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Regulador de carga

Regulador de carga

Los controladores o reguladores de carga son equipos que controlan el voltaje y la corriente de un panel solar o generador eólico, entregados al parque de baterías.

El regulador de carga se encarga de que en los procesos de carga y descarga de los acumuladores se haga de manera que estos estén siempre dentro de las condiciones correctas de funcionamiento.

Un regulador de carga limita la velocidad a la que la corriente eléctrica se añade o extrae de eléctricos baterías. Evita la sobrecarga y puede proteger contra sobretensión. La sobrecarga de las baterías puede reducir el rendimiento de la batería o la vida útil, y puede suponer un riesgo de seguridad.

¿Cuáles son las características de los controladores de carga?

El regulador de carga se puede suministrar en forma de un dispositivo separado (por ejemplo, una unidad electrónica en un aerogenerador eólico o en un sistema de energía solar fotovoltaica) o en forma de un microcircuito para su integración en una batería o cargador.

Los paneles solares se diseñan para que puedan dar una tensión más elevada que la tensión de final de carga de las baterías. Así se asegura que los paneles solares siempre están en condiciones de cargar la batería, incluso cuando la temperatura de las celdas de la batería sea alta y se produzca una disminución del voltaje generado.

¿Por qué debe controlarse la sobretensión de las baterías?

Esta sobretensión tiene dos inconvenientes:

  • Por un lado, se pierde una pequeña parte de la energía máxima teórica que puede dar el panel fotovoltaico (10%), que se obtendría si trabajara a tensiones un poco más altas que las que impone la batería.
  • Por otra parte, cuando la batería llegue a su estado de plena carga, no llegará a su potencial máximo que puede dar teóricamente el panel solar, y éste seguirá intentando inyectar energía a los terminales de la batería, lo que producirá una sobrecarga que perjudicará la batería que la puede dañar.

Se puede solucionar este último inconvenientemente, de forma manual: desconectando la batería cuando se detecta plena carga, pero obviamente no es el método más fiable ni práctico.

¿Qué función tiene el regulador de carga?

El controlador de carga tiene las siguientes funciones:

  • Suministrar corriente mayor que la corriente de autodescarga (para compensar la autodescarga pero inferior a la corriente de carga máxima para evitar la destrucción de la batería.
  • Implementación de un algoritmo de descarga / carga efectivo para un tipo dado de batería (NiMH, Ni-Cd o Li-Ion) con una composición química dada de los componentes.
  • Compensación de las diferencias en los flujos de energía cuando se suministra energía al consumidor al mismo tiempo que se carga la batería (por ejemplo, cargar la batería cuando la computadora portátil se alimenta de la red).
  • Medición de temperatura (usando un sensor de temperatura) para el apagado de emergencia de la carga en frío o durante el sobrecalentamiento (para evitar daños a la batería).
  • Medición de presión (usando un sensor de presión) para el apagado de emergencia de la carga en caso de fuga de gas (para evitar explosiones y fugas)

De todos modos, no todos los controladores implementan estas funciones.

La complejidad del algoritmo de descarga / carga depende del costo del cargador. De acuerdo con el algoritmo las principales funciones que realizan son las siguientes:

  • Medición del tiempo desde el comienzo de la carga.
  • Medición de voltaje y corriente en la entrada de la batería.
  • Cambio en corriente y voltaje de carga dependiendo de los valores medidos.
  • Repetición de ciclos de descarga / carga (para restaurar la capacidad de la batería).
  • Cargar la batería hasta el 90% de la capacidad de la batería (para aumentar la vida útil).

Estrategias de control del regulador de carga

El regulador de carga tiene la misión de regular la corriente que absorbe la batería para que nunca se sobrecargue peligrosamente. Por este motivo, detecta y mide constantemente el voltaje de la batería yestado de carga. Si estos parámetros llegan a un determinado valor previamente establecido que corresponda al valor de tensión máxima admitida, actúa de dos formas possibles:

  • Cortando el flujo de corriente hacia la batería
  • Dejando pasar sólo una parte para mantenerla en estado de plena carga, sin sobrepasarse.

Esta corriente mínima se denomina corriente de flotación y se da cuando la batería está a plena carga y recibe sólo la energía suficiente para mantenerla en ese estado (que, en periodos largos, compensará la autodescarga).

¿Cuáles son los parámetros de un regulador de carga?

