En  paneles foto voltaicos.
Creado El  20.09.2011 por V. García

PROLOGO.

Digamos que, un sistema de energía eléctrica solar necesita, paneles para la generación, baterías para el almacenamiento, un regulador para mantener las baterías dentro de un rango de funcionamiento seguro, y ocasionalmente un convertidor de potencia para la salida de CA. Debido al extenso campo de instalaciones que se ofrecen al consumidor con sus precios, no se puede generalizar. Este artículo es para aquellos que necesitan montar unos paneles para la casa de campo o sea, una instalación remota en la montaña.

En algún momento usted necesitará desarrollar un proyecto sencillo, el cual se compone como se ha dicho de paneles solares un regulador y baterías recargables. Para que los paneles solares foto-voltaicos (FV) recarguen las baterías, den servicio doméstico y al mismo tiempo controlar el sistema de paneles solares. Todo esto, bajo la supervisión de un regulador de carga que es una parte esencial de cualquier sistema de energía solar.

PUNTO DE PARTIDA.

Naturalmente, si usted está pensando realizar una estación de captura de energía fotovoltaica, para auto-consumo, tal vez debería plantearse desde un principio que potencia necesitaría como punto de partida. Para que se haga una idea aproximada, método de las horas solares pico (HSP), los módulos foto-voltaicos ideales entregan una potencia entre 200W y 500W. El regulador de carga desde 10A hasta los 60A. Las baterías y este es el punto caliente, debido a su elevado valor económico que comprende desde 66Ah hasta los confortables 970Ah. Si además usted quiere, puede incluir un inversor de onda senoidal de al menos 175W o el tope, un inversor-cargador de 3000W.

Con un uso habitual de 220Wh diarios, generalmente tendremos que prever la necesidad de una capacidad que nos permita pasar uno o dos días sin sol, aunque esto realmente no ocurrirá, ya que incluso en un día con nubes, los paneles generan algo de corriente, mientras exista luz diurna. De modo que multiplicaremos la energía diaria que necesitemos por 2 ó 3 dependiendo del grado de seguridad que queramos. Por lo tanto, la capacidad de batería 220Wh*2 = 440Wh

Por otra parte, continuando con el supuesto anterior, si usted necesita 220Wh diarios, tendremos que buscar la potencia en paneles suficiente para que en el mes menos favorable se generen más de estos 220Wh al día. Por cierto, la capacidad de las baterías suele darse en Ah, como en este caso estamos hablando de instalaciones pequeñas serán normalmente a 12V, por lo que para pasar de Wh a Ah tendremos que dividir por 12V. O sea; 220Wh/12V = 18,3Ah

Por este motivo, se deben considerar los distintos elementos que forman el conjunto a controlar y, aquí comienza el proyecto. Que elementos intervienen o influyen en la instalación:

Los paneles, elección de los paneles solares FV (voltios de salida en vacío).
Sistema de seguidor solar (de un eje o dos ejes).
Regulador de carga, circuito indicador de carga de baterías, tipo PWM o MPPT.
Banco de baterías.

Por el orden del listado, se deduce la importancia de los dispositivos a utilizar. En cuanto a la parte económica, el de mayor importancia ya apuntado es el banco de acumuladores o baterías, el panel, el regulador de carga y el seguidor solar. Para tomar una decisión adecuada, se recomienda hablar con un asesor o empresa del ramo y por supuesto, en la red usted puede encontrar información cualificada al respecto. Una vez decididos abordemos el seguidor solar y el regulador de carga, como los dos pasos más técnicos necesarios de los puntos reseñados.

LOS PANELES SOLARES.

La decisión sobre los paneles a utilizar está relacionado directamente con las baterías que decida adquirir, y estas como hemos visto con el consumo. Puesto que es la partida de coste más elevado, realice los cálculos que necesite antes de decidir que hacer.

