El regulador de carga es una herramienta indispensable para el correcto funcionamiento del sistema fotovoltaico autónomo. Su función principal es asegurar una corriente constante a las cargas, tomándola de los paneles y/o batería.
También interrumpe la carga cuando la batería está completamente cargada y desconecta las cargas cuando la batería está descargada, evitando así sobrecargas o descargas profundas de la batería, prolongando enormemente su vida útil en el tiempo. En los criterios de selección del regulador de carga se aplican dos reglas generales:
- Corriente máxima que sale de los paneles, elegir un regulador de carga que soporte un poco más de corriente (10-25% más)
- Voltaje, Para el voltaje no debe haber tantos problemas ya que todos los reguladores modernos soportan voltajes que reconocen automáticamente 12 y 24 V.
Para que sirve un regulador de carga
Los reguladores de carga son uno de los componentes más importantes de un sistema fotovoltaico autónomo. El regulador de carga se utiliza para prolongar la vida útil de las baterías utilizadas para almacenar la energía eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos.
La función principal del regulador de carga es evitar la sobrecarga de las baterías. Si las baterías se sobrecargan rutinariamente, su vida útil se reduce significativamente. Por lo tanto, el regulador detecta la tensión de la batería y reduce o detiene la corriente de carga cuando la tensión alcanza un valor suficientemente alto.
Esto es particularmente importante en el caso de baterías selladas, donde el agua perdida durante la sobrecarga no puede ser reemplazada. La única excepción a la necesidad del regulador es cuando la fuente de carga es muy pequeña y la batería, en comparación, muy grande; en la práctica, no es necesario si un módulo fotovoltaico produce o no el 1,5% del flujo de corriente de la batería.
Es mejor utilizar un regulador tipo MPPT o PWM
MPPT y PWM son los dos tipos principales de controladores de carga utilizados en el sector fotovoltaico para gestionar la carga de las baterías conectadas al sistema fotovoltaico y en el diseño de un sistema autónomo (es decir, no conectado a la red), la elección correcta del método de carga y del controlador es un componente clave para un diseño inteligente y consciente de su sistema fotovoltaico.
Siguiendo un orden cronológico, tiene sentido hablar primero de la tecnología PWM (Pulse Width Modulation), introducida en el mercado cuando el interés por la energía fotovoltaica se centraba sólo en aplicaciones aisladas e insulares.
En este sector, en efecto, los módulos fotovoltaicos «clásicos» tienen una estructura de 36 celdas con una tensión de circuito abierto de unos 18/20V diseñada para recargar las típicas baterías de 12V incluso en condiciones de sobrecalentamiento del panel, como consecuencia de lo cual puede producirse una caída de la tensión de salida del propio módulo.
Debido a que los módulos fotovoltaicos normales entregan corriente a una tensión normalmente superior a la de los sistemas de almacenamiento, el principio de funcionamiento de los reguladores PWM se puede imaginar como un interruptor que opera una serie muy rápida de conexiones y desconexiones entre el panel y la batería para proteger y controlar la tensión de la batería, ya que nunca se conecta al panel durante períodos de tiempo excesivos.
En la práctica, por lo tanto, durante la fase de carga, la tensión del panel se reduce, en función del tiempo de cierre y apertura del interruptor del controlador PWM, de modo que éste iguala aproximadamente la de la batería.
A medida que se carga la batería, la tensión de carga también sigue aumentando. Cuando finalmente se alcanza el umbral de absorción de tensión de la batería, para protegerla de problemas de sobrecarga, el interruptor del regulador se abre y se cierra constantemente. Es de este mecanismo que la clase de reguladores PWM toma su nombre.
Este mecanismo deja en claro que los controladores PWM son simples interruptores y NO convertidores de corriente «CC a CC» porque para proteger el sistema de almacenamiento, se ven obligados a renunciar a parte de la potencia adicional que el panel sería capaz de generar porque no pueden convertirla en amperios con el voltaje correcto.
Por otro lado, sin embargo, a medida que el sistema se adapta al estándar de funcionamiento de las baterías, éstas sufren menos estrés térmico y eléctrico durante la fase de carga, lo que prolonga su vida útil y permite un estado de flotación virtualmente.
Además, hay que tener en cuenta que, al tratarse de la tecnología más antigua, los reguladores PWM son generalmente más baratos y fiables, especialmente en lo que respecta a la complejidad de la electrónica interna, que los MPPT.
Cambiando por tanto de «banco», llegamos a hablar de la más reciente entre las dos tecnologías de recarga dentro del sector fotovoltaico, introducida en la época en que el sector fotovoltaico comenzó a arraigar también en los sistemas de recogida conectados a la red eléctrica nacional.
Aquí, sin embargo, el estándar del panel cambia, y de módulos con 30/36 células pasamos a módulos con 60 o más células, con tensiones de circuito abierto superiores (incluso mucho) a 30V. Al tener que lidiar con estos paneles, pero siempre usando baterías comunes de 12V, es evidente que el uso de un regulador PWM desperdiciaría al menos la mitad de la energía que puede ser suministrada por el panel con su voltaje de operación.
Por lo tanto, es necesario un mecanismo de captación de energía más complejo, que tenga en cuenta todas las características eléctricas del sistema: desde el panel hasta las baterías.
