MODULO
REGULADORES
O CONTROLADORES SOLARES EN GENERACION SOLAR FOTOVOLTAICA
AUTOR
ING
ANTONIO FAVIO OSPINO MARTINEZ
CANAL
YOUTUBE: ANTONIO OSPINO
TABLA
DE CONTENIDO DEL MODULO
1. GENERALIDADES DE LOS CONTROLADORES O REGULADORES SOLARES DE
CARGA
1.1. OPERACIÓN DE UN REGULADOR O CONTROLADOR SOLAR
1.2. PROCESO DE CARGA DE UNA BATERIA POR MEDIO DE UN REGULADOR
1.3. CORRIENTE QUE ENTREGA EL REGULADOR POR SU PUERTO DE CARGA
1.4. DIFERENCIAS ENTRE REGULADORES MPPT Y PWM
1.5. RECOMEDACIONES A LA HORA DE INSTALAR REGULADORES
1.6. DATOS TECNICOS QUE NOS ENTREGAN LOS FABRICANTES DE LOS
REGULADORES O CONTROLADORES.
1.7. SELECCIÓN DE UN REGULADOR SOLAR A PARTIR DE LA DE POTENCIA
ESPECIFICA DE UN ARREGLO DE MODULOS.
1.9. CODIGOS DE FALLAS Y MENSAJES COMUNES EN REGULADORES SOLARES.
1.
GENERALIDADES DE LOS CONTROLADORES O REGULADORES
SOLARES DE CARGA
Entre sus funciones están:
•
Regular la energía
proveniente de los módulos solares de manera que se pueda realizar una optima
carga de las baterías y proporcionar una energía estable a las cargas DC en su
puerto de carga.
•
Proteger a las
baterías de sobrecargas o descargas profundas que afectan su período de vida.
•
Proporcionar
energía a equipos DC por su puerto de carga.
Entre las características a tener en cuenta para su
selección están:
·
Corriente máxima de entrada del grupo de módulos, la
cual determina la capacidad en amperios del regulador y tensión del sistema de
baterías.
·
Potencia y tensión máxima de entrada del grupo de
módulos.
·
Corriente de corto circuito Isc de los modulos ( para
los sistemas de protección como fusibles o disyuntores )
·
Máxima corriente para cargas DC que se conectaran al
regulador ( la capacidad de corriente del regulador debe ser un 20% superior a
la corriente máxima exigida por las cargas DC conectadas )
·
Tensión de la bateria o arreglo de baterias a cargar (
12, 24,36 o 48 Vdc ).
·
Capacidad en amperios hora ( AH ) de la batería o
banco de batería.
·
Indicadores de alarmas y estados de baterías que posea
el regulador
·
Protecciones eléctricas del regulador.
·
Tipo de carga de baterías PWM o MPPT
·
Tipos de baterias compatibles.
Las conexiones y accesorios comunes de estos equipos
son:
Los
nuevos reguladores poseen pantallas digitales donde pueden mostrar información
sobre:
Entre
los parámetros comunes que se pueden programar en estos equipos están:
1.1.
OPERACIÓN DE UN REGULADOR O CONTROLADOR
SOLAR
Ya sabemos que la función principal de este equipo es el de administrar la
carga de la batería y dar energía a cargas por su puerto LOAD. En su operación
se pueden presentar tres situaciones:
A ) Situación de baterías
descargadas sin tener cargas eléctricas conectadas al puerto load: Cuando los
módulos reciben la luz del sol, el regulador estabiliza la tensión de los
módulos y la corriente de carga de las baterías. Cuando las baterías están cargadas, el regulador
limita la corriente y tensión de carga de baterías, protegiendo a las mismas de
sobre cargas.
B)
Situacion con alta produccion de energia de modulos, baterias cargando y
conexión de algunas cargas electricas al puerto load: Cuando se conectan cargas
el regulador, parte de la corriente encargada de cargar las baterías ahora se
emplea para las cargas.
