Los controladores de carga en los sistemas solares fotovoltaicos

Acumuladores y controladores de carga

Si tienes un acumulador de energía en tu sistema solar fotovoltaico, entonces es altamente probable de que necesites de un controlador de carga. Los sistemas solares fotovoltaicos “verdaderos” cuentan siempre con un banco de baterías donde se almacena de manera local la energía que estos sistemas generan diariamente. La presencia de estos sistemas de almacenamiento de energía, que pueden ser mecánicos, eléctricos o electroquímicos, permiten administrar la energía generada por el arreglo fotovoltaico y reducir la dependencia que se tiene en los sistemas tradicionales de generación eléctrica. Sin embargo, esta independencia de los sistemas tradicionales de energía tiene un alto costo, porque las baterías pueden llagar a representar una porción importante del presupuesto de instalación y de mantenimiento de los sistemas solares fotovoltaico.

En la sección de Acumuladores podemos encontrar muchas de las tecnologías para el almacenamiento de energía en los sistemas solares fotovoltaicos, pero los sistemas más comunes y frecuentemente utilizados son los que se diseñan con baterías de celdas electroquímicas. Las celdas electroquímicas se fabrican con una gran diversidad de electrodos como por ejemplo, electrodos de plomo ácido, níquel cadmio o de litio, entre muchos otros. Este tipo de baterías electroquímicas son las que gozan de mayor aceptación en los mercados y las que han logrado un mayor nivel de desarrollo tecnológico. Sin embargo, las celdas electroquímicas tienen la desventaja de que son extremadamente vulnerables a los procesos de cargas y/o descargas excesivas, que reducen drásticamente su tiempo de vida media e incluso pueden llegar a ser destruirlas por completo en muy poco tiempo. De allí, que el uso de un controlador de carga se considere vital para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema solar fotovoltaico en el largo plazo.

¿Qué son los controladores de carga?

Los controladores de carga son dispositivos electrónicos que se encargan de llevar a cabo los procesos de carga y descarga del banco de acumuladores asociado a un sistema solar fotovoltaico de la manera más óptima y eficiente posible. Cada tipo de acumulador requiere de un controlador de carga específico para dicha tecnología.

Los controladores de cargas son esenciales cuando se tiene un banco de acumuladores electroquímico, porque estas baterías de celdas electroquímicas son muy sensibles a los voltajes y corrientes de carga y descarga. Si una celda electroquímica se carga con un voltaje mucho más alto o más bajo del que le corresponde, se daña o pierde vida útil. Si se utilizan corrientes de carga demasiado grandes se dañan, y sí se utilizan corrientes demasiado bajas los acumuladores no se llegan a cargar adecuadamente. El problema de la carga y descarga de los bancos de baterías llega a ser realmente complejo cuando se analiza en detalle nuestro sistema solar fotovoltaico, ya que el arreglo fotovoltaico puede llegar a producir voltajes muy variados que van desde unos 16 voltios a varias decenas de voltios, y el controlador de carga debe mantener los voltajes de carga dentro de un estrecho margen en las celdas de los acumuladores, con unas variaciones máximas que van por el orden de unas pocas decenas de milivoltios. Si estás interesado en el tema puedes encontrar un poco más de información técnica sobre los procesos de carga y descarga de baterías en el artículo Baterías de ciclo profundo.

Así, los controladores de cargas deben mantener voltajes y corrientes muy precisos en las celdas de las baterías durante los procesos de carga y descarga. Ésto en la práctica es extremadamente complejo y difícil, porque existe una enorme diversidad de modelos y diseños de baterías que hacen que la tarea de cargar y mantener adecuadamente a los bancos de acumuladores sea una tarea titánica, y que no puede presentar fallas en ningún momento porque ello dañaría de manera irreversible el banco de acumuladores.

