Maximo poder punto

El seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ) ^{[1] [2]} o, a veces, solo el seguimiento del punto de potencia ( PPT ), ^{[3] [4]} es una técnica que se utiliza con fuentes con potencia variable para maximizar la extracción de energía en todas las condiciones. La técnica se usa más comúnmente con sistemas solares fotovoltaicos (PV), pero también se puede usar con turbinas eólicas, transmisión de energía óptica y termofotovoltaica .

Los sistemas solares fotovoltaicos existen en muchas configuraciones diferentes con respecto a su relación con los sistemas inversores, redes externas, bancos de baterías u otras cargas eléctricas. ^[5] Independientemente del destino final de la energía solar, el problema central abordado por MPPT es que la eficiencia de la transferencia de energía desde la celda solar depende de la cantidad de luz solar que cae sobre los paneles solares, la temperatura del panel solar y la Características eléctricas de la carga . A medida que varían estas condiciones, cambia la característica de carga que proporciona la mayor eficiencia de transferencia de potencia. La eficiencia del sistema se optimiza cuando la característica de carga cambia para mantener la transferencia de potencia a la máxima eficiencia. Esta característica de carga se denomina punto de máxima potencia.(MPP). MPPT es el proceso de encontrar este punto y mantener la característica de carga allí. Los circuitos eléctricos se pueden diseñar para presentar cargas arbitrarias a las celdas fotovoltaicas y luego convertir el voltaje, la corriente o la frecuencia para adaptarse a otros dispositivos o sistemas, y MPPT resuelve el problema de elegir la mejor carga que se presentará a las celdas para obtener el poder más utilizable.

Las células solares tienen una relación compleja entre la temperatura y la resistencia total que produce una eficiencia de salida no lineal que se puede analizar en función de la curva IV . ^{[6] [7]} El propósito del sistema MPPT es muestrear la salida de las celdas fotovoltaicas y aplicar la resistencia (carga) adecuada para obtener la máxima potencia para cualquier condición ambiental dada. ^{[8] Los} dispositivos MPPT se integran típicamente en un sistema convertidor de energía eléctrica que proporciona conversión, filtrado y regulación de voltaje o corriente para impulsar diversas cargas, incluidas redes eléctricas, baterías o motores.

• Los inversores solares convierten la potencia de CC en potencia de CA y pueden incorporar MPPT: dichos inversores muestrean la potencia de salida (curva IV) de los módulos solares y aplican la resistencia adecuada (carga) para obtener la máxima potencia.
• La potencia en el MPP (P _mpp ) es el producto del voltaje MPP (V _mpp ) y la corriente MPP (I _mpp ).

Fondo

Artículo principal: curva IV

Curvas de la celda solar fotovoltaica IV donde una línea se cruza con la rodilla de las curvas donde se encuentra el punto de máxima transferencia de potencia.

Las células fotovoltaicas tienen una relación compleja entre su entorno operativo y la potencia máxima que pueden producir. El factor de llenado , abreviado FF , es un parámetro que caracteriza el comportamiento eléctrico no lineal de la célula solar. El factor de llenado se define como la relación entre la potencia máxima de la celda solar y el producto del voltaje de circuito abierto V _oc y la corriente de cortocircuito I _sc . En los datos tabulados, a menudo se usa para estimar la potencia máxima que una celda puede proporcionar con una carga óptima en condiciones dadas, P = FF * V _oc * I _sc . Para la mayoría de los propósitos, FF, V _oc e I _sc son información suficiente para proporcionar un modelo aproximado útil del comportamiento eléctrico de una célula fotovoltaica en condiciones típicas.

Para cualquier conjunto dado de condiciones operativas, las celdas tienen un único punto de operación donde los valores de la corriente ( I ) y el voltaje ( V ) de la celda dan como resultado una salida de potencia máxima . ^[9] Estos valores corresponden a una resistencia de carga particular , que es igual a V / I según lo especificado por la ley de Ohm . La potencia P está dada por P = V * I . Una célula fotovoltaica, durante la mayor parte de su curva útil, actúa como fuente de corriente constante . ^[10]Sin embargo, en la región MPP de una célula fotovoltaica, su curva tiene una relación exponencial aproximadamente inversa entre corriente y voltaje. Desde la teoría básica de circuitos, la potencia entregada desde o hacia un dispositivo se optimiza donde la derivada (gráficamente, la pendiente) dI / dV de la curva IV es igual y opuesta a la relación I / V (donde d P / dV = 0). ^[11] Esto se conoce como el punto de máxima potencia (MPP) y corresponde al "codo" de la curva.

