Seguimiento del punto de máxima potencia

Método de extracción de energía de células solares

Curva de potencia/voltaje de un sistema fotovoltaico parcialmente sombreado, con MPP local y global marcados

El seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ), ^{[1] [2]} o, a veces, simplemente el seguimiento del punto de máxima potencia ( PPT ), ^{[3] [4]} es una técnica utilizada con fuentes de energía variables para maximizar la extracción de energía a medida que varían las condiciones. ^[5] La técnica se utiliza más comúnmente con sistemas solares fotovoltaicos (PV), pero también se puede utilizar con turbinas eólicas , transmisión de energía óptica y termofotovoltaica .

Los sistemas solares fotovoltaicos tienen relaciones variables con los sistemas inversores, las redes externas, los bancos de baterías y otras cargas eléctricas. ^[6] El problema central que aborda el MPPT es que la eficiencia de la transferencia de energía desde la célula solar depende de la cantidad de luz solar disponible, el sombreado, la temperatura del panel solar y las características eléctricas de la carga . A medida que varían estas condiciones, la característica de carga ( impedancia ) que proporciona la mayor transferencia de energía cambia. El sistema se optimiza cuando la característica de carga cambia para mantener la transferencia de energía con la máxima eficiencia. Esta característica de carga óptima se denomina punto de máxima potencia (MPP). El MPPT es el proceso de ajuste de la característica de carga a medida que cambian las condiciones. Se pueden diseñar circuitos para presentar cargas óptimas a las células fotovoltaicas y luego convertir el voltaje, la corriente o la frecuencia para adaptarse a otros dispositivos o sistemas.

La relación no lineal de las células solares entre la temperatura y la resistencia total se puede analizar en función de la curva de corriente-voltaje (IV) y las curvas de potencia-voltaje (PV). ^{[7] [8]} El MPPT toma muestras de la salida de la célula y aplica la resistencia (carga) adecuada para obtener la máxima potencia. ^[9] Los dispositivos MPPT suelen estar integrados en un sistema de conversión de energía eléctrica que proporciona conversión de voltaje o corriente, filtrado y regulación para impulsar varias cargas, incluidas las redes eléctricas, las baterías o los motores. Los inversores solares convierten la energía de CC en energía de CA y pueden incorporar MPPT.

La potencia en el MPP (P _mpp ) es el producto del voltaje MPP (V _mpp ) y la corriente MPP (I _mpp ).

En general, la curva fotovoltaica de un conjunto solar parcialmente sombreado puede tener múltiples picos y algunos algoritmos pueden quedarse estancados en un máximo local en lugar del máximo global de la curva. ^[10]

Fondo

Curvas IV de células solares fotovoltaicas donde una línea interseca la rodilla de las curvas donde se encuentra el punto máximo de transferencia de potencia.

Las células fotovoltaicas tienen una relación compleja entre su entorno operativo y la energía que producen. La curva IV no lineal característica de una célula dada en condiciones específicas de temperatura e insolación se puede caracterizar funcionalmente mediante un factor de llenado ( FF ). El factor de llenado se define como la relación entre la potencia máxima de la célula y el producto de la tensión de circuito abierto V _oc y la corriente de cortocircuito I _sc . Los datos tabulados se utilizan a menudo para estimar la potencia máxima que una célula puede proporcionar con una carga óptima en condiciones determinadas:

${\displaystyle P=FF\,V_{oc}I_{sc}}$.

Para la mayoría de los propósitos, FF , V _oc e I _sc son información suficiente para brindar una visión aproximada útil del comportamiento eléctrico de la celda en condiciones típicas.

Para cualquier conjunto dado de condiciones, las celdas tienen un único punto de operación donde los valores de la corriente ( I ) y el voltaje ( V ) de la celda permiten la máxima potencia de salida. ^{[11] Estos valores corresponden a una} resistencia de carga particular , que es igual a V / I como se especifica en la ley de Ohm . La potencia P viene dada por P=VI .