C
) Situacion con baja produccion de energia de modulos, baterias cargadas y
conexión de algunas cargas electricas al puerto load: Si la carga requiere mas
energía que la que están entregando los módulos, entonces el regulador toma
energía de la batería para alimentar la carga con ayuda de la energía de los
módulos.
1.2.
PROCESO DE CARGA DE UNA BATERIA POR MEDIO
DE UN REGULADOR
PRIMERA ETAPA CARGA RAPIDA – QUICK CHARGE – DIRECT
CHARGE (BULK) : En esta etapa,
la batería está descargada y el regulador inyecta carga en forma rápida y con
altas corrientes para incrementar rápidamente la tensión de la batería hasta un
valor determinado donde se tendrá entre un 80 a 90% de la carga máxima de la
misma.
SEGUNDA ETAPA DE ABSORCIÓN – ABS: En esta etapa, cuando la batería llega a la tensión
de absorción, por lo general alrededor de los 14,4 vdc ( 14, 2 v para baterias
gel; 14, 4 v para baterias SLD ) el
regulador comienza a reducir la
corriente de carga y mantiene un valor de tensión estable ligeramente inferior
de dicho valor de tensión de absorción hasta completar la carga máxima de la
batería ( 100 % ). El tiempo estimado de esta etapa es de dos horas.
TERCERA ETAPA DE FLOTACION – FLOAT: En esta
etapa, el regulador reduce la tensión alrededor de 13.8 Vdc y la corriente de carga sigue
disminuyendo hasta completar el proceso de carga full de la batería y compensar
la autodescarga de la misma de forma que esté al 100%
ETAPA DE ECUALIZACION O GASEO – EQU: En esta etapa se pretende mantener homogenea la
concentración del electrolito liquido y por eso se elevan las tensiones para
producir la gasificación del mismo y de esta forma lograr que las celdas tengan
la misma tensión. Esta etapa se activa siempre y cuando la batería haya sufrido
una descarga fuerte y con ciertos periodos de tiempo. El tiempo estimado de
ésta etapa es de dos horas. No se aplica a baterías con electrolitos tipo gel.
1.3.
CORRIENTE QUE ENTREGA EL REGULADOR POR SU
PUERTO DE CARGA
Si
no lo dice en el catalogo, use la siguiente fórmula para hallar la corriente
máxima recomendada del puerto de carga del regulador.
Corriente Máxima del Puerto de Carga del Regulador =
0.8 x Corriente Nominal o de referencia del regulador.
En
el caso que se tenga un regulador seleccionado es de 30 amperios, por tanto:
Corriente Máxima del Puerto de Carga del Regulador =
0.8 x 30 Amp Corriente Máxima del Puerto de Carga del Regulador = 24 Amp
1.4.
DIFERENCIAS ENTRE REGULADORES MPPT Y PWM
De los reguladores de tipo PWM, podemos decir:
•
Fáciles de
conseguir.
•
De bajo costo.
•
Varias
capacidades.
•
Fáciles de
instalar.
•
No aprovecha el
100% de la capacidad del panel.
•
Ideales para bajas
capacidades de generación hasta 2400 Wp
•
Tensiones de
entrada de módulos solares menores de 100 voltios.
De
los reguladores de tipo MPPT, podemos decir que:
•
Fáciles de
conseguir.
•
De medio a alto
costo.
•
Varias
capacidades.
•
Fáciles de
instalar.
•
Aprovecha el 100%
de la capacidad del panel.
•
Aproximadamente
30% mas eficiente que uno de su misma capacidad en PWM.
•
Ideales para todas
las capacidades de generación.
•
Tensiones de
entrada de módulos solares mayores de 50 voltios.
•
Permiten mayores
potencia de entrada de modulos en comparación con los reguladores PWM
Ver
video:
|
GENERALIDADES DE LOS REGULADORES O
CONTROLADORES SOLARES EN SISTEMAS AISLADOS U OFF GRID |
|
1.5.
