¿Cómo funcionan los controladores de carga solar? ¿Cuales son los diferentes tipos?

Los sistemas de energía solar ofrecen una forma ecológica y rentable de aprovechar la energía del sol y convertirla en electricidad utilizable. Ya sea que esté considerando paneles solares para su hogar o una instalación remota fuera de la red, los controladores de carga solar desempeñan un papel vital para garantizar la eficiencia y la longevidad de su sistema. En este artículo, exploraremos cómo funcionan los controladores de carga solar y los distintos tipos disponibles para ayudarlo a tomar decisiones informadas para su proyecto solar.

¿Cómo funciona un controlador de carga solar?

El primer esquema del controlador de carga solar, representado en la Figura 1, ilustra la conexión de un controlador de carga solar para alimentar una carga de corriente continua (CC). El segundo esquema, que se muestra en la Figura 2, pertenece a una carga de corriente alterna (CA).

Figura 1: Diagrama fuera de la red con carga de CC

A la hora de instalar un controlador de carga solar, es recomendable seguir un orden específico de conexión y desconexión:

Primero conecte la batería al controlador.
Conecte el conjunto fotovoltaico al controlador.
Conecte la carga eléctrica al controlador.

Al desconectar, debes invertir este orden. La batería suministra energía al controlador, así que asegúrese siempre de que los paneles solares y las cargas estén desconectados antes de conectar o desconectar la batería del controlador. Para mejorar la seguridad y simplificar la instalación y las averías, se recomienda tener interruptores de desconexión en las conexiones entre la batería, la carga, el conjunto fotovoltaico y el controlador.

En el diagrama de cableado con una carga de CC, la luz solar llega a los módulos solares, que convierten la energía solar en energía eléctrica de CC. Esta energía luego se entrega a un controlador de carga. El controlador de carga regula el amperaje y el voltaje suministrado a las cargas, y cualquier exceso de energía se dirige al sistema de batería para mantener el estado de carga sin sobrecargar. Durante la noche, cuando no hay luz solar, se utiliza la energía de la batería para operar la carga.

Puede notar que la batería está conectada a tierra en el terminal negativo de la batería. Esto se debe a que todos nuestros controladores PWM y MPPT comparten una base negativa común. Por lo tanto, es posible establecer una conexión a tierra negativa común para todo el sistema, incluidos el panel solar, el controlador, la batería y la carga. Esta configuración cumple con los requisitos del código NEC para conexión a tierra. Para los controladores que carecen de un terminal de tierra del equipo, puede conectar directamente una tierra del equipo al gabinete del controlador para cualquier pieza metálica.

Figura 2: Diagrama fuera de la red con carga de CA

El siguiente diagrama, como se ve en la Figura 2, ilustra los componentes y conexiones necesarios para alimentar una carga de CA. Este esquema con una carga de CA se parece mucho al ejemplo anterior de carga de CC. Sin embargo, en este escenario, se agregó un inversor al sistema. La función del inversor es convertir la energía CC de la batería en energía CA, que puede utilizarse para operar cargas de CA, como el televisor que se muestra en el esquema.

Es importante tener en cuenta que el inversor está conectado y alimentado directamente desde la batería, no desde los terminales de carga del controlador, como en el ejemplo de carga de CC. Esta disposición es necesaria porque los inversores pueden producir un gran aumento de energía durante el arranque, y este aumento puede exceder la capacidad nominal del controlador de carga. Las baterías, por otro lado, pueden cumplir con los requisitos de sobretensiones de alta energía.

Tipos de controladores de carga: PWM frente a MPPT

En el cuadro siguiente se puede ver que los controladores PWM funcionan con voltaje de batería y son más pequeños, mientras queControladores MPPToperar al máximo voltaje de potencia utilizando tecnología más nueva. Como resultado, el voltaje del conjunto es cada vez más alto que el voltaje de la batería en condiciones más frías, maximizando la cantidad de energía que se produce. Además, los controladores MPPT pueden funcionar a voltajes más altos y corrientes de matriz más bajas, lo que puede resultar en menos cadenas en paralelo y tamaños de cables más pequeños.

Un controlador PWM solo se puede usar con matrices que coincidan con el voltaje de la batería, por lo que los módulos que se pueden usar son limitados. Muchos módulos de 60 celdas tienen un voltaje de potencia máximo (Vmp) igual a aproximadamente 30 V, lo que los hace adecuados para controladores MPPT, pero no para controladores PWM.

En resumen, ¿qué es mejor, PWM o MPPT? En igualdad de condiciones, MPPT es la tecnología más nueva que recolecta una mayor cantidad de energía. A pesar de las ventajas del MPPT, no siempre es una opción inteligente elegir un controlador PWM, especialmente para sistemas más pequeños o en climas cálidos donde los aumentos del MPPT son menos perceptibles.

