REGULADOR DE CARGA SOLAR

Las Instalaciones Fotovoltaicas Autónomas o Aisladas necesitan de un sistema de baterías o acumuladores para almacenar la energía producida en excedente cuando tenemos Sol y utilizarla posteriormente cuando los paneles no son capaces de producir la energía necesaria que demanda la instalación.

El control de este proceso de carga y descarga de las baterías lo realiza un dispositivo llamado "Regulador de Carga". Este dispositivo, a pesar de su sencillez y su bajo coste, comparado con el coste total de la instalación, es fundamental para proteger la vida útil de las baterías y mejorar el funcionamiento del sistema fotovoltaico.

En teoría controla la carga y la descarga de las baterías, mejor dicho, que no haya sobrecarga ni sobredescarga de las baterías aumentando así la vida útil de las misma, aunque el la práctica real, como luego veremos, solo controla la carga de ahí el nombre de regulador de carga.

Esquema Teórico:

instalacion solar fotovoltaica

¡OJO! En la práctica real el inversor solar siempre se conecta a la salida de las baterias, NUNCA al regulador, siendo el inversor el encargado de controlar que no se descargen en exceso y el regulador solo controla la carga de las baterías.

instalacion solar


En teoría, el regulador o controlador de carga podría trabajar en dos zonas diferentes, en la zona de carga, siendo su misión garantizar la carga suficiente de la batería evitando sobrecargas, y en la zona de descarga, asegurando el suministro eléctrico diario suficiente y evitando descargas más allá de la profundidad de descarga de la batería.

Pero como ya vimos, la zona de descarga no la realiza el regulador.
controlador de carga solar

El dimensionado de las instalaciones solares fotovoltaicas ISFTV se realiza de manera que se asegure el suministro de energía en las peores condiciones de luminosidad, por eso se toman como valores los valores en invierno.

Esto puede provocar que en verano la energía aportada por lo módulos fotovoltaicos sea casi el doble de los cálculos estimados, por lo que es imprescindible el regulador entre los paneles y la batería para no tener un exceso de carga y/o de corriente. Este exceso de corriente podría incluso hervir el líquido de las baterías.

¡¡¡OJO!!! En instalaciones conectadas a Red sin Baterías NO es necesario el Regulador de Carga, ya que no hay baterías.

¿Por Qué no se Conecta al Regulador el Inversor?

El regulador a su salida se puede conectar al inversor (si tiene bornes de salida a cc), pero en estos casos habrá que tener en cuenta que el regulador debe soportar la carga de la potencia total del suministro eléctrico de los receptores en alterna, es decir la intensidad máxima que soporta el regulador debe ser la misma que soporta el inversor, y la de este último suele ser muy grande.

Problema: tenemos que comprar un regulador muy caro o incluso puede que ni exista para esa intensidad tan grande.

Solo en los casos de instalaciones en alterna de poca potencia se recomienda conectar el inversor directamente al regulador o cuando la Intensidad de consumo sea igual o menor a la de carga procedente de los paneles solares.

Pongamos un ejemplo para entenderlo mejor. Una instalación autónoma con conexión del inversor al regulador en lugar de a la baterías.

Si tenemos un regulador de 30A y los paneles solo cargan 15, si solo consumieras 15 amperios, los sacarías directamente de los paneles pasando por el regulador y luego al inversor sin pasar por las baterías. Todo correcto.

Si ahora tenemos un consumo de 30A, lo máximo que permite el regulador sin que se queme, quiere decir que 15 salen de los paneles y los otros 15 de la batería. A la salida del regulador tenemos 30 amperios que irían al inversor. Todo correcto.

Hasta aquí todo correcto y parece que tiene sentido, ya que cargamos y descargamos menos las baterías, con lo que aumentaría su duración. Pero....

Si estamos utilizando un inversor de 1.000 Wts. a 12 V quiere decir que en un momento dado puedes consumir 1000/12 = 83.33 amperios y esa intensidad no la puedes sacar del regulador, ya que al intentarlo haría pluff, se quemaría.

