O que é MPPT?

Então aqui está uma coisa engraçada que aconteceu na última terça-feira. Eu estava tomando café com Dave, da nossa equipe de compras (você sabe, o cara que sempre reclama dos prazos de entrega dos fornecedores), e ele me perguntou: "O que é toda essa coisa de MPPT que você fica falando nas reuniões de P&D?"

Pergunta justa, realmente. Jogamos essas siglas como confetes em um casamento, mas a maioria das pessoas fora da bolha da engenharia não tem absolutamente nenhuma ideia do que estamos falando.

MPPT significa Rastreamento máximo de Power Point. E não, apesar do que alguns folhetos de vendas fazem parecer, não é uma caixa preta mágica que apenas “torna seus painéis solares melhores”. Na verdade, é bastante simples quando você supera o nome intimidante.

Certo, então imagine isso. Você tem um painel solar em seu telhado. Parece bastante simples – a luz solar atinge, a eletricidade sai, o trabalho está concluído. Só que não é tão simples assim, não é?

Painéis solares são estranhos. Eles não fornecem apenas uma quantidade constante de poder, independentemente do que você faça com eles. A tensão e a corrente que eles produzem mudam com base na carga que você conecta a eles, e aqui está o problema: há apenas UMA combinação específica de tensão e corrente onde você obtém a potência máxima possível desse painel.

Chamamos isso de Ponto de Potência Máxima, ou MPP. Nome cativante, eu sei.

Agora, este ponto se move constantemente. A nuvem passa por cima? Movimentos do MPP. Mudanças de temperatura? Movimentos do MPP. O painel fica um pouco empoeirado? Você adivinhou, o MPP se move. É como tentar acertar um alvo em movimento com os olhos vendados.

Isto é o que Sarah (nossa principal designer de sistemas – mulher brilhante, péssimo gosto para café) descreveu a um cliente no mês passado: “Imagine que você está tentando encher um balde com água, mas a pressão da torneira continua mudando e você precisa ajustar constantemente o quanto você abre a válvula para obter a melhor vazão”. Não é perfeito, mas deixou claro o que quero dizer.

Antes do MPPT se tornar o padrão – estamos falando de meados da década de 1990 – a maioria das instalações solares usava o que chamamos de controladores PWM. PWM significa Pulse Width Modulation, que é apenas uma maneira elegante de dizer que eles ligam e desligam a conexão entre o painel e a bateria muito rapidamente para controlar o carregamento.

O problema? Os controladores PWM basicamente reduzem a tensão do painel para corresponder à tensão da bateria. Então, se você tem um painel solar de 36 V e uma bateria de 12 V, você está apenas... jogando fora uma grande parte dessa voltagem. É como comprar um carro esporte e dirigi-lo apenas em primeira marcha. Claro, funciona, mas qual é o sentido?

Na verdade, ainda tenho uma dessas unidades PWM antigas em minha garagem, de um projeto que fizemos em 2009. Agora é um belo peso de papel.

MPPT

Um controlador MPPT é fundamentalmente diferente. Em vez de apenas reduzir a tensão do painel até o nível da bateria, ele usa um conversor CC-CC (pense nele como uma caixa de engrenagens eletrônica) para realmente converter essa tensão mais alta em mais corrente na tensão mais baixa da bateria.

Aqui está a parte da física, mas prometo ser breve: Potência=Tensão × Corrente. Portanto, se você tiver 36V a 3A do seu painel (108W), o controlador MPPT pode transformar isso em aproximadamente 12V a 9A (também 108W, menos algumas perdas). Você está obtendo a MESMA energia, apenas de uma forma diferente que sua bateria pode realmente usar.

Mas espere, tem mais! (Tenho assistido muitos infomerciais)

O controlador MPPT não faz essa conversão apenas uma vez e encerra o dia. Ele mede constantemente a saída do painel, ajusta a carga que apresenta ao painel, mede novamente e continua ajustando para encontrar aquele ponto ideal – o Ponto de Potência Máxima – onde está extraindo o máximo de energia possível do seu painel a qualquer momento.

Está fazendo essa dança dezenas de vezes por segundo. O dia todo, todos os dias.

Agora é aqui que tudo fica interessante e onde empresas como a nossa gastam muito tempo discutindo em reuniões de revisão técnica.

Existem muitos algoritmos diferentes para rastrear o MPP:

Perturbar e Observar (P&O)– Este é o velho confiável. O controlador desloca o ponto de operação em uma direção, verifica se a energia aumentou ou diminuiu e, em seguida, desloca novamente de acordo. Simples, eficaz, mas pode oscilar em torno do MPP como um bêbado tentando encontrar o buraco da fechadura. Usamos isso em nossa série Modelo S-150 porque é comprovado e barato de implementar.

