Como funcionam os controladores de carga solar? Quais são os diferentes tipos? -Helios Nova Energia Co., Ltd

Os sistemas de energia solar oferecem uma maneira ecologicamente correta e econômica de aproveitar a energia do sol e convertê-la em eletricidade utilizável. Esteja você considerando painéis solares para sua casa ou uma instalação remota fora da rede, os controladores de carregamento solar desempenham um papel vital para garantir a eficiência e a longevidade do seu sistema. Neste artigo, exploraremos como funcionam os controladores de carregamento solar e os vários tipos disponíveis para ajudá-lo a tomar decisões informadas para seu projeto solar.

Como funciona um controlador de carga solar?

O primeiro esquema do controlador de carregamento solar, representado na Figura 1, ilustra a conexão de um controlador de carregamento solar para alimentar uma carga de corrente contínua (CC). O segundo esquema, mostrado na Figura 2, refere-se a uma carga de corrente alternada (CA).

Figura 1: Diagrama fora da rede com carga CC

Ao instalar um controlador de carregamento solar, é aconselhável seguir uma ordem específica de conexão e desconexão:

Conecte a bateria ao controlador primeiro.
Conecte o conjunto fotovoltaico ao controlador.
Conecte a carga elétrica ao controlador.

Ao desconectar, você deve inverter esta ordem. A bateria fornece energia ao controlador, portanto, certifique-se sempre de que os painéis solares e as cargas estejam desconectados antes de conectar ou desconectar a bateria do controlador. Para aumentar a segurança e simplificar a instalação e a avaria, recomenda-se a existência de interruptores de desconexão nas ligações entre a bateria, a carga, o conjunto fotovoltaico e o controlador.

No esquema do diagrama de fiação com carga CC, a luz solar atinge os módulos solares, que convertem energia solar em energia elétrica CC. Essa energia é então entregue a um controlador de carregamento. O controlador de carregamento regula a amperagem e a tensão fornecidas às cargas, e qualquer excesso de energia é direcionado ao sistema de bateria para manter o estado de carga sem sobrecarregar. Durante a noite, quando não há luz solar, a energia da bateria é usada para operar a carga.

Você pode notar que a bateria está aterrada no terminal negativo da bateria. Isso ocorre porque todos os nossos controladores PWM e MPPT compartilham um terreno negativo comum. Portanto, é possível estabelecer um aterramento negativo comum para todo o sistema, incluindo o painel solar, o controlador, a bateria e a carga. Esta configuração está em conformidade com os requisitos do código NEC para aterramento. Para controladores que não possuem um terminal de aterramento do equipamento, você pode conectar diretamente um aterramento do equipamento ao gabinete do controlador para quaisquer peças metálicas.

Figura 2: Diagrama fora da rede com carga CA

O próximo diagrama, conforme visto na Figura 2, ilustra os componentes e conexões necessários para alimentar uma carga CA. Este esquema com uma carga CA se assemelha muito ao exemplo anterior de carga CC. Contudo, neste cenário, um inversor foi adicionado ao sistema. A função do inversor é converter a energia CC da bateria em energia CA, que pode ser utilizada para operar cargas CA, como a TV mostrada no esquema.

É importante observar que o inversor é conectado e alimentado diretamente pela bateria, e não pelos terminais de carga do controlador, como no exemplo de carga CC. Este arranjo é necessário porque os inversores podem produzir um grande pico de energia durante a inicialização, e esse pico pode exceder a capacidade nominal do controlador de carregamento. As baterias, por outro lado, podem atender aos requisitos de pico de alta energia.

Tipos de controlador de carga: PWM Vs MPPT

Pode-se observar no gráfico abaixo que os controladores PWM operam com tensão da bateria e são menores, enquantoControladores MPPToperar com tensão máxima de energia usando tecnologia mais recente. Como resultado, a tensão do conjunto fica cada vez mais alta do que a tensão da bateria em condições mais frias, maximizando a quantidade de energia produzida. Além disso, os controladores MPPT podem operar em tensões mais altas e correntes de arranjo mais baixas, o que pode resultar em menos strings em paralelo e tamanhos de fios menores.

Um controlador PWM só pode ser usado com matrizes compatíveis com a tensão da bateria, portanto, os módulos que podem ser usados são limitados. Muitos módulos de 60 células têm uma tensão de alimentação máxima (Vmp) igual a cerca de 30V, tornando-os adequados para controladores MPPT, mas não para controladores PWM.

Resumindo, o que é melhor, PWM ou MPPT? Se todas as coisas forem iguais, MPPT é a tecnologia mais recente que coleta uma maior quantidade de energia. Apesar das vantagens do MPPT, nem sempre é uma escolha inteligente escolher um controlador PWM, especialmente para sistemas menores ou em climas quentes onde os aumentos do MPPT são menos perceptíveis.

