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Seguimiento del punto de máxima potencia

Curva de potencia/tensión de un sistema fotovoltaico parcialmente sombreado, con MPP local y global marcados. El seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT ), [ 1 ] [ 2 ] o...

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Curva de potencia/tensión 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 seguimiento del punto de potencia ( PPT ), [ 3 ] [ 4 ] es una técnica utilizada con fuentes de potencia 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 puede utilizarse 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 potencia de la celda 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 estas condiciones varían, la característica de carga ( impedancia ) que proporciona la mayor transferencia de potencia cambia. El sistema se optimiza cuando la característica de carga cambia para mantener la transferencia de potencia con la máxima eficiencia. Esta característica de carga óptima se llama punto de máxima potencia (MPP). El MPPT es el proceso de ajustar la característica de carga a medida que cambian las condiciones. Se pueden diseñar circuitos para presentar cargas óptimas a las celdas fotovoltaicas y luego convertir el voltaje, la corriente o la frecuencia para adaptarlos a otros dispositivos o sistemas.

La relación no lineal de las células solares entre la temperatura y la resistencia total se puede analizar a partir de las curvas de corriente-tensión (I-V) y potencia-tensión (P-V). [ 7 ] [ 8 ] El MPPT muestrea la salida de la célula y aplica la resistencia (carga) adecuada para obtener la máxima potencia. [ 9 ] Los dispositivos MPPT se integran típicamente en un sistema convertidor de energía eléctrica que proporciona conversión de voltaje o corriente, filtrado y regulación para alimentar diversas cargas, incluidas redes eléctricas, baterías o motores. Los inversores solares convierten la energía CC en energía CA y pueden incorporar MPPT.

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

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

Fondo

Curvas I-V de células solares fotovoltaicas donde una línea interseca el punto de inflexión de las curvas, donde se ubica el punto de máxima transferencia de potencia.

Las células fotovoltaicas presentan una relación compleja entre su entorno operativo y la potencia que generan. La curva I-V no lineal característica de una célula determinada en condiciones específicas de temperatura e insolación puede caracterizarse 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 . A menudo se utilizan datos tabulados para estimar la potencia máxima que una célula puede proporcionar con una carga óptima en determinadas condiciones.

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

Para la mayoría de los casos, FF , V oc e I sc proporcionan información suficiente para ofrecer una visión aproximada útil del comportamiento eléctrico de la celda en condiciones típicas.

Para cualquier conjunto de condiciones dado, 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 según lo especificado por la ley de Ohm . La potencia P viene dada por P = VI .

Una celda 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 celda fotovoltaica, su curva tiene una relación exponencial aproximadamente inversa entre corriente y voltaje. Según la teoría básica de circuitos, la potencia entregada a un dispositivo se optimiza (MPP) donde la derivada (gráficamente, la pendiente) dI/dV de la curva I-V es igual y opuesta a la relación I/V (donde d P/dV =0) [ 13 ] y corresponde al "punto de inflexión" 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 se le denomina a veces «resistencia característica» de la celda. Se trata de una magnitud dinámica que varía en función del nivel de iluminación, así como de otros factores como la temperatura y el estado de la celda. Una resistencia menor o mayor reduce la potencia de salida. Los sistemas de seguimiento del punto de máxima potencia utilizan circuitos de control o lógica para identificar dicho punto.

Curva potencia-tensión (PV)

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

Implementación

Al conectar directamente una carga a la celda, el punto de operación del panel rara vez coincide con la potencia máxima. La impedancia que ve el panel determina su punto de operación. Ajustar correctamente la impedancia permite alcanzar la potencia máxima. Dado que los paneles son dispositivos de CC, los convertidores CC-CC transforman la impedancia de un circuito (fuente) a otro (carga). Modificar el ciclo de trabajo del convertidor CC-CC cambia la impedancia (ciclo de trabajo) que ve la celda. La curva I-V del panel puede verse considerablemente afectada por condiciones atmosféricas como la irradiancia y la temperatura.

Los algoritmos MPPT suelen muestrear las tensiones y corrientes del panel y, a continuación, ajustan el ciclo de trabajo en consecuencia. Los microcontroladores implementan estos algoritmos. Las implementaciones modernas suelen utilizar ordenadores más sofisticados para el análisis y la previsión de la carga.

