08 junio 2011

Comparando reguladores de carga PWM y MPPT en instalaciones de energía solar


Controladores de carga
Un controlador de carga es una parte esencial de cualquier sistema que carga baterías, ya sean fuentes fotovoltaicas, eólicas, hidro, fuel o redes públicas. Su propósito es mantener las baterías apropiadamente alimentadas de forma segura y a largo plazo.

Las funciones básicas de un controlador de carga son bastante simples. Los controladores bloquean la corriente inversa y previenen la sobrecarga de las baterías. Algunos controladores también previenen la sobredescarga, protegen de la sobrecarga eléctrica, y muestran el estatus de la batería. Veamos una a una cada funcionalidad.
Bloqueo de la corriente inversa
Los paneles fotovoltaicos trabajan bombeando la corriente hacia la batería en una dirección. Por la noche, los paneles pueden pasar un poco de corriente en la dirección inversa, causando una ligera descarga de la batería.
En la mayoría de los controladores, la corriente de carga pasa a través de un semiconductor (un transistor) que actúa como una válvula para controlar la corriente. En algunos controladores, una bobina electromagnética abre y cierra un interruptor mecánico, actuando como un relé. El relé corta en la noche e impide la aparición de corrientes inversas.
En algunas aplicaciones pueden usarse paneles solares muy pequeños en relación con la batería. Por ejemplo en vehículos aparcados mucho tiempo para evitar que se descarguen sus baterías.
Prevención de sobrecarga
Cuando una batería alcanza la carga completa, no puede almacenar la energía que le llega. Si continua aplicándose energía, el voltaje de la batería será demasiado alto. Si ocurre esto el agua se separa del hidrógeno y se forman burbujas rápidamente, como si estuviese hirviendo. Si hay excesivas pérdidas de agua, los gases pueden entrar en ignificón y causar una pequeña explosión. La batería se degradará rápidamente y puede sobrecalentarse. Un excesivo voltaje puede también provocar tensiones en las cargas o hacer que el inversor se pare.
Para prevenir la sobrecarga es suficiente con reducir el flujo de energía a la batería cuando la batería alcanza un voltaje específico. Cuando el voltaje cae debido de que baja la intensidad del sol o a un incremento en el uso de la electricidad, el controlador de nuevo permite toda la carga posible. Este es el llamado voltaje de regulador. Es la función más esencial de los controladores de carga. Los reguladores se fijan en el voltaje, y regulan la carga de la batería en respuesta.
Algunos controladores regulan el flujo de energía a la batería comutando la corriente completamente. Este tipo de control se denomina "on/off". Otros reducen la corriente gradualmente y utilizan la tecnología de modulación de anchura de pulso (pulse width modulation o PWM). Un controlador PWM mantiene el voltaje más constante. Si el regulador funciona con dos etapas, la primera mantiene el voltaje a un máximo seguro para que la batería alcance la carga completa. Luego caerá el voltaje y se sostiene una carga final. Los reguladores de dos etapas son importantes para un sistema que puede experimentar muchos días o semanas de energía en exceso (o poco uso de energía). Mantiene una carga completa pero minimiza las pérdidas de agua y las tensiones.
Los voltajes a los que el controlador carga la tasa de carga se llaman puntos de ajuste. Cuando se determina el punto de ajuste ideal, hay algún compromiso entre cargar rápidamente antes de que el sol se ponga,  y la batería se sobrecargue levemente. La determinación de los puntos de ajuste dependen del modelo de uso anticipado, el tipo de batería, y en alguna extensión, la experiencia y filosofía del diseñador u operador del sistema. Algunos controladores tienen puntos de ajuste ajustables y otros no.
Reguladores PWM o MPPT
Una de las consideraciones a tener en cuenta es el uso de paneles fotovoltaicos de mayor voltaje en combinación con reguladores de carga MPPT o usar los sistemas convencionales PWM. Veamos los pros y los contras.
Pros de los reguladores PWM
  • Están construidos con una tecnología probada desde hace muchos años.
  • Son controladores baratos.
  • Están disponibles en tamaños de hasta 60 A.
  • Tienene una vida útil larga, la mayoría tienen un sistema de refrigeración de calor pasiva.
  • Estos controladores de carga están disponibles en muchos tamaños y para una gran variedad de aplicaciones.
Los contra de los reguladores PWM
  • El voltaje nominal debe ser el mismo que el del banco de baterías.
  • No hay controladores únicos para tamaños por encima de 60 A DC.
  • Los más pequeños vienen sin accesorios.
  • Los controladores de carga tienen una capacidad limitada para el crecimiento del sistema.
Los pros de los reguladores MPPT
  • Los  controladores de carga ofrecen un potencial de de incremento en la eficiencia de carga de hasta un 30 % (típicamente podemos considerar al menos el 15 %).
  • Estos controladores ofrecen la posibilidad de colocar paneles en serie a voltajes superiores al banco de baterías.
  • Están disponibles de hasta 80 A.
  • Las garantías de los controladores de carga MPPT son típicamente mayores que en las unidades PWM.
  • Ofrecen mayor sensibilidad para el crecimiento del sistema.
Los contra de los reguladores MPPT
  • Los controladores de carga MPPT son más caros, costando a veces el doble que los PWM.
  • Las unidades MPPT son generalmente más grandes en tamaño físico.
  • El dimensionado apropiado puede ser desafiante sin las guías del fabricante. 
Bibliografía:
  • Comparing PWM and MPPT charge controllers. AltEU
  • How charge controllers work. AltEU
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