Sin entrar demasiado en materia, y atendiendo al número de células que componen los paneles y el voltaje del banco de baterías a cargar, hay que considerar dos tipos de regulación el PWM (Modulación por anchura de pulsos) y el MPPT, podemos elegir la combinación más conveniente en la tabla que sigue:

Paneles de   30 células, y baterías tensión nominal 12V tensión circuito abierto = 18V <==> PWM
Paneles de   60 células, y baterías tensión nominal 24V tensión circuito abierto = 36V <==> PWM
Paneles de 120 células, y baterías tensión nominal 48V tensión circuito abierto = 72V <==> PWM
Paneles de   36 células, y baterías tensión nominal 12V tensión circuito abierto = 21V <==> PWM
Paneles de   48 células, y baterías tensión nominal 18V tensión circuito abierto = 30V <==> MPPT
Paneles de   54 células, y baterías tensión nominal 18V tensión circuito abierto = 33V <==> MPPT
Paneles de   72 células, y baterías tensión nominal 24V tensión circuito abierto = 42V <==> MPPT
Paneles de 120 células, y baterías tensión nominal 48V tensión circuito abierto = 72V <==> MPPT
Paneles de 144 células, y baterías tensión nominal 48V tensión circuito abierto = 84V <==> MPPT

Según la experiencia de los profesionales del sector, a la hora de elegir un regulador entre un PWM o un MPPT (significa en ingles “Maximun Power Point Tracking”), la opción a elegir está en función de los paneles que vamos a utilizar. Es obligatorio un regulador MPPT si usamos paneles de 60 células o el voltaje del campo foto-voltaico es superior al voltaje del banco de baterías.

Para una instalación de mayores dimensiones que vaya a proporcionar mucha potencia, lo mejor es utilizar un regulador MPPT, que además, ayuda a un mejor mantenimiento de las baterías, ya que suelen incorporar más avanzados algoritmos para cargarlas y protegerlas. Es una pieza clave en nuestra instalación fotovoltaica. Por el contrario las instalaciones que sean pequeñas como el alumbrado de una pequeña vivienda o suministro a unos pocos electrodomésticos, es conveniente y más económica la utilización de un regulador PWM, más que suficiente.

Los dos parámetros más importantes a la hora de elegir un regulador son la tensión de las baterías, y la corriente o potencia máxima de los paneles. La mayoría de los reguladores funcionan automáticamente a 12 o 24 Voltios. Respecto a la corriente máxima, se ha de calcular la corriente máxima del conjunto de paneles que dependerá del tipo y la forma de conectarlos. El regulador debe poder soportar entre un 25 y un 30% más de esta intensidad.

Lo primero que ha de conectarse es la batería (negativo y positivo) a través de un fusible de corriente superior a la máxima del regulador. Posteriormente se conectan los paneles respetando la polaridad y siempre a través de fusibles que protejan los paneles, finalmente se conecta la carga o consumo en la salida.

SISTEMA SEGUIDOR SOLAR.

El sistema controlador automatizado de posicionamiento de los paneles, para una captación máxima de la luz del sol. Este punto por si sólo ya es un tema suficientemente amplio como para dedicarle un artículo y por este motivo aquí, sólo haremos referencia a él. Si está interesado en dicho sistema, puede leer más aquí.

EL REGULADOR DE CARGA.

Sigamos, el regulador de carga en un sistema de paneles solares, básicamente es un dispositivo electrónico que controla constantemente el estado de carga de las baterías para realizar una carga óptima y lograr así, alargar la vida útil de las baterías, por lo que se deduce que se encuentra entre los paneles y las baterías. El control del flujo de energía se realiza mediante el control de los parámetros de intensidad (I) y voltaje (V) que se inyecta a la batería.

Tal regulador del grupo solar debe realizar por lo menos dos operaciones: El de proteger la batería de sobrecarga en momentos de fuerte sol y poco consumo, y el otro es protegerla de la descarga excesiva en malas condiciones climáticas. Tanto la sobrecarga como la descarga profunda son perjudiciales para una batería.


Fig. 1

POR QUE, SE NECESITA UN REGULADOR DE CARGA.