Esto es lo que suele suceder siempre, que la intensidad que puede aguantar el inversor es mucho mayor que la del regulador.

La solución pasaría por poner un regulador con la misma intensidad que el inversor, pero como esta intensidad es mucho más grande, el problema es que o no existen reguladores tan grandes en el mercado o serían carísimos.

Solución Correcta: Inversor conectado a la batería. En este caso el regulador solo tiene que soportar la intensidad máxima de los paneles solares.

esquema instalacion fotovoltaica aislada

El problema del control de la descarga excesiva de la batería se soluciona con inversores que llevan la llamada "protección de bajo voltaje en batería" que lo que hace es que cuando las baterías bajan su tensión en bornes por debajo de un límite el inversor corta el suministro de las baterias para no agotarlas hasta que no supere ese umbral de tensión.

conexion inversor a bateria

¡¡¡OJO muy importante!!! Siempre se deben de colocar unos fusibles de protección entre la batería y el inversor para proteger el inversor en caso de sobreintensidad. Mejor que se quemen los fusibles que no el inversor que es mucho más caro. Realmente deberíamos ponerlos en todos los casos, este conectado a donde este conectado el inversor.

Otra alternativa, cada vez más usada en instalaciones con mucha potencia, es utilizar un inversor que lleva incorporado el regulador dentro de el, llamados Inversores/Reguladores. Esta alternativa reducirá gastos en cableado y pérdidas en el sistema, además de ahorrar en espacio.

Todos los reguladores suelen tener una salida en corriente continua llamado o utilizada como "cargador", para que el excedente de carga de los paneles se pueda aprovechar para alguna pequeña bombilla o electrodomestico a corriente continua, o incluso para recargar pequeños aparatos electrónicos en cc. OJO no conectar aqui el inversor, como ya vimos a la batería.

La única excepción a la necesidad de un regulador en un ISFTV es cuando la fuente de carga (módulos) producen mucha menos energía que la carga total de la batería. Si un módulo fotovoltaico produce 1.5% de la ampacidad (los amperios) de la batería o menos, entonces no se necesita regulador de carga. Cosa que no suele ser frecuente por el gasto que supondria una batería tan grande.

Funciones del Regulador

El regulador es un dispositivo electrónico regulador del voltaje y/o la corriente que cumple 3 funciones esenciales:

- Proteger la batería de acumuladores contra la sobrecarga o descarga profunda. En el caso que este cargada completamente la batería el regulador interrumpe la conexión con los paneles para evitar sobrecargar las baterías. A la inversa, cuando su carga desciende por debajo de cierto porcentaje (profundidad de descarga o DOD), corta la conexión con la red de consumo para evitar que se descargue por debajo de la profundidad de descarga marcada en el diseño de la instalación.

- Proteger a la batería de acumuladores contra la sobretensiones. A la entrada de las baterías pueden producirse sobretensiones, por ejemplo cuando desciende mucho la temperatura de trabajo de las celdas solares. El regulador protege a las baterías de estas sobretensiones que podrían dañarlas. Además los módulos solares suelen tener tensiones nominales mayores que las baterías para asegurar la carga correcta de la batería.

- Evitar la descarga nocturna de las baterías sobre los generadores fotovoltaicos. El regulador detecta que es de noche midiendo la tensión de entrada de los módulos fotovoltaicos. Cuando detecta que es de noche desconecta la entrada para evitar la circulación de corriente de la batería a las placas fotovoltaicas. Como solución básica, emplea un diodo que evita la circulación de corriente inversa.

Otros reguladores, dependiendo del fabricante, pueden protegernos contra cortocircuitos, medirnos la temperatura de las baterías, etc.

Calculo o Dimensionado del Regulador de Carga para una ISFTV

Primer Caso. Regulador a las Baterías e Inversor conectado a las Baterías también.

