Controlador de carga para painel solar: esquema, princípio de funcionamento, métodos de conexão

A energia solar, por enquanto, limita-se (no nível doméstico) à criação de painéis fotovoltaicos de potência relativamente baixa. Porém, independentemente da construção do conversor fotovoltaico que transforma a luz solar em corrente, este dispositivo é equipado com um módulo chamado controlador de carga da bateria solar.

De fato, o esquema da instalação de conversão da luz solar inclui uma bateria acumuladora – o acumulador de energia obtida do painel solar. É justamente essa fonte secundária de energia que é atendida, em primeiro lugar, pelo controlador.

No artigo que apresentamos, vamos analisar a estrutura e os princípios de funcionamento deste aparelho, bem como considerar as formas de sua conexão.

Controladores para baterias solares

O módulo eletrônico, chamado controlador para bateria solar, destina-se a executar uma série de funções de controle durante o processo de carga/descarga da bateria do painel solar.

Quando a luz solar incide sobre a superfície do painel solar instalado, por exemplo, no telhado da casa, as células fotovoltaicas do dispositivo convertem essa luz em corrente elétrica.

A energia obtida poderia, em essência, ser fornecida diretamente à bateria de armazenamento. No entanto, o processo de carga/descarga da bateria tem suas particularidades (determinados níveis de correntes e tensões). Se estas particularidades forem negligenciadas, a bateria simplesmente falhará em curto período de uso.

Para evitar tais consequências tristes, existe um módulo chamado controlador de carga para painel solar.

Além de controlar o nível de carga da bateria, o módulo também monitora o consumo de energia. Dependendo do grau de descarga, o circuito do controlador de carga da bateria solar regula e define o nível de corrente necessário para a carga inicial e subsequente.

Dependendo da potência do controlador de carga das baterias da instalação de energia solar, as construções desses dispositivos podem ter configurações muito diferentes.

Em geral, em termos simples, o módulo proporciona uma 'vida' tranquila para a bateria, que periodicamente acumula e fornece energia aos dispositivos consumidores.

Tipos utilizados na prática

Em nível industrial, a produção de dois tipos de dispositivos eletrônicos é estabelecida e realizada, cuja execução é adequada para instalação no esquema do sistema de energia solar:

1. Dispositivos da série PWM.
2. Dispositivos da série MPPT.

O primeiro tipo de controlador para painel solar pode ser chamado de 'veterano'. Tais circuitos foram desenvolvidos e implementados no início do desenvolvimento da energia solar e eólica.

O princípio de funcionamento do circuito do controlador PWM é baseado em algoritmos de modulação por largura de pulso. A funcionalidade desses aparelhos é um pouco inferior aos dispositivos mais avançados da série MPPT, mas no geral eles também funcionam de forma bastante eficiente.

Um dos modelos de controlador de carga de bateria para estação solar populares na sociedade, apesar de o circuito do dispositivo ser feito com tecnologia PWM, considerada ultrapassada

As construções onde se aplica a tecnologia Maximum Power Point Tracking (rastreamento do ponto de máxima potência) distinguem-se por uma abordagem moderna às soluções de circuitos, proporcionando maior funcionalidade.

Mas se compararmos ambos os tipos de controladores e, especialmente, com enfoque no setor doméstico, os dispositivos MPPT não parecem tão positivos quanto são tradicionalmente anunciados.

Controlador tipo MPPT:

• tem um custo mais alto;
• possui um algoritmo de configuração complexo;
• proporciona ganho de potência apenas em painéis de área significativa.

Este tipo de equipamento é mais adequado para sistemas de energia solar em grande escala.

Controlador projetado para operação como parte da estrutura de uma usina de energia solar. É um representante da classe de dispositivos MPPT – mais avançados e eficientes.

Para as necessidades de um usuário comum doméstico, que geralmente possui painéis de pequena área, é mais vantajoso comprar e operar com o mesmo efeito um controlador PWM (PWM).