Una carga con resistencia R = V / I igual al recíproco de este valor extrae la potencia máxima del dispositivo. A esto a veces se le llama la 'resistencia característica' de la célula. Se trata de una cantidad dinámica que cambia en función del nivel de iluminación, así como de otros factores como la temperatura y la edad de la celda. Si la resistencia es menor o mayor que este valor, la potencia consumida será menor que el máximo disponible y, por lo tanto, la celda no se utilizará tan eficientemente como debería. Los rastreadores de punto de máxima potencia utilizan diferentes tipos de circuito de control o lógica para buscar este punto y así permitir que el circuito convertidor extraiga la máxima potencia disponible de una celda.

Curva potencia-voltaje (P -V)

Si está disponible una curva de potencia-voltaje total (P -V), entonces el punto de máxima potencia se puede obtener utilizando un método de bisección .

Implementación

Cuando una carga está conectada directamente al panel solar, el punto de funcionamiento del panel rara vez estará en la potencia máxima. La impedancia vista por el panel determina el punto de funcionamiento del panel solar. Por lo tanto, al variar la impedancia vista por el panel, el punto de operación se puede mover hacia el punto de máxima potencia. Dado que los paneles son dispositivos de CC, se deben utilizar convertidores CC-CC para transformar la impedancia de un circuito (fuente) en el otro circuito (carga). Cambiar la relación de trabajo del convertidor CC-CC da como resultado un cambio de impedancia como lo ve el panel. A una impedancia particular (es decir, relación de trabajo), el punto de funcionamiento estará en el punto de transferencia de potencia máxima. La curva IV del panel puede variar considerablemente con la variación de las condiciones atmosféricas, como la irradiancia y la temperatura. Por lo tanto,no es factible fijar la relación de trabajo con condiciones de operación tan dinámicamente cambiantes.

Las implementaciones de MPPT utilizan algoritmos que muestrean con frecuencia los voltajes y corrientes del panel y luego ajustan la relación de trabajo según sea necesario. Se emplean microcontroladores para implementar los algoritmos. Las implementaciones modernas a menudo utilizan computadoras más grandes para análisis y pronóstico de carga.

Clasificación

Los controladores pueden seguir varias estrategias para optimizar la potencia de salida de una matriz. Los rastreadores de punto de máxima potencia pueden implementar diferentes algoritmos y cambiar entre ellos en función de las condiciones de funcionamiento de la matriz. ^[12]

Perturbar y observar

En este método, el controlador ajusta el voltaje en una pequeña cantidad de la matriz y mide la potencia; si la potencia aumenta, se intentan realizar más ajustes en esa dirección hasta que la potencia ya no aumente. Esto se denomina método de perturbación y observación y es el más común, aunque este método puede provocar oscilaciones en la salida de potencia. ^{[13] [14]} Se lo conoce como un método de escalada de colinas , porque depende del aumento de la curva de potencia contra el voltaje por debajo del punto de máxima potencia y de la caída por encima de ese punto. ^[15] Perturb and observe es el método MPPT más utilizado debido a su facilidad de implementación. ^[13]El método de perturbar y observar puede resultar en una eficiencia de alto nivel, siempre que se adopte una estrategia de escalada de colinas predictiva y adaptativa adecuada. ^{[16] [17]}

Conductancia incremental

En el método de conductancia incremental, el controlador mide los cambios incrementales en la corriente y el voltaje de la matriz fotovoltaica para predecir el efecto de un cambio de voltaje. Este método requiere más cálculos en el controlador, pero puede rastrear condiciones cambiantes más rápidamente que el método de perturbación y observación (P&O). A diferencia del algoritmo P&O, no produce oscilaciones en la potencia de salida. ^[18] Este método utiliza la conductancia incremental ( ) de la matriz fotovoltaica para calcular el signo del cambio de potencia con respecto al voltaje ( ). ^[19] El método de conductancia incremental calcula el punto de máxima potencia mediante la comparación de la conductancia incremental ( ) con la conductancia de la matriz ( ). Cuando estos dos son iguales (${\displaystyle dI/dV}$${\displaystyle dP/dV}$${\displaystyle I_{\Delta }/V_{\Delta }}$${\displaystyle I/V}$${\displaystyle I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }}$), el voltaje de salida es el voltaje MPP. El controlador mantiene este voltaje hasta que cambia la irradiación y se repite el proceso.

