MPPT significa rastreador de ponto de potência máxima, que é um sistema eletrônico projetado para otimizar a saída de energia variável de um módulo de painel solar, de modo que a bateria conectada explore a potência máxima disponível do painel solar.
Introdução
NOTA: Os circuitos MPPT discutidos neste post não empregam os métodos convencionais de controle como “Perturbe e observe”, “Condutância incremental”, “Varredura de corrente”, “Tensão constante” …… etc etc … concentre-se e tente implementar algumas coisas básicas:
- Para garantir que a “potência” de entrada do painel solar seja sempre igual à “potência” de saída que atinge a carga.
- A “tensão do joelho” nunca é perturbada pela carga e a zona MPPT do painel é mantida de forma eficiente.
O que é tensão e corrente no joelho de um painel:
Simplificando, a tensão do joelho é a “Voltagem de circuito aberto” nível do painel, enquanto a corrente do joelho é a “corrente de curto-circuito” medida do painel em qualquer instante.
Se os dois acima forem mantidos o máximo possível, pode-se presumir que a carga está recebendo a energia MPPT ao longo de sua operação.
Antes de nos aprofundarmos nos designs propostos, vamos primeiro nos familiarizar com alguns dos fatos básicos sobre o carregamento de baterias solares
Sabemos que a saída de um painel solar é diretamente proporcional ao grau de incidência da luz solar e também à temperatura ambiente. Quando os raios solares são perpendiculares ao painel solar, ele gera a quantidade máxima de tensão e se deteriora à medida que o ângulo se afasta de 90 graus A temperatura atmosférica ao redor do painel também afeta a eficiência do painel, que cai com o aumento da temperatura .
Portanto, podemos concluir que quando os raios solares estão próximos de 90 graus sobre o painel e quando a temperatura está em torno de 30 graus, a eficiência do painel é máxima, a taxa diminui à medida que os dois parâmetros acima se afastam de seus valores nominais.
A tensão acima é geralmente usada para carregar uma bateria, uma bateria de chumbo-ácido, que por sua vez é usada para operar um inversor. No entanto, assim como o painel solar tem seus próprios critérios operacionais, a bateria também não é menor e oferece algumas condições estritas para ser carregada de maneira ideal.
As condições são, a bateria deve ser carregada inicialmente com uma corrente relativamente mais alta, que deve ser gradualmente diminuída para quase zero quando a bateria atingir uma tensão 15% maior que sua classificação normal.
Assumindo que uma bateria de 12 V totalmente descarregada, com uma tensão em torno de 11,5 V, pode ser carregada inicialmente em torno da taxa C/2 (C = AH da bateria), isso começará a encher a bateria de forma relativamente rápida e puxará sua tensão para pode ser cerca de 13V dentro de um par de horas.
Neste ponto, a corrente deve ser reduzida automaticamente para dizer a taxa C/5, isso ajudará novamente a manter o ritmo de carregamento rápido sem danificar a bateria e aumentar sua tensão para cerca de 13,5V na próxima 1 hora.
Seguindo as etapas acima, agora a corrente pode ser reduzida ainda mais para a taxa C/10, o que garante que a taxa de carregamento e o ritmo não diminuam.
Finalmente, quando a tensão da bateria atinge cerca de 14,3 V, o processo pode ser reduzido para uma taxa C/50 que quase interrompe o processo de carregamento, mas restringe a carga de cair para níveis mais baixos.
Todo o processo carrega uma bateria totalmente descarregada em um período de 6 horas sem afetar a vida útil da bateria.
Um MPPT é empregado exatamente para garantir que o procedimento acima seja extraído de forma ideal de um painel solar específico.
Um painel solar pode ser incapaz de fornecer saídas de alta corrente, mas definitivamente é capaz de fornecer tensões mais altas.
O truque seria converter os níveis de tensão mais altos em níveis de corrente mais altos por meio da otimização apropriada da saída do painel solar.
Agora, como as conversões de uma tensão mais alta para uma corrente mais alta e vice-versa podem ser implementadas apenas através de conversores buck boost, um método inovador (embora um pouco volumoso) seria usar um circuito indutor variável em que o indutor teria muitos taps comutáveis, estes as derivações podem ser alternadas por um circuito de comutação em resposta à variação da luz solar, de modo que a saída para a carga permaneça sempre constante, independentemente da luz solar.
O conceito pode ser entendido consultando o seguinte diagrama:
Diagrama de circuito
Usando o LM3915 como o IC do processador principal
O processador principal no diagrama acima é o IC LM3915 que alterna sua pinagem de saída sequencialmente de cima para baixo em resposta à diminuição da luz do sol
Essas saídas podem ser vistas configuradas com transistores de potência chaveados que, por sua vez, são conectados com as várias derivações de uma única bobina indutora longa de ferrite.
A extremidade inferior do indutor pode ser vista conectada a um transistor de potência NPN que é comutado em torno de 100kHz de frequência a partir de um circuito oscilador configurado externamente.
Os transistores de potência se conectam com as saídas do interruptor IC em resposta ao sequenciamento das saídas IC, conectando os taps apropriados do indutor com a tensão do painel e a frequência de 100kHz.
Essas voltas do indutor são calculadas adequadamente de modo que seus vários taps se tornem compatíveis com a tensão do painel, pois são comutados pelos estágios do driver de saída do IC.
