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La scelta del regolatore solare per il camper meglio MPPT o PWM?

I regolatori di carica PWM e MPPT sono entrambi dispositivi ampiamente utilizzati per caricare le batterie tramite energia prodotta dai pannelli solari sia sui camper che sulle barche che naturalmente nelle installazioni fisse. Il controller PWM è essenzialmente un interruttore che collega i pannelli solari alla propria batteria servizi. Ciò che è in grado di fare questo dispositivo è sostanzialmente ridurre la tensione dei pannelli fino a raggiungere quello del banco batterie.
Il controller MPPT invece è più sofisticato (e più costoso): regola la sua tensione di ingresso al fine dei raccogliere la massima potenza possibile dai pannelli solari e quindi trasformare questo potere per fornire il requisiti di tensione della batteria. L’MPPT in pratica disaccoppia la tensione dei pannelli da quella della batteria in modo che ci possa essere, ad esempio, una batteria da 12 volt e pannelli collegati in serie per produrre 36 volt.
È generalmente accettato da tutti che il regolatore MPPT supera quelli di tipo PWM in climi freddi-temperati, mentre entrambi i controller mostrano approssimativamente le stesse prestazioni in un clima subtropicale e tropicale.
In questo articolo però proviamo a descrivere in dettaglio l’effetto della temperatura, parametro che per quanto riguarda l’utilizzo in camper diventa davvero fondamentale per stabilire cosa si meglio fare quando si pensa all’acquisto di uno di questi dispositivi.

Consideriamo come esempio un semplice pannello solare da 100 W a 36 celle di tipo mono-cristallino, un classico pannello che si trova installato su tantissimi camper comuni e ipotizziamo di trovarci in una situazione in cui la temperatura esterna è di 25° C e dove vi sia un irraggiamento solare pari a 1000 W/m² (leggi nota sotto).

Nota

La potenza della radiazione solare per unità di superficie terrestre viene misurata in W/m² (Watt su metro quadro). Tale potenza, integrata sul tempo di misura ( giorno, ore, minuti, ..), fornisce la misura cumulata dell’energia solare che raggiunge l’unità di superficie nell’unità di tempo stabilita. Tenendo conto di diverse contingenze (giorno/notte, estate/inverno, sereno/nuvoloso ecc.) in Italia Centrale si riscontra, al suolo, un valor medio d’irraggiamento globale orizzontale pari a 180 W/m². Man mano che ci si sposta verso le regioni settentrionali questo valore diminuisce (160 W/m², pianura Padana), mentre al Sud, com’è facilmente intuibile, si registrano valori considerevolmente più alti (oltre 200 W/m², Sicilia Sud-orientale).

La potenza massima del nostro pannello di riferimento ha una tensione al punto di massima potenza pari a 18 Volt e quindi una corrente di 5,56 Ampere (18 V x 5,56 A = 100 W), quindi per ottenere il massimo da questo pannello solare, dovrebbe essere scelto un regolatore di carica che sia in grado di sfruttare il punto di massima potenza, ovvero ciò che fa un dispositivo MPPT.
La tensione di ingresso di un controller PWM è, in linea di principio, uguale alla tensione della batteria
collegato alla sua uscita (più perdite di tensione nel cablaggio e nel controller) che nel caso dei camper è di solito 12 Volt. Trovandoci nelle condizioni specificate sopra, quindi il pannello solare, come avrete capito, non viene utilizzato nel punto di sua massima potenza.

Come funziona il regolatore di carica MPPT

Con il suo microprocessore e un sofisticato software, il controller MPPT rileverà quindi il massimo punto di potenza e nell’esempio indicato sopra sarà in grado di impostare la tensione di uscita del pannello solare a 18 V e quindi prelevare 5,56 A dallo stesso. Cosa succede dopo?

Il regolatore di carica MPPT è un trasformatore CC a CC (corrente continua) in grado di trasformare la potenza da una più alta
tensione per alimentare a una tensione più bassa. La quantità di energia non cambia (tranne che per una piccola perdita
nel processo di trasformazione). Pertanto se la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso, la corrente in uscita sarà superiore alla corrente di ingresso, in modo che il prodotto P = V x I rimanga costante.

Quando si carica una batteria a 12 Volt il regolatore MPPT imposta la tensione di uscita ad un livello superiore, ad esempio 13 Volt e quindi la corrente di uscita sarà così calcolata: 100 W/13 V = 7,7 A.

