Maximizarea puterii de ieșire din module solare

1 APRILIE 2014

Producția maximă de energie din celule solare cu Siliciu se bazează pe monitorizarea curentului și tensiunii. Nu se poate produce energie constantă atunci când iluminarea solară este în continuă schimbare. Schimbări în diagrama curent-tensiune prin

încălzirea modulelor solare sau iluminarea la intensități variabile, pot fi cauze importante ale scăderii de eficiență în generatoarele solare. În cazul în care invertorul care generează energie electrică compatibilă cu rețeaua AC nu este acordat cu tensiunea de ieșire și de curent cu condițiile actuale, se va pierde mai mult din energia electrică produsă. De aceea, au apărut pe piață circuite electronice care realizează urmărirea puterii maxime date de panoul solar (MPPT- Maximum Power Point Tracking) pentru a optimiza conversia energiei, precum și componente electronice de by-pass, pentru a preveni ca modulele temporar neproductive să întrerupă producția celulelor active. Panourile solare au eficiența maximă în condiții ideale: puterea electrică generată la iluminarea aproape de Ecuator într-o zi senină, când energia de la Soare pe un metru pătrat din suprafața Pământului primește mai mult de 1kW de putere. Condițiile reale de mediu sau nepotriviri de caracteristici electrice ale panourilor fotovoltaice (PV) reduc eficiența sistemului total.

Controlerele electronice asociate panourilor solare garantează eficiența funcționării prin adaptare la schimbarea condițiilor de iluminare și prin a se asigura că celulele fotovoltaice și modulele funcționează aproape de vârful de putere posibil. Fiecare celulă solară are curba caracteristică curent-tensiune (IV) care reflectă răspunsul atât la temperatură, cât și la nivelul de lumină incidentă.

Diagramele curent – tensiune și de putere pentru o celulă solară cu Siliciu, la diverse intensități de iluminare (IM, VM – valori maxime la un nivel oarecare de iluminare, ISC – curent de scurtcircuit, VOC – tensiune în gol).

Celulele conectate într-un modul fotovoltaic pot genera o tensiune mare, dar curentul e foarte scăzut într-o zi înnorată sau de iarnă. Dacă nivelurile de lumină cresc, tensiunea va scădea ușor, dar curentul va crește dramatic până când se apropie de nivelul său de vârf. Când modulul se încălzește, tensiunea de ieșire a modulului va scădea, reducând producția de energie în ansamblu. Ca rezultat, chiar și în timpul iluminării solare puternice, deși acestea ar trebui să aibă eficiență maximă, panourile fotovoltaice pot suferi o scădere considerabilă de eficiență de conversie, dacă circuite electronice nu compensează aceasta.
Eficiența ridicată se menține prin 2 metode:
(1) utilizarea de componente care pot să minimizeze generarea de căldură, încât tensiunea de ieșire este menținută la un nivel ridicat și (2) printr-o arhitectură care să țină cont de condițiile schimbătoare de mediu pentru a se asigura că celulele și modulele sunt exploatate la potențial maxim.
Umbrirea locală va reduce dramatic producția de celule fotovoltaice umbrite, dacă nu sunt gestionate în mod eficient. Umbrirea cu mai puțin de 3% din suprafața panoului solar poate reduce eficiența la ieșire cu mai mult de 15%, potrivit testelor efectuate de US National Renewable Energy Laboratory (Laboratorul Național de Energie Regenerabilă din SUA – www.nrel.gov). Dacă o celulă nu mai produce energie, rezistența sa va crește și va începe să se încălzească prin curentul livrat de către alte celule, deoarece sunt legate în serie. Această generare de căldură, numită hot-spot, va deteriora celulele și va reduce energia de ieșire din întreaga rețea solară. De aceea se folosesc diode de by-pass și diode de blocare (vezi revista Electronica-Azi nr.182 / Martie 2014, www.electronica-azi.ro).
Componenta cheie care asigură eficiența este invertorul, care generează putere compatibilă cu rețeaua de energie electrică AC. În cazul rețelelor de panouri solare invertoarele sunt sisteme complexe, care în mod normal cuprind trei funcții: de conversie DC/DC, de conversie DC/AC și de control Anti-Island.
Invertorul trebuie să fie reglat la condițiile schim­bătoare din matricea de celule solare. Acest lucru se realizează, în general, folosind metoda algoritmică de urmărire continuă a punctului de putere maximă (MPPT), adică produsul Tensiune × Curent să fie maxim. Folosind MPPT, circuitele invertor pot folosi combinația optimă de tensiune și de curent, furnizând energie unei sarcini, în mod eficient.
Există diverse moduri de a stabili momentul optim pentru energie la un moment dat, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Frecvent se utilizează metoda numită perturbă-și-observă (P&O MPPT Algorithm), care este rapidă, ușor de implementat la cost redus. Folosind această metodă, curentul sau tensiunea este schimbat(ă) și apoi se observă schimbarea în puterea de ieșire. Dacă puterea de ieșire crește, perturbarea s-a făcut în direcția corectă. Dacă nu, perturbarea următoare va fi în direcția opusă. De obicei, tensiunea de operare folosită de convertorul DC/DC va oscila în jurul valorii de PPM (Maximum Power Point). De exemplu, circuitul de management al puterii SPV1020 de la STMicroelectronics are încorporat un algoritm MPPT (vezi www.st.com)
Se compară variația puterii la variația tensiunii sau curentului între două eșantionări consecutive, pentru a observa apropierea de punctul de putere maximă:

