¿Cómo reducen la energía los controladores de carga MPPT si la carga es menor que la generación solar?

Estoy tratando de entender cómo funcionan los controladores de carga MPPT cuando la carga es menor que la generación de energía solar. Supongamos un sistema fuera de la red con respaldo de batería y sin carga de descarga. A mi entender, pueden ocurrir las siguientes situaciones:

  • solar <carga: la energía solar cumplirá parcialmente con los requisitos de carga, el resto provendrá de la batería
  • solar = carga: toda la carga es satisfecha directamente por la energía solar, el estado de la batería permanece sin cambios
  • solar > carga (batería no completamente cargada): la energía solar alimentará la carga y el resto irá a la batería.
  • solar > carga (batería completamente cargada): en este caso, los controladores de carga reducen la generación de energía para que coincida exactamente con la carga. El exceso de energía solar se pierde en forma de calor.

Quiero entender cómo ocurre esta reducción en los controladores de carga MPPT reales. ¿Las técnicas/chips MPPT salen del modo MPPT y el punto de funcionamiento del panel solar está controlado por la corriente consumida? En ese escenario, ¿cómo sabe todo este circuito (convertidor CC-CC) cuánta demanda hay? ¿Hay algún bucle de retroalimentación implícito?

Apreciaré mucho su respuesta detallada sobre la pregunta. Por favor, hágamelo saber si la pregunta es ambigua.

Respuestas (4)

Los controladores MPPT no tienen que ver con el equilibrio de energía, sino con la maximización de energía.

Digamos que tienes un sistema como este:

  • Paneles solares ⇒ controlador MPPT ⇒ cargador de batería ⇒ batería ⇒ carga

Si la carga del sistema es menor que la energía solar entrante, el voltaje de la batería aumentará.

Cuando el voltaje de la batería alcanza un punto en el que el cargador de batería decide que la batería está llena, el cargador se cortará y dejará de consumir energía del controlador MPPT. En otras palabras, el cargador de batería presentará una alta impedancia al controlador MPPT.

El MPPT podría reaccionar ante esto presentando una alta impedancia a los paneles solares, deteniendo efectivamente cualquier consumo de energía significativo de los paneles solares.

Cuando la batería no se está cargando, la carga hará que el voltaje de la batería caiga. Luego, el cargador comenzará a extraer energía del MPPT nuevamente, y el MPPT comenzará a comportarse como un MPPT nuevamente. Y el ciclo se repite. El sistema puede alternar entre estos dos estados varias veces por minuto, o incluso miles de veces por segundo, todo dependiendo de las constantes de tiempo (tamaño de la batería o capacitancia) y la histéresis en el sistema.

Es posible que tenga un producto comercial llamado "MPPT" que tenga más de un controlador MPPT. Por ejemplo, podría tener un cargador de batería integrado y tal vez incluso un regulador de voltaje integrado para la salida de la batería. No deje que la jerga de marketing demasiado simplificada lo confunda. La parte MPPT del dispositivo solo maneja MPPT, y si el dispositivo también carga una batería de manera adecuada, entonces también debe tener un cargador de batería integrado.