Il regolatore di carica PWM

Il regolatore PWM non è un trasformatore CC a CC. Il controller PWM è banalmente un interruttore che collega il pannello solare alla batteria. Quando l’interruttore è chiuso il pannello e la batteria saranno quasi alla stessa tensione. Supponendo di trovarci di fronte ad una batteria scarica la tensione di carica iniziale sarà di circa 13 V, e considerando una perdita di tensione di 0,5 V sul cablaggio più la perdita intrinseca del controller, il pannello sarà quindi a 13,5 V. La tensione poi aumenterà lentamente con l’aumento dello stato di carica della batteria. Quando viene raggiunta la tensione di assorbimento (vedi curva IUIU per la ricarica delle batterie AGM), il controller PWM inizia a disconnettere e riconnettere il pannello per prevenire il sovraccarico (da qui il nome: controller modulato a larghezza di impulsi).

Fatte queste considerazioni riprendiamo l’esempio in mano e vediamo che con una tensione di carica della batteria a 13 V e quindi quella dei pannelli a 13,5 V non ci troviamo a lavorare nel punto di massima potenza del pannello, ma solo nel punto in cui la curva corrente tensione produce circa 6 Ampere. Visto quanto sopra ciò che ricaveremo in termini di corrente di ricarica è quindi 13,5 V x 6 A = 81 W, che è il 19% in meno rispetto ai 100 ottenuti con il controller MPPT.

Grafico che mostra il confronto tra MPPT e PWM con temperatura di 25 °C. Si noti il voltaggio alla massima potenza pari a 18 Volt per l’MPPT.

Quindi un MPPT è sempre meglio di un PWM?

Tirando le somme abbiamo visto che a 25 ° C un controller MPPT è preferibile a un controller PWM perché è capace di estrarre più corrente dallo stesso pannello fotovoltaico. La temperatura, tuttavia, ha un forte effetto sulla tensione di uscita del pannello ed è qui che il discorso si fa più interessante.

Tetto di un camper costruito su telaio MAN KAT completamente tappezzato di pannelli solari. Come abbiamo visto quando si lavora con dei regolatori solari è molto meglio cercare di alzare la tensione del banco di pannelli.

L’effetto della temperatura sui pannelli fotovoltaici dei camper

L’effetto della temperatura è davvero un parametro troppo grande per essere trascurato in ogni tipo di impianto fotovoltaico, ma ancora di più lo è quando si parla di camper, veicoli che muovendosi non possono fare affidamento su calcoli statici propri degli impianti fissi.

Dovete sapere che quando un pannello si riscalda a causa del sole che splende su di esso, sia la tensione a circuito aperto che la tensione del Punto di Potere Massimo si abbassano. La corrente tuttavia rimane praticamente costante. In altre parole: la curva corrente-tensione si sposta con l’aumentare della temperatura. In pratica avremo che il nostro pannello continuerà a generare 5,56 ampere, ma questa volta ad un voltaggio minore.

Un solo pannello solare può essere limitante non tanto per la sua potenza totale, ma per via che lavorando ad alte temperature il rendimento cala…

Temperatura dei pannelli fotovoltaici a 75°C

Il regolatore MPPT quando la temperatura della cella è 75 ° deve confrontarsi con dei parametri di tensione al punto massimo di potenza differenti, visto che lo stesso pannello non avrà più una tensione massima di 18 Volt come aveva a 25 °C, ma molto più bassa. Prendendo in mano i datasheet del pannello di riferimento a 100 Watt vediamo infatti che la tensione massima a 75°C scende a 13,5 Volt.

Lavorando a questa tensione massima il regolatore MPPT sarebbe in grado di sviluppare quindi questa potenza: 5,56 x 13,5 = 75 Watt.

Come abbiamo visto in precedenza invece il controllore PWM quando la temperatura della cella è 75 ° C, in presenza di una tensione della batteria di 13 V farà si che avremo una tensione imposta sul pannello pari a 13,5 V. Quindi avremo al finale 13,5 V x 5,56 A = 75  Watt.

In Conclusione quando i pannelli lavorano a 75 ° C e la batteria sta caricando a 13 Volt la differenza di prestazioni tra PWM e MPPT è praticamente inesistente.

