Regolatore di carica per pannelli solari: schema, principio di funzionamento, metodi di collegamento

L'energia solare, a livello domestico, si limita finora alla produzione di pannelli fotovoltaici di potenza relativamente bassa. Tuttavia, a prescindere dalla struttura del convertitore fotovoltaico che trasforma la luce solare in corrente, questo dispositivo è dotato di un modulo chiamato controllore di carica della batteria solare.

Infatti, lo schema dell'impianto per la conversione della luce solare include una batteria di accumulo, un dispositivo che immagazzina l'energia ricevuta dal pannello solare. È proprio questa fonte di energia secondaria a essere gestita principalmente dal controllore.

Nell'articolo che presentiamo esamineremo la struttura e i principi di funzionamento di questo dispositivo e vedremo anche i metodi di collegamento.

Controllori per pannelli solari

Il modulo elettronico, chiamato controllore per pannello solare, è progettato per svolgere una serie di funzioni di controllo durante la carica/scarica della batteria del pannello solare.

Quando la luce solare colpisce la superficie del pannello solare, installato, ad esempio, sul tetto di una casa, le fotocellule del dispositivo trasformano questa luce in corrente elettrica.

L'energia ottenuta, in sostanza, potrebbe essere fornita direttamente all'accumulatore. Tuttavia, il processo di carica/scarica della batteria ha le sue sottigliezze (determinati livelli di correnti e tensioni). Se si trascurano queste sottigliezze, la batteria si guasterà in breve tempo.

Per evitare tali tristi conseguenze, è previsto un modulo chiamato controller di carica per pannelli solari.

Oltre al controllo del livello di carica della batteria, il modulo monitora anche il consumo energetico. A seconda del grado di scarica, il circuito del controller di carica della batteria da pannello solare regola e imposta il livello di corrente necessario per la carica iniziale e successiva.

A seconda della potenza del controller di carica delle batterie dell'impianto solare, le costruzioni di questi dispositivi possono avere configurazioni molto diverse.

In generale, per dirla in parole semplici, il modulo garantisce una 'vita' senza preoccupazioni per la batteria, che periodicamente accumula e rilascia energia ai dispositivi di consumo.

Tipi utilizzati in pratica

A livello industriale è stata avviata e realizzata la produzione di due tipi di dispositivi elettronici, la cui esecuzione è adatta per l'installazione nello schema di un sistema energetico solare:

1. Dispositivi della serie PWM.
2. Dispositivi della serie MPPT.

Il primo tipo di controller per pannello solare può essere definito 'vintage'. Tali circuiti sono stati sviluppati e messi in funzione agli albori dell'energia solare ed eolica.

Il principio di funzionamento del circuito del controller PWM si basa su algoritmi di modulazione a larghezza d'impulso. La funzionalità di questi apparecchi è leggermente inferiore a quella dei dispositivi più avanzati della serie MPPT, ma in generale funzionano comunque in modo abbastanza efficiente.

Uno dei modelli più popolari di controller di carica della batteria per stazione solare, nonostante il circuito del dispositivo sia realizzato con tecnologia PWM, considerata obsoleta.

Le costruzioni in cui viene applicata la tecnologia Maximum Power Point Tracking (inseguimento del punto di massima potenza) si distinguono per un approccio moderno alle soluzioni circuitali e offrono una maggiore funzionalità.

Ma se si confrontano entrambi i tipi di controller e, soprattutto, con un orientamento verso il settore domestico, i dispositivi MPPT non appaiono sotto la luce rosea in cui vengono tradizionalmente pubblicizzati.

Controller di tipo MPPT:

• ha un costo più elevato;
• possiede un complesso algoritmo di configurazione;
• dà un vantaggio in potenza solo su pannelli di superficie significativa.

Questo tipo di apparecchiatura è più adatto per sistemi di energia solare globale.

Controllore progettato per il funzionamento in una struttura di impianto solare. È un rappresentante della classe di dispositivi MPPT – più avanzati ed efficienti.

Per le esigenze dell'utente tipico domestico, che di solito ha pannelli di piccole dimensioni, è più conveniente acquistare e utilizzare con lo stesso effetto un controllore PWM (PWM).

Schemi strutturali dei controllori

Gli schemi elettrici dei controllori PWM e MPPT per una visione profana sono un punto troppo complesso, legato a una comprensione approfondita dell'elettronica. Pertanto è logico considerare solo gli schemi strutturali. Questo approccio è comprensibile a un vasto pubblico.