Una célula fotovoltaica, durante la mayor parte de su curva útil, actúa como una fuente de corriente constante . ^[12] Sin embargo, en la región MPP de una célula fotovoltaica, su curva tiene una relación exponencial aproximadamente inversa entre la corriente y el voltaje. Según la teoría básica de circuitos, la potencia entregada a un dispositivo está optimizada (MPP) 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) ^[13] y corresponde al "codo" de la curva.

Una carga con una resistencia R=V/I igual al recíproco de este valor extrae la máxima potencia del dispositivo. A esto a veces se le llama "resistencia característica" de la celda. Se trata de una cantidad dinámica que cambia según el nivel de iluminación, así como otros factores como la temperatura y el estado de la celda. Una resistencia más baja o más alta reduce la potencia de salida. Los rastreadores del punto de máxima potencia utilizan circuitos de control o lógica para identificar este punto.

Curva de potencia-voltaje (PV)

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

Implementación

Al conectar directamente una carga a una celda, el punto de operación del panel rara vez se encuentra en la potencia máxima. La impedancia que ve el panel determina su punto de operación. Al configurar la impedancia correctamente se logra la potencia máxima. Dado que los paneles son dispositivos de CC, los convertidores CC-CC transforman la impedancia de un circuito (fuente) en el otro circuito (carga). Al cambiar la relación de trabajo del convertidor CC-CC, se cambia la impedancia (relación de trabajo) que ve la celda. La curva IV del panel puede verse considerablemente afectada por las condiciones atmosféricas, como la irradiancia y la temperatura.

Los algoritmos MPPT suelen tomar muestras de los voltajes y corrientes del panel y luego ajustan la relación de trabajo en consecuencia. Los microcontroladores implementan los algoritmos. Las implementaciones modernas suelen utilizar computadoras más sofisticadas para realizar análisis y pronósticos de carga.

Clasificación

Los controladores pueden seguir varias estrategias para optimizar la potencia de salida. Los MPPT pueden cambiar entre múltiples algoritmos según lo dicten las condiciones. ^[14]

Perturbar y observar

En este método, el controlador ajusta el voltaje del conjunto en una pequeña cantidad y mide la potencia; si la potencia aumenta, se intentan más ajustes en esa dirección hasta que la potencia ya no aumenta. Esto se llama perturbar y observar (P&O) y es el más común, aunque este método puede hacer que la salida de potencia oscile. ^{[15] [16]} También se lo conoce como método de escalada de colinas , porque depende del ascenso de la curva de potencia contra el voltaje por debajo del punto de máxima potencia y la caída por encima de ese punto. ^[17] Perturbar y observar es el método más comúnmente utilizado debido a su facilidad de implementación. ^[15] El método de perturbar y observar puede dar como resultado una eficiencia de alto nivel, siempre que se adopte una estrategia de escalada de colinas predictiva y adaptativa adecuada. ^{[18] [19]}

Conductancia incremental

En este método, el controlador mide los cambios incrementales de corriente y voltaje para predecir el efecto de un cambio de voltaje. Este método requiere más cálculos en el controlador, pero puede rastrear las condiciones cambiantes más rápidamente que P&O. La salida de potencia no oscila. ^[20] Utiliza la conductancia incremental ( ) del conjunto fotovoltaico para calcular el signo del cambio en la potencia con respecto al voltaje ( ). ^[21] El método de conductancia incremental calcula el MPP mediante la comparación de la conductancia incremental ( ) con la conductancia del conjunto ( ). Cuando estos dos son iguales ( ), el voltaje de salida es el voltaje MPP. El controlador mantiene este voltaje hasta que cambia la irradiación y se repite el proceso. ${\displaystyle dI/dV}$ ${\displaystyle dP/dV}$ ${\displaystyle I_{\Delta }/V_{\Delta }}$ ${\displaystyle I/V}$ ${\displaystyle I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }}$

El método de conductancia incremental se basa en la observación de que en MPP, y que . La corriente del conjunto se puede expresar como una función del voltaje: ${\displaystyle dP/dV=0}$ ${\displaystyle P=IV}$

${\displaystyle P=I(V)V}$.

