentar.

Veja a seguir outro exemplo básico para dimensionar um controlador de carregamento solar PWM.

Exemplo:

Qual ​​é o tamanho adequado do controlador de carregamento solar PWM para um painel solar de 100 W e 12 V com I_SC (Corrente de curto-circuito) de 8A?

Solução:

Teremos que adicionar o fator de segurança de 25% da corrente, ou seja, 1,25 x I_SC para encontrar o tamanho apropriado do controlador de carregamento solar.

Desta forma; 8A x 1,25 =10A.

Portanto, você pode usar com segurança um 10A, 12V de controlador de carga solar para este sistema básico de painel solar.

Outra forma, se a carga CC total conectada for 12V, 95W.

Corrente de carga nominal =carga total CC / tensão nominal do sistema =95W / 12V

Corrente de carga nominal =7,91 A

Fator de segurança x corrente de carga nominal

1,25 x 7,91 =9,9A

Finalmente, um método básico de fórmula de potência, ou seja, P =V x I

I =(P/V) x 1,25

I =(95W/12V) x 1,25

I =9,9A

Observe que você terá que aplicar a mesma fórmula para painéis solares e baterias conectados em série e em paralelo de acordo com as classificações de tensão e corrente. Você pode ver mais exemplos resolvidos para dimensionar o controlador de carga PWM e MMPT na postagem anterior.

A discrepância entre os controladores de carga solar PWM e MPPT

O ponto crucial da diferença é:

• Com o controlador PWM, a corrente é retirada do painel logo acima do nível da bateria enquanto
• Com o controlador MPPT, a corrente é extraída do painel no botão "tensão de energia máxima" (pense no controlador MPPT como um "conversor DC para DC inteligente").

Você também vê slogans como "você obterá 20% ou mais de coleta de energia de um controlador MPPT". Este extra também difere significativamente, e o seguinte é uma referência para saber se o painel está em plena luz solar e o controlador está no modo de carregamento em massa. Ignorando as diminuições de tensão, usando um painel simples e matemática simples como exemplo:

• Corrente de potência máxima do painel (Imp)  =5,0 A
• Tensão de alimentação máxima do painel (Vmp)  =18 V

A voltagem do carregador =13V (a voltagem da bateria pode variar entre, digamos, 10,8V totalmente descarregada e 14,4V durante o modo de carga por absorção). Em 13V, o amplificador do painel seria marginalmente maior que o amplificador de potência total, digamos 5,2A.

Com um controlador PWM, a saída do painel é 5,2A*13V =67,6 watts. Essa soma de energia seria consumida independentemente da temperatura do painel, desde que a tensão do painel permaneça acima da tensão da bateria.

Com um controlador MPPT, a potência de saída do painel é 5,0A*18V =90 watts, ou seja, 25% maior. No entanto, isso é excessivamente ambicioso, pois a tensão diminui à medida que a temperatura aumenta; assim, suponha que a temperatura do painel suba para 30°C acima da temperatura das condições normais de teste (STC) de 25°C. A tensão cai 4% a cada dez °C, ou seja, um total de 12%, a saída do MPPT seria 5A*15,84V =79,2W, ou seja, 17,2% mais potência do que o controlador PWM.

Assim, há um aumento na coleta de energia para os controles MPPT, mas o aumento percentual na coleta difere consideravelmente ao longo do dia.

Vantagens do carregador PWM

Carregar uma bateria movida a energia solar é um desafio único e desafiador. Antigamente, reguladores on-off essenciais eram usados ​​para reduzir a bateria do gás quando o painel solar fornecia eletricidade em excesso. No entanto, à medida que os sistemas solares evoluíram, ficou claro o quanto esses instrumentos simplistas mexeram no processo de carregamento.

A experiência dos reguladores liga/desliga tem sido erros iniciais de bateria, desconexões de carga crescentes e frustração crescente do consumidor. O PWM surgiu recentemente como o primeiro avanço no carregamento de baterias solares. Os carregadores solares PWM usam hardware semelhante à maioria dos carregadores de bateria modernos e de alta qualidade.

À medida que a tensão da bateria excede o limite de controle, o algoritmo PWM diminui lentamente a corrente de carga para evitar que a bateria seja aquecida e gasosa, enquanto o carregamento começa a retornar a quantidade total de energia à bateria no menor tempo possível. Isso resulta em melhor eficiência de carregamento, recarga rápida e uma bateria de longa duração com potência máxima.

Além disso, essa nova maneira de carregar baterias solares oferece algumas vantagens de pulsação PWM muito fascinantes e incomuns.

Incluem:

1. Capacidade de restaurar a energia reduzida da bateria e dissipar a bateria
2. Melhore drasticamente a aprovação da carga da bateria.
3. Reter a alta capacidade geral da bateria (90% a 95%) em relação aos intervalos de estado de carga controlados liga/desliga, geralmente entre 55% e 60%.
4. Equalize as células de deriva da bateria.
5. Limite o aquecimento e a gaseificação da bateria.
6. Compensar automaticamente a idade da bateria.
7. Auto-regulação de aumentos de tensão e efeitos de temperatura em sistemas solares

Escolhendo o melhor controlador solar

O PWM é uma opção decente e de baixo custo:

• Para dispositivos menores
• Onde a confiabilidade do dispositivo não é essencial (o processo de carregamento)
• Para painéis solares com tensão nominal (Vmp) de até 18 V para carregar uma bateria de 12 V (36 V para bateria de 24 V etc.)
• O controlador MPPT é ideal para:
• Para redes mais extensas, onde vale a pena obter mais 20%* ou mais de energia;
• Onde a voltagem do painel solar é consideravelmente mais significativa do que a voltagem da bateria, por exemplo, usando painéis de casa, para carregar baterias de 12V;

Aplicativos

Nos últimos dias, o método de produção de eletricidade a partir da luz solar tornou-se mais comum do que outras fontes alternativas, e os painéis fotovoltaicos são livres de emissões e não requerem alta manutenção. Aqui estão alguns exemplos onde estamos usando energia solar.

• Lâmpadas de rua usam células fotovoltaicas para transformar a luz solar em carga elétrica CC. Esta máquina usa um dispositivo de carregamento solar para armazenar CC nas baterias e a utiliza em vários locais.
• Os sistemas domésticos usam o módulo fotovoltaico para fins domésticos.
• O painel solar híbrido usa várias fontes de energia para fornecer suprimentos de backup em tempo integral para outras fontes.

Observação:este artigo é publicado por www.electricaltechnology.org