Controller di carica solare con Arduino

L'energia solare è una fonte rinnovabile promettente per fornire energia pulita e sostenibile. Questo articolo guida alla costruzione di un controller di carica solare MPPT (Maximum Power Point Tracking) utilizzando Arduino, integrando funzionalità avanzate come il monitoraggio via Wi-Fi e la ricarica USB. Il progetto utilizza un Arduino Nano e un pannello solare da 50W per caricare una batteria al piombo da 12V, ottimizzando l'efficienza tramite un convertitore buck sincrono. L'Arduino regola il ciclo di lavoro per mantenere il pannello solare al punto di massima potenza, massimizzando l'energia raccolta. Viene fornita una dettagliata descrizione dei componenti necessari e delle connessioni, insieme al codice di programmazione necessario per il funzionamento del sistema. Questo progetto rende accessibile la tecnologia MPPT anche a chi ha conoscenze limitate di elettronica, promuovendo una gestione energetica sostenibile ed efficiente.

Introduzione

L'energia solare rappresenta una delle fonti rinnovabili più promettenti per il futuro, grazie alla sua capacità di fornire energia pulita e sostenibile. L'adozione di soluzioni per catturare e utilizzare l'energia solare a livello domestico è vista come un metodo efficace per ridurre i costi energetici e diminuire l'impatto ambientale delle abitazioni. Questo articolo fornisce una guida dettagliata alla costruzione di un controller di carica solare MPPT (Maximum Power Point Tracking, tracciamento del punto di massima potenza) utilizzando la scheda Arduino. Il progetto descritto integra funzionalità avanzate, tra cui il monitoraggio via Wi-Fi e la possibilità di caricare dispositivi USB, offrendo così un approccio moderno e tecnologicamente avanzato per la gestione dell'energia solare domestica.

Il progetto descritto integra funzionalità avanzate, tra cui un display LCD per visualizzare le informazioni in tempo reale, indicatori LED per monitorare lo stato di funzionamento, registrazione dei dati via Wi-Fi e la possibilità di caricare dispositivi USB. Queste caratteristiche offrono un approccio innovativo per la gestione dell'energia solare domestica, garantendo al contempo protezioni avanzate per salvaguardare il circuito da condizioni anomale.

Il microcontrollore utilizzato in questo progetto è un Arduino Nano, ma il design è compatibile anche con altre schede Arduino come il Pro Mini, Micro e UNO. Il sistema è progettato per essere utilizzato con un pannello solare da 50W per caricare una comune batteria al piombo da 12V.

Attualmente, il tipo di controller di carica solare più avanzato disponibile sul mercato è l'MPPT. I controller MPPT sono più sofisticati e costosi rispetto ai controller precedenti, come quelli PWM (Pulse Width Modulation, modulazione a larghezza di impulso). Offrono diversi vantaggi, tra cui un'efficienza superiore del 30-40% a basse temperature. Tuttavia, la realizzazione di un controller di carica MPPT è più complessa rispetto a quella di un controller PWM, richiedendo alcune conoscenze di base di elettronica di potenza.

L'obiettivo di questo progetto è semplificare il processo, rendendolo accessibile anche a chi ha una conoscenza limitata di elettronica. Il circuito MPPT si basa su un convertitore buck sincrono, che riduce la tensione più alta del pannello solare alla tensione di carica della batteria. L'Arduino regola il ciclo di lavoro per mantenere il pannello solare al suo punto di massima potenza (Maximum Power Point), massimizzando così l'energia raccolta dal pannello.

Disclaimer. Si prega di notare che il codice fornito in questo articolo potrebbe contenere bug o malfunzionamenti. Prima di gestire e implementare questo progetto, è essenziale possedere una conoscenza di base dell'elettronica e delle tecniche di sicurezza elettrica. L'autore non si assume alcuna responsabilità per eventuali problemi, danni o inconvenienti che potrebbero derivare dall'uso delle informazioni e del codice presentati in questo articolo. È importante procedere con cautela e, se necessario, consultare un esperto in elettronica per garantire la corretta esecuzione del progetto e la sicurezza personale.

Materiali Necessari

Per realizzare questo progetto, si avrà bisogno dei seguenti componenti:

- Arduino Nano: il cervello del controller
- Pannello solare da 50W: per la generazione di energia
- Batteria al piombo da 12V: per immagazzinare l'energia raccolta
- Display LCD 20x4: per visualizzare i dati in tempo reale
- Moduli di comunicazione Wi-Fi: per il monitoraggio remoto
- Resistenze, transistor, diodi, condensatori e altri componenti elettronici vari
- Fili, connettori e strumenti per la saldatura

Basi sul Controller di carica MPPT

Un pannello solare genera tensioni diverse a seconda di vari parametri come:

La quantità di luce solare
Il carico collegato
La temperatura del pannello solare

Durante il giorno, con il variare delle condizioni meteorologiche, la tensione prodotta dal pannello solare varia continuamente. Per una data tensione, il pannello solare produrrà anche una corrente. La quantità di corrente prodotta per una data tensione è determinata da un grafico chiamato curva IV, che può essere trovato sulla scheda tecnica di qualsiasi pannello solare e tipicamente appare come mostrato in Figura 1.