Gracias por la respuesta, me aclaro muchas cosas. Sin embargo, tengo otra pregunta para ti. Supongamos que el sistema se ve así: paneles solares ⇒ controlador MPPT ⇒ inversor ⇒ carga Asumiendo la carga > solar, ¿cómo se comportaría este sistema?
Entonces siéntete libre de crear una nueva pregunta.
Lo siento, presioné Enter por error. He añadido mi nueva pregunta en el comentario anterior. Está relacionado con la primera pregunta, así que quiero evitar crear un nuevo hilo.
Creo que respondí esto en los dos párrafos que comienzan con "Cuando el voltaje de la batería..." Pero agregaré un tercer párrafo para describir cómo podría comportarse un sistema con el tiempo.
No tengo batería en el nuevo escenario. Supongamos que estoy tratando de ejecutar mi carga directamente de paneles solares y mi sistema se ve así: Panel solar -> Controlador de carga MPPT -> Inversor -> Carga Sé que no se usa comúnmente y tal vez no sea recomendable. Sin embargo, me interesa entender cómo funcionaría teóricamente este sistema. Nota: No tengo batería en este sistema.
Su pregunta original describía un sistema con una batería. Solo digo. Pero incluso sin batería, probablemente podría usar un modelo bastante similar, solo pretenda que la batería es extremadamente pequeña. O tal vez necesite agregar un condensador grande y gordo a la salida MPPT para mayor estabilidad. Eso depende.
Como la mayoría de los inversores permiten un rango de voltaje de CC de entrada, ¿seguiríamos necesitando un capacitor en ese caso? En lo que respecta al funcionamiento, hágame saber si mi entendimiento explicado a continuación es correcto. En este escenario, menos carga significará una alta impedancia en la salida del inversor. El inversor, a su vez, presentará una alta impedancia en su entrada (salida del controlador de carga MPPT), que la propagará más al panel solar y se producirá menos energía (ya que el punto de operación del panel solar en la curva IV cambiará según nueva impedancia). Sin embargo, ¿cómo funciona el algoritmo MPPT?

Sus suposiciones son correctas, excepto:

solar > carga (batería completamente cargada): en este caso, los controladores de carga reducen la generación de energía para que coincida exactamente con la carga. El exceso de energía solar se pierde en forma de calor.

No se convierte en calor, sino que no se convierte toda la energía disponible del panel.

El MMPT busca el punto óptimo midiendo el voltaje y la corriente del panel y luego multiplicándolos para obtener la potencia. Con el aumento/disminución del voltaje de salida del convertidor CC/CC, el panel de canal de corriente cambia, por lo que se puede encontrar el punto MPPT.

Si la "demanda" es menor que la energía solar disponible, entonces el voltaje de salida del convertidor CC/CC aumentará a su voltaje máximo permitido, probablemente establecido como un parámetro en un controlador. Incluso si el voltaje es alto y no hay una carga adecuada presente, solo se extraerá una corriente mínima del panel, por supuesto fuera del punto MPPT, pero esto no se puede evitar. Lo más importante es que la tensión fotovoltaica no descienda demasiado cuando la demanda sea mayor que la oferta disponible. De esa manera obtienes el punto MPPT.

"No se convierte en un calor" Es un tramo. El panel fotovoltaico se calentará más.
@winny Por ejemplo, digamos que el panel está completamente descargado, la corriente es cero. ¿Por qué se calentaría más de lo que estaría cargado de manera óptima?
electronics.stackexchange.com/questions/313804/… esta publicación sugiere que la energía del sol que no se suministra a la carga se pierde en forma de calor.
@NomanBashir Interesante, pero no he encontrado una declaración exacta sobre eso en la referencia vinculada. ¿Tiene?
La energía tiene que ir a alguna parte. Si no se refleja como radiación EM, no puedo ver a dónde más podría ir, excepto al calor. ¿Los fotovoltaicos de circuito abierto son más reflectantes?
Física básica. Toda la entrada de energía debe ir a alguna parte y si no se lleva como electricidad y se usa en otro lugar, todo lo que le queda a la naturaleza es aumentar la temperatura hasta que se irradie.
@Dampmaskin En los espectros IR medios a profundos, debería poder ver la diferencia con una cámara.
Está bien, lo compro. Tiene sentido, no he visto paneles cambiando de color, pero tampoco he visto congelamiento.
@winny Eso es interesante. Si el cambio es inmediato ya que el circuito se abre y se cierra, eso implicaría una reflexión. Si es lento, eso implicaría radiación térmica (es decir, calor). ¿Acordado?
@Dampmaskin ¡Claro que sí!

¿Las técnicas/chips MPPT salen del modo MPPT y el punto de funcionamiento del panel solar está controlado por la corriente consumida?

Sí. El voltaje del panel aumentará cuando la batería esté completamente cargada.

En ese escenario, ¿cómo sabe todo este circuito (convertidor CC-CC) cuánta demanda hay? ¿Hay algún bucle de retroalimentación implícito?