El método de conductancia incremental se basa en la observación de que en el punto de máxima potencia , y eso . La corriente de la matriz se puede expresar como una función de la tensión: . Por lo tanto, . Al establecer esta igual a cero se obtiene: . Por lo tanto, el punto de máxima potencia se logra cuando la conductancia incremental es igual al negativo de la conductancia instantánea. La característica de la curva potencia-voltaje también muestra que: cuando el voltaje es menor que el punto de máxima potencia , entonces ; cuando el voltaje es mayor que el punto de máxima potencia, o${\displaystyle dP/dV=0}$${\displaystyle P=IV}$${\displaystyle P=I(V)V}$${\displaystyle dP/dV=VdI/dV+I(V)}$${\displaystyle dI/dV=-I(V)/V}$${\displaystyle dP/dV>0}$${\displaystyle dI/dV>-I/V}$${\displaystyle dP/dV<0}$${\displaystyle dI/dV<-I/V}$. Por lo tanto, el rastreador MPP puede saber dónde se encuentra en la curva de potencia-voltaje calculando la relación del cambio de corriente / voltaje y el voltaje actual.

Barrido actual

El método de barrido actual utiliza una forma de onda de barrido para la corriente del campo fotovoltaico, de modo que la característica IV del campo fotovoltaico se obtiene y actualiza a intervalos de tiempo fijos. La tensión máxima en el punto de potencia se puede calcular a partir de la curva característica en los mismos intervalos. ^{[20] [21]}

Voltaje constante

El término "voltaje constante" en el seguimiento de MPP se usa para describir diferentes técnicas de diferentes autores, una en la que el voltaje de salida se regula a un valor constante en todas las condiciones y otra en la que el voltaje de salida se regula en función de una relación constante con la Voltaje de circuito abierto medido ( ). Por el contrario, algunos autores se refieren a esta última técnica como el método de "voltaje abierto". ^[22]${\displaystyle V_{OC}}$Si el voltaje de salida se mantiene constante, no se intenta rastrear el punto de máxima potencia, por lo que no es una técnica de rastreo de punto de máxima potencia en un sentido estricto, aunque tiene algunas ventajas en los casos en que el rastreo de MPP tiende a fallar. y, por tanto, a veces se utiliza para complementar un método MPPT. En el método MPPT de "voltaje constante" (también conocido como el "método de voltaje abierto"), la potencia entregada a la carga se interrumpe momentáneamente y se mide el voltaje de circuito abierto con corriente cero. El controlador luego reanuda la operación con el voltaje controlado en una relación fija, como 0,76, del voltaje de circuito abierto . ^[23] Suele ser un valor que se ha determinado que es el punto de máxima potencia, ya sea empíricamente o basándose en modelos, para las condiciones operativas esperadas.${\displaystyle V_{OC}}$^{[24] [19]} Por tanto, el punto de funcionamiento del campo fotovoltaico se mantiene cerca del MPP regulando el voltaje del campo y haciéndolo coincidir con el voltaje de referencia fijo. El valor detambién se puede elegir para obtener un rendimiento óptimo en relación con otros factores, así como con el MPP, pero la idea central de esta técnica es quese determina como una relación con. Una de las aproximaciones inherentes al método de relación de "voltaje constante" es que la relación entre el voltaje MPP yes solo aproximadamente constante, por lo que deja espacio para una posible optimización adicional.${\displaystyle V_{ref}=kV_{OC}}$${\displaystyle V_{ref}}$${\displaystyle V_{ref}}$${\displaystyle V_{OC}}$${\displaystyle V_{OC}}$

Método de temperatura

Este método de MPPT estima el voltaje MPP ( ) midiendo la temperatura del módulo solar y comparándola con una referencia. ^[25] Dado que los cambios en los niveles de irradiación tienen un efecto insignificante en el voltaje máximo en el punto de potencia, se pueden ignorar sus influencias; se supone que el voltaje varía linealmente con los cambios de temperatura.${\displaystyle V_{mpp}}$

Este algoritmo calcula la siguiente ecuación:

${\displaystyle V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}}(T-T_{ref})}$

Dónde:

${\displaystyle V_{mpp}}$ es el voltaje en el punto de máxima potencia para una temperatura dada;

${\displaystyle T_{ref}}$ es una temperatura de referencia;

${\displaystyle T}$ es la temperatura medida;

${\displaystyle u_{V_{mpp}}}$es el coeficiente de temperatura de (disponible en la hoja de datos ).${\displaystyle V_{mpp}}$

Ventajas

• Sencillez: este algoritmo resuelve una ecuación lineal. Por tanto, no consume mucha potencia computacional.
• Puede implementarse como circuito analógico o digital.
• Dado que la temperatura varía lentamente con el tiempo, no hay oscilación ni inestabilidad de estado estable.
• Bajo coste: los sensores de temperatura suelen ser muy económicos.
• Robusto contra el ruido .

Desventajas

• El error de estimación puede no ser insignificante para niveles de irradiación bajos (por ejemplo, por debajo de 200 W / m ² ).

