Al considerar la integración de un panel solar fotovoltaico en un proyecto, la suposición ingenua sería que simplemente apunta el panel en la dirección general de donde está el Sol, y salen gotas de energía de CC limpia, listas para usarse para cargar una batería. . Hasta cierto punto, esta suposición es correcta, pero es poco probable que la alimentación de la salida de un panel solar en algo así como un viejo regulador PWM normal o un regulador de impulso lo acerque 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 del panel solar. Esta es una propiedad que es importante no solo con la energía fotovoltaica, sino también con las 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 dentro de este acrónimo se cubren muchos algoritmos diferentes, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. En este artículo, veremos qué son estos algoritmos MPPT y cuándo le gustaría elegir uno en particular.
Curvas poderosas
Las especificaciones de las celdas solares suelen citar un voltaje de circuito abierto y una corriente de cortocircuito. Entre estos extremos, el voltaje que puede producir una celda solar depende de la cantidad de corriente que esté produciendo. A medida que aumenta la corriente consumida, el voltaje que puede disminuir.
Piense en una boquilla al final de una manguera: cuanto más flujo de agua deje salir, menos presión se producirá en la salida. Si lo dejas bien abierto, obtienes el flujo máximo, pero se derrama en tus pies. 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 esto 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, existe una potencia máxima para la iluminación dada.
El objetivo de un rastreador de puntos de energía es resistir el flujo de corriente que sale de la celda solar para que funcione a una corriente y un voltaje intermedios que maximizan su salida: abrir la válvula para que el agua empuje una rueda de agua tan rápido como sea posible .
Es esta simplicidad la que también oculta la complejidad de MPPT: en el caso de un panel solar fotovoltaico, su MPP cambiará continuamente a medida que cambie la irradiación 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 una serie de enfoques diferentes para resolver este problema.
Si bien existen algunas variaciones y algoritmos MPPT personalizados, los siguientes son los algoritmos más populares.
Voltaje constante
Uno de los primeros y más básicos algoritmos MPPT, el seguimiento de voltaje constante (CV), cambia la corriente de salida para mantener un voltaje de referencia constante. Este enfoque utiliza una fracción establecida del voltaje de circuito abierto, generalmente alrededor del 80%, lo que significa que técnicamente no rastrea 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 ubicado 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 pasatiempos y sensibles a los costos donde la eficiencia no es primordial y un MPP aproximadamente aproximado es suficiente.
Perturbar y observar
Este algoritmo MPPT es un algoritmo de seguimiento verdadero bastante directo. Como sugiere el nombre, este algoritmo se basa en el ligero empujón del punto de ajuste de corriente MPP, midiendo la corriente y el voltaje, determinando si la potencia producida aumentó o disminuyó y repitiendo el empujón en consecuencia.
Si bien es bastante eficiente incluso en esta forma básica, el problema principal 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 necesita ajustar el punto de ajuste de MPP, tiene que cambiar este punto de ajuste para que pueda observar el efecto de este cambio en la forma de potencia de salida. Aunque esto rastreará el MPP óptimo, oscilará constantemente a su alrededor. Aquí, hacer que el tamaño del paso de ajuste sea lo más pequeño posible puede parecer 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 una buena solución intermedia entre el enfoque simplista de voltaje constante y algo aún más elegante.
Conductancia incremental
La conductancia incremental mide los cambios en la corriente y el voltaje para predecir el efecto de un cambio de voltaje utilizando la conductancia del sistema (ΔI/ΔV), la pendiente de la curva de potencia. Donde perturbar y observar toma pasos de tamaño fijo y prueba si están en la dirección correcta, la conductancia incremental modifica el tamaño del paso dependiendo de qué tan lejos esté del óptimo. Esto tiene el efecto de que cuando ya está en el MPP, el tamaño del paso llega a cero y simplemente se queda allí.
Calcular la pendiente, la relación de cambios en el voltaje y la corriente, es más sensible a la medición de errores que los niveles mismos. Entonces, si bien la conductancia incremental utiliza una mejor estrategia de optimización, también viene con los requisitos de hardware más estrictos, incluidos componentes de precisión y un controlador que puede realizar constantemente los cálculos necesarios. Esto lo convierte en una buena opción para una aplicación donde la eficiencia es primordial y el presupuesto disponible es lo suficientemente generoso como para acomodar el gasto adicional.
Solo el comienzo
Lo anterior es solo una introducción mínima sobre 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 pasa por encima justo cuando ha perturbado el punto de referencia o ha dado un paso de voltaje? Puede concluir erróneamente que el cambio que realizó provocó la disminución de la potencia. 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 es esencialmente una perturbación. Algoritmo de observación que controla un convertidor de modo de conmutación LLC.
Si bien un controlador MPPT listo para usar es probablemente la mejor opción para cualquier proyecto en el que las cosas simplemente funcionen™, también forman uno de esos dispositivos intrigantes que son a la vez muy simples y tan complicados como usted quiera que sean, lo que los convierte en una excelente idea de proyecto de hobby.