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Painéis fotovoltaicos de energia solar

O que é um controlador de carga?

Controladores ou reguladores de carga são equipamentos que controlam a tensão e a corrente de um painel solar ou gerador eólico, entregues ao parque de baterias.

O que é um controlador de carga?

O regulador de carga garante que os processos de carga e descarga do acumulador sejam executados para que estejam sempre dentro das condições operacionais corretas.

Um regulador de carga limita a taxa na qual a corrente elétrica é adicionada ou retirada das baterias elétricas. Evita sobrecarga e pode proteger contra sobretensão. Sobrecarregar as baterias pode reduzir o desempenho ou a vida útil da bateria e representar um risco à segurança.

Quais são as características dos controladores de carregamento?

O controlador de carregamento pode ser fornecido na forma de um dispositivo separado (por exemplo, uma unidade eletrônica em uma turbina eólica ou em um sistema de energia solar fotovoltaica) ou na forma de um microcircuito para integração em uma bateria ou carregador.

Os painéis solares são projetados para fornecer uma tensão mais alta que a tensão de fim de carga das baterias. Isso garante que os painéis solares estejam sempre em posição de carregar a bateria, mesmo quando a temperatura das células da bateria estiver alta e houver uma diminuição na tensão gerada.

Por que a sobretensão das baterias deve ser controlada?

Essa sobretensão tem duas desvantagens:

  • Por um lado, uma pequena parte da energia máxima teórica que o painel fotovoltaico pode fornecer (10%) é perdida, o que seria obtido se trabalhasse com tensões ligeiramente superiores às impostas pela bateria.
  • Por outro lado, quando a bateria atingir o estado de carga total, ela não atingirá o potencial máximo que o painel solar pode dar em teoria, e o painel solar continuará tentando injetar energia nos terminais da bateria, o que produzirá uma sobrecarga que prejudicará o bateria que pode danificá-lo.

O último pode ser resolvido de maneira inconveniente, manualmente: desconectando a bateria quando a carga total é detectada, mas obviamente não é o método mais confiável ou prático.

Qual é a função do controlador de carregamento?

O controlador de carregamento tem as seguintes funções:

  • Corrente de alimentação maior que a corrente de descarga automática (para compensar a descarga automática, mas menor que a corrente máxima de carga para evitar a destruição da bateria.
  • Implementação de um algoritmo eficaz de descarga / carga para um determinado tipo de bateria (NiMH, Ni-Cd ou Li-Ion) com uma determinada composição química dos componentes.
  • Compensação por diferenças nos fluxos de energia quando a energia é fornecida ao consumidor enquanto a bateria está sendo carregada (por exemplo, carregando a bateria quando o laptop é alimentado pela rede elétrica).
  • Medição de temperatura (usando um sensor de temperatura) para desligamento de emergência da carga fria ou durante superaquecimento (para evitar danos à bateria).
  • Medição de pressão (usando um sensor de pressão) para desligamento de emergência da carga em caso de vazamento de gás (para evitar explosões e vazamentos)

No entanto, nem todos os controladores implementam essas funções.

A complexidade do algoritmo de download / upload depende do custo do carregador. De acordo com o algoritmo, as principais funções que eles executam são as seguintes:

  • Medição do tempo desde o início do carregamento.
  • Medição de tensão e corrente na entrada da bateria.
  • Mudança na corrente e tensão de carregamento, dependendo dos valores medidos.
  • Repita os ciclos de descarga / carga (para restaurar a capacidade da bateria).
  • Carregue a bateria até 90% da capacidade da bateria (para aumentar a vida útil).

Estratégias de controle do controlador de carregamento

O regulador de carga tem a missão de regular a corrente absorvida pela bateria para que nunca seja perigosamente sobrecarregada. Por esse motivo, ele constantemente detecta e mede a tensão da bateria e o status de carregamento. Se esses parâmetros atingirem um determinado valor previamente estabelecido que corresponda ao valor da tensão máxima permitida, eles atuam de duas maneiras possíveis:

  • Cortando o fluxo atual para a bateria
  • Deixar apenas uma peça passar para mantê-la em um estado totalmente carregado, sem exceder.

Essa corrente mínima é chamada corrente flutuante e ocorre quando a bateria está totalmente carregada e recebe apenas energia suficiente para mantê-la nesse estado (que, por longos períodos, compensará a autodescarga).

Quais são os parâmetros de um controlador de carregamento?