Condutância Incremental– Mais matematicamente elegante, supostamente mais preciso. Na realidade? Nunca vi um desempenho dramaticamente melhor do que o P&O em condições-do mundo real, apesar do que afirmam os artigos acadêmicos. Testamos ambos{3}}lado a-lado durante três meses no verão passado (junho a agosto de 2022), e a diferença na colheita de energia foi inferior a 2%. Não vale a pena a sobrecarga extra de processamento para a maioria dos aplicativos.

Tensão Fracionária de Circuito Aberto– Faz uma estimativa com base na tensão do-circuito aberto do painel. Rápido, mas menos preciso. Algumas das unidades chinesas baratas usam isso, e você pode dizer – elas são adequadas, mas não ótimas.

Então você tem todos os métodos mais sofisticados – redes neurais, lógica difusa, controle por modo deslizante. E veja, tenho certeza de que eles têm seu lugar em laboratórios de pesquisa e aplicações de nicho, mas para 95% das instalações? P&O faz o trabalho perfeitamente.

Tom, do nosso departamento de marketing, continua nos incentivando a implementar o "MPPT{0}com tecnologia de IA" para o fator buzz. Continuamos dizendo a ele que as redes neurais não fazem sentido para esta aplicação e apenas acrescentariam custos e complexidade sem nenhum benefício real. Essa discussão vem acontecendo desde outubro. Envie ajuda.

MPPT

"Mas quão melhor é?" - Todo. Solteiro. Cliente. Reunião.

Ok, aqui estão alguns números reais dos testes de campo que realizamos ao longo de 2022:

Nas nossas instalações no sul de Espanha (região de Málaga, se tiver curiosidade), vimos:

MPPT vs PWM: 25-30% mais energia colhida em média

Melhor melhoria: 45% (isso foi em dezembro com sombreamento parcial)

Pior melhoria: 15% (meados do-verão, dias claros, quando até o PWM funciona relativamente bem)

A melhoria é maior quando:

A voltagem do seu painel é muito maior que a voltagem da bateria

Você tem sombreamento parcial

A temperatura varia muito

Você tem painéis incompatíveis na matriz

É menor quando tudo é ideal – o que basicamente nunca acontece no mundo real.

Não vou aborrecê-lo com um diagrama de circuito completo, mas aqui está a topologia básica:

A maioria dos controladores MPPT usa um conversor buck (step{0}}down), um conversor boost (step-up) ou um conversor buck-boost (pode fazer ambos) como estágio de potência. Normalmente optamos pela topologia buck porque a maioria dos painéis solares tem voltagem mais alta do que as baterias que estão carregando.

A seção de controle geralmente possui:

Um microcontrolador (usamos a série STM32 em nossa linha premium)

Sensores de tensão e corrente

Sensores de temperatura (para o painel, bateria e próprio controlador)

Algum tipo de interface de usuário (tela LCD, Bluetooth, qualquer que seja)

É isso mesmo. A mágica está toda no software – o algoritmo que decide como ajustar o ponto operacional.

Nosso novo Modelo X-300 que lançaremos no próximo mês (anúncio oficial na SolarTech Expo em Amsterdã em 8 de março – venha dizer oi se você estiver lá!) usa um processador dual-core para que possamos executar o monitoramento de segurança independentemente do algoritmo MPPT. Um pouco exagero? Talvez. Mas depois daquele incidente com a unidade do concorrente pegando fogo na Austrália no ano passado (não vou citar nomes, mas você provavelmente já ouviu falar sobre isso), não vamos arriscar.

"MPPT oferece mais potência dos seus painéis"– Não. Seu painel produz o que produz com base na luz solar. O MPPT apenas garante que você esteja USANDO toda a energia disponível em vez de desperdiçá-la.

“Você não precisa de MPPT com sistemas pequenos”- Bobagem. Mesmo um pequeno sistema se beneficia. Claro, o ganho absoluto de energia é menor, mas em termos percentuais-é o mesmo.

"MPPT é apenas para sistemas grid-tie"– Também errado. Funciona muito bem para carregar a bateria, que é onde vemos a maior parte de nossas vendas.

"Todos os controladores MPPT são basicamente iguais"– Ah! Diga isso para a equipe de engenharia. Passamos meses otimizando a eficiência, o gerenciamento térmico e a confiabilidade. Mas admito que, para o usuário médio, uma unidade chinesa de £ 50 e nosso controlador de £ 400 podemparecersemelhante. Isto é, até que o barato falhe depois de seis meses.