Por lo tanto, . Si se establece este valor en cero, se obtiene: . Por lo tanto, se logra MPP cuando la conductancia incremental es igual al negativo de la conductancia instantánea. La característica de la curva de potencia-voltaje muestra que: cuando el voltaje es menor que MPP, , por lo que ; cuando el voltaje es mayor que MPP, o . Por lo tanto, un rastreador puede saber dónde se encuentra en la curva de potencia-voltaje calculando la relación entre el cambio de corriente/voltaje y el voltaje de corriente en sí. ${\displaystyle dP/dV=VdI/dV+I(V)}$ ${\displaystyle dI/dV=-I(V)/V}$ ${\displaystyle dP/dV>0}$ ${\displaystyle dI/dV>-I/V}$ ${\displaystyle dP/dV<0}$ ${\displaystyle dI/dV<-I/V}$

Barrido actual

El método de barrido de corriente utiliza una forma de onda de barrido para la corriente del conjunto fotovoltaico, de modo que la característica IV del conjunto fotovoltaico se obtiene y actualiza a intervalos de tiempo fijos. El voltaje MPP se puede calcular a partir de la curva característica en los mismos intervalos. ^{[22] [23]}

Voltaje constante

Los métodos de voltaje constante incluyen uno en el que el voltaje de salida se regula a un valor constante bajo todas las condiciones y uno en el que el voltaje de salida se regula en base a una relación constante con el voltaje de circuito abierto medido ( ). La última técnica también puede etiquetarse como el método de "voltaje abierto". ^[24] Si el voltaje de salida se mantiene constante, no hay ningún intento de rastrear MPP, por lo que no es estrictamente una técnica MPPT, aunque funciona en casos en los que el seguimiento de MPP tiende a fallar, y por lo tanto a veces se usa de manera complementaria. En el método de voltaje abierto, el suministro de energía se interrumpe momentáneamente y se mide el voltaje de circuito abierto con corriente cero. Luego, el controlador reanuda la operación con el voltaje controlado en una relación fija, como 0,76, del voltaje de circuito abierto . ^[25] Este suele ser un valor que se ha predeterminado como el MPP, ya sea empíricamente o en base a modelos, para las condiciones de operación esperadas. ^{[20] [21]} De este modo, el punto de operación del conjunto se mantiene cerca de MPP regulando el voltaje del conjunto y haciéndolo coincidir con el voltaje de referencia fijo . El valor de puede elegirse para brindar un rendimiento óptimo en relación con otros factores, así como con el MPP, pero la idea central es que se determina como una relación entre . Una de las aproximaciones inherentes al método es que la relación entre el voltaje del MPP y es solo aproximadamente constante, por lo que deja espacio para una posible optimización adicional. ${\displaystyle V_{OC}}$ ${\displaystyle V_{OC}}$ ${\displaystyle V_{ref}=kV_{OC}}$ ${\displaystyle V_{ref}}$ ${\displaystyle V_{ref}}$ ${\displaystyle V_{OC}}$ ${\displaystyle V_{OC}}$

Método de temperatura

Este método estima el voltaje MPP ( ) midiendo la temperatura del módulo solar y comparándola con una referencia. ^[26] Dado que los cambios en los niveles de irradiación tienen un efecto insignificante en el voltaje MPP, sus influencias pueden ignorarse: se supone que el voltaje varía linealmente con la 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

• Simplicidad: este algoritmo resuelve una ecuación lineal, por lo que requiere pocos cálculos.
• Puede implementarse como un circuito analógico o digital.
• Dado que la temperatura varía lentamente con el tiempo, la oscilación y la inestabilidad no son factores.
• Bajo coste: los sensores de temperatura suelen ser baratos.
• Robusto contra el ruido .