Comparación de métodos

Tanto perturbar como observar, y la conductancia incremental, son ejemplos de métodos de "escalada de colinas" que pueden encontrar el máximo local de la curva de potencia para la condición de funcionamiento de la matriz fotovoltaica y, por lo tanto, proporcionar un verdadero punto de máxima potencia. ^{[6] [15] [24]}

El método de perturbación y observación requiere una salida de potencia oscilante alrededor del punto de máxima potencia incluso en condiciones de irradiancia en régimen permanente.

El método de conductancia incremental tiene la ventaja sobre el método de perturbación y observación (P&O) de que puede determinar el punto de máxima potencia sin oscilar alrededor de este valor. ^[13] Puede realizar un seguimiento del punto de máxima potencia en condiciones de irradiación que varían rápidamente con mayor precisión que el método de perturbación y observación. ^[13] Sin embargo, el método de conductancia incremental puede producir oscilaciones (involuntariamente) y puede funcionar de manera errática bajo condiciones atmosféricas que cambian rápidamente. La frecuencia de muestreo se reduce debido a la mayor complejidad del algoritmo en comparación con el método P&O. ^[19]

En el método de relación de voltaje constante (o "voltaje abierto"), la corriente de la matriz fotovoltaica debe establecerse en cero momentáneamente para medir el voltaje de circuito abierto y luego establecerse en un porcentaje predeterminado del voltaje medido, generalmente alrededor del 76%. ^{[19] Es} posible que se desperdicie energía durante el tiempo que la corriente se establece en cero. ^[19] La aproximación del 76% como relación no es necesariamente precisa. ^[19] Aunque son simples y de bajo costo de implementar, las interrupciones reducen la eficiencia del arreglo y no aseguran encontrar el punto de potencia máximo real. Sin embargo, las eficiencias de algunos sistemas pueden superar el 95%. ^[23]${\displaystyle V_{MPP}/V_{OC}}$

Colocación de MPPT

Los inversores solares tradicionales realizan MPPT para todo el conjunto de paneles fotovoltaicos (asociación de módulos) en su conjunto. En tales sistemas, la misma corriente, dictada por el inversor, fluye a través de todos los módulos de la cadena (serie). Debido a que los diferentes módulos tienen diferentes curvas IV y diferentes MPP (debido a la tolerancia de fabricación, sombreado parcial, ^[26] etc.), esta arquitectura significa que algunos módulos se desempeñarán por debajo de su MPP, lo que resultará en una menor eficiencia. ^[27]

Algunas empresas (ver optimizador de energía ) ahora están colocando un rastreador de punto de máxima potencia en módulos individuales, lo que permite que cada uno funcione con la máxima eficiencia a pesar de las sombras desiguales, la suciedad o los desajustes eléctricos.

Los datos sugieren que tener un inversor con un MPPT para un proyecto que tiene un número idéntico de módulos orientados al este y al oeste no presenta desventajas en comparación con tener dos inversores o un inversor con más de un MPPT. ^[28]

Operación con baterías

Por la noche, un sistema fotovoltaico sin conexión a la red puede utilizar baterías para suministrar cargas. Aunque el voltaje del paquete de baterías completamente cargado puede estar cerca del voltaje máximo del punto de energía del panel fotovoltaico, es poco probable que esto sea cierto al amanecer cuando la batería se ha descargado parcialmente. La carga puede comenzar a un voltaje considerablemente inferior al voltaje máximo del punto de alimentación del panel fotovoltaico, y un MPPT puede resolver este desajuste.

Cuando las baterías en un sistema fuera de la red están completamente cargadas y la producción fotovoltaica excede las cargas locales, un MPPT ya no puede operar el panel en su punto de máxima potencia ya que el exceso de energía no tiene carga para absorberlo. Luego, el MPPT debe alejar el punto de funcionamiento del panel fotovoltaico del punto de máxima potencia hasta que la producción coincida exactamente con la demanda. (Un enfoque alternativo comúnmente utilizado en naves espaciales es desviar el excedente de energía fotovoltaica en una carga resistiva, lo que permite que el panel funcione continuamente en su punto de máxima potencia para mantener el panel más frío posible. ^[29] )

En un sistema fotovoltaico conectado a la red, toda la energía suministrada por los módulos solares se enviará a la red. Por lo tanto, el MPPT en un sistema fotovoltaico conectado a la red siempre intentará operar los módulos fotovoltaicos en su punto de máxima potencia.

Referencias

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Otras lecturas

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enlaces externos

Medios relacionados con el rastreador de punto de máxima potencia en Wikimedia Commons

• Rastreador MPPT de Daniel F. Butay ( basado en Microchip PIC )