Chiarimento sul funzionamento dei regolatori di carica MPPT

[bios85]

Salve a tutti, in questi giorni sto un pò approfondendo sul il funzionamento dei regolatori di carica per PV di tipo MPPT e sto riscontrando delle difficoltà! In particolare, ho capito come funzionano i vari algoritmi di inseguimento e cosa è il punto MPPT di un pannello solare..... quello che non ho capito è, come fa un circuito DC/DC ad adattare l'impedenza lato pannello e nello stesso tempo mantenere una tensione costante sul carico? 

Di solito, i circuiti dc/dc controllano la tensione di uscita e modificano il duty cycle per garantire ciò in funzione della tensione di ingresso, ma nel capo da oggetto come funziona? Il duty cycle viene variato per garantire il punto MPPT oppure la tensione di uscita costante?

Ovviamente supponendo un carico resistivo.....

 

Ringrazio tutti per le varie lucidazioni

[Livio Orsini]

Nel caso più completo si tratta di convertitori che integrano le configurazioni "step-up" e "step-down".

Questi convertitori, fissato un valore di tensione in uscita, lo mantengono costante al variare della tensione d'ingresso e del carico, indipendentemente dal fatto che debbano ridurre o aumetare il valore della tensione in uscita rispetto al valore d'ingresso.

Sono regolatore che, ovviamente, sono un poco più complessi rispetto ai semplici step up o step down.

 

Se cerchi nei siti di costruttori specializzati come LT, trovi parecchia letteratura che ne spiega il funzionamento.

 

 

PS. Non usare acronimi specialistici, non tutti sanno, ad esempio, cosa significa PV e MPPT

[bios85]

Ciao Livio, innanzitutto grazie per l'aiuto.... ti spiego meglio su cosa sto lavorando: 

Devo progettare un sistema che sia in grado di caricare un pacco batteria a litio, prelevando l'energia da una mini turbina (Dinamo)! L'intero sistema sarà immerso in mare!
Il pacco batteria da caricare è un 4s da 5A il quale alimenta una parte di un sistema di comunicazione subacqueo! 
Io mi devo occupare di prelevare l'energia prodotta dalla turbina e di convertirla in modo da poter caricare il pacco batteria, quindi devo fornire al pacco batteria una tensione costante di 16,8V 3A max.

La turbina o dinamo da utilizzare ancora non è stato deciso, ma è qualcosa tipo questo:

http://www.ebay.com/itm/Wind-power-Wind-Driven-DC-Generator-Dynamo-Hydraulic-Test-6V-12V-24V-Motor-/172261207120

Per quanto riguarda la conversione dell'energia e la ricarica della batteria sto studiando un integrato della LT, in particolare LTC4020:

http://www.linear.com/product/LTC4020

Oltre a questo ho previsto di inserire un microcontrollore per misurare tensione, corrente ed eventualmente un carico di protezione se eventualmente la turbina dovesse generare troppa energia.....

A questo punto mi stavo studiando come funzionano il principio di estrazione della massima potenza, ho capito che sono composti da un circuito Buck-Boost ma, se il carico non è una batteria ma è una resistenza, come fa il dc/dc a regolare la tensione di uscita e nello stesso tempo adattarsi al generatore? Nel caso in cui la tensione di uscita è tenuta costante dalla batteria, mediante il dc/dc allora è possibile, cambiando il duty cycle, forzare una impedenza in ingresso in modo da raggiungere il punto di massima potenza. Ma se l'uscita non è collegata alla batteria, cosa succederebbe?

 

Scusate un pò la confusione, è un argomento nuovo per me!!!

[Livio Orsini]

La tensione di uscita non è tenuta costante dalla batteria, ma dal generatore di tensione, ovvero dall'alimentatore.

Che il carico sia una batteria, un resistore o altro, se la corrente richiesta è <= alla corrente massima erogabile dal generatore la sua tensione risulterà praticamente costaante al variare della tensione d'ingresso e della corrente drenata.

 

Ovviamente per ogni tipo di alimentatore ci sono dei limiti di tensione di ingresso, minima e massima, e di corrente di uscita.

Il circuito che hai adocchiato è un tipico alimentatore che funziona in step up e step down, mantenedo costante la tensione di uscita.

 

Se vuoi caricare batterie al litio tieni presente che queste hanno una tensione max di circa 4.2V per cella; inoltre in caso di serie la carica delle celle deve essere equilibrata ed essitono appositi c.i. adatti allo scopo.