Opzione #1 – dispositivi PWM

La tensione dal pannello solare attraverso due conduttori (positivo e negativo) arriva a un elemento stabilizzatore e a una catena resistiva di separazione. Grazie a questa parte del circuito si ottiene l'equalizzazione dei potenziali della tensione di ingresso e in una certa misura si organizza la protezione dell'ingresso del controllore dal superamento del limite di tensione di ingresso.

Qui è opportuno sottolineare: ogni singolo modello di apparecchio ha un limite specifico di tensione di ingresso (indicato nella documentazione).

Ecco come appare approssimativamente lo schema strutturale dei dispositivi realizzati con tecnologie PWM. Per l'utilizzo in piccole stazioni domestiche, questo approccio circuitale garantisce un'efficienza pienamente sufficiente.

Successivamente, tensione e corrente vengono limitate al valore necessario dai transistor di potenza. Questi componenti del circuito, a loro volta, sono controllati dal chip del controllore tramite il circuito integrato del driver. Di conseguenza, all'uscita della coppia di transistor di potenza si stabilisce un valore normale di tensione e corrente per la batteria.

Inoltre nel circuito è presente un sensore di temperatura e un driver che controlla il transistor di potenza con cui viene regolata la potenza del carico (protezione da scarica profonda della batteria). Il sensore di temperatura monitora lo stato di riscaldamento degli elementi importanti del controllore PWM.

Di solito il livello di temperatura all'interno del contenitore o sui dissipatori dei transistor di potenza. Se la temperatura supera i limiti impostati nelle impostazioni, il dispositivo disconnette tutte le linee di alimentazione attiva.

Opzione #2 – dispositivi MPPT

La complessità del circuito in questo caso è dovuta al suo arricchimento con una serie di elementi che costruiscono l'algoritmo di controllo necessario in modo più accurato, in base alle condizioni operative.

I livelli di tensione e corrente vengono monitorati e confrontati da circuiti comparatori, e in base ai risultati del confronto viene determinato il massimo di potenza in uscita.

Soluzione schematica in forma strutturale per regolatori di carica basati sulle tecnologie MPPT. Qui si nota un algoritmo più complesso di controllo e gestione dei dispositivi periferici.

La differenza principale di questo tipo di regolatori rispetto ai dispositivi PWM è che sono in grado di adattare il modulo solare fotovoltaico al punto di massima potenza indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.

Il circuito di tali dispositivi implementa diversi metodi di controllo:

• perturbazione e osservazione;
• conduttanza incrementale;
• scansione di corrente;
• tensione costante.

E nella fase finale dell'azione complessiva viene applicato anche un algoritmo di confronto di tutti questi metodi.

Metodi di collegamento dei controllori

Considerando il tema delle connessioni, va subito notato: per l'installazione di ogni singolo apparecchio, la caratteristica distintiva è il funzionamento con una specifica serie di pannelli solari.

Ad esempio, se si utilizza un regolatore progettato per una tensione massima di ingresso di 100 volt, la serie di pannelli solari deve fornire in uscita una tensione non superiore a questo valore.

Qualsiasi impianto solare fotovoltaico funziona secondo la regola del bilancio delle tensioni di uscita e di ingresso del primo stadio. Il limite superiore di tensione del regolatore deve corrispondere al limite superiore di tensione del pannello.

Prima di collegare l'apparecchio, è necessario determinare la sua posizione fisica di installazione. Secondo le norme, come luogo di installazione si devono scegliere ambienti asciutti e ben ventilati. È esclusa la presenza di materiali infiammabili vicino al dispositivo.

Non è ammessa la presenza in prossimità dell'apparecchio di fonti di vibrazioni, calore e umidità. Il luogo di installazione deve essere protetto da precipitazioni atmosferiche e dalla luce solare diretta.

Tecnica di collegamento dei modelli PWM

Praticamente tutti i produttori di regolatori PWM richiedono di rispettare una sequenza precisa di collegamento dei dispositivi.

La tecnica di collegamento dei regolatori PWM con i dispositivi periferici non presenta particolari difficoltà. Ogni scheda è dotata di morsetti marcati. Qui è semplicemente necessario seguire una sequenza di operazioni.