Esquemas estruturais dos controladores

Os diagramas esquemáticos dos controladores PWM e MPPT para serem examinados pelo olhar leigo – é um ponto demasiado complexo, associado a um conhecimento profundo de eletrônica. Portanto, é lógico considerar apenas os diagramas estruturais. Essa abordagem é compreensível para um público amplo.

Opção #1 – dispositivos PWM

A tensão do painel solar chega através de dois condutores (positivo e negativo) a um elemento estabilizador e a uma cadeia resistiva divisora. Graças a esta parte do circuito, obtém-se a equalização dos potenciais da tensão de entrada e, de certa forma, organiza-se a proteção da entrada do controlador contra excesso do limite de tensão de entrada.

Aqui deve-se enfatizar: cada modelo individual do dispositivo possui um limite específico de tensão de entrada (indicado na documentação).

É mais ou menos assim que se parece o diagrama estrutural dos dispositivos baseados em tecnologias PWM. Para operação em pequenas estações domésticas, essa abordagem de circuito oferece eficiência suficientemente adequada.

Em seguida, a tensão e a corrente são limitadas aos valores necessários por transistores de potência. Esses componentes do circuito, por sua vez, são controlados pelo chip do controlador através de um circuito integrado driver. Como resultado, na saída do par de transistores de potência, estabelece-se um valor normal de tensão e corrente para a bateria.

Também no circuito estão presentes um sensor de temperatura e um driver que controla o transistor de potência, com o qual se regula a potência da carga (proteção contra descarga profunda da bateria). O sensor de temperatura monitora o estado de aquecimento dos elementos importantes do controlador PWM.

Geralmente, o nível de temperatura dentro do invólucro ou nos dissipadores dos transistores de potência. Se a temperatura ultrapassar os limites definidos nas configurações, o dispositivo desliga todas as linhas de alimentação ativa.

Opção #2 – aparelhos MPPT

A complexidade do circuito neste caso deve-se à sua complementação com uma série de elementos que constroem o algoritmo de controle necessário de forma mais cuidadosa, com base nas condições de trabalho.

Os níveis de tensão e corrente são monitorados e comparados por circuitos comparadores, e com base nos resultados da comparação, determina-se a potência máxima na saída.

Solução esquemática em forma estrutural para controladores de carga baseados em tecnologias MPPT. Aqui já se observa um algoritmo mais complexo de controle e gerenciamento de dispositivos periféricos.

A principal diferença entre este tipo de controladores e os dispositivos PWM é que eles são capazes de ajustar o módulo solar de energia para a potência máxima, independentemente das condições climáticas.

O esquema desses dispositivos implementa vários métodos de controle:

• perturbação e observação;
• condutância incremental;
• varredura de corrente;
• tensão constante.

E no segmento final da ação geral, também é usado um algoritmo de comparação de todos esses métodos.

Formas de conexão dos controladores

Ao abordar o tópico de conexões, deve-se notar imediatamente: para a instalação de cada aparelho individualmente, uma característica é trabalhar com uma série específica de painéis solares.

Por exemplo, se for usado um controlador projetado para uma tensão máxima de entrada de 100 volts, a série de painéis solares deve fornecer uma tensão de saída não superior a esse valor.

Qualquer instalação de energia solar opera de acordo com a regra de balanceamento das tensões de saída e entrada do primeiro estágio. O limite superior de tensão do controlador deve corresponder ao limite superior de tensão do painel.

Antes de conectar o aparelho, é necessário decidir o local de sua instalação física. De acordo com as regras, o local de instalação deve ser seco e bem ventilado. A presença de materiais inflamáveis próximos ao dispositivo é excluída.

Não é permitida a presença de fontes de vibração, calor e umidade nas proximidades do aparelho. O local de instalação deve ser protegido contra precipitação atmosférica e luz solar direta.

Técnica de conexão dos modelos PWM

Praticamente todos os fabricantes de controladores PWM exigem que se siga a sequência exata de conexão dos dispositivos.

A técnica de conexão dos controladores PWM com dispositivos periféricos não apresenta dificuldades especiais. Cada placa possui terminais marcados. Aqui, basta seguir a sequência de ações.