Para que los controladores de carga puedan llevar a cabo su trabajo de manera precisa, necesitan saber cuál es el voltaje y corriente de trabajo de la celda del acumulador que se está utilizando en el sistema solar fotovoltaico. Esto es relativamente fácil de resolver porque esta información de voltajes y corrientes dependen del tipo de electrodo y tecnología con la que se fabrica nuestra batería. Es decir, si conocemos qué tipo de tecnología de fabricación de baterías estamos eligiendo (fluidas, selladas, AGM, etc.) y el tipo de electrodo (plomo, níquel-cadmio, iones de litio, etc.) podemos encontrar un controlador adecuado para nuestra batería. Como vemos, cada tipo y modelo de batería requiere de un controlador diferente para poder realizar los procesos de carga y descarga de esa batería de manera eficiente. Utilizar un controlador de carga para baterías fluídas por ejemplo, para cargar una batería sellada terminará dañando nuestra batería. Los controladores de carga son en extremo específicos para el tipo de batería con la que estamos trabajando en nuestro sistema solar fotovoltaico.

Algo que hay que tomar muy en cuenta a la hora de elegir el controlador de carga para un sistema solar fotovoltaico es el hecho de que los bancos de baterías o acumuladores son únicos para cada sistema. Es decir, cada sistema solar fotovoltaico tiene un banco de baterías que ha sido diseñado y calculado para satisfacer las necesidades particulares de consumo de energía de una vivienda, oficina o empresa. Esto significa que no hay dos bancos de batería iguales, por tanto, el número y configuración de las baterías cambia de un sistema a otro. Para resolver este problema, los controladores de cargas se diseñan para regular la carga de bancos de baterías completos, donde ahora los parámetros para su selección son el tipo de electrodo, el tipo de tecnología de fabricación, y lo único que queda pendiente por definir son los voltajes de trabajo y la corriente máxima con la que trabajará dicho banco de baterías. Estos últimos parámetros quedarán definidos al momento de configurar nuestro banco de acumuladores para satisfacer nuestras necesidades particulares de energía.

Parámetros de los controladores de carga

En los sistemas solares fotovoltaicos “verdaderos” siempre se tiene un banco de baterías para satisfacer las necesidades energéticas del usuario. De hecho, lo que realmente se hace al diseñar un sistema solar fotovoltaico es calcular cuál es el tamaño del banco de acumuladores que el usuario necesita para almacenar la energía que utilizará diariamente, y luego es que se define el tamaño del arreglo fotovoltaico que se requiere para mantener cargado constantemente dicho banco de acumuladores. Este es el procedimiento correcto para diseñar un sistema solar fotovoltaico.

Así, la parte más compleja en el diseño de un sistema solar fotovoltaico es definir el tamaño del banco de acumuladores, ya que es el encargado de suministrar la energía para suplir nuestras necesidades. Cuando se configura el banco de acumuladores hay que tomar en cuenta muchos aspectos técnicos que van a definir las características eléctricas y costos finales de nuestro sistema. El tiempo de vida útil de este banco de acumuladores va a depender de la correcta selección del controlador de carga, para lo cual se requiere conocer el voltaje y la corriente máxima de trabajo.

Voltajes del banco de acumuladores

Para definir el voltaje de trabajo del banco de acumuladores hay que tomar en cuenta varios aspectos técnicos que inciden directamente sobre los costos, eficiencia y riesgos del sistema. Hay voltajes de trabajo que se consideran nominales y los más utilizados son los 12 voltios, 24 voltios y 48 voltios. Los controladores de carga se diseñan para trabajar con estos valores de voltajes nominales, con lo cual se garantiza que siempre se contará con un controlador para nuestro banco de acumuladores. Entre más bajo es el voltaje nominal de trabajo de nuestro banco, menor es el número de baterías que se requieren para construir dicho banco. Por ejemplo, para un banco de 12 voltios solo se requiere de un acumulador de 12 voltios, en cambio para un banco de 24 voltios es necesario contar con dos acumuladores de 12 voltios conectados en serie. En este caso la corriente máxima que circula en ambos bancos de baterías es la misma, pero la potencia no lo es, ya que el banco de 24 voltios puede suplir el doble de potencia que el banco de 12 voltios. Para lograr tener la misma potencia en ambos bancos, el banco de 12 voltios deberá tener dos baterías en paralelo, con lo cual tendrá el mismo voltaje de 12 voltios pero el doble de corriente. Como vemos podemos diseñar un banco de acumuladores con la misma potencia (energía disponible) pero con dos configuraciones muy diferentes. En cada caso se requiere de un controlador de carga distinto, porque en el primero se necesita un controlador de 12 voltios y para el segundo banco un controlador de 24 voltios. ¿Cuál de las dos configuraciones elegir? Esto dependerá de las particularidades de nuestro sistema y de nuestro presupuesto. Si las distancias entre los distintos componentes eléctricos y electrónicos en nuestro sistema son muy largas, entonces la mejor opción es la de configurar nuestro banco de baterías a 24 voltios. Entre mayor es el voltaje de trabajo menor es la pérdida en el cableado eléctrico. Además, a menor voltaje se requieren corrientes más altas para suplir la misma potencia, y para ello es necesario utilizar cable de mayor calibre o de sección transversal (cable grueso), que es mucho más costoso.