Olha, eu deveria vender nossos produtos para você, mas deixe-me ser honesto (não diga ao meu chefe que eu disse isso):

Se você tiver um sistema muito pequeno (menos de 50 W), um cabo curto, a voltagem do painel corresponde aproximadamente à voltagem da bateria e você está com um orçamento apertado – o PWM pode ser adequado. Você deixará um pouco de energia na mesa, mas às vezes isso é uma troca-aceitável.

Tivemos um cliente no ano passado que queria alimentar uma pequena estação meteorológica nas Terras Altas da Escócia. 20Painel W, bateria de 12 V, orçamento de £ 30. Eu recomendei um controlador PWM barato. Ele comprou nossa unidade MPPT de qualquer maneira porque “queria o melhor”. É justo, o dinheiro é dele, mas o ROI dessa decisão provavelmente nunca será.

Para onde vai essa tecnologia? Bem, estamos vendo algumas tendências:

MPPT distribuído– Em vez de um grande controlador para todo o array, otimizadores menores em cada painel. Melhor para sombreamento, mas acrescenta custo e complexidade. Atualmente estamos testando isso em um projeto piloto na Noruega.

Conectividade em nuvem– Todo mundo quer que seu controlador solar converse com seu smartphone. Claro, por que não. Nosso aplicativo é realmente bastante decente, mesmo que eu mesmo diga isso. Você pode ver o desempenho-em tempo real, dados históricos e alertará você se algo estiver errado. Lançamos uma atualização na semana passada que corrige a estimativa do estado-da-carga da bateria. Antes, a leitura era cerca de 5% otimista demais.

Melhores algoritmos– Esta é minha obsessão pessoal. Estou trabalhando em um algoritmo preditivo que usa dados de previsão do tempo para ajustar-preemptivamente os parâmetros de rastreamento. Isso funciona? Às vezes. Vale a pena o esforço? O júri ainda não decidiu.

MPPT

Faço isso há tempo suficiente para conhecer os erros comuns:

Dimensione corretamente– Não compre um controlador MPPT 60A para um painel 10A. É um desperdício. Da mesma forma, não subdimensione pensando que economizará dinheiro. Você apenas o danificará quando inevitavelmente adicionar mais painéis posteriormente.

Mantenha a calma– Essas coisas geram calor. Não monte-o em uma caixa lacrada sob luz solar direta. Sim, as pessoas realmente fazem isso. Não, não entendo por quê.

Sensor de temperatura da bateria– Use-o! A tensão de carregamento deve ser compensada-pela temperatura. A temperatura ambiente e o meio do Saara requerem tensões diferentes.

Dimensionamento de cabos– Recebemos tantas ligações sobre controladores que não funcionam corretamente e quase sempre são cabos subdimensionados que causam queda de tensão. Use a maldita calculadora de dimensionamento de cabos em nosso site.

As configurações são importantes– As configurações padrão são conservadoras. Leia o manual (eu sei, sugestão chocante) e configure-o para o seu tipo específico de bateria.

Então, o que é MPPT? É basicamente um matchmaker eletrônico inteligente que garante que o painel solar e a bateria funcionem juntos da maneira mais eficiente possível, ajustando-se constantemente às mudanças nas condições para extrair todos os watts possíveis de sua configuração.

Vale a pena? Para a maioria das instalações, com certeza. O custo extra de um controlador MPPT em relação ao PWM se paga com o aumento da colheita de energia dentro de um ou dois anos.

Somos tendenciosos porque os vendemos? Claro. Mas também acreditamos neles, caso contrário não teríamos passado os últimos 15 anos refinando a tecnologia e construindo, sem dúvida, alguns dos melhores controladores MPPT do mercado. (E sim, eu sei que todas as empresas dizem isso, mas as nossas realmente dizem. Lute comigo.)

De qualquer forma, se você tiver dúvidas, deixe-as nos comentários ou envie-me um e-mail. Ou melhor ainda, encontre-me na exposição de Amsterdã em março. Serei eu quem beberá muito café e explicará o MPPT para quem quiser ouvir.

Ah, e um plug rápido – emparelhe seu MPPT com umbateria de lítio iônicase você puder. A característica de carregamento rápido permite que o controlador funcione corretamente durante os curtos dias de inverno. Temos testado esta combinação desde o ano passado e vale a pena mencionar os ganhos de eficiência.