Controlador de carga de batería solar: esquema, principio de funcionamiento, formas de conexión

La energía solar por ahora se limita (a nivel doméstico) a la creación de paneles fotovoltaicos de potencia relativamente baja. Pero independientemente de la construcción del convertidor fotovoltaico de la luz solar en corriente, este dispositivo se equipa con un módulo llamado controlador de carga de la batería solar.

Efectivamente, en el esquema de instalación de la fotosíntesis de la luz solar se incluye una batería – acumulador de energía obtenida del panel solar. Es esta fuente secundaria de energía la que es atendida principalmente por el controlador.

En el artículo que presentamos, analizaremos el dispositivo y los principios de funcionamiento de este aparato, así como las formas de conectarlo.

Controladores para baterías solares

El módulo electrónico, denominado controlador para panel solar, está diseñado para realizar una serie de funciones de control durante el proceso de carga/descarga de la batería del panel solar.

Cuando la luz solar incide sobre la superficie del panel solar, instalado por ejemplo en el tejado de una casa, las fotocélulas del dispositivo convierten esta luz en corriente eléctrica.

La energía obtenida, en esencia, podría suministrarse directamente a la batería acumuladora. Sin embargo, el proceso de carga/descarga de la batería tiene sus particularidades (niveles específicos de corriente y voltaje). Si se descuidan estos detalles, la batería simplemente fallará en un corto período de funcionamiento.

Para evitar tan tristes consecuencias, existe un módulo denominado controlador de carga para panel solar.

Además de controlar el nivel de carga de la batería, el módulo también monitorea el consumo de energía. Dependiendo del grado de descarga, el circuito del controlador de carga de la batería desde el panel solar regula y establece el nivel de corriente necesario para la carga inicial y posterior.

Dependiendo de la potencia del controlador de carga de las baterías de la instalación de energía solar, las construcciones de estos dispositivos pueden tener configuraciones muy diversas.

En general, hablando en términos simples, el módulo proporciona una «vida» sin preocupaciones para la batería, que periódicamente acumula y entrega energía a los dispositivos consumidores.

Tipos aplicados en la práctica

A nivel industrial, se ha establecido y se lleva a cabo la producción de dos tipos de dispositivos electrónicos, cuyo diseño es adecuado para su instalación en el esquema de un sistema de energía solar:

1. Dispositivos de la serie PWM.
2. Dispositivos de la serie MPPT.

El primer tipo de controlador para panel solar se puede llamar «veterano». Estos circuitos se desarrollaron e implementaron en los albores del desarrollo de la energía solar y eólica.

El principio de funcionamiento del circuito del controlador PWM se basa en algoritmos de modulación de ancho de pulso. La funcionalidad de estos dispositivos es algo inferior a la de los dispositivos más avanzados de la serie MPPT, pero en general también funcionan de manera bastante eficiente.

Uno de los modelos populares de controlador de carga de batería de estación solar, a pesar de que el circuito del dispositivo está realizado con tecnología PWM, que se considera obsoleta

Las construcciones donde se aplica la tecnología Maximum Power Point Tracking (seguimiento del punto de máxima potencia) se distinguen por un enfoque moderno de las soluciones de diseño de circuitos y proporcionan una mayor funcionalidad.

Pero si se comparan ambos tipos de controlador, y más aún con un enfoque hacia el ámbito doméstico, los dispositivos MPPT no se ven bajo la luz tan favorable en la que tradicionalmente se anuncian.

Controlador tipo MPPT:

• tiene un costo más elevado;
• posee un algoritmo de configuración complejo;
• proporciona una ganancia de potencia solo en paneles de área significativa.

Este tipo de equipo es más adecuado para sistemas de energía solar global.

Controlador diseñado para su uso en la estructura de una instalación de energía solar. Es un representante de la clase de dispositivos MPPT, los cuales son más avanzados y eficientes.

Para las necesidades de un usuario habitual del ámbito doméstico, que generalmente tiene paneles de pequeña superficie, es más ventajoso comprar y utilizar con el mismo efecto un controlador PWM (PWM).

Esquemas estructurales de los controladores

Los esquemas detallados de los controladores PWM y MPPT para ser examinados por un observador común son un aspecto demasiado complejo, relacionado con un conocimiento fino de la electrónica. Por lo tanto, es lógico considerar solo los esquemas estructurales. Este enfoque es comprensible para un amplio público.

Opción #1 – dispositivos PWM

El voltaje del panel solar llega a través de dos conductores (positivo y negativo) al elemento estabilizador y a la cadena resistiva divisora. Gracias a esta parte del circuito se logra la igualación de potenciales del voltaje de entrada y, en cierta medida, se organiza la protección de la entrada del controlador contra la superación del límite de voltaje de entrada.

Aquí cabe destacar: cada modelo individual del dispositivo tiene un límite específico de voltaje de entrada (indicado en la documentación).

Así se ve aproximadamente el diagrama estructural de los dispositivos basados en tecnologías PWM. Para su uso en pequeñas estaciones domésticas, este enfoque de circuito proporciona una eficiencia bastante suficiente.

A continuación, el voltaje y la corriente se limitan al valor necesario mediante transistores de potencia. Estos componentes del circuito, a su vez, son controlados por el chip del controlador a través del circuito integrado del driver. Como resultado, en la salida del par de transistores de potencia se establece un valor normal de voltaje y corriente para la batería.

También en el circuito hay un sensor de temperatura y un driver que controla el transistor de potencia, mediante el cual se regula la potencia de carga (protección contra descarga profunda de la batería). El sensor de temperatura controla el estado de calentamiento de los elementos importantes del controlador PWM.

Normalmente, el nivel de temperatura se encuentra dentro de la carcasa o en los disipadores de los transistores de potencia. Si la temperatura sale de los límites establecidos en la configuración, el dispositivo desconecta todas las líneas de alimentación activa.

Opción #2 – aparatos MPPT

La complejidad del circuito en este caso se debe a su complemento con una serie de elementos que construyen el algoritmo de control necesario más exhaustivamente, según las condiciones de trabajo.

Los niveles de voltaje y corriente se monitorean y comparan mediante circuitos comparadores, y según los resultados de la comparación se determina la potencia máxima de salida.

Solución de circuito en forma estructural para controladores de carga basados en tecnologías MPPT. Aquí ya se observa un algoritmo más complejo de control y gestión de dispositivos periféricos.

La principal diferencia entre este tipo de controladores y los dispositivos PWM es que pueden ajustar el módulo solar fotovoltaico al máximo de potencia independientemente de las condiciones climáticas.

El circuito de dichos dispositivos implementa varios métodos de control:

• perturbación y observación;
• conductancia incremental;
• barrido de corriente;
• voltaje constante.

Y en la etapa final de la operación general, también se aplica un algoritmo de comparación de todos estos métodos.

Métodos de conexión de los controladores

Al abordar el tema de las conexiones, cabe señalar de inmediato: la instalación de cada dispositivo individual se caracteriza por trabajar con una serie específica de paneles solares.

Así, por ejemplo, si se utiliza un controlador diseñado para un voltaje de entrada máximo de 100 voltios, la serie de paneles solares debe proporcionar un voltaje de salida no superior a este valor.

Cualquier instalación solar fotovoltaica opera según la regla del balance de voltajes de salida y entrada de la primera etapa. El límite superior de voltaje del controlador debe coincidir con el límite superior de voltaje del panel.

Antes de conectar el aparato, es necesario determinar su lugar de instalación física. Según las normas, el lugar de instalación debe ser un espacio seco y bien ventilado. Se excluye la presencia de materiales inflamables cerca del dispositivo.

No se permite la presencia de fuentes de vibración, calor y humedad en las proximidades del dispositivo. El lugar de instalación debe protegerse de la intemperie y de la luz solar directa.

Técnica de conexión de los modelos PWM

Prácticamente todos los fabricantes de controladores PWM exigen seguir una secuencia precisa de conexión de los dispositivos.