Assim, os procedimentos garantem que, enquanto a intensidade do sol e a tensão diminuem, ela está adequadamente vinculada ao tap relevante do indutor, mantendo uma tensão quase constante em todos os taps fornecidos, conforme suas classificações calculadas.
Vamos entender o funcionamento com a ajuda do seguinte cenário:
Suponha que a bobina seja selecionada para ser compatível com um painel solar de 30V, portanto, no pico do sol, vamos supor que o transistor de potência mais alto seja ligado pelo IC que submete toda a bobina a oscilar, isso permite que todo o 30V esteja disponível em todo o extremidades da bobina.
Agora suponha que a luz do sol caia em 3V e reduza sua saída para 27V, isso é rapidamente detectado pelo IC, de modo que o primeiro transistor do topo agora desliga e o segundo transistor na sequência liga.
A ação acima seleciona a segunda derivação (tomada de 27V) do indutor de cima, executando uma derivação do indutor correspondente à resposta de tensão, certificando-se de que a bobina oscile de maneira ideal com a tensão reduzida… da mesma forma, agora que a tensão da luz solar cai ainda mais, os respectivos transistores “apertar as mãos” com as respectivas derivações do indutor, garantindo uma perfeita correspondência e comutação eficiente do indutor, correspondendo às tensões solares disponíveis.
Devido à resposta combinada acima entre o painel solar e o indutor buck/boost de comutação… as tensões de derivação sobre os pontos relevantes podem ser assumidas para manter uma tensão constante durante todo o dia, independentemente da situação da luz solar….
Por exemplo, suponha que se o indutor for projetado para produzir 30V no tap mais alto seguido por 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V nos taps subsequentes, então todas essas tensões podem ser consideradas constante sobre essas torneiras, independentemente dos níveis de luz solar.
Lembre-se também de que essas tensões podem ser alteradas de acordo com as especificações do usuário para obter tensões mais altas ou mais baixas do que a tensão do painel.
O circuito acima também pode ser configurado na topologia flyback conforme mostrado abaixo:
Em ambas as configurações acima, a saída deve permanecer constante e estável em termos de tensão e potência, independentemente da saída solar.
Usando o método de rastreamento de I/V
O seguinte conceito de circuito garante que o nível MPPT do painel nunca seja perturbado drasticamente pela carga.
O circuito rastreia o nível de “joelho” MPPT do painel e garante que a carga não consuma mais nada que possa causar uma queda neste nível de joelho do painel.
Vamos aprender como isso pode ser feito usando um circuito simples de rastreamento de I/V de amplificador operacional simples.
Observe que os projetos sem conversor buck nunca serão capazes de otimizar o excesso de tensão em corrente equivalente para a carga e podem falhar nesse aspecto, que é considerado o recurso crucial de qualquer projeto MPPT.
Um dispositivo do tipo MPPT muito simples e eficaz pode ser feito empregando um IC LM338 e um opamps.
Neste conceito que é desenhado por mim, o amp op é configurado de tal forma que fica gravando os dados MPP instantâneos do painel e compara com o consumo instantâneo de carga. Se encontrar o consumo de carga excedendo esses dados armazenados, ele corta a carga…
O estágio IC 741 é a seção do rastreador solar e forma o coração de todo o projeto.
A tensão do painel solar é alimentada ao pino inversor2 do CI, enquanto a mesma é aplicada ao pino não inversor3 com uma queda de cerca de 2 V usando três diodos 1N4148 em série.
A situação acima mantém consistentemente o pino3 do IC um tom mais baixo que o pino2, garantindo uma tensão zero no pino de saída6 do IC.
No entanto, em um caso de sobrecarga ineficiente, como uma bateria incompatível ou uma bateria de alta corrente, a tensão do painel solar tende a ser reduzida pela carga. Quando isso acontece, a tensão do pino2 também começa a cair, porém devido à presença do capacitor de 10uF no pino3, seu potencial permanece sólido e não responde à queda acima.
A situação força instantaneamente o pin3 a ficar mais alto que o pin2, que por sua vez alterna o pin6 para alto, ligando o BJT BC547.
O BC547 agora desativa imediatamente o LM338 cortando a tensão da bateria, o ciclo continua mudando em um ritmo rápido, dependendo da velocidade nominal do IC.
As operações acima garantem que a tensão do painel solar nunca caia ou seja puxada para baixo pela carga, mantendo uma condição semelhante a MPPT por toda parte.
Como um IC linear LM338 é usado, o circuito pode ser novamente um pouco ineficiente… o remédio é substituir o estágio LM338 por um conversor buck… que tornaria o design extremamente versátil e comparável a um verdadeiro MPPT.
Abaixo é mostrado um circuito MPPT usando uma topologia de conversor buck, agora o design faz muito sentido e parece muito mais próximo de um verdadeiro MPPT
Circuito MPPT 48V
Os circuitos MPPT simples acima também podem ser modificados para implementar o carregamento de bateria de alta tensão, como o seguinte circuito de carregador MPPT de bateria de 48V.
As ideias são todas desenvolvidas exclusivamente por mim.
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FONTE
Nota: Este conteúdo foi traduzido do Inglês para português (auto)
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