Como se ha dicho, el regulador de carga es necesario, para evitar un excesivo calentamiento en la carga del banco acumulador, evitando en lo posible la evaporación del electrolito de las baterías. El regulador además gestiona el flujo de energía de los paneles (derivando el exceso de energía a una carga ficticia) o el exceso de descarga (por debajo de los 11V) desconectando las baterías, este flujo depende de la energía generada por el campo fotovoltaico y el estado de carga de las baterías, determinando así, las siguientes fases o estados de carga.

Fase de CARGA: Cuando la batería está descargada y toda la corriente producida en el campo fotovoltaico es inyectada en las baterías, incrementándose la tensión en la batería a medida que ésta se va llenando.

Fase de ABSORCIÓN: Cuando la tensión de la batería alcanza la tensión de absorción (en las baterías de plomo-ácido abiertas 14,4V y en las baterías AGM y en las baterías de GEL 14,1V), el regulador de carga solar mantiene la tensión ligeramente por debajo de dicho valor y va reduciendo la corriente hasta que la batería está prácticamente llena.

Fase de FLOTACIÓN: En esta fase la tensión se reduce a la tensión de flotación (generalmente 13,5 V) y la corriente inyectada se reduce hasta que la batería se llena por completo.

Toda la energía que se genere por encima de la energía que es posible inyectar en la batería, se pierde por efecto Joule (calor) en el regulador. Por tanto, el regulador de carga solar es un dispositivo que protege la batería contra sobrecargas, cargándola según le resulte más conveniente en cada momento. Otra función que se le exige al regulador de carga solar y que éste sólo realiza cuando tiene conectado un consumo en corriente continua, se trata de la protección frente a descargas profundas.

REGULADOR DE CARGA TIPO PWM.

A grandes rasgos los reguladores PWM, solo conectan o desconectan los paneles a la batería, esto implica que los paneles deben ser adecuados a la tensión de la batería elegida, y que normalmente el panel funcionará en un punto en el que no se obtiene la máxima potencia, produciendo una pérdida que puede alcanzar del 25 % al 30% de su potencia estimada.

Se trata de un regulador de carga sencillo que actúa como como un interruptor entre los paneles fotovoltaicos y la batería. Al conectar un regulador de carga solar PWM a los paneles fotovoltaicos, estos están forzados a trabajar a la tensión de la batería (es decir cuando cargamos una batería a 13,5 V los paneles fotovoltaicos también dan 13,5 V), por lo que se producen unas perdidas de rendimiento según el punto de potencia máxima (MPP) de los paneles fotovoltaicos. Las ventajas de este tipo de regulador de carga solar son la sencillez, su reducido peso y el precio, por contra está la pérdida de rendimiento como se ha demostrado, por lo cual se necesitan más paneles fotovoltaicos para sacar la misma producción con respecto a un regulador de carga MPPT.

Cando los paneles fotovoltaicos están conectados a un regulador de carga solar PWM estos están forzados a trabajar a la tensión de la batería (por ejemplo cuando cargamos una batería a 13,5 V los paneles fotovoltaicos también dan 13,5 V), esto provoca perdidas de rendimiento respecto al punto de máxima potencia (MPP) de los paneles fotovoltaicos. En cuanto se llega a la fase de absorción de la batería, el regulador de carga solar empieza a cortar parte de la posible producción de los paneles fotovoltaicos, modificando la anchura de los pulsos, es decir cortando muchas veces por segundo el contacto entre los paneles fotovoltaicos y la batería, para que no se sobrecargue la batería.

REGULADORES DE CARGA MPPT.

Los reguladores de carga MPPT (o Maximum Power Point) contienen un seguidor de punto de máxima potencia y un convertidor CC-CC que, se encarga de trabajar en la entrada de los paneles fotovoltaicos a la tensión más conveniente, para sacar la máxima potencia permanentemente, por ese motivo logra un mayor rendimiento de lo paneles fotovoltaicos, por otra parte permite emplear más paneles fotovoltaicos lo que representa una mayor tensión de trabajo disminuyendo caídas de tensión permitiendo así, emplear cables de menor sección.