Desventajas

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

Comparación de métodos

Tanto la P&O como la conductancia incremental son ejemplos de métodos de "subida de colinas" que pueden encontrar el máximo local de la curva de potencia para la condición operativa del conjunto y, por lo tanto, proporcionar un verdadero MPP. ^{[7] [17] [20]}

P&O produce oscilaciones de potencia de salida alrededor del punto de máxima potencia incluso bajo irradiancia de estado estable.

La conductancia incremental puede determinar el punto de máxima potencia sin oscilar. ^[15] Puede realizar MPPT en condiciones de irradiación que varían rápidamente con mayor precisión que P&O. ^[15] Sin embargo, este método puede producir oscilaciones y puede funcionar de manera errática en condiciones atmosféricas que cambian rápidamente. La frecuencia de muestreo se reduce debido a la mayor complejidad del algoritmo en comparación con P&O. ^[21]

En el método de relación de voltaje constante (o "voltaje abierto"), se puede perder energía durante el tiempo en que la corriente se establece en cero. ^[21] La aproximación del 76% como relación no es necesariamente precisa. ^[21] Aunque es simple y de bajo costo de implementación, las interrupciones reducen la eficiencia del conjunto y no garantizan la búsqueda del MPP real. Sin embargo, la eficiencia de algunos sistemas puede alcanzar más del 95%. ^[25] ${\displaystyle V_{MPP}/V_{OC}}$

Colocación

Los inversores solares tradicionales realizan el MPPT para todo el conjunto. En estos sistemas, la misma corriente, dictada por el inversor, fluye a través de todos los módulos de la cadena (serie). Debido a que los distintos módulos tienen distintas curvas IV y distintos MPP (debido a la tolerancia de fabricación, sombreado parcial, ^[27] etc.), esta arquitectura implica que algunos módulos tendrán un rendimiento inferior a su MPP, lo que afectará a la eficiencia. ^[28]

En cambio, los MPPT se pueden implementar para módulos individuales, lo que permite que cada uno funcione con la máxima eficiencia a pesar del sombreado desigual, 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. ^[29]

Funcionamiento con batería

Por la noche, un sistema fotovoltaico fuera de la red puede utilizar baterías para alimentar las cargas. Aunque el voltaje de la batería completamente cargada puede estar cerca del voltaje del punto de máxima potencia (MPP) del panel fotovoltaico, es poco probable que esto sea así al amanecer, cuando la batería está parcialmente descargada. La carga puede comenzar a un voltaje considerablemente inferior al voltaje del punto de máxima potencia (MPP) del panel fotovoltaico, y un MPPT puede resolver este desajuste.

Cuando las baterías están completamente cargadas y la producción fotovoltaica excede las cargas locales, un MPPT ya no puede operar el panel a su MPP porque el exceso de energía no tiene carga para absorberlo. El MPPT debe entonces cambiar el punto de operación del panel fotovoltaico alejándolo del punto de potencia máxima hasta que la producción coincida con la demanda. (Un enfoque alternativo que se usa comúnmente en las naves espaciales es desviar el exceso de energía fotovoltaica a una carga resistiva, lo que permite que el panel funcione continuamente a su punto de potencia máxima para mantenerlo lo más frío posible. ^[30] )

En un sistema conectado a la red, toda la energía suministrada por los módulos solares se envía a la red. Por lo tanto, el MPPT en un sistema conectado a la red siempre intenta funcionar al MPP.

Referencias

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Lectura adicional

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• Markvart, Tomás, ed. (Julio de 2000). Electricidad solar (2ª ed.). Wiley. págs.298. ISBN 978-0-471-98852-6.

Enlaces externos

• Portal de energías renovables
• Portal de energía

Medios relacionados con Rastreador del punto de máxima potencia en Wikimedia Commons

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