Los reguladores de carga vienen determinados por la intensidad máxima de trabajo (carga y descarga) y por el voltaje en que hayamos diseñado nuestra instalación. La intensidad de trabajo será la intensidad de entrada o procedente de los paneles solares.

Necesitamos un regulador que sea capaz de regular la máxima intensidad que pueda proceder de los paneles fotovoltaicos de la instalación. Esta intensidad la sacaremos de la intensidad de cortocircuito de los paneles (la máxima que puede dar cada panel).

Debemos primero ver en los paneles usados cual es la corriente de cortocircuito (Isc). Imagina que utilizamos dos paneles solares Schuco MPE 220 Solar Panel con las características siguientes.

caracteristicas panel solar Schuco

Se considera la corriente de cortocircuito (Isc) por ser la peor situación posible. Como ves los paneles elegidos tiene una corriente de cortocircuito de 8,12A.

Como ya debemos saber los módulos que conectemos en paralelo en la instalación sus intensidades de sumarán para darnos la intensidad total de la instalación. Los string o ramas de paneles en serie se conectan en la caja de conexiones de continua en paralelo, y estas ramas son las que nos da cada una la Isc de un solo panel. En serie se suman las tensiones pero las intensidades son las mismas. En paralelo las tensiones son las mismas pero se suman las intensidades.

Imagina que tenemos dos módulos en paralelo, entonces la intensidad total en cortocircuito sería de 8,12 x 2 = 16,24A. Para estar seguro y no tener problemas, se recomienda multiplicar el resultado por un factor de seguridad de 1.25.

La fórmula sería:

Corriente de entrada del regulador = Isc de cada módulo x Nº de ramas en paralelo x Factor de seguridad.

En nuestro caso: 8.12 Amp x 2 x 1.25 = 20.3 Amperios (corriente mínima de entrada del regulador).

Esta es la intensidad máxima que nos darán los paneles fotovoltaicos. La intensidad de salida a la batería siempre será igual o inferior a esta, ya que es la máxima que nos pueden generar los paneles para cargar la batería.

Por este motivo normalmente la intensidad de carga (la que viene de los paneles) y la de consumo (la que se envía a los receptores) suelen ser la misma en la mayoría de los reguladores de carga solares.

Si conectamos el regulador al inversor la intensidad de salida sería la que nos diera el resultado de dividir la potencia del inversor entre la tensión en continua. No es el caso.

Para nuestro ejemplo, debemos elegir un regulador que tenga esta intensidad de entrada o de carga igual o superior a 20.3A.

Si no tenemos el dato de la intensidad de cortocircuito del panel podríamos hacerlo sumando la potencia de todos los paneles de la instalación y dividirla entre la tensión de trabajo (la de la batería).

Recuerda que la Potencia = Tensión x Intensidad. Se trata de despejar la intensidad.

En nuestro ejemplo los módulos tienen una potencia máxima de 220Wp (vatios pico). Al tener 2 en paralelo la suma total de las potencias es de 440w.

Si te fijas en las características de los módulos la tensión a máxima potencia (Vmpp) es de 29,70V, lo que significa que la batería trabajará a 24V. Recuerda, siempre la tensión a máxima potencia de los paneles es un poco mayor a la de la batería.

Si la tensión a máxima potencia es de 29V usamos baterías de 24V, si la Vmpp fuera de 14V usaríamos una batería de 12V.

Si dividimos 440 entre esta tensión 24V, nos sale una intensidad de 18,33A. Al multiplicarla por el factor de seguridad (1,15) tenemos una intensidad de entrada de 21A. Elegiríamos el regulador con la intensidad de entrada igual o superior a 21A. Como ves sale más o menos el mismo resultado que antes.

Como la batería es de 24V, el regulador debe ser también de 24V, siempre de la misma tensión que la batería. De la siguiente tabla de reguladores podríamos usar cualquiera.

datos reguladores de carga

La intensidad de carga y la de consumo serán la misma al no estar conectado al inversor.