RECOMEDACIONES A LA HORA DE INSTALAR
REGULADORES
Entre las recomendaciones comunes se tienen:
Es bueno verificar esta corriente de carga en el
catalogo del regulador, para de esta forma poder hacer una selección correcta
del calibre del cable a las baterías.
Esto porque es un equipo electrónico que es
susceptible a la humedad y altas temperaturas.
Ver videos:
|
GENERALIDADES DE LOS
REGULADORES DE CARGA SOLAR |
|
RECOMENDACIÓN EN LA INSTALACION
DE REGULADORES SOLARES |
1.6.
DATOS TECNICOS QUE NOS ENTREGAN LOS
FABRICANTES DE LOS REGULADORES O CONTROLADORES.
E s muy importante analizar la información que nos entregan los catálogos
de los reguladores, los cuales nos ayudan no solo a su selección, sino también
a configurar el arreglo de paneles que trabajan con el mismo, así como las
baterías y configuración.
Corriente
nominal del controlador: Es la
corriente o de referencia comercial del controlador solar. Muchas veces también
se toma como referencia para las corriente Isc del arreglo de móduloss que No
debe exceder este valor. Se puede calcular mediante la división entre la
potencia de entrada de paneles en Watts sobre el voltaje del sistema en Voltios.
También se toma de referencia para el cálculo de la corriente máxima de salida
del puerto LOAD.
En la figura anterior, se observa que nos muestra
las capacidades de corrientes nominales que van del 20 a 60 amperios y el tipo
de carga MPPT.
Modo
de carga del controlador: Se refiere al
modo o la forma de carga que realiza el controlador a las baterías; los hay de
dos tipos los de tipo PWM y los de tipo MPPT.
Tipo
de sistema o de servicio: Se refiere a
la tensión del arreglo de baterías que se conectan al controlador; estos pueden
ser de 12, 24, 36 o 48 voltios.
Tensión máximo PV o tensión máxima de entrada: Se refiere a la máxima tensión del grupo de módulos ( Voc ) que puede soportar el controlador, por tanto se procura que:
Voc Arreglo Modulos < COV
Otros
controladores especifican al máximo valor de tensión Voc del arreglo de módulos
que puede soportar el controlador, dependiendo de la tensión del arreglo o
grupo de baterías.
Potencia
nominal PV: Se refiere al
máximo valor de potencia Pmax o WP del arreglo o grupo de módulos solares que
puede soportar el controlador, dependiendo de la tensión del arreglo o grupo de
baterías y de la corriente nominal del controlador.
Módulos recomendados y distribución del grupo de modulos: Muchos fabricantes indican el Wp del
módulo adecuado, cantidad e incluso la distribución o conformación del arreglo o
grupo de los mismos.
Capacidad de la batería de la configuración: Se refiere a la máxima capacidad del
arreglo de baterías en amperios – hora ( AH ), dependiendo de la corriente
nominal del controlador.
Línea de
instalación: Hace referencia al calibre AWG de los cables de
alimentación de los modulos al controlador, dependiendo de la corriente nominal
del mismo. Sin embargo hay que revisar esta recomendación debido a que las
distancias influyen mucho en el tamaño de los mismos de acuerdo a las caídas de
tensión.
A continuación, se muestran unas tablas donde están
los datos generales en lo relacionado a potencias de los módulos, calibres de
cables de cables, corrientes de entradas para los diferentes tipos de
reguladores. Hay que recordar que las siguientes tablas son datos generales y
que la mejor información es la que brinda el catalogo o manual del fabricante.
Ver video:
|
ANALISIS DE DATOS TECNICOS DE
UN REGULADOR O CONTROLADOR SOLAR |
|
1.7.
SELECCIÓN DE UN REGULADOR SOLAR A PARTIR
DE LA DE POTENCIA ESPECIFICA DE UN ARREGLO DE MODULOS.