• dP/dV = 0 (dP/dI = 0), la MPP
• dP/dV > 0 (dP/dI < 0), la stânga MPP • dP/dV < 0 (dP/dI > 0), la dreapta MPP

O alternativă este un Algoritm cu conductanță incrementală, care se bazează pe observațiile de mai sus. Algoritmul implementat compară conductanța incrementală, adică modificarea curentului față de tensiune (ΔI/ΔV), pentru conductanța instantanee (I/V). La MPP ΔI/ΔV = – I/V. În partea stângă a PPM, ΔI/ΔV este mai mare decât – I/V și mai mică decât I/V la dreapta vârfului PPM.

Organigrama algoritmului Perturbă-și-Observă (P&O MPPT Algorithm). Vezi algoritmi MPPT la NEWCASTLE UNIVERSITY, Power Electronics, Drives and Machines Research Group: MPPT for PV Systems www.ncl.ac.uk/energy/research/publication/192349

Notă. Controlul Anti-Island este un control de securitate pentru ca, în cazul deconectării de la rețea în timpul unei defecțiuni la nivel de rețea de energie electrică, să se prevină ca invertoarele să alimenteze cu energie în secțiuni mici, sau “insule” din grila de panouri. Dacă insulele sunt alimentate, muncitorii care vor să repare sistemul sunt puși în pericol. O altă problemă este că, fără un semnal de rețea cu care să se sincronizeze, puterea dată de invertoare poate ieși din gama pentru care echipamentul unui client este nevoit să funcționeze în insulă.

Conductanța incrementală asigură un ghid mai bun asupra direcției în care punctul de putere maximă este în mișcare și rezultă mai puțină oscilație perturbă-și-observă, dar sunt calcule mai intense. Cu toate acestea, un microcontroler, cum ar fi Microchip Technology PIC16F1503 poate face ușor calculul necesar pentru un modul PV folosind conductanța incrementală și include un oscilator cu comandă numerică (NCO) care este o unitate periferică ce poate furniza semnalele de sincronizare pentru modu­larea puls-lățime de înaltă rezoluție (PWM) necesară pentru înaltă eficiență de conversie DC/DC (vezi www.microchip.com)

Texas Instruments oferă controlerul și convertorul Solar Magic SM72442 MPPT, care este sprijinit de o placă de evaluare, oferind opțiunea de conectare directă pentru funcționare aproape fără pierderi, în cazul în care tensiunea de intrare de la panou și tensiunea de ieșire dorită sunt diferite ± 2% între ele. Acest lucru permite convertorului DC/DC să se închidă temporar. Algoritmul MPPT utilizat de acest dispozitiv oferă de obicei convergență în termen de o sutime de secundă, monitorizând ambele intrări, de curent și tensiune.( www.ti.com)

Modulul optimizator de putere SolarMagic® SM1230-3A1/4A1/3B1/4B1
O mică umbrire de 10% poate duce la pierdere de 50% de energie. Modulul optimizator de putere

SolarMagic maximi­zează potențialul energetic al fiecărui panou individual astfel că, recuperează până la 57% din energia care s-ar pierde.

