El controlador de carga para un Sistema Fotovoltaico Autónomo es uno de los elementos más importantes con el que se puede contar, esto debido a que será el encargado de mantener el correcto estado de operación del banco de baterías, el cual, puede llegar a ser el elemento más costoso de este tipo de sistemas.
Si retomamos desde los inicios de la energía solar fotovoltaica, sus principales aplicaciones se fueron dando en la implementación de sistemas autónomos alimentados por módulos FV y respaldados por bancos de baterías a 12, 24V y 48V, viéndose así en la necesidad de fabricar módulos que entreguen un nivel de tensión lo suficientemente elevado para realizar la carga de esos bancos de baterías, esto para que la energía fluya de un potencial alto a uno más bajo.
Fue por esta razón que los fabricantes de módulos FV se vieron en la necesidad de fabricar equipos que proporcionen un voltaje adecuado para la carga de las baterías, y llegaron a la conclusión de que el número de celdas adecuado para la carga de bancos de baterías a 12V era de 36 celdas (21.6V), para la carga de bancos a 24V era de 72 celdas (43.2V), y para bancos a 48V, serían combinaciones de 4 módulos de 36 celdas o 2 módulos de 72 celdas en serie, esto permitiría que la tensión del módulo se encuentre siempre por arriba de la requerida para la carga de las baterías en cualquier fase de carga, aun contemplando los factores de corrección por temperatura y caída de tensión que podrían afectar a la tensión de los mismos.
Ahora bien, ¿por qué justamente es necesario utilizar un voltaje de 21.6V, el cuál es proporcionado por un módulo de 36 celdas (como se observa en la figura de abajo) para cargar una batería de 12V? ¿Acaso esto no implicaría una sobrecarga de la batería? Es correcto, si lo vemos desde el punto de vista de sentido común, efectivamente si yo realizo esto lo que lograría es realizar una sobrecarga y dañaría a la batería, reduciendo significativamente la vida útil de la misma, pero tenemos que analizar un poco más a fondo el cómo se comporta un módulo FV y una batería durante la operación.
Un módulo FV se caracteriza por la curva IV durante su operación, la cuál nos indica cómo se comporta su tensión y corriente bajo diferentes situaciones como la figura que se muestra a continuación:
Como se puede observar el módulo FV llega a entregar hasta 21.6V como tensión de circuito abierto que es una condición en la cual no existe circulación de corriente, y que por ende solo ocurrirá cuando el sistema esta fuera de operación, pero ahora bien si se cierra el circuito, y empieza a existir una circulación de corriente el módulo de 36 celdas llega a estar entregando aproximadamente 18V en el momento que se encuentra brindando su máxima potencia, es decir la tensión baja ya en operación, y ahora bien si a ese mismo módulo FV lo llegamos a poner en condiciones de altas temperaturas (situación que es muy común cuando ya se encuentra instalado y operando), la tensión puede llegar a bajar hasta los 16 Volts tal como se muestra en la curva roja.
Es por esta razón que si comparamos esta condición, con el rango típico de tensión de carga de una batería, en donde, dependiendo del estado de carga en que se encuentre, el nivel de tensión que maneja llega a oscilar entre los 10 y los 15V, siendo así que para que la tensión del módulo se encuentre siempre por arriba de la tensión máxima alcanzada por la batería el número mínimo requeridas para el mismo debe de ser de 36 celdas. Ahora bien estos son los casos más críticos en los que nos podemos encontrar, mas sin embargo como no podemos controlar todo el tiempo las condiciones de los estados de carga de la batería, irradiancia y temperatura del lugar, requeriremos de un dispositivo que se encargue de estar monitoreando estas condiciones y brindar estabilidad al sistema, este es el controlador de carga, cuyas principales funciones son las siguientes:
- Optimizar la carga del banco de baterías.
- Estabilizar la tensión de las Baterías.
- Evitar sobrecargas a las baterías.
- Permitir el monitoreo del sistema (Dependiendo del modelo de controlador esta función puede variar).
- Evitar la descarga de las baterías hacia los módulos Fotovoltaicos.
- Activar y desactivar cargas en DC directamente conectadas al controlador.
Como se puede observar, son varias las funciones de las que se puede llegar a encargar un controlador, es por ello que se vuelve una tarea de vital importancia la selección del tipo de controlador de carga adecuado para cada aplicación, lo cual va a depender del tamaño del Sistema Fotovoltaico; Tamaño y capacidad del banco de Baterías; sitio de la instalación e incluso de si el banco de baterías se encuentra ubicado en el mismo sitio que el controlador de cargas; o si se va a encontrar en otra ubicación, es por ello que nos interesamos en la elaboración de este blog, para que pueda serte de ayuda durante la correcta selección del controlador de carga para cada condición.
En el mercado existen dos tipos principales de controlador de carga; el PWM (Por sus siglas en inglés Pulse-Width Modulation) que se caracteriza por la modulación por ancho de pulsos; y el MPPT (Por sus siglas en inglés Maximum Power Point Tracking) que se caracterizar por su seguidor del Punto máximo de Potencia), de los cuales vamos a hablar a continuación:
Controlador PWM
Este tipo de controladores de carga son los menos complejos en cuanto a su constitución, y son el tipo de controladores que más se comercializan en el mercado para sistemas FV de pequeña capacidad, su principio de funcionamiento no tiene tanta complejidad y procederemos a describir cómo funcionan
La principal función de un controlador solar es prevenir la sobrecarga de las baterías, pero ¿Cómo logra esto? Lo logra monitoreando la tensión de la batería y cuando está totalmente cargada desconecta la fuente de alimentación.