ESQUEMAS DE REGULADOR SOLAR.

Existen dos tipo de reguladores de tensión, reguladores del tipo serie y reguladores del tipo paralelo. Por motivos razonados, me he decidido a utilizar el regulador del tipo paralelo. Los siguientes son los elementos más importantes de que consta un regulador de carga:

– La tensión procedente del grupo de paneles solares, es una baja tensión continua.
– Esto tiene la ventaja de no necesitar la etapa de rectificación, no tiene necesidad de un filtrado exigente.
– Requiere un sistema de vigilancia de la tensión de carga y si es posible también de la corriente de descarga.
– Sistema de señalización del estado del regulador de carga.
– Sistema de control de temperatura de trabajo de los paneles, baterías en carga y ambiente.

La idea de realizar una especie de cargador de baterías y aplicar ciertas modificaciones, puede servir pero no es realmente un regulador de carga. Un regulador de carga además de regular, debe tener en cuenta conectar y desconectar de forma automática las baterías y los paneles FV cuando sea preciso y un control de temperaturas. El siguiente es el esquema de un cargador de baterías tipo shunt para paneles FV, es muy sencillo.

Como se aprecia se sirve de un regulador LM317, para obtener una salida sobre 16V mediante el potenciómetro. La corriente generada por el panel polariza el diodo D1 que alimenta al regulador cuya salida depende del potenciómetro VR1 y R1, dicha corriente atraviesa D2 y R3 hasta la batería, cuando la tensión de salida alcance lo establecido por VR1 (16V), el diodo zener DZ2 entra en conducción, proporcionando 15V estables para la carga de la batería, la corriente de carga puede alcanzar de 250 a 300 mA.


Fig. 2

Cuando la tensión de batería haya alcanzado la carga plena, sobre los 13V, el zener DZ1 conducirá y T1 quedará polarizado derivando la corriente de salida del regulador a su través deteniendo el proceso de carga. Tan pronto como la batería disminuya su tensión por debajo de los 12V el diodo DZ1 deja de conducir y se inicia de nuevo la carga de la batería.

Se puede apreciar la entrada de los paneles, en el esquema he dispuesto unos amperímetros para calibrar los parámetros que puedo manejar, un diodo rectificador que soporte 5A que sirve de protección, un zener y dos o tres diodos rectificadores que suministran la corriente de base al transistor, con una resistencia R1 de 5Ω y unos 50 Wats, una carga que puedo activar o no y para simular la batería, unos electrolíticos en paralelo y un zener, sin embargo, este circuito no es un regulador propiamente dicho, y que no responde con la seguridad que esperaba. De modo que, haré unas pruebas con otros circuitos que he encontrado.

Hay que tener en cuenta que todo el exceso de la energía que es posible inyectar del grupo de paneles a la batería, se pierde en forma de calor en el regulador por efecto Joule, de ahí la importancia del adecuado regulador de carga solar para una instalación fotovoltaica.

En cualquier caso es conveniente que el regulador de carga solar lleve sonda de temperatura, ya que la tensión de la batería como se sabe, varía con la temperatura. Esto nos permitirá programar y ajustar la tensión de carga de la batería que se utiliza, según las especificaciones del fabricante.

El siguiente es un circuito que está funcionando más de 5 años, con buenos resultados según indica su autor Manfred Mornhinweg. Este regulador está diseñado para sistemas de 12V que emplean paneles de hasta 7Ah de corriente total, y cargas de no más de 20Ah. Es un regulador de carga más elaborado, utiliza un regulador y un LM555 con una función muy exclusiva para este propósito, porque no es un montaje típico como temporizador.


Fig. 3

 

¿QUE REGULADOR DE CARGA ELEGIR?

El regulador solar no se puede elegir libremente sólo en función de los objetivos de la instalación, se debe tener en cuenta el tipo de aplicación, potencia, distancias y el tipo de paneles fotovoltaicos, hay que pensar también en que tipo de paneles solares tenemos y si compensa poner un regulador de carga solar PWM o uno MPPT, o añadir un panel solar más que compense esa diferencia. No se puede generalizar, sin embargo, se puede decir que a mayor potencia del campo fotovoltaico, más conveniente un regulador de carga MPPT.

En cualquier caso es conveniente que el regulador de carga solar lleve sonda de temperatura, ya que la tensión de la batería como se sabe, varía con la temperatura. Esto nos permitirá programar y ajustar la tensión de carga a la batería que se utiliza, según las especificaciones del fabricante.

El circuito de regulación de derivación lineal es muy conocido y llanamente hablando, consiste en quemar todo el exceso de energía del panel, manteniendo así, el voltaje de salida constante. En ciertos momentos, cuando la batería está completamente cargada, y la salida del panel solar es igual o mayor que la ‘carga’ de consumo, en ese momento, la carga recibe su energía del panel, mientras que la batería descansa a plena carga.

El siguiente es un circuito que está funcionando más de 5 años, con buenos resultados según indica su autor Manfred Mornhinweg. Este regulador está diseñado para sistemas de 12V que emplean paneles de hasta 7Ah de corriente total, y cargas de no más de 20Ah.


Fig. 4

Un regulador PWM (Modulación por anchura de pulsos) sólo dispone en su interior de un diodo, por tanto los paneles solares funcionan a la misma tensión que las baterías solares. Este tipo de regulador carga por completo la batería gracias a que introduce la carga de forma gradual, a pulsos de tensión, en la fase de flotación, fase de llenado de la batería. La energía a un lado y al otro del regulador es la misma, con los valores de tensión y corriente iguales también. Por este motivo estos reguladores no trabajan a la potencia que impone la batería y no a su máximo punto de potencia, por lo que hay una perdida que puede llegar a ser de 25 a 30%.

Con un regulador MPPT, hace la función de convertidor CC/CC, de forma que busca automática y permanentemente el punto de máxima potencia del panel en cada momento, y transforma esta energía al punto que requieran las baterías.. En este momento, el seguidor del MPPT adapta la tensión de entrada de los paneles al mejor punto de rendimiento para las condiciones del momento. Posteriormente mediante conversión electrónica de alta frecuencia (CC-CC) ajusta la tensión de salida a la óptima para la carga de la batería, normalmente a 12, 24 o 48V. Esto permite un mejor rendimiento, y poder ampliar el tipo de paneles a utilizar en las instalaciones.

Estas placas generan un voltaje en el punto de máxima potencia de 17,5 voltios, esto ha de ser así ya que desde las placas solares hasta llegar a las baterías se producen pérdidas de voltaje, con lo cual, de este modo se asegura que la electricidad llegará a un voltaje superior a los 14V necesarios para que se realice de forma óptima la carga de las baterías, debido a las pérdidas siempre llegaría la electricidad a un voltaje menor al necesario. Por tanto, en un regulador MPPT la energía que entra y sale del regulador es la misma, al igual que en los reguladores PWM, pero la tensión y la corriente son diferentes a un lado y a otro.

Un regulador convencional o PWM se limita a “igualar” las tensiones de baterías y la del panel, reduciendo la tensión de éste a la de la batería y haciéndolo trabajar lejos del punto de máxima potencia, es decir en una carga a 12V estaríamos en torno a 13,5V frente a los 17,5V que sería lo ideal.

Regulador tipo shunt.

Cuando el sistema de baterías alcanza el estado de plena carga, los reguladores del tipo shunt, han de disipar toda la corriente de salida del grupo solar en calor. Este tipo de regulador hoy en día está en desuso. Personalmente, considero más adecuado el control serie, por ser menos agresivo, de modo que nos ocuparemos del regulador tipo serie.

Regulador tipo serie.