Esistono anche dei pannelli pieghevoli, comodi per tanti motivi, sopratutto quando si ha sul tetto una tenda come in questo caso

Temperatura dei pannelli fotovoltaici a 100°C

È interessante vedere cosa succede a temperature ancora più elevate, quando lo stesso pannello abbasserebbe la sua tensione di massima potenza a 11,7 Volt. In questo caso dobbiamo sapere che la maggior parte dei controller MPPT non è in grado di trasformare una tensione più bassa in una tensione più alta, poiché non è il loro lavoro e in questo caso questo dispositivo lavorerebbe normalmente come un semplice controller PWM, collegando quindi il pannello direttamente alla batteria. In questo caso se la batteria è ai soliti 13 Volt, la corrente raccolta dal pannello sarà di soli 4 Ampere. Naturalmente la situazione peggiora ancora con l’aumento della tensione della batteria (o l’aumento della temperatura), dato che la corrente di ricarica scenderebbe ulteriormente.

La soluzione per lavorare ad alte temperature

Chiaramente, nel nostro esempio, entrambi i controller MPPT e PWM non funzionano a temperature elevate.
La soluzione per migliorare le prestazioni del controller MPPT ad alte temperature è quella di aumentare tensione del pannello aumentando il numero di celle in serie. Ovviamente, questa soluzione non è applicabile ai controller PWM dato che l’aumento del numero di celle in serie ridurrebbe le prestazioni a bassa temperatura.

Ecco quindi che ad esempio come abbiamo fatto sul nostro camion lavorando con controller MPPT abbiamo utilizzato pannelli fotovoltaici da 24 V anziché da 12V, oppure ciò che potrebbe fare chi non avesse molto spazio potrebbe essere utilizzare due pannelli da 50W in serie per ottenere i 100 precedenti. Questo raddoppierà la tensione di uscita e il controller MPPT caricherà una batteria da 12 V con 66 W (5,1 A a 13 V) anche aduna temperatura di cella di 100 ° C.

Un ulteriore vantaggio: poiché la tensione del pannello è raddoppiata, la corrente del pannello viene ridotta di
metà e quindi avendo meno resistenza avremo minor perdita finale.

Conclusione

Quando si utilizza un controller MPPT ci sono due motivi convincenti per aumentare la tensione dei moduli fotovoltaici:

a) Raccogli più energia possibile dai pannelli anche a temperature elevate.
b) Diminuire l’area della sezione trasversale del cavo e quindi ridurre i costi ottimizzando la resa.

Per chi vuole esagerare, c’è anche la possibilità che ha adottato il proprietario di questo camper. Quattro ulteriori pannelli da alzare durante le soste che vanno ad aggiungersi ai 2 già presenti sul tetto.

Prestazioni dei controller MPPT e PWM per l’uso sui camper

Temperatura d’esercizio

A conti fatti possiamo dire che un controller PWM funziona in modo abbastanza simile (deviazioni a sfavore di circa il 10% quando la tensione di carica della batteria è tra i 13 V e i 15 V) e lavoriamo in un intervallo di temperatura tra  i 45 ° C
e 75 ° C.

Tipologia di pannelli solari: Monocristallino o policristallino

Secondo le schede tecniche di diversi produttori la tensione di picco è, in media, leggermente più basso nel caso di pannelli policristallini. Nel caso di un pannello 12 V la differenza è da 0,35 V a 0,7 V, mentre il coefficiente di temperatura è simile per entrambe le tecnologie. La conseguenza è che con questi pannelli un regolatore PWM lavorerebbe un po’ meno bene.

Ombre parziali

L’ombreggiatura parziale riduce la tensione di uscita. L’MPPT ha quindi un chiaro vantaggio rispetto al PWM quando lavora  in situazione di parziale ombra.

Perdite nel cablaggio e nel controller

In una buona installazione queste perdite sono minime rispetto all’effetto della temperatura. Si noti che in questo documento, la potenza, la tensione e la corrente sono prese all’uscita del pannello e non tengono conto delle perdite.

Temperatura dei pannelli, come calcolarla?

Leggendo questo articolo vi sarete chiesti: si, va bene, ma qual’è a tutti gli effetti la temperatura a cui lavorano i miei pannelli solari?

Questa indicazione è data da un valore chiamato NOCT (Normal Operating Cell Temperature) che è specificato dalla maggior parte dei produttori di pannelli solari. Le condizioni a cui si calcola il valore di NOCT che viene mostrato dai costruttori sono definite come segue:

  • Temperatura ambiente: 20 °C
  • Irraggiamento: 800 W / m².