En cualquier caso, el primer paso es decidir sobre el voltaje de trabajo del banco de acumuladores, tomando en consideración todos los aspectos técnicos importantes que inciden sobre los costos, eficiencia y seguridad de nuestro sistema. Una vez que se ha decidido sobre el voltaje de trabajo solo queda por definir cuál va a ser la corriente de trabajo de nuestro controlador.

Corriente del banco de acumuladores

Para poder cargar el banco de acumuladores lo que realmente se requiere es corriente. La corriente de carga es suministrada exclusivamente por el arreglo fotovoltaico. Por tanto, la corriente de trabajo de nuestro controlador de carga queda definida por la corriente máxima que puede generar nuestro arreglo fotovoltaico. Esta corriente máxima es igual a la corriente de corto circuito de todo el arreglo fotovoltaico. Es importante hacer notar que el voltaje del arreglo fotovoltaico queda definido al momento de decidir el voltaje de trabajo del banco de acumuladores, porque ambos componentes deben tener el mismo valor de voltaje nominal de trabajo.

Tecnologías de carga y descarga

Para elegir el controlador de carga solo es necesario conocer la tecnología de la batería, el tipo de electrodos que utiliza, el voltaje nominal al que está configurado el banco de acumuladores y la corriente total de corto circuito de nuestro arreglo fotovoltaico. Con estos cuatro parámetros es suficiente para elegir un controlador para nuestro sistema solar fotovoltaico. Sin embargo, existen en el mercado muchas marcas con tecnologías y calidades que difieren enormemente el uno del otro, que pueden hacer una gran diferencia en la eficiencia de trabajo de nuestro sistema solar fotovoltaico.

Aún cuando no existe un estándar para los controladores de carga, y que cada fabricante define una estrategia y un algoritmo propio para el diseño y selección de los parámetros básicos que manejará para la carga y descarga de los acumuladores, casi siempre se utilizan los mismos parámetros que son el voltaje máximo de carga y el voltaje mínimo de desconexión de la carga eléctrica.

Voltaje máximo de carga

A medida que las celdas se están cargando, el voltaje del acumulador va a aumentando paulatinamente. Hay un valor de voltaje máximo para la celda, que depende del tipo de electrodo, que no debe ser excedido porque se comienza a producir daño irreversible al acumulador. El controlador de carga, tomando en cuenta el tipo de electrodo que usa la celda, debe fijar el voltaje máximo de carga que permite para ese acumulador en particular. Una vez que los acumuladores alcanzan ese voltaje máximo, el controlador debe proceder a desconectar el banco de acumuladores del arreglo fotovoltaico. Existen dos diseños básicos para hacer esta desconexión, que son los circuitos de interrupción conectados en serie y los circuitos de desconexión por derivación. En el primer caso, el controlador desconecta el banco de acumuladores del arreglo fotovoltaico, mientras que en el segundo caso el controlador pone en corto circuito el arreglo fotovoltaico. No hay evidencias técnicas claras que indiquen que alguno de los dos métodos sea mejor o superior al otro.