Se parte del requerimiento de potencia que se haya
obtenido de un estudio de carga previo; el insumo es el valor de potencia
requerida en Watts:
En la tabla de datos del
fabricante se van a buscar las tensiones del sistema y la corriente nominal o
de selección del regulador y que sean compatibles con la potencia requerida en módulos
solares.
Para el caso, vamos a
obtener 3 diferentes soluciones:
·
Controlador 30 A, sistema a 48 Voltios, Max potencia soportada en módulos
1560 watts
·
Controlador 30 A, sistema a 36 Voltios, Max potencia soportada en módulos
1560 watts
·
Controlador 60 A, sistema a 24 Voltios, Max potencia soportada en módulos
1560 watts
A continuación se
selecciona dos o tres posibles módulos para la construcción del arreglo o grupo,
para el caso:
De aquí vamos a trabajar con dos soluciones como
ejemplo:
Se determinan las condiciones que debe cumplir el
arreglo de módulos de acuerdo a datos técnicos del regulador de 30 amperios.
Del análisis de la grafica anterior se obtienen los
siguientes resultados:
·
Wp máximo de entrada al regulador: 1560 watt
·
Máxima corriente
del regulador: 30 Amp
·
Máxima tensión de
entrada al regulador: 130 V
·
Tensión del
sistema de baterías: 48 vdc
Si usamos un módulo de 150 watts:
Se construye un ramal con módulos en serie cuyo Voc
final se acerque al valor de la tensión de entrada máxima al regulador, para
este caso de 130 Vdc , la potencia total
del ramal y corriente de corto Isc del Ramal.
Para el caso se usan 5 modulos en serie, cuyo Voc
es de 112, 1 voltios y no se puede colocar un sexto, porque se excede la
tensión máxima permitida por el regulador.
Ahora, se construyen ramales en paralelo con los
módulos restantes grupo y se verifican
que el valor de la potencia del grupo no exceda la capacidad del
regulador, y verificamos la tensión Voc y corriente de corto circuito Isc del
grupo:
Con este grupo se tienen los siguientes valores de
sus parámetros:
Voc Grupo = Voc Ramal = 112,1 V
Wp Grupo = 2 * Wp Ramal
Wp Grupo =2 * 750 Watt = 1500
watt
Isc Grupo = 2 * Isc Ramal
Isc Grupo = 2 * 8,45 A = 16,9 A
En conclusión:
·
Se necesitan 10 módulos para cumplir la capacidad
requerida de 1500 watts.
·
Hay que colocar 5 módulos en serie para cumplir con la
tensión de entrada al regulador
·
Se colocan dos subarreglos o ramales en paralelo.
Si usamos un módulo de 250 watts:
Se construye un ramal con módulos en serie cuyo Voc
final se acerque al valor de la tensión de entrada máxima al regulador, para
este caso de 130 Vdc , la potencia total
del ramal y corriente de corto Isc del Ramal.
Los parámetros de este ramal son:
Voc Ramal = 3* 37,8 V = 113,4
V
Wp Ramal = 3 * 250 Watt = 750
watt
Isc Ramal = Isc Modulo = 8,74 A
Para el caso se usan 3 modulos en serie, cuyo Voc
es de 113,4 voltios y no se puede colocar un cuarto, porque se excede la
tensión máxima permitida por el regulador.
Ahora, se construyen ramales en paralelo con los
módulos restantes grupo y se verifica
que el valor de la potencia del grupo no exceda la capacidad del
regulador, y verificamos la tensión Voc y corriente de corto circuito Isc del
grupo:
Con este grupo se tienen los siguientes valores de
sus parámetros:
Voc Grupo = Voc Ramal = 113,4 V
Wp Grupo = 2 * Wp Ramal
Wp Grupo =2 * 750 Watt = 1500
watt
Isc Grupo = 2 * Isc Ramal
Isc Grupo = 2 * 8,74 A = 17,48 A
En conclusión:
·
Se necesitan 6 módulos para cumplir la capacidad
requerida de 1500 watts.