Os parâmetros que definem um regulador são:

  • Tensão máxima permitida ou tensão máxima de regulagem : é o valor da tensão nominal máxima que o regulador permite aplicar à bateria.
  • Intervalo superior de histerese : é a diferença entre a tensão máxima de regulação e a tensão na qual o regulador permite a passagem de toda a corrente produzida pelos painéis solares. Para um valor de tensão intermediária, o regulador permite passar uma fração da corrente produzida pelos painéis fotovoltaicos, que é menor quanto mais próxima a tensão dos terminais da bateria do valor máximo de regulação.
  • Tensão de desconexão - Tensão na qual as cargas do consumidor são desconectadas automaticamente para evitar a descarga excessiva da bateria.
  • Intervalo inferior de histerese : Essa é a diferença entre a tensão de desconexão e a tensão na qual os consumos podem se reconectar à bateria.

Quais são os recursos mais comuns dos reguladores de carga em uma instalação fotovoltaica?

    Os seguintes parâmetros definem o desempenho mais comum dos reguladores de carga usados ​​em instalações solares fotovoltaicas autônomas:

    • Proteção contra sobrecarga do acumulador (desligamento): esta é a função básica do regulador. Evita que a bateria aqueça, a água vaze do eletrólito e as placas enferrujem.
    • Alarme de bateria fraca : indicadores / luzes sonoras que indicam que o acumulador está completamente descarregado. A partir deste momento, o usuário pode moderar o consumo, o que evitará uma descarga prejudicial e excessiva do acumulador.
    • Desconexão de bateria fraca (corte baixo ): essa função faz com que o regulador interrompa o suprimento de corrente para os consumos se o nível de carga do acumulador estiver muito baixo e, portanto, houver o risco de uma descarga profunda, o que causaria problemas de sulfatação.
    • Proteção contra curto-circuito : esta função permite, por meio de um fusível, proteger o regulador, bem como a saída do acumulador de sofrer altas correntes no caso de um curto-circuito em qualquer um dos circuitos de consumo da instalação.
    • Visualização de funções : a maioria dos reguladores possui um sistema visual que permite obter informações sobre o estado da instalação, simplesmente com alguns indicadores informando que os painéis estão fornecendo corrente, se a bateria estiver carregada ou descarregada, ou com mais cuidado por meio de indicadores dos níveis atuais de carga, voltagem da bateria ...

    Quais são os tipos de reguladores de carga?

      Dependendo do princípio de operação, existem os seguintes tipos de reguladores de carga:

      • Reguladores de derivação do tipo paralelo.
      • Reguladores de carga do tipo série.

      Reguladores do tipo paralelo (shunt)

      Controlador de carga do tipo paraleloOs reguladores de carga de derivação baseiam sua operação em um transistor que deriva a corrente dos módulos para uma carga resistiva dissipativa. Permite estabelecer valores de voltagem da bateria para os quais esse desvio é feito de forma intermitente, a fim de manter o acumulador no nível máximo de carga (flutuação).

      Esse sistema causa aquecimento do próprio regulador, o que causa desgaste e perdas e, portanto, reguladores deste tipo têm uma corrente de trabalho limitada de alguns amperes e, portanto, serão válidos para pequenas instalações fotovoltaicas.

      Reguladores de carga do tipo série

      Esse tipo de regulador baseia sua operação na interrupção da corrente na bateria, dependendo de sua tensão. Graças às tecnologias atuais, esse comutador é progressivo, podendo ser controlado para ter diferentes níveis de carga.

      Controlador de carga

      A corrente de flutuação pode ser feita mantendo um baixo nível de intensidade de carga ou alternando momentos de carregamento e momentos de carregamento para favorecer a não gaseificação da bateria.

      Esses tipos de reguladores são conectados em série entre os painéis e a bateria e, como não dissipam calor, podem ser bastante pequenos e podem ser montados em ambientes fechados, se necessário.

      Outros modelos de reguladores desse mesmo tipo, usados ​​em grandes instalações, desviam a corrente dos painéis de outros circuitos quando as baterias são carregadas para usar essa energia para outros usos.

      Outros modelos desconectam automaticamente painéis solares ou grupos de painéis fotovoltaicos à medida que a tensão da bateria aumenta, permitindo que apenas a corrente necessária passe e nunca exceda.

      Muitos reguladores de carga possuem outras funções incorporadas para a visualização e controle da operação da instalação solar fotovoltaica, como: 

      • volt milímetros e amperímetros;
      • alarmes de baixa voltagem da bateria;
      • sensor de temperatura que regula automaticamente o valor da tensão máxima de carga;
      • seccionadores automáticos do circuito de consumo de baixa tensão; amperímetros; displays digitais;
      • módulo de aquisição de dados; módulo de regulagem com seguidor de ponto de potência máximo, etc.