Solitamente una cella al litio la si ricarica in modo simile ad un accumulatore al Pb. Si fissa la tensione massima, ad esempio 4.2 ed un limite di corrente corrispondente a circa 1/10 della Ic della cella. L'alimentatore funzionerà da generatore di corrente costante, riducendo la tensione, sino a che la corrente di carica saeà > della corrente limite. Poi lavorerà a tensione costante. la batteria caricandosi ridurrà progressivamente la richiesta di corrente man mano che la sua tensione aumenta per effetto della ricarica. Una volta raggiunto il valore di piena carica la corrente si riduce automaticamente a zero.

[bios85]

Si infatti, il cip per il bilanciamento è già integrato nella batteria e il "profilo di carica" che hai descritto lo dovrebbe fare automaticamente il cip ltc4020! 

Il discorso dell'alimentatore dc/dc fila perfettamente, ma i circuiti che ho visto che hanno l'inseguimento del punto di massima non hanno il solito feedback sulla tensione di uscita, quindi come fanno a garantire una tensione costante in uscita?

Questa cosa la devo approfondire perché non riesco a capirla bene... ci vorrebbe un esempio di progettazione di un mppt completo ma non riesco a trovarla in rete!!!

 

Grazie ancora per l'aiuto...

[Livio Orsini]

Quote

ma i circuiti che ho visto che hanno l'inseguimento del punto di massima

 

Scusa non capisco cosa intendi. Si tratta forse di variare l'orientamento di un pannello per avere la massima resa? In questo caso si sfruttano ke tabelle astronomiche per determinare azimuth ed elevazione  in base alla data ed all'ora.

 

Se invece intendi la carica ottimizzata bisognerebbe conoscere i circuiti a cui fai riferimento potrebbero basarsi solo sulla corrente di carica.

Leggi questo tutorial sugli MPPT, noterai che nello schema a blocchi è indicato chiaramente il monitoraggio della corrente e della tensione di uscita.

[bios85]

Ciao, scusami se non riesco a farmi capire... comunque non parlo dell'orientamento del pannello ma parlo proprio del funzionamento dell'MPPT.... Supponiamo di avere un pannello solare, un mppt ed un carico puramente resistivo! quando tutto funziona l'mppt per poter estrarre la massima potenza dal pannello dovrà, in qualche modo, far vedere al pannello un valore di resistenza tale da poter estrarre la massima potenza. Questo lo fa misurando tensione e corrente del pannello per poi attuare un algoritmo tipo perturba e osserva. fino a qui tutto fila, ma ovviamente l'mppt per fare ciò va a modificare i valori di tensione e corrente sia al pannello che al carico perchè il convertitore dc/dc non genera potenza quindi Ppv=Vpv*Ipv deve essere uguale (considerando tutto ideale) a Pcarico=Vcarico*Icarico. Quindi, se per inseguire il punto di massima potenza bisogna intervenire su Vpv e Ipv automaticamente variano Vcarico ed Icarico, come fanno allora a mantenere costante la tensione di uscita? Mettono un'altro convertitore dc/dc in uscita?

 

Questo link è interessante:

http://wattrouter.ru/library/renewables/maximum_power_point_tracking_method.html

[Livio Orsini]

Quote

Supponiamo di avere un pannello solare, un mppt ed un carico puramente resistivo! quando tutto funziona l'mppt per poter estrarre la massima potenza dal pannello dovrà, .......

 

Il pannello da sempre quello che può dare ed è funzione dell'energia solare ricevuta e dal suo rendimento.

La differenza sta nell'utilizzo dell'energia fornita dal pannello in modo da sfruttarla al 100% o quasi.

Ti faccio un esempio che forse chiarisce meglio.

Ammettiamo che il pannello serva a caricare una batteria di accumulatori al piombo; supponiamo anche che questa batteria sia scarica quindi sia ricettiva di tutta l'energia che il pannello FV può dare.

Sempre per fare un esempio ammettiamo che la batteria sia da 24 V nominali e che il pannello passi da una tenbsione di 30 V con piena illuminazione, per poscendere man mano che decresce l'energia solare.

Con 30 V si rischia di sovraccaricare la batteria. mentre già con 26V la carica risulterà quasi nulla.

Per ottimizzare la carica il regolatore limiterà la tensione in modo di non superare la corrente ottimale di carica, per crescere la tensione generata dai pannelli in modo tale da poter comunque trasferire il massimo possibile di energia alla batteria.

 

Quote

Quindi, se per inseguire il punto di massima potenza bisogna intervenire su Vpv e Ipv automaticamente variano Vcarico ed Icarico, come fanno allora a mantenere costante la tensione di uscita? Mettono un'altro convertitore dc/dc in uscita?

 

No, non ce ne bisogno.

Se tu leggi il tutorial che ti ho linkato hai le risposte alle tue domande

Anche il link che hai citato tu, pur essendo un "paper" teorico, spiega chiaramente il principio. Lo vedi bene nell'ultimo schema a blocchi.