La técnica de conexión de los controladores PWM con los dispositivos periféricos no presenta dificultades especiales. Cada placa está equipada con terminales marcados. Aquí simplemente es necesario seguir la secuencia de acciones

Los dispositivos periféricos deben conectarse en total correspondencia con las marcas de los terminales de contacto:

1. Conectar los cables de la batería a los terminales del dispositivo para la batería según la polaridad indicada.
2. Colocar un fusible de protección directamente en el punto de contacto del cable positivo.
3. Fijar los conductores que salen del panel solar en los contactos del controlador destinados al panel solar. Respetar la polaridad.
4. Conectar una lámpara de prueba del voltaje correspondiente (normalmente 12/24 V) a los terminales de carga del dispositivo.

La secuencia indicada no debe alterarse. Por ejemplo, conectar los paneles solares en primer lugar sin tener la batería conectada está terminantemente prohibido. Con tales acciones, el usuario corre el riesgo de «quemar» el dispositivo. En este material se describe con más detalle el esquema de montaje de los paneles solares con la batería.

También para los controladores de la serie PWM es inadmisible conectar un inversor de tensión a los terminales de carga del controlador. El inversor debe conectarse directamente a los terminales de la batería.

Procedimiento de conexión de los aparatos MPPT

Los requisitos generales de instalación física para este tipo de equipos no difieren de los sistemas anteriores. Pero la instalación tecnológica suele ser algo diferente, ya que los controladores MPPT a menudo se consideran equipos más potentes.

Para controladores diseñados para altos niveles de potencia, en las conexiones de los circuitos de potencia se recomienda utilizar cables de grandes secciones, equipados con terminales metálicos.

Por ejemplo, para sistemas potentes, estos requisitos se complementan con que los fabricantes recomiendan utilizar un cable para las líneas de conexión de potencia, diseñado para una densidad de corriente de al menos 4 A/mm². Es decir, por ejemplo, para un controlador de 60 A se necesita un cable para conectar a la batería con una sección de al menos 20 mm².

Los cables de conexión deben estar equipados con terminales de cobre, firmemente engarzados con una herramienta especial. Los terminales negativos del panel solar y de la batería deben equiparse con adaptadores con fusibles e interruptores.

Este enfoque elimina las pérdidas de energía y garantiza un funcionamiento seguro de la instalación.

Diagrama estructural de conexión de un controlador MPPT potente: 1 – panel solar; 2 – controlador MPPT; 3 – bornero; 4,5 – fusibles; 6 – interruptor de alimentación del controlador; 7,8 – barra de tierra

Antes de conectar los paneles solares al dispositivo, se debe asegurar de que el voltaje en los terminales sea igual o menor al voltaje que se permite aplicar a la entrada del controlador.

Conexión de periféricos al equipo MTTP:

1. Colocar los interruptores del panel y de la batería en la posición «apagado».
2. Extraer los fusibles de protección del panel y de la batería.
3. Conectar con cable los terminales de la batería a los terminales del controlador para la batería.
4. Conectar con cable los bornes del panel solar a los terminales del controlador marcados con el signo correspondiente.
5. Conectar con cable el terminal de puesta a tierra a la barra de «tierra».
6. Instalar el sensor de temperatura en el controlador según las instrucciones.

Después de estas acciones, es necesario colocar el fusible de la batería previamente extraído y poner el interruptor en la posición «encendido». En la pantalla del controlador aparecerá una señal de detección de la batería.

A continuación, tras una breve pausa (1-2 min), colocar el fusible del panel solar previamente extraído y poner el interruptor del panel en la posición «encendido».

La pantalla del dispositivo mostrará el valor de tensión del panel solar. Este momento indica que la instalación solar energética se ha puesto en marcha con éxito.

Conclusiones y video útil sobre el tema

La industria produce dispositivos multifacéticos desde el punto de vista de las soluciones de circuitos. Por lo tanto, no es posible dar recomendaciones inequívocas sobre la conexión de todas las instalaciones sin excepción.

Sin embargo, el principio principal para cualquier tipo de dispositivo sigue siendo el mismo: sin conectar la batería a los buses del controlador, la conexión con los paneles fotovoltaicos no es admisible. Requisitos similares se aplican también para la inclusión en el esquema del inversor de voltaje. Este debe considerarse como un módulo independiente, conectado a la batería mediante contacto directo.

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