Los parámetros que definen un regulador son:

  • Voltaje máximo admitido o voltaje máximo de regulación: es el valor de la tensión nominal máxima que el regulador permite aplicar a la batería.
  • Intervalo de histéresis superior: es la diferencia entre el voltaje máximo de regulación y el voltaje al que el regulador permite el paso de toda la corriente producida por los paneles solares. Para un valor de voltaje intermedio, el regulador deja pasar una fracción de la corriente producida por los paneles fotovoltaicos, que es más pequeño cuanto más se acerca el voltaje de los terminales de la batería al valor máximo de regulación.
  • Voltaje de desconexión: voltaje al que se desconectan automáticamente las cargas de consumo a fin de evitar una sobredescàrrega de la batería.
  • Intervalo de histéresis inferior: es la diferencia entre el voltaje de desconexión y el voltaje al que se permite que los consumos se conecten de nuevo a la batería.

¿Cuáles son las prestaciones más habituales de los reguladores de carga en una instalación fotovoltaica?

    Los siguientes parámetros definen las prestaciones más habituales de los reguladores de carga que se utilizan en las instalaciones solares fotovoltaicas autónomas:

    • Protección contra sobrecargas del acumulador (corte por alta): esta es la función básica del regulador. Evita que la batería se caliente, que se pierda agua del electrolito y que las placas se oxiden.
    • Alarma por batería baja: indicadores sonoros / luces que indican que el acumulador está bastante descargado. A partir de este momento, el usuario puede moderar el consumo, lo que evitará una descarga dañina y excesiva del acumulador.
    • Desconexión por batería baja (corte por baja): esta función hace que el regulador corte el suministro de corriente hacia los consumos si el nivel de carga del acumulador es demasiado bajo y, por tanto, corre el peligro de una descarga profunda, hecho que originaría problemas de sulfatación.
    • Protección contra cortocircuitos: esta función permite, mediante un fusible, proteger el regulador, así como la salida del acumulador de sufrir intensidades elevadas en caso de cortocircuito en alguno de los circuitos de consumo de la instalación.
    • Visualización de funciones: la mayoría de reguladores tienen algún sistema visual que permite obtener información sobre el estado de la instalación, simplemente con unos indicadores diciendo que los paneles están dando corriente, si la batería está cargada o descargada, o bien más cuidadosamente por medio de indicadores de los niveles actuales de carga, voltaje de baterías ...

    ¿Cuáles son los tipos de reguladores de carga?

      En función del principio de funcionamiento hay los siguientes tipos de reguladores de carga:

      • Reguladores de carga tipo paralelo (shunt).
      • Reguladores de carga tipo serie.

      Reguladores de carga tipo paralelo (shunt)

      Regulador de carga tipo paraleloLos reguladores de carga shunt basan su funcionamiento en un transistor que deriva la corriente procedente de los módulos hacia una carga resistiva de disipación. Permite establecer valores de voltaje de batería para los que esta desviación se hace de manera intermitente a fin de lograr mantener el acumulador en el nivel de máxima carga (flotación).

      Este sistema provoca calentamiento del mismo regulador, lo que provoca desgaste y pérdidas y, por tanto, los reguladores de este tipo tienen limitado la corriente de trabajo a pocos amperios y, por tanto, serán válidos para instalaciones fotovoltaicas pequeñas.

      Reguladores de carga tipo serie

      Este tipo de reguladores basan su funcionamiento en la interrupción de la corriente hacia la batería, en función de su voltaje. Gracias a las tecnologías actuales, este interruptor es progresivo, por lo que se puede mandar para poder tener diferentes niveles de carga.

      Controlador de carga

      La corriente de flotación se puede hacer manteniendo un nivel bajo de intensidad de carga o bien conmutando momentos de carga y momentos de no-carga para favorecer la no gasificación de la batería.

      Este tipo de reguladores se conectan en serie entre los paneles y la batería y, como no disipan calor, pueden ser más bien pequeños y pueden ir montados en lugares cerrados si fuera necesario.

      Otros modelos de reguladores de este mismo tipo, usados ​​en grandes instalaciones, desvían la corriente de los paneles en otros circuitos cuando las baterías están cargadas para utilizar esta energía para otros usos.

      Otros modelos desconectando automáticamente los paneles solares o grupos de paneles fotovoltaicos a medida que la tensión de la batería crece, para dejar pasar sólo la corriente necesaria y nunca en exceso.

      Muchos reguladores de carga llevan incorporadas otras funciones para la visualización y control del funcionamiento de la instalación solar fotovoltaica como pueden ser: 

      • voltio milímetros y amperímetros;
      • alarmas por baja tensión de batería;
      • sensor de temperatura que regula automáticamente el valor de la tensión máxima de carga;
      • desconectadores automáticos del circuito de consumo por baja tensión; contadores de amperios por hora; visualizadores digitales;
      • módulo de adquisición de datos; módulo de regulación con seguidor de punto de máxima potencia, etc.