Podemos decir que la peculiaridad de un regulador MPPT radica en su capacidad de identificar el amperaje y la tensión de funcionamiento del panel y convertirlos en el amperaje y la tensión de carga de la batería, capacidad que hace de estos dispositivos verdaderos convertidores de corriente. Un regulador MPPT analiza la potencia generada por el panel y considera el voltaje.
Dada su avanzada tecnología, cabe destacar que los controladores MPPT tienen en general funciones cada vez más avanzadas para controlar el proceso de carga: de hecho, a menudo están equipados con sistemas que, al desconectar el panel de las baterías, evitan la inversión del flujo de corriente, un fenómeno que puede ocurrir durante la noche cuando el panel no produce electricidad.
Sin embargo, en vista de todas estas peculiaridades, también existen «desventajas», que no hacen que los controladores MPPT sean la única opción posible a la hora de buscar un controlador de corriente para la energía fotovoltaica.
En primer lugar, está el factor puramente económico: toda la tecnología incorporada en los reguladores MPPT a menudo hace que aumente los precios incluso dos veces, si no más, en comparación con el PWM de un mismo amperaje entregable, un aspecto que no deja de ser importante para aquellos que tienen en mente sistemas de tamaño modesto y, por lo tanto, pueden decidir invertir más en el panel que en el regulador.
Además, en el caso de las centrales de baja potencia, un controlador MPPT casi se desperdiciaría porque el incentivo que ofrece el mecanismo MPPT es relevante para sistemas de al menos 170W, por debajo de este umbral, los sistemas PWM y MPPT proporcionan casi la misma eficiencia.
Siempre en relación con los complejos componentes internos, los reguladores MPPT son más propensos a fallas o mal funcionamiento que los simples PWM. Por último, hay otro factor importante mencionado anteriormente que podría afectar negativamente al rendimiento de los controladores MPPT (pero también de los PWM): la temperatura del entorno circundante.
De hecho, un controlador MPPT expresa su máximo potencial en climas fríos o templados, condiciones bajo las cuales un panel puede suministrar corriente con un amperaje considerablemente más alto que en condiciones ambientales cálidas o soleadas donde el voltaje puede caer hasta un 15-20%, aunque la corriente suministrada sigue siendo la misma.
Diferencias de los reguladores fotovoltaicos con los reguladores para energía eólica e hidroeléctrica
A diferencia de los reguladores de carga para energía eólica e hidroeléctrica, los de energía fotovoltaica pueden abrir el circuito cuando las baterías están cargadas, sin que los módulos fotovoltaicos se dañen si el circuito permanece abierto durante mucho tiempo y, por lo tanto, tienen que enviar la energía producida por los paneles solares, cargada por la batería, a una carga protectora.
En las centrales eólicas e hidroeléctricas se suele utilizar como carga protectora, una simple resistencia. Por lo tanto, la mayoría de los controladores de carga utilizados en fotovoltaica simplemente abren o cierran el circuito entre la batería y el sistema fotovoltaico cuando la tensión alcanza un nivel preestablecido.
Entonces, cuando la batería absorbe el exceso de electrones y la tensión empieza a caer, el regulador de carga empieza a funcionar de nuevo. Algunos controladores de carga tienen estos voltajes de referencia no ajustables ajustados de fábrica, mientras que en otros dispositivos pueden ser ajustados por el instalador o el usuario según sea necesario.
La corriente nominal de los reguladores de carga
Los reguladores se clasifican en función de la corriente nominal (en amperios) que pueden manejar. Normalmente, los controladores de carga deben soportar una sobrecorriente del 25% durante un período de tiempo limitado. Esto permite que su regulador de carga sobreviva a un «efecto de nube» ocasional cuando la luz solar aumenta de forma notable y rápida.
Si se sobrepasa el amperaje requerido por las especificaciones de un regulador de carga determinado, se puede destruir. Un regulador de carga fotovoltaico también evita las inversiones de potencia durante la noche. El flujo de corriente inversa es la pequeña corriente que puede fluir por la noche a los paneles fotovoltaicos desde la descarga de las baterías, aunque su pérdida de potencia a través de esta vía es insignificante.
De hecho, sólo en los sistemas fotovoltaicos de mayor tamaño es significativa la corriente inversa y, en cualquier caso, casi todos los controladores de carga manejan este tipo de corriente de forma automática.
Saber elegir el regulador adecuado para un sistema determinado
Las principales características de un regulador de carga, que se encuentra indicado en sus especificaciones son:
- La corriente solar nominal, es decir, la corriente máxima procedente de los paneles fotovoltaicos, igual a la suma de sus corrientes nominales si todos están conectados en paralelo entre sí.
- La corriente de carga nominal, que depende de la corriente máxima absorbida por los dispositivos consumidores de corriente continua directamente conectados allí, o posiblemente por el inversor que precederá a los dispositivos alimentados en tensión alterna y alta (normalmente, 110 V o 220 V).
- La tensión del sistema, que puede ser de 12 V, 24 V o 48 V. Debe asegurarse de que la corriente máxima (es decir, la corriente nominal) procedente de los paneles fotovoltaicos en su conjunto es inferior a la corriente nominal del regulador de carga para esa entrada.
También es importante que la corriente máxima absorbida por la carga es inferior a la corriente nominal del regulador de carga, así como de que las tensiones de entrada y salida son las mismas que las del regulador.