PWM, MPPT and the efficiency of the photovoltaic system
In recent years, promotions of solar charge regulators or inverters with MPPT technology have become widespread, but there are technical factors that we must consider before choosing them.
PWM, MPPT and the efficiency of the photovoltaic system
The photovoltaic energy market has adopted them with the main foundation that they optimize the power obtained by the panels, however there are few that detail how it works, and how much more we can obtain by using this mechanism, by which an additional value must be paid that increases the total cost of the photovoltaic installation, and in some cases it is not only not justified, but also harms the efficiency of the system.
PWM o MPPT
Before addressing the MPPT in particular, we are going to clarify the alternatives available to regulate the energy produced by a solar system. Although there are other ways, we will explain the two best known on the market.
The PWM ( Pulse Width Modulation ) type regulator works as a switch between the panels and the batteries. It takes energy from the photovoltaic modules and regulates the amplitude of the wave produced to maintain the voltage within the required parameters (normally 12, 24 or 48 volts), and it is important to note that the voltage of the modules must correspond to that of the power bank. batteries and/or the inverter.
Excess power in a PWM regulator is discarded.
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Si el regulador recibe más energía que la necesaria para abastecer las baterías, o el consumo requerido, recortará el excedente mediante micro-interrupciones en forma de pulsos.
Variación de onda en rangos entre 11v y 14,1v, generado por un regulador PWM durante la carga de una batería
Las ventajas de este tipo de reguladores son la sencillez, su reducido peso, tamaño y el precio. La desventaja principal es la pérdida de rendimiento, es decir un regulador de carga PWM va a extraer menos energía de un campo fotovoltaico que un regulador de carga MPPT, por lo que se necesitan más paneles para sacar la misma producción, aunque en una instalación pequeña la diferencia es mínima.
En los sistemas que utilizan PWM es importante el correcto dimensionamiento, si se subestima la energía generada las baterías no llegarán a recuperar la carga durante las horas de incidencia solar, y por consecuencia se producirán descargas profundas o completas del banco de almacenamiento, algo que se debe evitar para cuidar la vida útil de las baterías.
Los reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracker o Seguidor de Punto Máximo de Potencia) se consideran inteligentes en comparación al PWM, ya que no solo regulan el paso de energía requerida por el sistema, tambien utilizan el excedente de energía para aumentar la corriente, evitando las pérdidas. Esta conversión también permite combinar diferente tensión de entrada y salida, por ejemplo 72v en los paneles y 24v en las baterías.
En su forma más básica, el sistema MPPT convierte tensión (voltios) en corriente (amperes), y para esto se valen del rango variable que produce un módulo fotovoltaico.
Si observamos las especificaciones de los módulos fotovoltaicos, a simple vista encontramos que la tensión siempre es superior a la indicada en las referencias. Por ejemplo, un módulo de 24v notará una tensión máxima (VMPP) de 31,1v para módulos de 60 celdas, o 36,8v para módulos de 72 celdas. Pero esto no es un error.
Especificaciones de un módulo de 24v, 72 celdas
Sin entrar en muchos detalles técnicos, el proceso de carga de una batería funciona como una cañería con un flujo de agua a una determinada presión (tensión). Para que la batería absorba energía y se produzca la carga se debe aplicar mayor tensión para que el flujo ingrese a la batería. Para cargar una batería de plomo ácido de 12v se recomienda aplicar una carga de 14,5v; si se aplica un voltaje mayor se podría causar daños a la estructura interna. Dependiendo el tipo de batería estos niveles pueden variar.
Los paneles solares estan dimensionados para estas características y por eso sus configuraciones se adaptan a los posibles usos, incorporando el excedente proporcional a la tensión de trabajo.
La cantidad de celdas
En la oferta de paneles solares podemos encontrar módulos de 30 y 36 celdas para potencias de 100W a 150W, o de 60 y 72 celdas para potencias de 250W a 320W, en ambos casos se encuentran en 12v o 24v. En dimensiones, los módulos de 60 celdas miden 1m x 1,60m, mientras que los de 72 celdas miden 1m x 2m, y en cantidad esto puede representar una diferencia considerable en superficie a cubrir.
Los módulos de menor cantidad de celdas tienen menor costo, pero debido a que se catalogan dentro de los mismos parametros generales, quienes comercializan estos productos desconociendo los aspectos técnicos concluyen en una confusión, y un grave error, al momento de utilizarlos en instalaciones fotovoltaicas, montando un sistema deficiente que se traduce en pérdidas económicas.
La eficiencia del MPPT
Como dijimos al comienzo de este artículo, los reguladores MPPT han inundado las ofertas promocionando sus ventajas de aparente eficiencia por sobre el PWM, pero en la búsqueda por mejorar la oferta de menor valor se acompañan de paneles de 30 o 60 celdas cuyo voltaje nominal, considerando la verdadera eficiencia, con suerte será apenas superior al requerido para la carga continua de la batería.
Si apuntamos a las latitudes y el clima de Argentina, encontramos que la temperatura promedio del panel rondará los 40ºC durante las horas de sol, lo que provoca una caída de tensión a causa del factor de temperatura, para comprender mejor esto recomendamos leer este otro artículo de nuestro blog.
Sumado a la capacidad del panel debemos considerar el mecanismo del MPPT, que sacrifica tensión (voltios) para buscar mayor corriente (amperes), volviéndose casi inútil en las condiciones que proponemos, ya que la mayor parte del tiempo contará con el voltaje justo para cargar las baterías.
En este contexto, un regulador de tipo PWM puede reducir considerablemente la inversión requerida para el montaje de una instalación fotovoltaica off-grid, y con esa diferencia puede resultar más eficiente la incorporación de un panel adicional al conjunto de módulos, con lo que se obtendrán mejores beneficios en la potencia generada.
Si la instalación cuenta con módulos de 36 o 72 celdas estaremos haciendo un uso más eficiente del regulador MPPT ya que la tensión, aún con las pérdidas de eficiencia, producirá mayormente excedentes que se aprovecharán para obtener corriente adicional. En promedio, se estima que la utilización de un regulador MPPT con los módulos correctos aumenta un 5% a un 10% la energía generada.
MPPT en instalaciones on-grid
Los inversores de tipo on-grid no almacenan la producción en baterías, por lo que toda energía cuya tensión se encuentre en el rango válido del dispositivo será inyectada a la red AC (Corriente Alterna), mientras que la variación en la corriente continua (DC) de entrada solo provocará una leve diferencia en la energía que se entrega a la red.
MPPTrucho
Regulador de carga que dice ser MPPT, pero no lo es
Without going too far, we must be careful with some regulators that claim to be MPPT but that do not pass basic tests, even with the naked eye of their electronic components. If we do not have a measuring instrument, such as an oscilloscope, we can make a visual inspection inside the device.
MPPT regulators have a key part, the inductor, which consists of a ring wrapped in a copper wire. This part is used to store excess energy in the power conversion process.
Visualization of the inductor in an MPPT regulator