El controlador MPPT contiene dos bucles de retroalimentación: uno regula el voltaje de entrada, manteniéndolo en el punto de máxima potencia, y el otro regula el voltaje de salida. Si el voltaje de salida está por debajo del punto de ajuste, es decir, la batería está absorbiendo toda la energía disponible, entonces se usa el primer bucle. Cuando el voltaje de salida alcanza el punto de referencia, el segundo bucle controla. De lo contrario, la batería se sobrecargaría.

Hola, gracias por la respuesta, tiene mucho sentido. ¿Te importaría responder a esta pregunta? Supongamos que estoy tratando de ejecutar mi carga directamente de los paneles solares y mi sistema se ve así: Panel solar --> Controlador de carga MPPT --> Inversor --> Carga. Sé que no se usa comúnmente y tal vez no sea aconsejable. Sin embargo, me interesa entender cómo funcionaría teóricamente este sistema. ¿Qué pasaría si la carga es menor de lo que puede generar el panel solar?
@NomanBashir Si la carga es menor que la potencia máxima del panel solar, el voltaje de la carga aumentará hasta el punto de ajuste, luego, para evitar que el voltaje de la carga aumente, se extraerá menos corriente del panel solar y el voltaje del panel aumentará por encima el punto de máxima potencia. Los controladores de carga MPPT que he visto advierten específicamente contra el uso sin batería y dicen que dañará el controlador.

¿Las técnicas/chips MPPT salen del modo MPPT y el punto de funcionamiento del panel solar está controlado por la corriente consumida?

Sí, claro. Carga baja significa que se toma menos energía del panel solar. Si observa la curva IV de la celda solar a continuación (cortesía de wikipedia ), verá que con corriente reducida, la celda aumentará casi a su voltaje máximo y permanecerá allí, muy por debajo de MPP.

ingrese la descripción de la imagen aquí

En ese escenario, ¿cómo sabe todo este circuito (convertidor CC-CC) cuánta demanda hay? ¿Hay algún bucle de retroalimentación implícito?

Sí, cualquier controlador DC-DC con voltaje de salida configurable tiene un circuito de retroalimentación. Y no, no "sabe" la demanda. No tiene que hacerlo. El propósito de la retroalimentación es mantener el voltaje de salida en un nivel dado.

Los convertidores DC-DC son básicamente dispositivos de transferencia de energía. Regulan la potencia (que es la tasa de transferencia de energía) cambiando la frecuencia y/o el ciclo de trabajo. Tenga en cuenta que, en consecuencia, esto también define la corriente de entrada (y responde a su pregunta "cómo ocurre esta reducción"). Comparemos diferentes dispositivos para mayor claridad.

  • El controlador CC-CC simple utiliza la retroalimentación del voltaje de salida para ajustar la potencia de modo que el voltaje de salida se mantenga en el nivel requerido, independientemente de la corriente consumida por la carga. No le importa la fuente de energía, consume tanta energía como sea necesario o esté disponible.

  • El controlador MPPT utiliza sensores de voltaje y corriente de entrada y ajusta el consumo de energía para que el panel solar permanezca en MPP. Esto funciona mejor con cargas que tienen un amplio rango de voltaje operativo o capaces de ajustarse a cualquier potencia disponible para ellas. Algunos ejemplos son calentadores de agua, bombas de agua e inversores. También se pueden utilizar cargadores de batería externos. Con una selección cuidadosa del tamaño del panel, incluso los circuitos de sobrecorriente primitivos podrían ser suficientes para algunas baterías.

  • Finalmente, el dispositivo más complejo es el controlador de cargador MPPT . Utiliza sensores tanto en la entrada como en la salida para garantizar un perfil de carga CC/CV correcto y, al mismo tiempo, mantener el panel en MPP. Esto, por supuesto, funciona principalmente durante la etapa de carga CC que consume mucha energía. Durante la etapa CV, la corriente de salida cae lo suficiente como para obligar a la entrada a salir del modo MPP.