Durante su operación el controlador PWM se encarga de dejar pasar de manera directa toda la corriente que se encuentre proporcionando el módulo FV o conjunto de módulos, mediante un proceso de conexión y desconexión a gran velocidad de los módulos hacia la batería, manteniendo una tensión regulada un poco por arriba del requerido por la batería, donde en un principio los intervalos de inyección de corriente serán más prolongados, esto para poder brindar una carga rápida, hasta que alcance los niveles de tensión adecuados. Cuando el controlador de carga empieza a detectar que se están alcanzando los niveles de carga óptimos, empieza a reducirse los intervalos de tiempo durante los cuales se deja pasar la corriente, realizando de esta manera un proceso de carga lenta, hasta que se llega al punto en que se brinda pequeños lapsos de tiempo de conexión que serán de utilidad para mantener cargada la batería por el proceso de autodescarga que tiene la misma y los consumos de los equipos conectados en el sistema.
Tal y como se puede observar en la imagen de abajo, se ve esquemáticamente la conexión de un módulo, un controlador y una batería, donde el controlador hace la función de un conmutador a alta velocidad, el cual, dependiendo de qué tan descargada esta la batería (un 90%, 50% y 10% de profundidad de descarga) será el lapso de tiempo que duren los cierres del conmutador.
Ahora bien si nos ponemos a analizar el comportamiento de la tensión de módulos de 36 y 72 celdas cargando a un banco de baterías a 12V (como se muestra en la figura de abajo) se puede llegar a lo siguiente:
Cuando utilizamos un módulo de 36 celdas, el cuál mientras entrega su máxima potencia se encuentra brindando aproximadamente 18V, el controlador de carga hará un recorte a la tensión posicionándose en cualquier parte de la región naranja dependiendo del estado de carga de la batería, descartando la tensión que se excede el módulo de la requerida, teniendo como resultada una pequeña cantidad de pérdidas, que están representadas por la parte roja de la figura de la izquierda, ahora bien cuando utilizamos un módulo FV de 72 celdas, el cuál nos entrega aproximadamente 36 Volts en su máxima potencia, para cargar el mismo banco de baterías a 12V, lo que hará será un recorte en la región que va entre los 10 y los 15V, donde por lo que se puede observar en la figura de la derecha, se tiene una cantidad significativamente más grande de pérdidas, esto al tener el módulo FV con una tensión mucho más grande que la requerida para el banco de baterías.
Esto nos lleva a una conclusión, en cuanto a este tipo de controladores de carga, y es el que la tensión del módulo tiene que ser muy cercana a la tensión de carga de la batería, y siempre por arriba, o es decir, que cuando se carguen baterías con controladores de carga PWM, para el caso de bancos a 12V se deben de utilizar módulos de 36 celdas; para bancos a 24 V, módulos de 72 celdas o conexiones de dos módulos de 36 celdas en serie; y para bancos a 48V, se deben de realizar conexiones en serie de dos módulos de 72 celdas, o cuatro de 36 celdas, esto para minimizar la cantidad de pérdidas que se pudiese tener en el sistema.
Esto caracteriza el funcionamiento de los controladores PWM, pero ¿Qué pasa con la operación de los controladores MPPT? ¿En que cambia su funcionamiento?, pues veámoslo a continuación.
Controlador MPPT.
Este controlador de carga es más complejo en cuanto a su constitución y funcionamiento, como ya habíamos mencionado, cuenta con un seguidor del punto de máxima potencia del módulo FV, el cual, hace un muestreo a lo largo de toda la curva IV del módulo a gran velocidad, y una vez que ha logrado detectar ese punto, sobre él es entonces que se pone a trabajar, pero ahora ¿qué diferencia habría en comparación con el controlador PWM? o más bien, ¿Cuál es la ventaja al momento de trabajar con el punto de máxima potencia? Pues la ventaja es el que el controlador tratará de obtener el máximo aprovechamiento del módulo en todo momento, haciendo un sistema más eficiente, minimizando la cantidad de pérdidas existentes al mínimo.
Como se puede observar en la imagen de abajo, el comportamiento es diferente, ya que, por ejemplo mientras el controlador PWM entrega la máxima corriente que se encuentre brindando en ese momento el módulo, el controlador MPPT, puede llegar a entregar incluso mucha más corriente que la proporcionada por el módulo (esto debido a que se trata de un convertidor DC a DC que es capaz de reducir tensión del lado de la entrada para incrementar el amperaje brindado a la salida manteniendo regulados los niveles de tensión de carga de la batería), esto con la ayuda de su seguidor, tratando todo el tiempo de estar trabajando sobre el punto de máxima potencia de entrega que puede tener el módulo, situación en la cual, mientras que con el controlador PWM, si no se realiza una correcta selección del número de celdas se puede llegar a tener una cantidad de pérdidas relativamente grande , para el caso del MPPT, si utilizamos un módulo, o arreglo de módulos con un mayor número de celdas en serie (siempre que cuidemos respetar los límites de tensión que soporta el controlador), del excedente de tensión que se puede llegar a tener del lado de los módulos, es capaz de obtener una ganancia de corriente de carga de las baterías.
Es por esta razón que la gama de controladores MPPT se encuentra creciendo bastante rápido en el mercado, ofreciendo soluciones, cada vez más avanzada, y compatibles con muchos nuevos tipos de baterías y módulos FV.
Es así como funcionan los controladores de carga PWM y MPPT, recordemos que cualquier tecnología de controlador de carga que elijamos nos puede ser de mucha ayuda, solamente hay que tomar en cuenta las consideraciones correspondientes y necesarias para la selección de cada uno, y que el arreglo fotovoltaico cumpla con las características necesarias para poder brindar una carga correcta de las baterías.