Muchos reguladores son bitensión (fíjate en los de la imagen de arriba), pudiendo funcionar tanto a 12V como a 24V solo cambiando la posición de un conmutador. También suelen admitir sobrecargas del 25% y la intensidad de carga y descarga es la misma.

Recordar que hay que colocar unos fusibles entre la batería y el inversor para proteger el inversor en caso de una sobrecarga para que no se queme.

El autoconsumo es la intensidad que necesita el propio regulador para su funcionamiento, en muchas ocasiones no se tiene en cuenta.

Importante: Normalmente lo que se debe hacer para un control adecuado de la carga de las baterías es elegir las baterías a las que se conecta el regulador en el display del propio regulador y el solo se encargaría de poner todos los datos correctamente para que la ISFTV funcione perfecta.

En los modelos más avanzados de reguladores puedes definir el nivel de voltaje mínimo de las baterias de forma manual y al valor que tu quieras, pero es más recomendable elegir el tipo de baterías y que sea el propio regulador el que lo elija.

2º Caso: Regulador Conectado al Inversor-NO RECOMENDABLE

Solo se recomienda este tipo de conexión para instalaciones cuyos receptores finales no se de mucha potencia o cuando la intensidad de carga y la de consumo sean muy parecidas. Pero....¿Por qué realizar este tipo de conexión?

El inversor conectado al regulador, en horas del dia cuando hay buena generación y si las baterias ya estan cagadas logramos alimentar un consumo moderado sin tocar las baterias, osea directo desde los paneles, cosa que no ocurre si conectamos el inversor a los bornes de la bateria.

Ahora cuidado, si el usuario demanda mucha potencia en un momento determinado, podria darsela los paneles y ayudar las baterías, con lo que el inversor podria consumir algunos picos de corriente que el regulador no soporte si lo calculamos para la intensidad de los paneles como en el caso anterior.

En estos casos lo que tenemos que hacer es calcular la intensidad de carga de igual forma que anteriormente hicimos, pero ahora además debemos calcular la intensidad de consumo de la siguiente forma: Debemos dividir la potencia prevista de todos los receptores de la instalación y dividirla entra la tensión. Habría que tomar la intensidad del IGA de la instalación en alterna, que es la máxima que permitirá que demande al inversor y por lo tanto al regulador.

Imagina que en el ejemplo anterior tenemos una suma de potencias en receptores (lavadora, frigorífico, lámparas, etc.) de 300w. Si la tensión de la batería es de 24V tenemos una intensidad de consumo o salida de 300/24 = 12.5A. El regulador debería tener una intensidad de salida o consumo mayor de 12.5 A. En este caso podríamos conectar el regulador con el inversor.

Podría darse el caso que la potencia prevista fuera bastante mayor, imagina que la intensidad de consumo fuera de 60A en el IGA, esto haría que tuvieramos que comprar un regulador mucho más caro, y no es eficiente. En este caso el inversor a la bateria. Además la instalación de paneles significa que estaría infradimensionada.

Recordar tambien que existen inversores que llevan incorporado el regulador. Además, los inversores si los conectamos a la batería no hay problema porque llevan protección contra exceso de descarga de la batería como el regulador para la profundidad de descarga deseada.

¿Qué pasa si la intensidad de consumo y de carga son muy grandes y no encuentro un Regulador para esa intensidad?

La solución sería dividir en dos partes el número total de paneles y utilizar 2 reguladores, cada uno para la intensidad de cada parte de los paneles. Es como hacer 2 instalaciones separadas para posteriormente unirlas en la batería.

Una vez que ya sabemos las características de nuestro regulador solo nos quede elegir de que tipo será.

Tipos de Reguladores

El regulador controla el estado de la batería midiendo la tensión en bornes de dicha batería. A partir de esta tensión se desarrolla el control de la carga y descarga, conectando o desconectando el generador fotovoltaico.

Según como se efectúe la regulación de la carga de la batería los reguladores se clasifican:

- Reguladores MPPT o maximizador: La sigla MPPT (Maximum Power Point Tracking ) significa: seguidor del punto de potencia máxima. El “punto” al que se hace mención es el que corresponde a los valores óptimos para el voltaje y corriente de salida que proporcionan la máxima potencia de salida.

Este tipo de control incorpora un limitador de corriente, para no sobrepasar la corriente máxima tolerada por las baterías cuando la potencia de entrada sube transitoriamente. Un regulador MPPT modula el voltaje del panel y lo adapta a las características de las baterías conectadas. Son los reguladores usados hoy en día en casi todas las ISFTV.

Son más caros que los que veremos a continuación pero consiguen una aumento de la producción energética de un 30% respecto a los PWM.

- Reguladores PWM o convencional: También llamados Todo o Nada. Fueron los primeros reguladores de carga que aparecieron en el mercado y realizaban el control de carga de la batería según un sistema “todo-nada” mediante la conmutación de elementos electromecánicos (relés), y se les podría denominar reguladores de una etapa.

El regulador permitía el paso de toda la corriente disponible en el generador fotovoltaico (FV) hasta que la tensión en la batería alcanzaba un valor predeterminado
(mas o menos a 14,5 V se considera llena). Llegado a este valor se interrumpía el paso de la corriente. Para valores menores de 12V en la batería volvía a establecer el paso de toda la corriente a las baterías desde los generadores FV.

Los controladores de carga PWM son menos costosos (que MPPT) y son una solución ideal para sistemas fotovoltaicos más pequeños donde el precio puede ser un punto crítico o donde la eficiencia máxima y la potencia adicional no son realmente necesarias.

reguladores de carga solares

Solo usaremos reguladores PWM en caso de instalaciones cuyos paneles suministren una potencia inferior a 200w. Para el resto siempre reguladores MPPT.

Si nos referimos a la forma de conmutación con la batería (conexión interna en el regulador para unir paneles a la bateria), encontramos dos tipos de sistemas de regulación:

- Reguladores en Serie, que incorpora interruptores, electromecánicos o electrónicos, que desconectan el generador cuando la tensión excede de un determinado nivel de referencia. Durante la noche, el circuito de carga permanece abierto, evitando que las baterías se descarguen en el panel fotovoltaico. Es el usado por casi todas las instalaciones hoy en día.

- Reguladores en Paralelo, donde el exceso de tensión se controla derivando la corriente a un circuito que disipa la energía sobrante. En la imagen puedes ver R como la resistencia de por donde se deriva la corriente sobrante. Los reguladores tipo paralelo han de disipar toda la corriente de salida del panel cuando el sistema de baterías alcanza el estado de plena carga.

Crea pérdidas de potencia y reduce el valor máximo del voltaje de carga. Esto hace que los controles paralelos sean menos eficientes que la versión en serie y están en desuso hoy en día. En paralelo solo se usan para instalaciones de pequeña potencia.

regulador de carga serie y paralelo
regulador serie y paralelo


Conclusión: Elegiremos reguladores en Serie del tipo MPPT que tengan intensidad de carga igual a la suma de las intensidades de cortocircuito de las ramas en paralelo de paneles en la instalación.

Conexión y Desconexión del Regulador a la Instalación

OJO los pasos para la conexión de un regulador en unes ISFTV deben seguir siempre el siguiente orden:

1. conectar la batería al regulador – positivo y negativo
2. conectar el módulo solar al regulador – positivo y negativo
3. conectar la carga al regulador – positivo y negativo

¡En caso de desinstalación se deberá proceder en orden, inverso!

regulador de carga conexion

El reajuste automático a sistemas bitensión de 12 V / 24 V no funcionará correctamente si el orden de conexión no es correcto. ¡Esto puede dañar la batería!

Escrito y Publicado por: Ernesto Rodriguez; Profesor del CIFP Tecnológico Industrial de León (España).

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