·
Hay que colocar 3 módulos en serie.
·
Se colocan dos subarreglos o ramales en paralelo.
Si usamos un panel de 300 watts:
Se construye un ramal con módulos en serie cuyo Voc
final se acerque al valor de la tensión de entrada máxima al regulador, para
este caso de 130 Vdc, la potencia total
del ramal y corriente de corto Isc del Ramal.
En
este caso, la potencia máxima que se puede conformar en el grupo con módulos de
300 watts es de 1200 W; no podemos adicionar otro ramal, porque se tendría una
potencia máxima de 1800 watts y excedería la capacidad del regulador.
Por
esta razón, como no se alcanza la potencia requerida de 1500 watts, se analizan
otros modulos.
·
Se necesitan 4 módulos para cumplir la capacidad de
1200 watts que es inferior a la requerida.
·
Hay que colocar 2 módulos en serie.
·
Se colocan dos subarreglos o ramales en paralelo.
Vamos a realizar el análisis con un sistema de
baterías a 24 voltios con el regulador de 60 amperios:
Se determinan las
condiciones que debe cumplir el arreglo de módulos de acuerdo a datos técnicos
del regulador de 60 amperios:
Del análisis de la grafica anterior se obtienen los
siguientes resultados:
·
Wp máximo del regulador: 1560 watt
·
Máxima corriente
del regulador: 60 Amp
·
Máxima tensión de
entrada al regulador: 150 Vdc
·
Tensión del
sistema de baterias: 24 vdc.
Si usamos el módulo de 150 watts:
Se tiene el siguiente grupo final:
Sus parámetros son:
Wp Grupo = 10 * 150 Watt = 1500
watt
Voc Grupo = 5 * 22,42 V = 112 V
Isc Grupo = 2* 8,45 A = 16,9 A
En conclusión:
·
Se necesitan 10 módulos para cumplir la capacidad
requerida de 1500 watts.
·
Hay que colocar 5 módulos en serie.
·
Se colocan dos ramales en paralelo.
OBS:
En este caso, a pesar que se puede construir un ramal con 6 módulos, al
construir el segundo ramal, el grupo excedería la capacidad del regulador ( 6 S
2 P con 1800 Watts ), por tanto el grupo
quedaría limitado 5 módulos por ramal con una distribución de 5 S 2 P con 1500
Watts
Si usamos el módulo de 250 watts:
Se tendría el siguiente grupo final:
Los valores de sus parámetros son:
Wp Grupo = 6 * 250 Watt = 1500
watt
Voc Grupo = 3 * 37,8 V = 113,4
V
Isc Grupo = 2 * 8,74 A = 17,48 A
En conclusión:
·
Se necesitan 6 módulos para cumplir la capacidad
requerida de 1500 watts.
·
Hay que colocar 3 módulos en serie.
·
Se colocan dos subarreglos o ramales en paralelo.
OBS: En este caso, a pesar que se
puede construir un ramal con 4 módulos, al construir el segundo ramal, el grupo
excedería la capacidad del regulador ( 4 S 2 P con 2000 Watts ), por tanto el grupo quedaría limitado 3 módulos
por ramal con una distribución de 3 S 2 P con 1500 Watts
Pero entre los dos módulos que se analizaron, el de
150 Watts y el de 250 watts, la mejor elección es el de 250 Watts, ya que son
menos cantidad y por tanto la conexión es mas rápida y hay menos pérdidas
Ver video:
|
SELECCION DE REGULADORES SOLARES A PARTIR DE
UN REQUERIMIENTO DE POTENCIA DE MODULOS |
|
1.8.
SELECCIÓN GRUPOS DE MODULOS SOLARES A
PARTIR DE LAS CARACTERISTICAS DE UN REGULADOR O CONTROLADOR SOLAR.