[bios85]

Ciao Livio, sapresti consigliarmi qualche dinamo adatto per questa applicazione con 12v nominali da minimo una cinquantina di W?

Grazie ancora per tutto

[Livio Orsini]

Prova a vedere se riesci a recuperare una vecchia dinamo da automobile.

Oppure un motorino da tergicristallo che usi come dinamo, ma qui forse non si arriva a 50W.

[bios85]

Salve a tutti, riprendo questa discussione per farvi una domanda sulla scelta del generatore.... in pratica chi si occupa della parte meccanica mi ha fornito i dati di coppia e numero di giri che la turbina riesce ad erogare nelle condizioni di progetto, che sono:

Coppia = 2.26 Nm;

Velocità = 38 RMP;

Potenza estraibile = circa 3W elettrici considerando anche i rendimenti ipotetici del motore.

 

Quindi, dai dati sopra, devo trovare un motore con moltiplicatore di giri incorporato e tensione di lavoro nominale di 12V.... Ho cercato su farnell e ci sono diversi motori ma ovviamente i dati disponibili sono se il motore funziona appunto da motore, ma se lo faccio funzionare da generatore su che dati mi devo basare?

Basta considerare come coppia massima del motore > 2.26Nm e velocità nominale di circa 38RPM a 12V, oppure dovrei fare altre considerazioni?

 

Ringrazio tutti anticipatamente per i consigli

[Livio Orsini]

Se usi un motore in corrente continua ad eccitazione separata, come è ad esempio un motore a magneti permanenti, è una macchina completamente reversibile. Ovvero se alimentato da una corrente elettricha sviluppa una coppia meccanica all'albero, mentre se l'albero è messo in rotazione genererà potenza elettrica ai capi del circuito di armatura.

In un motore a corrente continua la funzione di trasfermento della velocità vale W = k * V_A , dove W è la velocità angolare e V_A è al tensione di armatura.

Se tu hai un motore che alimentato a 12V ruota a 120 rpm, facendolo ruotare a 120 rmp svilupperà 12 V ai morsetti di armatura.

 

Un generatore richiederà una coppia motrice pari alla coppia necessaria per tenerlo in movimento a cui si deve aggiungere una coppia proporzionale alla corrente elettrica drenata dal circuito di armatura.

la funzione di trasferimento è C_m = k* I_A , oviamente in caso di genratore i termini si scambiano.

 

Comunque 2.26 Nm sono abbastanza pochi, fatti i conti  e vedrai che con 38 rmp di velocità la potenza è veramente .....poca.

 

[bios85]

Grazie mille, come al solito molto chiaro!!!

Si lo so, dovremmo essere intorno i 3Watt di potenza elettrica generata, comunque è un progetto sperimentale e nel sito dove verrà poi testato è presente una corrente marina poco superiore ad un nodo.

Un motoriduttore come questo:

http://it.farnell.com/crouzet-automation/80807019/motore-con-riduttore-24vdc-104rpm/dp/3089733

può andare bene?

[gabri-z]

Scusate l'intromissione , ma chi / cosa sarà ad azionare alla rovescia il motoriduttore che hai scelto ?

Secondo me , quello appena se lo giri con la pinza....

[bios85]

Una turbina sottomarina con le caratteristiche scritte sopra! Il problema è che la turbina gira a soli 38 rpm circa quindi un riduttore di quel rapporto ci vuole per forza credo!

[gabri-z]

Che ci voglia quel rapporto , può essere , non sono in grado di fare 'sto conto , ma per far girare quel riduttore in rovescio ci vuole una bella coppia , secondo me tutt'altro che 2,26 Nm .

E' più probabile che il riduttore si rompa prima di far girare il motore ; comunque la prova pratica darà la risposta .

 

P.S. Come mai proprio 2,26 N(m) , proprio mezza libbra , non 50 g di meno , ne di più  ?

[Livio Orsini]

Come ti ha detto gabri, non puoi usare que riduttore, come minimo mangerà tutta la coppia generata dalla turbina solo per poter girare.

Dovete usare non un riduttore, ma un moltiplicatore ad alto rendimento, anche se le trasmissioni meccaniche hanno sempre rendimenti molto inferiori all'unità.

Meglio cercare un generatore previsto per lavorare a bassa velocità come si fa quando il motore primario è una turbina lenta.

[bios85]

Grazie per le dritte, ma non riesco a trovare generatori che lavorano a bassi rpm!!! Potreste lincarmi qualche cosa per favore?

Grazie ancora

[Livio Orsini]

Non saprei cosa indicarti, non sono un "macchinista".

Prova ad aprire una discussione al riguardo nella sezione "motori-generatori" del forum di automazione industriale.