• Tensiune de intrare: VMPP = 15V… 40V (SM1230-3A1/4A1) sau 30V…80V (SM1230-3B1/4B1)
• Tensiune VOC = 50V sau 100V
• Curent max de intrare: Isc = 9,2A … 10,4A sau 5,9A … 6,4A
• Tensiune la ieșire VOUT = 0V … 43VDC sau 0 … 86VDC
• Curentul max. de ieșire: 8,5 sau 6,5A.
• Temperatura de lucru: -40 … +70°C
• Algoritmul MPPT pentru aplicații fotovoltaice optimizate.
• Eficiența convertorului: tipic 98,5%.
• Garanție 20 ani.
Corelate cu modulul optimizator de putere SolarMagic SM1230-3A1/4A1/3B1/4B1 sunt diodele de blocare SolarMagic SM2060-3A1/4A1 și SM2100-3A1/4A1, cu eficiența 99,8%.
www.solarmagic.com

Firma Meanwell ( www.meanwell.com), pentru care ECAS ELECTRO este distribuitor autorizat, oferă două serii de invertoare pentru aplicații cu încărcător MPPT solar.
ISI-501 este un invertor DC/AC pur sinusoidal (THD<3%), echipat cu un încărcător solar MPPT cu eficiență de până la 98% fiind controlat digital de un microprocesor avansat. Având la bază o schemă ce lucrează la frecvență înaltă, are volum mic (205mm × 158mm × 67mm) și greutate redusă (2,35Kg) și eficiență ridicată de până la 88%. Seria ISI-500 Modified Sine Wave DC-AC Inverter, cu MPPT Solar

Charger
• Baterii Pb-acid: 12, 24, 48 Vdc. Intrare Solar panel: 20-40, 35-80, 70-160Vdc. Ieșire: 230Vac +/-10%.
• Protecții: la baterie descărcată sau defectă, supra-temperatură, scurtcircuit, supra-sarcină, la inversarea polarității.
• Încărcător solar MPPT. Putere: 350, 500W (putere dublă la ieșire, timp limitat).
• Indicare cu LED a stării de funcționare, răcire cu ventilator.
• Eficiența tipică: 85-88%.
• Garanție 2 ani.

Seria ISI-501 True Sine Wave DC-AC Inverter cu MPPT Solar Charger

• Baterii Pb-acid: 12, 24, 48 Vdc.
• Intrare Solar panel: 35-50, 45-90, 90-160Vdc/curent solar 4,5-11A.
• Ieșire: 230Vac ±3%.
• Protecții: la baterie descărcată sau defectă, supra-temperatură, scurtcircuit, supra-sarcină, la inversarea polarității.
• Încărcător solar MPPT.
• Putere: 350, 500W (putere dublă la ieșire, timp limitat).
• Indicare cu LED a stării de funcționare, răcire cu ventilator.
• Eficiența tipică invertor: 85-88%.
• Eficiența MPPT: 98%.
• Garanție 3 ani.

ISI-501 poate livra 500W putere continuu, 550W pentru 1 minut și un vârf de sarcină de 1000W pentru 30 perioade la 50Hz.
Bateriile Pb-acid recomandate: 12V/120-400Ah, 24V/60-200Ah, 48V/30Ah-100Ah.
ISI-501 este practic o sursă mică de putere independentă, ideală în zonele unde lipsește rețeaua AC, dar pot fi folosite module fotovoltaice.
Industria solară continuă să se extindă, și pot fi de așteptat mai multe tipuri de soluții pentru a se realiza simultan MPPT și un control extrem de eficient al conversiei DC/DC al pu­terii, în special prin trecere la arhitecturi mai sofisticate, care oferă tuning per modul solar.

ECAS

ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor MEAN WELL.

www.ecas.ro

Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

ECAS

ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive și componente solare: generatoare, controlere de încărcare, baterii reîncărcabile, invertoare, cabluri și conectoare, semiconductoare (diode și circuite integrate specifice domeniului solar), LED-uri și dispozitive de iluminat cu LED-uri.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre