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.)

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 !!!

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. 

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.

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. :)

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. 

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.