Comparação do controlador de carga solar PWM vs. MPPT

Controladores PWM	Controladores MPPT
A tensão da matriz é “puxada para baixo” para a tensão da bateria	Converta o excesso de tensão de entrada em amperagem
Geralmente operam abaixo de Vmp	Operar em Vmp
Adequado para configurações de módulos pequenos	Adequado para configurações de módulos grandes que possuem menor custo por watt
Frequentemente escolhido para climas muito quentes que não produzirão tanto aumento de MPPT	Fornece mais impulso do que o PWM, especialmente durante dias frios e/ou quando a tensão da bateria está baixa

Carregamento PWM

Reguladores solares convencionais com função de carregamento PWM (modulação por largura de pulso), criando uma conexão direta do painel solar ao banco de baterias. Durante a fase de carregamento em massa, quando há uma conexão ininterrupta do conjunto ao banco de baterias, a tensão de saída do conjunto se alinha com a tensão da bateria. A tensão da bateria sofre pequenos ajustes com base na alimentação de corrente do conjunto e no tamanho e características da bateria.

Carregamento MPPT

Os controladores Morningstar MPPT incorporam a tecnologia TrakStar, que é projetada para determinar com rapidez e precisão a Vmp (tensão máxima de energia) do painel solar. Os controladores TrakStar MPPT empregam uma técnica em que “varrem” a entrada solar para identificar a tensão na qual o conjunto produz a potência máxima. O controlador captura energia do conjunto nesta tensão Vmp e a converte na tensão da bateria, aumentando simultaneamente a corrente de carga.

Por que escolher PWM em vez de MPPT

A comparação entre PWM e MPPT pode levantar questões sobre por que alguém optaria por umControlador PWMatravés de um controlador MPPT. Vários fatores podem reduzir ou anular as vantagens proporcionadas pelos controladores MPPT. As considerações devem incluir o custo, uma vez que os controladores MPPT geralmente têm um preço mais elevado do que os seus homólogos PWM. Ao decidir sobre um controlador, é essencial avaliar o custo adicional do MPPT em relação aos seguintes fatores:

Aplicações de baixo consumo de energia:Baixa potência, especificamente aplicações de carregamento de baixa corrente, podem alcançar uma colheita de energia semelhante ou até superior com um controlador PWM. Os controladores PWM mantêm uma eficiência de colheita relativamente consistente, independentemente do tamanho do sistema. Em contraste, os reguladores MPPT podem apresentar eficiência de colheita reduzida quando usados em aplicações de baixa potência. É crucial revisar as curvas de eficiência disponíveis nos manuais do controlador Morningstar MPPT ao fazer a seleção do regulador.

Considerações climáticas:O benefício mais significativo de um regulador MPPT é frequentemente observado em climas mais frios, onde a Vmp (tensão na potência máxima) é mais alta. Por outro lado, em climas mais quentes, o Vmp diminui, reduzindo a colheita do MPPT em comparação com o PWM. As altas temperaturas ambientes médias no local de instalação podem tornar as vantagens do MPPT menos econômicas.

Condições de bateria completa:Sistemas nos quais a saída de energia do painel solar excede significativamente o consumo de energia das cargas do sistema podem fazer com que as baterias permaneçam com carga total ou quase total na maior parte do tempo. Nesses casos, o aumento da capacidade de colheita de um regulador MPPT pode ser desnecessário, especialmente se a autonomia não for um factor crítico.

Por que escolher MPPT em vez de PWM

A opção por controladores MPPT oferece diversas vantagens:

Maior colheita de energia:Os controladores MPPT operam em tensões de conjunto acima da tensão da bateria, aumentando a colheita de energia dos painéis solares em 5 a 30% em comparação com os controladores PWM, dependendo das condições climáticas. A tensão e a amperagem do conjunto são ajustadas continuamente ao longo do dia para maximizar a produção de energia.

Menos restrições de módulo:Os controladores MPPT, que operam conjuntos em tensões superiores à tensão da bateria, podem ser usados com uma gama mais ampla de módulos solares e configurações de conjunto. Eles também podem suportar sistemas com tamanhos de fios menores.

Suporte para matrizes superdimensionadas:Ao contrário dos controladores PWM, os controladores MPPT podem acomodar matrizes superdimensionadas que, de outra forma, poderiam ultrapassar os limites máximos de potência do controlador de carregamento. O controlador gerencia isso limitando a ingestão de corrente do conjunto durante períodos de alto fornecimento de energia solar, geralmente no meio do dia. Embora o excesso de energia do array seja regulado durante esse período, os arrays superdimensionados podem fornecer mais energia durante o início e o final do dia, em comparação com arrays menores e não superdimensionados.