      O que é um diodo de bloqueio?

        Um elemento especialmente importante que muitos reguladores incorporam é um diodo de bloqueio.

        O diodo de bloqueio permite a passagem de corrente em uma direção a partir dos painéis da bateria e não na direção oposta. Esse diodo é necessário quando a radiação solar é baixa e a tensão da bateria é superior à dos painéis fotovoltaicos, impedindo que a bateria seja descarregada pelos painéis solares fotovoltaicos.

        É importante não confundir esse diodo de bloqueio com o diodo de bypass (variante) dos módulos fotovoltaicos, pois as funções que eles executam são muito diferentes.

        Se houver um erro no sistema de proteção de aterramento por acidente ou por falha no isolamento, a corrente poderá circular na direção oposta ao normal e passar por um painel solar ou grupo de painéis solares antes de sair pela tomada. terra.

        Nestes casos, a presença do diodo de bloqueio é muito importante para evitar danos aos módulos fotovoltaicos .

        Um bom isolamento e um aterramento seguro podem evitar a necessidade de instalar o diodo de bloqueio. Como o diodo de bloqueio produz uma queda de tensão adicional de 0,5 a 1 V, há mais um motivo para projetar a tensão do painel maior que a necessária para carregar as baterias.

        O que são reguladores de carga com rastreamento máximo de energia?

        Os reguladores de carga com monitoramento de potência máxima são controladores de carga que incorporam um conversor de corrente contínua em corrente alternada na saída dos módulos solares.

        Este conversor de corrente permite isolar a tensão de trabalho dos módulos fotovoltaicos da tensão da bateria. Dessa forma, os módulos podem trabalhar no ponto de potência máximo e, portanto, no desempenho máximo possível.

        Exemplo de controlador de carregamento com rastreamento de energia máxima

        Se tomarmos como exemplo um módulo fotovoltaico no qual os dados fornecidos pelo fabricante são: 53 Wp a 17,4 V e 3,05 A.

        Quando conectamos o módulo diretamente a um acumulador com uma tensão entre terminais que, neste momento, é de 12 V, o módulo está realmente fornecendo uma potência de:

        P real = 12 V · 3,05 A = 36,6 W

        Em outras palavras, dos 53 W disponíveis, quando uma bateria de 12 V é carregada diretamente nos terminais, aproveitamos apenas 36,6 W, o que implica uma perda de energia de 30%.

        A questão é: onde estão faltando os demais Watts? Em nenhum lugar, uma vez que a geração do módulo é atual e não de energia.

        O objetivo é obter a potência máxima do módulo fotovoltaico usando reguladores de carga com um localizador de energia máxima. Nesse mecanismo de pesquisa, a compensação subsequente de tensão por intensidade é desenvolvida.

        Controladores de carga independentes

        Os controladores de carga são vendidos aos consumidores como dispositivos separados, geralmente em conjunto com geradores solares ou eólicos, para uso como sistemas domésticos de armazenamento de baterias.

        Em aplicações solares, os controladores de carga também podem ser chamados de  reguladores solares .

        Alguns controladores / reguladores de carga solar têm recursos adicionais , como uma desconexão de baixa tensão (LVD), um circuito separado que desliga a carga quando as baterias são descarregadas excessivamente (alguns produtos químicos da bateria são de tal forma que a descarga excessiva pode arruinar a bateria )

        Os controladores podem ser seriais ou desvios:

        • Um regulador de carga em série ou um regulador em série desabilita o fluxo de corrente para as baterias quando elas estão cheias.
        • Um controlador de bypass ou regulador de desvio desvia o excesso de eletricidade para uma carga auxiliar ou "bypass", como um aquecedor elétrico de água, quando as baterias estão cheias.

        Reguladores de carga simples param de carregar uma bateria quando excedem um nível de alta tensão definido e reativam o carregamento quando a tensão da bateria cai abaixo desse nível. As tecnologias Modulação por largura de pulso (PWM) e Rastreador de ponto de potência máximo (MPPT) são mais sofisticadas eletronicamente, ajustando as taxas de carga com base no nível da bateria, para permitir que a carga seja mais próxima de sua capacidade máxima .

        Os controladores de carga também podem monitorar a temperatura da bateria para evitar superaquecimento. Alguns sistemas de regulação de carga também exibem dados, transmitem dados para monitores remotos e registram dados para rastrear o fluxo elétrico ao longo do tempo.

        Autor:

        Data de publicação: 8 de abril de 2016
        Última revisão: 8 de abril de 2020