En el catalogo del equipo debemos verificar:
- La
corriente nominal del controlador.( 10 ….60 A )
- La
tensión del sistema o de baterías ( 12, 24, 36, 48 voltios )
- Tipo
de carga de baterías ( PWM o MPPT )
- Máximo
tensión de entrada al controlador.
- Potencia
de modulos que soporta el controlador.
- Amperios
Hora que soporta el regulador.
Generalmente estos equipos traen la configuración de
potencia de entrada e inclusive el tipo de módulo dependiendo de la tensión de
las baterías, como en el siguiente caso:
En el caso anterior, la construcción del arreglo de
módulos es muy fácil, pero hay otros donde no traen esa información detallada,
sino que hay que saber escoger el modulo apropiado y de allí se conforma el
arreglo de los mismos.
Para esto, se tiene que
tener la ficha de datos del regulador o controlador solar; Hay reguladores de alta potencia, los cuales aceptan
altas tensiones de entrada de modulos, para trabajar en sistemas de 12, 24, 36
y 48 Vdc, las capacidades van desde 250 hasta 3100 Watt en Wp; para obtener
estas tensiones, estos módulos se conectan en serie y paralelo ( XS Y P )
Para este caso, se
desea construir el arreglo de modulos para una potencia de entrada Wp de 3120
Watts, tal como se observa:
Ahora se determinan las características del regulador
como:
Que se constatan en la ficha técnica del equipo:
Para la construcción del grupo de módulos, se debe
tener en cuenta lo siguiente:
En relación a la potencia nominal del modulo base:
Bajo estas
recomendaciones, entonces, se pueden formar muchos grupos o arreglos . tomemos
un ejemplo donde se desea construir
el arreglo de modulos para una potencia de entrada Wp de 3120 Watts.
Recordando las características técnicas del regulador seleccionado:
Características:
·
Regulador de 60 amperios.
·
Tensión de baterías de 48 voltios
·
Tensión máxima de entrada de módulos de
150 voltios
·
Potencia máxima de entrada de módulos de 3120
watts
Se selecciona el valor Wp de un módulo que nos dé un numero para formar el grupo
y con alto valor de Wp, para el caso, analizaremos un modulo de 340 Watts, y
verificamos su ficha técnica.
Se necesitan:
·
9 módulos
de 340 Wp cada uno.
·
Controlador
solar de 60 A, la tensión del sistema de baterías 48 voltios, máxima potencia
entrada 3120 Watts y máximo voltaje entrada 150 voltios.
Lo primero que se hace es
la construcción de un ramal que contenga un Voc cercano a la tensión máxima de
entrada del regulador, para este caso 150 voltios; se halla la potencia y
corriente Isc del ramal:
Los parámetros de este
ramal son:
Voc Ramal = 3* 47,07 V = 141,21 V
Wp Ramal = 3* 340 Watts = 1020 W
Isc Ramal = 9,59 A
Ahora, se verifica que, con la cantidad restante de módulos, se puedan
construir ramales iguales en paralelo ( sin que falte o sobre algún módulo ) y
se verifica la tensión Voc, la corriente Isc y la potencia total del arreglo o
grupo.
Los valores de los parámetros de este grupo son:
Voc Grupo = Voc Ramal = 141,21 V
Isc Grupo = 3 * Isc Ramal
Isc Grupo = 3 *9,53 A = 28,59 A
Wp Grupo = 3* Wp Ramal
Wp Grupo = 3*1020= 3060 watt
Ver video:
|
SELECCION
DE MODULOS Y ARREGLOS A PARTIR DE LAS CARACTERISTICAS TECNICAS DEL
CONTROLADOR SOLAR |
|
1.9.
CODIGOS DE FALLAS Y MENSAJES COMUNES EN
REGULADORES SOLARES.
Los reguladores solares, ya por ser equipos que
poseen electrónica avanzada, al igual que otros sistemas, nos muestran también
mensajes importantes y códigos de fallas, entre los mas comunes se tienen:
Ver video:
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