REGOLATORI DI CARICA PWM E MPPT

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Il regolatore di carica è una parte importante dell’impianto fotovoltaico isolato (stand-alone). Una delle funzioni principali è quella di utilizzare l’energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico per caricare le batterie e impedirne il sovraccarico, per cui riduce o interrompe la corrente di carica se rileva che le batterie sono cariche, evitando così di ridurne notevolmente la vita.

Il regolatore è inserito tra la batteria ed il pannello solare, e interromperà l’invio della corrente elettrica alla batteria una volta che questa è carica, o escluderà il carico (es. delle lampadine) nel caso che la batteria sia in scarica profonda.

Il regolatore ha di solito tre collegamenti:

  • il primo è l’ingresso dei cavi provenienti dal fotovoltaico (alcuni hanno il disegno di un sole),

  • il secondo è l’uscita verso la batteria (es. disegno della batteria)

Ora vediamo le caratteristiche principali di un regolatore di carica che potete trovare nelle specifiche del prodotto:

  • La corrente massima (Isc) proveniente dai pannelli solari, e se sono collegati in parallelo la somma delle correnti nominali.

Per non creare danni al regolatore è necessario verificare che la corrente massima o nominale proveniente dall’insieme dei pannelli solari sia inferiore a quella nominale in ingresso al regolatore, che la corrente massima assorbita dal carico sia inferiore a quella nominale del regolatore, e anche che le tensioni in ingresso e uscita del regolatore siano le stesse.

SCELTA DEL REGOLATORE DI CARICA

La scelta del regolatore di carica dipende dal numero di pannelli fotovoltaici e dalle batterie. Esistono due tipi di regolatore: PWM (Pulse Width Modulation) e MPPT (Maximum Power Point Tracking).

In linea generale tutti i regolatori di carica devono essere selezionati in base alla quantità massima di corrente che transita nell’apparato. La corrente in Ampere viene calcolata dividendo la potenza in Watt per la tensione in Volt (I=P/V). I valori li trovate nei dati di targa del fotovoltaico.

Con il regolatore MPPT la tensione da utilizzare per il calcolo è quella del gruppo batteria.

REGOLATORE PWM

Questi tipi di regolatori sono i più diffusi, e per la loro tecnologia costruttiva sono meno costosi dei modelli MPPT.

Il loro funzionamento, sinteticamente, è il seguente:

il regolatore effettua il trasferimento di energia proveniente dai moduli fotovoltaici attraverso impulsi di corrente, durante questi impulsi la tensione dei moduli FV deve adattarsi alla tensione della batteria. Per cui il valore di tensione potrebbe essere inferiore a quella prodotta dal FV alla massima potenza (Vmp).

Con questo tipo di regolatori di carica non è possibile utilizzare dei pannelli a 24Volt per caricare batterie a 12Volt.

Il regolatore PWM di solito funziona leggermente sopra il punto di massima potenza.

SCHEMA DI MASSIMA DI UN REGOLATORE PWM

RANGE OPERATIVO DEL REGOLATORE PWM

Nella figura sottostante si vede la curva della potenza di un pannello fotovoltaico con gli intervalli di carica del regolatore PWM

REGOLATORE MPPT

Il regolatore MPPT è in grado di sfruttare a pieno tutta la potenza del pannello fotovoltaico facendo una conversione elettrica DC/DC tra il modulo FV e le batterie, garantendo che il modulo FV lavori sempre nel suo punto di massima Potenza.

SCHEMA DI MASSIMA DEL REGOLATORE MPPT

RANGE OPERATIVO DEL REGOLATORE MPPT

Nella figura sottostante si vede la curva della potenza di un pannello fotovoltaico con gli intervalli di carica del regolatore MPPT

DIFFERENZE TRA PWM E MPPT

Per cui a parità di potenza del FV il regolatore MPPT consente di produrre più energia rispetto al PWM.

Il primo vantaggio del regolatore di carica MPPT rispetto al PWM è quello di inviare alla batteria una corrente di ricarica superiore.

Per esempio se la Tensione di lavoro generata da un pannello fotovoltaico è di 16/18 Volt mentre la tensione alla batteria è di 12 Volt, il surplus di tensione sarebbe perso nei regolatori PWM, e sfruttato nei regolatori MPPT.

Per fare un esempio: se in un certo momento di irraggiamento il pannello fotovoltaico producesse una Corrente di 3 Ampere: nel caso si utilizzasse  un regolatore PWM la Corrente che verrebbe trasferita alla batteria sarebbe di 3 A. Se invece utilizzassimo il regolatore MPPT, l’apparato analizzerebbe la Potenza generata dal FV e la Tensione, e se questa fosse in un certo momento a esempio 18 Volt, e la corrente sempre di 3 A: avremo una potenza di 54 Watt (P=V*I=18*3=54 Watt). Per cui la batteria verrebbe caricata con una Corrente di 4,5 A (I=P/V=54/12=4,5 A) invece dei 3 A del regolatore PWM. E come se avessimo un pannello fotovoltaico con una Potenza del 30% superiore, e questo ci porterebbe a un risparmio sul costo dei pannelli.