Comparación del controlador de carga solar PWM y MPPT

Controladores PWM	Controladores MPPT
El voltaje del conjunto se “baja” al voltaje de la batería	Convertir el exceso de voltaje de entrada en amperaje
Generalmente opera por debajo de Vmp	Operar en Vmp
Adecuado para configuraciones de módulos pequeños	Adecuado para configuraciones de módulos grandes que tienen un menor costo por vatio
A menudo se elige para climas muy cálidos que no producirán tanto impulso MPPT.	Proporciona más impulso que PWM, especialmente durante los días fríos y/o cuando el voltaje de la batería es bajo.

Carga PWM

Los reguladores solares convencionales con función de carga PWM (modulación de ancho de pulso) crean una conexión directa desde el panel solar al banco de baterías. Durante la fase de carga masiva, cuando hay una conexión ininterrumpida desde el conjunto al banco de baterías, el voltaje de salida del conjunto se alinea con el voltaje de la batería. El voltaje de la batería sufre ligeros ajustes según el suministro de corriente del conjunto y el tamaño y las características de la batería.

Carga MPPT

Los controladores Morningstar MPPT incorporan la tecnología TrakStar, que está diseñada para determinar de forma rápida y precisa el Vmp (voltaje de potencia máximo) del panel solar. Los controladores TrakStar MPPT emplean una técnica en la que "barren" la entrada solar para identificar el voltaje al que el conjunto produce la máxima potencia. El controlador captura energía de la matriz a este voltaje Vmp y la convierte al voltaje de la batería, aumentando simultáneamente la corriente de carga.

¿Por qué elegir PWM en lugar de MPPT?

La comparación entre PWM y MPPT puede plantear preguntas sobre por qué se debería optar por uncontrolador pwma través de un controlador MPPT. Varios factores pueden reducir o anular las ventajas que ofrecen los controladores MPPT. Las consideraciones deben incluir el costo, ya que los controladores MPPT generalmente tienen un precio más alto que sus contrapartes PWM. A la hora de decidirse por un controlador, es fundamental evaluar el coste adicional del MPPT en relación con los siguientes factores:

Aplicaciones de baja potencia:Las aplicaciones de carga de baja potencia, específicamente de baja corriente, podrían lograr una recolección de energía similar o incluso superior con un controlador PWM. Los controladores PWM mantienen una eficiencia de recolección relativamente consistente independientemente del tamaño del sistema. Por el contrario, los reguladores MPPT pueden presentar una eficiencia de recolección reducida cuando se utilizan en aplicaciones de baja potencia. Es fundamental revisar las curvas de eficiencia disponibles en los manuales del controlador Morningstar MPPT al realizar la selección de un regulador.

Consideraciones climáticas:El beneficio más significativo de un regulador MPPT se observa a menudo en climas más fríos donde el Vmp (voltaje a máxima potencia) es mayor. Por el contrario, en climas más cálidos, Vmp disminuye, lo que reduce la cosecha de MPPT en comparación con PWM. Las altas temperaturas ambiente promedio en el lugar de instalación pueden hacer que las ventajas del MPPT sean menos económicas.

Condiciones de batería llena:Los sistemas en los que la producción de energía del panel solar excede significativamente el consumo de energía de las cargas del sistema pueden provocar que las baterías permanezcan con carga completa o casi completa la mayor parte del tiempo. En tales casos, la mayor capacidad de recolección de un regulador MPPT puede resultar innecesaria, especialmente si la autonomía no es un factor crítico.

¿Por qué elegir MPPT en lugar de PWM?

Optar por controladores MPPT ofrece varias ventajas:

Mayor cosecha de energía:Los controladores MPPT funcionan con voltajes de matriz superiores al voltaje de la batería, lo que mejora la recolección de energía de los paneles solares entre un 5 y un 30 % en comparación con los controladores PWM, dependiendo de las condiciones climáticas. El voltaje y el amperaje del conjunto se ajustan continuamente a lo largo del día para maximizar la producción de energía.

Menos restricciones de módulo:Los controladores MPPT, que operan conjuntos a voltajes superiores al voltaje de la batería, se pueden utilizar con una gama más amplia de módulos solares y configuraciones de conjuntos. También pueden admitir sistemas con tamaños de cables más pequeños.

Soporte para matrices de gran tamaño:A diferencia de los controladores PWM, los controladores MPPT pueden acomodar matrices de gran tamaño que, de otro modo, podrían superar los límites de potencia máxima del controlador de carga. El controlador gestiona esto limitando el consumo de corriente del conjunto durante los períodos de alto suministro de energía solar, generalmente a mitad del día. Si bien el exceso de energía del conjunto se regula durante este tiempo, los conjuntos de gran tamaño pueden entregar más energía durante las primeras y últimas horas del día, en comparación con los conjuntos más pequeños que no son de gran tamaño.