I dispositivi periferici devono essere collegati in piena conformità con le marcature dei morsetti di contatto:

1. Collegare i cavi della batteria ai morsetti dell'apparecchio per la batteria rispettando la polarità indicata.
2. Inserire un fusibile di protezione direttamente nel punto di contatto del cavo positivo.
3. Sui contatti del regolatore destinati al pannello solare, fissare i conduttori provenienti dal pannello solare. Rispettare la polarità.
4. Collegare ai terminali di carico dell'apparecchio una lampada di prova con la tensione appropriata (solitamente 12/24 V).

La sequenza indicata non deve essere violata. Ad esempio, collegare i pannelli solari per primi quando la batteria non è collegata è severamente vietato. Con tali azioni l'utente rischia di «bruciare» il dispositivo. In questo articolo viene descritto più in dettaglio lo schema di assemblaggio dei pannelli solari con la batteria.

Inoltre, per i regolatori della serie PWM, non è consentito collegare l'inverter di tensione ai morsetti di carico del regolatore. L'inverter deve essere collegato direttamente ai morsetti della batteria.

Ordine di collegamento dei dispositivi MPPT

I requisiti generali per l'installazione fisica di questo tipo di apparecchi non differiscono dai sistemi precedenti. Tuttavia, l'installazione tecnologica è spesso diversa, poiché i regolatori MPPT sono spesso considerati apparecchi più potenti.

Per i regolatori progettati per alti livelli di potenza, si consiglia di utilizzare cavi di grosse sezioni, dotati di capicorda metallici sulle connessioni dei circuiti di potenza.

Ad esempio, per i sistemi potenti, questi requisiti sono integrati dal fatto che i produttori raccomandano di utilizzare un cavo per le linee di collegamento di potenza, progettato per una densità di corrente non inferiore a 4 A/mm². Cioè, ad esempio, per un regolatore con una corrente di 60 A, è necessario un cavo per il collegamento alla batteria con sezione non inferiore a 20 mm².

I cavi di collegamento devono essere dotati di capicorda in rame, crimpati saldamente con uno strumento speciale. I morsetti negativi del pannello solare e della batteria devono essere dotati di adattatori con fusibili e interruttori.

Questo approccio elimina le perdite energetiche e garantisce un funzionamento sicuro dell'impianto.

Schema strutturale di collegamento di un regolatore MPPT potente: 1 – pannello solare; 2 – regolatore MPPT; 3 – morsettiera; 4,5 – fusibili; 6 – interruttore di alimentazione del regolatore; 7,8 – barra di terra

Prima di collegare i pannelli solari al dispositivo, assicurarsi che la tensione ai morsetti sia uguale o inferiore alla tensione che può essere applicata all'ingresso del controllore.

Collegamento delle periferiche all'apparecchio MTTP:

1. Porti gli interruttori del pannello e della batteria in posizione 'spento'.
2. Rimuova i fusibili di protezione sul pannello e sulla batteria.
3. Colleghi con un cavo i morsetti della batteria ai morsetti del regolatore per la batteria.
4. Colleghi con un cavo i terminali del pannello solare ai morsetti del regolatore contrassegnati dal segno corrispondente.
5. Colleghi con un cavo il morsetto di terra alla barra di terra.
6. Monti il sensore di temperatura sul regolatore secondo le istruzioni.

Dopo queste operazioni, inserisca il fusibile della batteria precedentemente rimosso e porti l'interruttore in posizione 'acceso'. Sul display del regolatore apparirà un segnale di rilevamento della batteria.

Successivamente, dopo una breve pausa (1-2 min), inserisca il fusibile del pannello solare precedentemente rimosso e porti l'interruttore del pannello in posizione 'acceso'.

Lo schermo del dispositivo mostrerà il valore della tensione del pannello solare. Questo momento indica l'avvenuto avvio dell'impianto solare.

Conclusioni e video utili sull'argomento

L'industria produce dispositivi poliedrici dal punto di vista delle soluzioni circuitali. Pertanto non è possibile dare raccomandazioni univoche per il collegamento di tutti gli impianti senza eccezioni.

Tuttavia, il principio principale per qualsiasi tipo di dispositivo rimane lo stesso: senza il collegamento della batteria ai morsetti del controllore, la connessione ai pannelli fotovoltaici non è consentita. Requisiti analoghi si applicano anche per l'inclusione nello schema di un inverter di tensione. Questo deve essere considerato come un modulo separato, collegato alla batteria con contatto diretto.

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