Clasificación

Los controladores pueden seguir varias estrategias para optimizar la potencia de salida. Los MPPT pueden alternar 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 ajustes adicionales en esa dirección hasta que la potencia deja de aumentar. Esto se llama perturbar y observar (P&O) y es el más común, aunque este método puede causar oscilaciones en la potencia de salida. [ 15 ] [ 16 ] También se le conoce como método de ascenso de colina , porque depende del aumento de la curva de potencia en función del voltaje por debajo del punto de máxima potencia y de la caída por encima de ese punto. [ 17 ] Perturbar y observar es el método más utilizado debido a su facilidad de implementación. [ 15 ] El algoritmo Perturbar y observar (P&O) ajusta el voltaje de operación de un sistema fotovoltaico (PV) para seguir el punto de máxima potencia (MPP). Al perturbar periódicamente el voltaje y observar el cambio resultante en la potencia, el algoritmo decide si aumentar o disminuir el voltaje de operación. Si la potencia aumenta, la perturbación continúa en la misma dirección; de lo contrario, invierte la dirección. El método de perturbación y observación puede resultar en una eficiencia de alto nivel, siempre que se adopte una estrategia de ascenso 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 potencia de salida no oscila. [ 20 ] Utiliza la conductancia incremental (dI/dV{\displaystyle dI/dV}) del conjunto fotovoltaico para calcular el signo del cambio de potencia con respecto al voltaje (dPAG/dV{\displaystyle dP/dV}). El método de conductancia incremental calcula el MPP mediante la comparación de la conductancia incremental (IΔ/VΔ{\displaystyle I_{\Delta}/V_{\Delta}}) a la conductancia de la matriz (I/V{\displaystyle I/V}). Cuando estos dos son iguales (−I/V=IΔ/VΔ{\displaystyle -I/V=I_{\Delta }/V_{\Delta }}), la tensión de salida es la tensión MPP. El controlador mantiene esta tensión hasta que cambia la irradiación y el proceso se repite.

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

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

Por lo tanto,dPAG/dV=VdI/dV+I(V){\displaystyle dP/dV=VdI/dV+I(V)}Al establecer esto igual a cero se obtiene:dI/dV=−I(V)/V{\displaystyle dI/dV=-I(V)/V}Por lo tanto, el MPP se alcanza cuando la conductancia incremental es igual al negativo de la conductancia instantánea. La característica de la curva potencia-voltaje muestra que: cuando el voltaje es menor que el MPP,dPAG/dV>0{\displaystyle dP/dV>0}, entoncesdI/dV>−I/V{\displaystyle dI/dV>-I/V}; cuando el voltaje es mayor que el MPP,dPAG/dV<0{\displaystyle dP/dV<0}odI/dV<−I/V{\displaystyle dI/dV<-I/V}De este modo, un seguidor puede saber en qué punto de la curva potencia-tensión se encuentra calculando la relación entre el cambio de corriente/tensión y la propia corriente/tensión.

Barrido de corriente

El método de barrido actual utiliza una forma de onda de barrido para la corriente del conjunto, de modo que la característica I-V 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. [ 21 ] [ 22 ]

Voltaje constante

Los métodos de voltaje constante incluyen uno en el que el voltaje de salida se regula a un valor constante en todas las condiciones y otro en el que el voltaje de salida se regula en función de una relación constante con el voltaje de circuito abierto medido (VOdo{\displaystyle V_{OC}}Esta última técnica también puede denominarse método de "tensión abierta". [ 23 ] Si la tensión de salida se mantiene constante, no se intenta seguir el MPP, por lo que no es estrictamente una técnica MPPT, aunque funciona en casos en los que el seguimiento del MPP tiende a fallar, y por lo tanto a veces se utiliza de forma complementaria. En el método de tensión abierta, el suministro de energía se interrumpe momentáneamente y se mide la tensión en circuito abierto con corriente cero. A continuación, el controlador reanuda el funcionamiento con la tensión controlada a una relación fija, como 0,76, de la tensión en circuito abierto.VOdo{\displaystyle V_{OC}}[ 24 ] Este suele ser un valor que se ha predeterminado como el MPP, ya sea empíricamente o basándose en modelos, para las condiciones de funcionamiento previstas. [ 20 ] [ 25 ] El punto de funcionamiento del conjunto se mantiene así cerca del MPP regulando la tensión del conjunto y ajustándola a la tensión de referencia fija .VrmiF=kVOdo{\displaystyle V_{ref}=kV_{OC}}. El valor deVrmiF{\displaystyle V_{ref}}pueden elegirse para dar un rendimiento óptimo en relación con otros factores, así como con el MPP, pero la idea central es queVrmiF{\displaystyle V_{ref}}se determina como una relación aVOdo{\displaystyle V_{OC}}. Una de las aproximaciones inherentes al método es que la relación entre el voltaje MPP yVOdo{\displaystyle V_{OC}}es solo aproximadamente constante, por lo que deja margen para una posible optimización posterior.