El motivo básico de un regulador de carga es; evitar que, debido a una sobrecarga producida por el grupo de paneles solares, pueda en algún momento causar problemas al acumulador, evitando así acortar la vida del mismo. El regulador de carga limita la tensión del acumulador a los valores adecuados para el mantenimiento, lo que se conoce como estado de flotación del grupo de acumuladores.

Estos reguladores, se basan naturalmente en la regulación serie. En ellos, el grupo solar se une al sistema de baterías en serie y al lograr el estado de carga plena, se desconecta el grupo de baterías. En otras palabras, este sistema, proporciona una vía de baja resistencia del grupo de paneles solares al grupo de baterías durante la carga y cuando éstas se encuentran a plena carga, ofrece una alta resistencia al paso de la corriente proveniente de los paneles.

En un regulador de carga serie que utiliza un relé, no se disipa apenas energía en algún estado, debido a que cuando se cierra el contacto, no ofrece resistencia (es un interruptor) y cuando se encuentra abierto, no existe paso de corriente. De modo que la única energía consumida es la estrictamente necesaria (circuito de control) para su funcionamiento.

Para alcanzar un estado pleno de carga en una batería de 12 V nominales, es necesaria una tensión de 14 V (2.34 V por elemento de la batería).

Debido a las altas potencias manejadas en los sistemas fotovoltaicos, los relés electromecánicos se fueron reemplazando por los relés de estado sólido, reduciendo su tamaño y el consumo de la bobina necesaria para su funcionamiento, al tiempo que se evitaba el deterioro de los contactos en especial en tensiones de 24V o mayores, debido a los arcos voltaicos que, produce la corriente continua a estos valores.

Un sistema de 12 voltios de energía solar puede proporcionar energía a una amplia variedad de dispositivos tales como sistemas de iluminación, cargadores de teléfonos celulares, bombas de agua y otras cargas de CC 12V. Con la adición de un convertidor de CC a CA, la corriente continua que se puede convertir a 120 voltios de CA para el funcionamiento de muchos dispositivos electrodomésticos.

ESQUEMA DE UN REGULADOR SOLAR.

Como era de esperar, existen dos tipo de reguladores de tensión, reguladores del tipo serie y reguladores del tipo paralelo. Por motivos razonados, me he decidido a utilizar el regulador del tipo paralelo. Y ahora necesitamos enumerar algunas de las etapas de que consta un regulador de carga:

– La tensión procedente del grupo de paneles solares, es una tensión continua.
– Esto tiene la ventaja de, no necesitar la etapa de rectificación, no tiene necesidad de un filtrado exigente.
– Requiere un sistema de vigilancia de la tensión de carga y si es posible también de la corriente de descarga.
– Sistema de señalización del estado del regulador de carga.
– Sistema de control de temperatura de trabajo de paneles, baterías en carga y ambiente.

Un regulador de carga, realmente la idea es realizar una especie de cargador de baterías y aplicar ciertas modificaciones. Dependiendo de las necesidades que surjan, se harán las modificaciones para aplicar las nuevas necesidades al regulador.


Fig. 5

Al revisar el esquema anterior (procede de una web), parece ser suficiente para el cometido, sin embargo, después de unas pruebas a las que lo he sometido, no me parece bastante fiable, ya que no responde con la seguridad que yo esperaba. Puede que el programa de testeo (muy fiable), no responda como yo esperaba. He probado con otro circuito integrado como el LM393, con los mismos pobres resultados.

De modo que, haré unas pruebas con otros circuitos que he encontrado. Básicamente, se trata de un cargador de baterías, modificado de tal modo que, cumpla las especificaciones establecidas para este caso. En primer lugar, trataremos un esquema de lo más abitual en cuanto a los cargadores de baterías.

Hay que tener en cuenta que todo el exceso de la energía que es posible inyectar del grupo de paneles a la batería, se pierde por efecto Joule en forma de calor en el regulador, de ahí la importancia del adecuado regulador de carga solar para su instalación fotovoltaica.

REGULADORES DE CARGA.

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