Otro rasgo importante que está asociado con el voltaje máximo de desconexión es la histéresis de regulación. Cuando el controlador desconecta el banco de acumuladores del arreglo fotovoltaico porque ya se encuentra cargado, debe tener fijado un valor menor de voltaje de referencia para volver a conectar las baterías una vez que el voltaje de las celdas baja por la descarga. Este valor de reconexión no puede ser muy cercano al valor de desconexión porque si eso es así, el sistema se estaría conectando y desconectando con demasiada frecuencia con pequeñas variaciones de voltaje, lo que lo haría poco eficiente al controlador, y podría causar daños a los circuitos eléctricos o electrónicos del sistema.

El rango de la histéresis del voltaje máximo y los algoritmos que utilizan los diferentes fabricantes es lo que determina la eficacia de los controladores en los procesos de carga y descarga de los bancos de acumuladores.

Voltaje mínimo de desconexión de la carga eléctrica

Los bancos de acumuladores se descargan porque están suministrando energía a una “carga eléctrica” en nuestros hogares u oficinas. Los controladores de carga, además de regular la carga del banco de acumuladores desde el arreglo fotovoltaico, también deben controlar que las baterías no se descarguen más allá de un valor mínimo permitido. Para ello, los controladores de carga suelen contar con la función esencial de desconectar toda la carga eléctrica que esté consumiendo energía del banco de acumuladores si el voltaje de las celdas disminuye por debajo de un valor referencial de voltaje mínimo. Este voltaje mínimo de desconexión dependen del tipo de electrodos del acumulador y de la profundidad de descarga con la que se ha decidido trabajar al diseñar el sistema solar fotovoltaico. Este tipo de desconexión se denomina LVD, de sus siglas en inglés Low Voltage Disconnect.

Al igual que se ha descrito para los procesos de carga de las baterías, existe también un rango de histéresis de voltaje para la reconexión de la carga eléctrica en el sistema. En este caso el voltaje referencial de reconexión es mayor que el LVD, para evitar que el sistema se conecte y desconecte de manera frecuente. En el manejo de los rangos de histéresis y algoritmos utilizados es que se evidencia la diferencia en calidad y eficacia de los distintos controladores de carga que existen en el mercado.

Elección de los controladores de carga

Como hemos visto, para elegir un controlador de carga para un sistema solar fotovoltaico lo que se requiere conocer o tener definido es lo siguiente:

• Valor nominal del voltaje de trabajo del banco de acumuladores
• Corriente total de corto circuito del arreglo fotovoltaico
• Tipo de electrodo que utilizan las celdas de nuestro banco de acumuladores
• Tipo de tecnología de los acumuladores

Así, por ejemplo, si tenemos nuestro banco de acumuladores configurado a 24 voltios DC, y nuestro arreglo fotovoltaico tiene una corriente total de unos 18 amperios, entonces debemos elegir un controlador de 24 voltios y con capacidad de 20 amperios. Normalmente, los controladores de carga pueden regular el voltaje para varios tipos de baterías, típicamente para fluídas, selladas o de gel; así que tan solo debemos configurar el controlador para el tipo adecuado de batería.

En lo que sí debemos tener mucho cuidado es en elegir el tipo de electrodo adecuado, ya que los controladores y sus características suelen ser muy específicas para el tipo de electrodo de nuestro acumulador. Por ejemplo, si nuestro controlador es para baterías de litio, es poco probable que tenga la posibilidad de ser utilizado con los otros tipos de electrodos.

Si elegimos nuestro controlador de forma correcta, es decir, que cumpla con los cuatro parámetros que hemos definido arriba en la lista, entonces podemos estar confiados en al menos un 90% de que nuestra elección es segura, y que ese controlador funcionará eficazmente con nuestro sistema solar fotovoltaico.

Existen muchas tecnologías y algoritmos de carga y descarga para controladores de muchos fabricantes, que en teoría pueden aumentar considerablemente la eficiencia de carga de nuestros bancos de acumuladores; pero la realidad es que, en el mejor de los casos un controlador de carga nunca supera el 96% eficiencia en los procesos de carga y descarga. En nuestra experiencia casi nunca el costo no suele justificar el uso de controladores más inteligentes o precisos.

En la sección de Controladores podrá encontrar más artículos sobre las diferentes métodos, tecnologías y algoritmos que se utilizan para los procesos de carga y descarga de los bancos de acumuladores.