Il secondo vantaggio è la tensione in ingresso che per i regolatori MPPT arriva fino a circa 145 Volt (a seconda dei modelli), molto superiore al regolatore PVM.

DIMENSIONAMENTO

PWM

Nel caso di un Regolatore PWM il dimensionamento viene fatto in funzione della corrente dei moduli che, se sono in parallelo, si sommano, e il valore esatto si ricava dalla scheda tecnica sotto la voce:  Corrente di corto circuito (Isc).

Esempio: se fosse di 5,75 Ampere per modulo e i moduli sono 4 in parallelo la somma è: 5,74 x 4 = 23 A, e per stare tranquilli sarebbe meglio aumentare la portata del 25% per poter compensare i picchi di tensione che possono avvenire nelle giornate fredde e soleggiate. Per cui i 23 A diventeranno 23*1,25= 28,75 A  e si può utilizzare uno di quelli disponibili sul mercato: esempio da 30 A

CALCOLATORE PER REGOLATORE DI CARICA

MPPT

Per dimensionare un regolatore MPPT esistono due limiti che non vanno superati :

  • La massima tensione del fotovoltaico a circuito aperto (Voc a STC)
  • La corrente massima di cortocircuito del fotovoltaico (Isc a STC)

Per determinare la tensione massima a circuito aperto (Voc) si deve guardare la scheda tecnica del pannello solare e il valore lo si moltiplica per il numero dei pannelli messi in serie nella stringa.

Il risultato non deve superare quello stabilito dalla casa costruttrice. Per stare tranquilli sarebbe meglio aumentare la portata del 25% per poter compensare i picchi di tensione che possono avvenire nelle giornate fredde e soleggiate.

A esempio se avessimo due pannelli fotovoltaici da 100 Wp con una tensione di targa data dal produttore di 12 Volt e li mettiamo in serie avremo una tensione di 24 Volt, questo valore lo aumentiamo del 25% e avremo: 24 x 1,25= 30 Volt.

La maggior parte dei regolatori di carica MPPT sono in grado di gestire tensioni dai 100 ai 200 Volt, ma è sempre meglio controllare la scheda tecnica.

Per determinare la massima corrente di cortocircuito (Isc) del fotovoltaico si deve guardare la scheda tecnica del pannello solare e il valore lo si moltiplica per il numero dei pannelli messi in parallelo nella matrice, avere più pannelli in serie non cambia nulla.

Il risultato non deve superare quello stabilito dalla casa costruttrice.

Un altro parametro è la tensione di carica che può essere di 12, 24, 48 Volt e la maggior parte dei regolatori di carica sono in grado di gestirli, selezionando quella giusta quando verrà collegato il banco batteria.

Un’altra cosa da controllare è la corrente di boost che è la potenza totale che verrà erogata alla batteria dopo aver regolato la tensione.

La corrente di boost sarà quasi sempre superiore alla corrente proveniente da una fonte di alimentazione ad alta tensione.

A esempio se dovessimo collegare due pannelli in serie da 330 Watt e 33,8 Volt avremo una potenza totale di 660 Watt e 67,6 Volt. La corrente di conseguenza sarà:

I=P/V= 660/67,6= 9,8 Ampere.

Se fossero collegati a un controllo di carica MPPT con una tensione massima di ingresso di 100 Volt, per caricare una batteria da 12 Volt e fornire la stessa potenza di 660 Watt generata dai pannelli, dopo aver abbassato la tensione di carica per adattarsi alla batteria, il controller dovrà aumentare la corrente da 9,8 Ampere a circa 55 Ampere (I=P/V= 660/12= 55 Aai quali dovremo aggiungere il 25% per compensare gli sbalzi di tensione visti prima, per cui avremo 55 x 1,25= 68,75 A.

Quindi la corrente di boost sarà di circa 69 A. I controlli di carica sono disponibili da 80 o 100 A; e vanno benissimo.

Riassumendo la corrente di boost è fondamentale per dimensionare il controllo di carica MPPT e in generale basta dividere la potenza del fotovoltaico in Watt per la tensione del pacco batteria, e il risultato moltiplicarlo per 1,25.

I(A)=(P/V)* 1,25

Dove: Icorrente massima in ingresso al controllo di caricaPpotenza totale del fotovoltaicoVtensione pacco batteria1,25 = 25% di incremento.

Riassumendo la scelta tra un regolatore PWM e MPPT dipende da tutto quello detto in precedenza e anche dal tipo di pannelli solari usati, e dal banco batteria. Questa tabella  vi può aiutare nella scelta, dove vengono indicate le celle che compongono il pannello fotovoltaico e la tensione del banco batteria che voglio caricare.

TENSIONE IN FUNZIONE DELLE CELLE

Progettazione e installazione impianti fotovoltaici a isola o collegati alla rete elettrica

METODO DA USARE QUANDO SI COLLEGA IL REGOLATORE                  ALL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

1° COLLEGARE LA BATTERIA

2° COLLEGARE PANNELLO SOLARE

3° COLLEGARE IL CARICO

Quando si scollega l’impianto fare la procedura inversa 

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