Os dispositivos periféricos devem ser conectados em total conformidade com as marcações dos terminais de contato:

1. Conectar os fios da bateria aos terminais do aparelho para a bateria, de acordo com a polaridade indicada.
2. No ponto de contato do fio positivo, instalar um fusível de proteção.
3. Nos terminais do controlador destinados ao painel solar, fixar os condutores que saem da bateria de painéis solares. Respeitar a polaridade.
4. Conectar uma lâmpada de teste de tensão apropriada (geralmente 12/24V) aos terminais de carga do aparelho.

A sequência indicada não deve ser alterada. Por exemplo, conectar os painéis solares primeiro sem a bateria conectada é estritamente proibido. Com tais ações, o usuário corre o risco de 'queimar' o aparelho. Neste material, o esquema de montagem de painéis solares com bateria é descrito em mais detalhes.

Também para controladores da série PWM, não é permitido conectar um inversor de tensão aos terminais de carga do controlador. O inversor deve ser conectado diretamente aos terminais da bateria.

Procedimento de conexão dos aparelhos MPPT

Os requisitos gerais para a instalação física deste tipo de equipamentos não diferem dos sistemas anteriores. No entanto, a configuração técnica é frequentemente um pouco diferente, pois os controladores MPPT são frequentemente considerados dispositivos mais potentes.

Para controladores projetados para altos níveis de potência, recomenda-se o uso de cabos de grandes seções, equipados com terminais metálicos, nas conexões dos circuitos de potência.

Por exemplo, para sistemas potentes, esses requisitos são complementados pelo fato de que os fabricantes recomendam o uso de cabos para as linhas de conexão de potência, projetados para uma densidade de corrente de pelo menos 4 A/mm². Ou seja, por exemplo, para um controlador com corrente de 60 A, é necessário um cabo para conexão à bateria com seção transversal de no mínimo 20 mm².

Os cabos de conexão devem ser equipados com terminais de cobre, firmemente crimpados com uma ferramenta especial. Os terminais negativos do painel solar e da bateria devem ser equipados com adaptadores com fusíveis e interruptores.

Essa abordagem elimina perdas de energia e garante a operação segura da instalação.

Diagrama estrutural da conexão de um controlador MPPT potente: 1 – painel solar; 2 – controlador MPPT; 3 – bloco de terminais; 4,5 – fusíveis; 6 – interruptor de alimentação do controlador; 7,8 – barramento de terra.

Antes de conectar painéis solares ao dispositivo, certifique-se de que a tensão nos terminais corresponde ou é inferior à tensão que pode ser aplicada à entrada do controlador.

Conexão de periféricos ao dispositivo MTTP:

1. Coloque os interruptores do painel e da bateria na posição 'desligado'.
2. Retire os fusíveis de proteção no painel e na bateria.
3. Conecte os terminais da bateria aos terminais do controlador para a bateria com um cabo.
4. Conecte os cabos dos terminais do painel solar aos terminais do controlador marcados com o sinal correspondente.
5. Conecte o terminal de aterramento ao barramento de terra com um cabo.
6. Instale o sensor de temperatura no controlador de acordo com as instruções.

Após essas etapas, insira o fusível da bateria removido anteriormente e coloque o interruptor na posição 'ligado'. Um sinal de detecção da bateria aparecerá na tela do controlador.

Em seguida, após uma breve pausa (1-2 min), coloque de volta o fusível do painel solar removido anteriormente e coloque o interruptor do painel na posição 'ligado'.

A tela do dispositivo mostrará o valor da tensão do painel solar. Esse momento indica o início bem-sucedido do sistema de energia solar.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

A indústria produz dispositivos multifacetados em termos de soluções de circuitos. Portanto, não é possível dar recomendações inequívocas sobre a conexão de todas as instalações sem exceção.

No entanto, o princípio principal para qualquer tipo de dispositivo permanece o mesmo: sem a conexão da bateria aos barramentos do controlador, a conexão com os painéis fotovoltaicos é inadmissível. Requisitos semelhantes são aplicados para a inclusão no circuito do inversor de tensão. Ele deve ser considerado como um módulo separado, conectado à bateria por contato direto.

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