Una cosa muy importante a tener en cuenta es que lo anterior no tiene en cuenta la carga conectada en paralelo a la batería. No pude encontrar ningún controlador de carga MPPT con administración de energía incorporada (no significa que no haya ninguno, por supuesto). Lo que esto significa es que usar el controlador del cargador con carga no es muy buena idea, ya que no puede distinguir la corriente consumida por la carga de la corriente que ingresa a la batería.

La mejor opción sería usar un circuito de dos etapas, con un controlador MPPT que se encargue de extraer la máxima potencia en la primera etapa y un cargador con capacidad de ruta de alimentación que se ocupe de la distribución más eficiente y el perfil de carga correcto en la segunda etapa.

Recomiendo encarecidamente leer SLPA013A de TI. Tiene algoritmos para exactamente este tipo de configuración, aunque implementado en un sistema bastante complejo.

¿Qué pasa si estamos tratando de servir solo una carga, sin baterías, con un controlador de carga MPPT? Supongamos que mi sistema se ve así: Panel solar --> Controlador de carga MPPT --> Inversor --> Carga. Sé que no se usa comúnmente y tal vez no sea aconsejable. Sin embargo, me interesa entender cómo funcionaría teóricamente este sistema. ¿Qué pasaría si quiero este sistema con un controlador de carga MPPT convencional? ¿O qué cambios serían necesarios en un controlador de carga MPPT para que este sistema funcione?
¿Por qué usaría el controlador de carga con algo más que las baterías? Por supuesto, no funcionará normalmente, porque el controlador intentará regular la corriente de carga utilizando el perfil de carga de la batería. Lo más probable es que una de las características de seguridad se active y lo apague, pensando que hay algún problema con la batería. No creo que puedas hacer nada para que esto funcione. Es como tratar de moler café con una licuadora. Es posible que puedas hacerlo eventualmente, pero ¿por qué molestarse? Especialmente considerando que los controladores MPPT son más baratos que los controladores de carga MPPT.
Supongamos que he construido mi propio controlador DC-DC con algoritmo MPPT. Este controlador no asume una batería en la carga y simplemente intenta mantener un voltaje fijo en la salida del convertidor DC-DC. No quiero usar una batería y alimentar cualquier carga (por debajo de la energía solar máxima). ¿Cuáles serían los retos?
Como expliqué en la respuesta, el controlador MPPT funciona mejor cuando la carga se puede adaptar a la potencia de salida disponible. Entonces, supongo que el principal desafío sería mantener un voltaje fijo en la salida. Debe averiguar los parámetros PWM exactos para accionar el interruptor, para mantener el voltaje de salida estable en la corriente de carga dada, al mismo tiempo que mantiene el panel en MPP. Sin mencionar que el propio MPP cambia constantemente con las condiciones de luz. Sin embargo, ha mencionado el inversor anteriormente. El inversor no requiere voltaje fijo, que es exactamente lo que lo hace adecuado como carga para el controlador MPPT sin carga.
Gracias, esto aclaró muchas cosas. Sin embargo, no entiendo por qué necesitamos mantener el panel en MPP. Supongamos que tengo este complejo controlador de carga MPPT, que mantiene constante el voltaje de salida mientras mantiene el panel en MPP. Sin embargo, si esto (load_current x fixed_voltage) < MPP, el panel debería funcionar en algún punto por debajo de MPP, ¿correcto?
Vea el primer párrafo en la respuesta y el gráfico que lo sigue.
¡Excelente! Este punto parece poco conocido por la mayoría. También estoy muy interesado en un convertidor MPPT "puro" o en un inversor conectado a la red MPPT de servicio de carga de CC. ¿Sabes de alguno? Básicamente, esto solo requiere convertidores con la arquitectura de bus de CC.
@MilindR Lo siento, no sé mucho sobre dispositivos comerciales en el mercado. Estaba tratando de explicar la teoría de la operación MPPT aquí, con la esperanza de que ayudaría con las implementaciones prácticas.
¿Cómo reducen la energía los controladores de carga MPPT si la carga es menor que la generación solar?
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