Figura 1: Esempio grafico

Figura 2: In blu la tensione del pannello solare di 30V corrispondente a una corrente di circa 6,2A; in verde, la linea verde mostra una tensione di 35V corrispondente a una corrente di 5A

Nella Figura 2, è riportato lo schema chiamato figura IV con annessi valori di riferimento per tensione e corrente. Considerando che la Potenza (P) = V x I, guardando la Figura 2 si nota che muovendosi lungo la curva rossa, si trova un punto in cui la tensione moltiplicata per la sua corrente corrispondente è più alta rispetto a qualsiasi altro punto della curva. Questo punto è chiamato Punto di Massima Potenza (MPP) del pannello solare.

Cos'è l'MPPT?

MPPT sta per tracciamento del punto di massima potenza. I controller di carica MPPT sono utilizzati per estrarre la massima potenza disponibile dal modulo fotovoltaico (PV) in determinate condizioni. Come illustrato nell'immagine precedente, il punto di massima potenza (MPP) di un pannello solare si trova al "ginocchio" della curva corrente-tensione.

Un pannello solare da 12V non è realmente un pannello da 12V. Può variare tra 12V e 21V a seconda del carico collegato e dell'intensità della luce solare. Il pannello ha una resistenza interna che cambia dinamicamente con i diversi livelli di irraggiamento. I pannelli solari forniscono la loro potenza nominale solo a una specifica tensione e carico, e questa tensione e carico variano con il cambiare dell'intensità della luce solare.

Ad esempio, un pannello solare da 100W è nominalmente a 18V e 5,55A. Questo significa che il pannello solare funziona in modo ottimale con un carico di 18V / 5,55A = 3,24 ohm. Con qualsiasi altro carico, il pannello fornirà meno di 100 watt. Se un carico statico è collegato direttamente a un pannello e la sua resistenza è maggiore o minore della resistenza interna del pannello all'MPP, la potenza prelevata dal pannello sarà inferiore alla massima disponibile.

Per esempio, collegando direttamente il pannello da 100W a una batteria al piombo da 12V, la tensione del pannello sarà trascinata vicino alla tensione di carico della batteria, poiché la resistenza della batteria è inferiore a quella del pannello. Tuttavia, la corrente rimane costante a 5,55A. Questo accade perché i pannelli solari si comportano come fonti di corrente, quindi la corrente è determinata dalla luce solare disponibile.

In questo scenario, la potenza (P) = V x I = 12V x 5,55A = 66,6W. Quindi, il pannello solare si comporta come un pannello da 66 watt, comportando una perdita di 100W - 66,6W = 33,4W (33,4%).

Questa è la ragione per utilizzare un controller di carica MPPT invece di un controller standard come il PWM. Il controller MPPT è costituito da un convertitore DC-DC dove il ciclo di lavoro è variato per tracciare il Punto di Massima Potenza. Questo processo massimizza l'energia raccolta dal pannello solare adattando costantemente la tensione e la corrente per mantenere il funzionamento del pannello al suo MPP.

Funzionamento del Controller di Carica MPPT

Il circuito dell'MPPT si basa su un convertitore buck sincrono, che riduce la tensione più alta del pannello solare alla tensione di carica della batteria. L'Arduino regola il ciclo di lavoro per mantenere il pannello solare al suo punto di massima potenza, massimizzando così l'energia raccolta dal pannello.

Vantaggi dell'MPPT rispetto al PWM: i controller MPPT sono più sofisticati e costosi rispetto ai controller PWM (modulazione a larghezza di impulso). Tuttavia, offrono diversi vantaggi significativi:

Efficienza Superiore: i controller MPPT sono 30-40% più efficienti a basse temperature.

Adattamento Dinamico: possono adattarsi dinamicamente ai cambiamenti di luce solare, ottimizzando continuamente la potenza estratta dal pannello.

Versatilità: possono gestire una gamma più ampia di tensioni e correnti, rendendoli adatti a vari tipi di pannelli solari e condizioni di carico.

In definitiva, un controller di carica MPPT rappresenta una soluzione avanzata ed efficiente per la gestione dell'energia solare, consentendo di massimizzare l'utilizzo dell'energia disponibile e migliorare l'efficienza complessiva del sistema di energia solare domestica.

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