      ¿Qué es un diodo de bloqueo?

        Un elemento especialmente importante que incorporan muchos reguladores es un diodo de bloqueo.

        El diodo de bloqueo permite el paso de corriente en un solo sentido desde los paneles en la batería y no en sentido contrario. Este diodo es necesario cuando la radiación solar es baja y la tensión de la batería es superior a la de los paneles fotovoltaicos, así se evita que la batería se descargue por los paneles solares fotovoltaicos.

        Es importante no confundir este diodo de bloqueo con el diodo de bypass (variante) de los modulos fotovoltaicos, ya que las funciones que realizan son muy diferentes.

        Si por accidente o por defecto de aislamiento hay un error en el sistema de protección de toma de tierra, la corriente puede circular en sentido contrario al normal y pasar a través de un panel solar o grupo de paneles solares antes de huir por la toma de tierra.

        En estos casos, la presencia del diodo de bloqueo es muy importante para evitar daños en los módulos fotovoltaicos.

        Un muy buen aislamiento y una buena toma de tierra segura podrían evitar la necesidad de instalar el diodo de bloqueo. Como el diodo de bloqueo produce una caída de tensión adicional de 0,5 a 1 V, resulta una razón más para diseñar la tensión de los paneles superior a la necesaria para cargar las baterías.

        ¿Qué son los reguladores de carga con seguimiento de máxima potencia?

        Los reguladores de carga con seguimiento de máxima potencia son controladores de carga que incorporan un convertidor ce coriente contínua a corriente alternaa la salida de los módulos solares.

        Este convertidor de corriente permite aislar el voltaje de trabajo de los módulos fotovoltaicos del voltaje de las baterías . De esta manera, los módulos pueden trabajar en su punto de máxima potencia y, por tanto, el máximo rendimiento posible.

        Ejemplo de controlador de carga con seguimiento de máxima potencia

        Si tomamos como ejemplo un módulo fotovoltaico en el que los datos que aporta el fabricante son: 53 Wp a 17,4 V y 3,05 A.

        Cuando conectamos el módulo directamente a un acumulador con un voltaje entre bornes que, en este momento, es de 12 V, el módulo está entregando realmente una potencia de:

        P real = 12 V · 3,05 A = 36,6 W

        Es decir, que de los 53 W disponibles, cuando se carga directamente una batería con 12 V en bornes, sólo aprovechamos 36,6 W, lo que implica un 30% de pérdida de potencia.

        La pregunta es: ¿dónde están el resto de Watts que faltan? En ninguna parte, ya que la generación del módulo es de corriente y no de potencia.

        El objetivo es conseguir la máxima potencia del módulo fotovoltaico mediante reguladores de carga con un buscador de máxima potencia. En este buscador, se desarrolla la compensación posterior de tensión por intensidad.

        Controladores de carga independientes

        Los controladores de carga se venden a los consumidores como dispositivos separados, a menudo junto con generadores de energía solar o energía eólica, para usos como sistemas de almacenamiento de baterías domésticas.

        En aplicaciones solares, los controladores de carga también pueden llamarse reguladores solares.

        Algunos controladores de carga / reguladores solares tienen características adicionales, como una desconexión de bajo voltaje (LVD), un circuito separado que apaga la carga cuando las baterías se descargan excesivamente (algunas químicas de la batería son tales que la descarga excesiva puede arruinar la batería).

        Los controladores puede ser en serie o de desviación:

        • Un regulador de carga en serie o un regulador en serie deshabilita el flujo de corriente hacia las baterías cuando están llenas.
        • Un controlador de carga de derivación o regulador de derivación desvía el exceso de electricidad a una carga auxiliar o de "derivación", como un calentador de agua eléctrico, cuando las baterías están llenas.

        Los reguladores de carga simples dejan de cargar una batería cuando exceden un nivel de alto voltaje establecido y vuelven a habilitar la carga cuando el voltaje de la batería cae por debajo de ese nivel. Las tecnologías de modulación de ancho de pulso (PWM) y rastreador de punto de máxima potencia (MPPT) son más sofisticadas electrónicamente, ajustando las tasas de carga según el nivel de la batería, para permitir la carga más cerca de su capacidad máxima.

        Los controladores de carga también pueden controlar la temperatura de la batería para evitar el sobrecalentamiento. Algunos sistemas de regulación de carga también muestran datos, transmiten datos a pantallas remotas y registran datos para rastrear el flujo eléctrico a lo largo del tiempo.

        Autor:

        Fecha publicación: 8 de abril de 2016
        Última revisión: 8 de abril de 2020