Quindi secondo i dati dei vari produttori, in media il NOCT è 45 °C e ciò significa che, alle condizioni stabilite, la temperatura della cella solare è superiore di 25 °C rispetto alla temperatura ambiente.

Tenete in considerazione che in assenza di vento e con temperatura di 40 ° C può portare i pannelli solari a lavorare a temperature delle cellule tra 70 a 80 °C in una calda giornata di sole in Europa. In tali condizioni un PWM lavora mediamente meno del 10% peggio che un MPPT.

Conclusione generale

Per i nostri camper possiamo quindi dire che il regolatore di carica PWM è una soluzione a basso costo da prendere in considerazione solo quando si prevede di utilizzare il proprio mezzo in situazioni di massimo calore e sopratutto se non si prevede di sostare in aree ombreggiate. Il regolatore MPPT invece è la scelta giusta per tutte lo occasioni all-round, ovvero per un uso più generico e poco mirato del camper. Non ci sono dubbi quindi che il regolatore MPPT sia la scelta migliore da fare quando si ha bisogno della massima libertà di movimento.

La nostra scelta, i controller MPPT Victron Energy

Victron Energy BlueSolar MPPT 75/15

Ottimo controller MPPT. Esistono semplici controller MPPT non molto più economici ma questo è quasi sempre molto più flessibile. Consigliamo questo controller quando si ha bisogno di ricavare il massimo della potenza dai propri pannelli. Questo controller di Victron consente fino a 75 v di circuito aperto dall’array e fino a 300 w per un banco di batterie da 24 v e 150 Watt per un banco da 14 v. Se si vuole personalizzare e monitorare il controller di carica, Victron Energy dispone di un’interfaccia Bluetooth che consente di configurare tensioni di carica personalizzate e il monitoraggio del controller di carica tramite un pc, Mac, iPhone, o  Android. Se si preferisce un pannello più tradizionale, il pannello di controllo Color Control GX, sebbene un po’ costoso da giustificarne l’acquisto solo in caso si utilizzi questo regolatore, fornisce l’integrazione con questo controller di carica e con molti altri prodotti Victron. L’app per smartphone secondo noi è migliore di qualsiasi pannello economico disponibile su altri controller di carica.

Victron Energy BlueSolar MPPT 150/70

Noi abbiamo scelto questo regolatore MPPT professionale per controllare i nostri quattro moduli fotovoltaici monocristallini che sono collegati in serie/parallelo. Le prestazioni di questo MPPT sono favolose sopratutto in caso di cielo nuvoloso, quando l’intensità della luce cambia continuamente dato che utilizza una tecnologia di tipo ultraveloce. Confrontando i datasheet di questo prodotto con altri dalle caratteristiche similari si evidenzia un guadagno in termini di guadagno di ampere sul banco che può arrivare anche oltre il 10% rispetto ad altri MPPT. Il regolatore ha un algoritmo di ricarica flessibile, alcuni sono già pre-configurati e naturalmente è dotato di un sensore di temperatura da attestare al banco batterie. E’ dotato di un relè che può essere utilizzato per configurare azioni da intraprendere in caso di allarme. Si può dire che questo insieme all’ inverter il vero cuore del nostro impianto.

Sulla destra è possibile notare l’installazione del nostro Bluesolar 150/70, al centro invece il battery balancer e sulla sinistra il trasformatore di isolamento.

Avete mai pensato ad un sensore per monitorare parametri molto importanti della vostra batteria?

Smart Battery Sense è un sensore di tensione e temperatura della batteria che funziona in modo wireless e si interfaccia con i regolatori solari Victron di tipo MPPT.

Il regolatore solare utilizza le misurazioni che ricava dal dispositivo Smart Battery Sense per ottimizzare i suoi parametri di carica. L’accuratezza dei dati trasmessi migliorerà l’efficienza di ricarica della batteria e prolunga la durata della batteria.

La connessione tra Smart Battery Sense e uno o più Solar Charger è wireless: utilizza VE.Smart Network, una tecnologia wireless basata su Bluetooth ideata da Victron Energy.

Si tratta di un dispositivo semplice da installare e configurare, Smart Battery Sense e utilizzando il nastro autoadesivo che si trova sul suo retro si può montare direttamente sulla batteria.

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3 comments

  1. Ottimo articolo, anche per chi, come noi, non mastica l’elettronica. 😀

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