Método de temperatura

Este método estima el voltaje MPP (Vmetropagpag{\displaystyle V_{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.

Este algoritmo calcula la siguiente ecuación:

Vmetropagpag(T)=Vmetropagpag(TrmiF)+túVmetropagpag(T−TrmiF){\displaystyle V_{mpp}(T)=V_{mpp}(T_{ref})+u_{V_{mpp}}(T-T_{ref})},

dónde:

Vmetropagpag{\displaystyle V_{mpp}}es la tensión en el punto de máxima potencia para una temperatura dada;
TrmiF{\displaystyle T_{ref}}es una temperatura de referencia;
T{\displaystyle T}es la temperatura medida;
túVmetropagpag{\displaystyle u_{V_{mpp}}}es el coeficiente de temperatura deVmetropagpag{\displaystyle V_{mpp}}(disponible en la hoja de datos ).

Ventajas

  • Sencillez: Este algoritmo resuelve una ecuación lineal. Por lo tanto, 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 relevantes.
  • Bajo coste: los sensores de temperatura suelen ser baratos.
  • Resistente al ruido .

Desventajas

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

Comparación de métodos

Tanto el método P&O como el de conductancia incremental son ejemplos de métodos de "ascenso de colina" que pueden encontrar el máximo local de la curva de potencia para la condición de operación del conjunto, y así proporcionar un MPP verdadero. [ 7 ] [ 17 ] [ 20 ]

El sistema P&O produce oscilaciones en la potencia de salida alrededor del punto de máxima potencia, incluso bajo irradiancia constante.

La conductancia incremental puede determinar el punto de máxima potencia sin oscilaciones. [ 15 ] Puede realizar MPPT bajo condiciones de irradiación que varían rápidamente con mayor precisión que P&O. [ 15 ] Sin embargo, este método puede producir oscilaciones y funcionar de manera errática bajo condiciones atmosféricas que cambian rápidamente. La frecuencia de muestreo se reduce debido a la mayor complejidad del algoritmo en comparación con P&O. [ 25 ]

En el método de relación de voltaje constante (o "voltaje abierto"), se puede perder energía durante el tiempo en que la corriente se ajusta a cero. [ 25 ] La aproximación del 76% como elVMETROPAGPAG/VOdo{\displaystyle V_{MPP}/V_{OC}}La relación no es necesariamente precisa. [ 25 ] Aunque simple y de bajo costo de implementar, las interrupciones reducen la eficiencia del arreglo y no aseguran encontrar el MPP real. Sin embargo, las eficiencias de algunos sistemas pueden alcanzar más del 95%. [ 24 ]

Colocación

Los inversores solares tradicionales realizan el seguimiento del punto de máxima potencia (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 (en serie). Debido a que los distintos módulos tienen diferentes curvas I-V y diferentes MPP (debido a tolerancias de fabricación, sombreado parcial, [ 27 ] etc.), esta arquitectura implica que algunos módulos tendrán un rendimiento inferior a su MPP, lo que reduce la eficiencia. [ 28 ]

En cambio, los MPPT se pueden implementar en módulos individuales, lo que permite que cada uno funcione con la máxima eficiencia a pesar del sombreado irregular, la suciedad o las discrepancias eléctricas.

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 aislado puede usar baterías para alimentar las cargas. Si bien la tensión de la batería completamente cargada puede ser cercana a la tensión del punto de máxima potencia (MPP) del panel fotovoltaico, es poco probable que esto ocurra al amanecer, cuando la batería está parcialmente descargada. La carga puede comenzar con una tensión considerablemente inferior a la del MPP del panel fotovoltaico, y un MPPT puede solucionar esta discrepancia.

Cuando las baterías están completamente cargadas y la producción fotovoltaica supera la demanda local, un MPPT ya no puede operar el panel en su punto de máxima potencia (MPP), puesto que el exceso de energía no tiene carga que absorberlo. En ese caso, el MPPT debe desplazar el punto de operación del panel fotovoltaico lejos del punto de máxima potencia hasta que la producción se ajuste a la demanda. (Un enfoque alternativo comúnmente utilizado en naves espaciales consiste en desviar el excedente de energía fotovoltaica a una carga resistiva, lo que permite que el panel opere continuamente en su punto de máxima potencia para mantenerlo lo más frío posible. [ 30 ] )

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

Referencias

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Lecturas adicionales

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