Reguladores

Los reguladores de carga solar son unos dispositivos electrónicos que desempeñan un papel fundamental en la gestión de la energía en un sistema fotovoltaico.

La principal función de un regulador es controlar de manera precisa el flujo de energía entre los paneles solares y las baterías, protegiéndolas de condiciones de funcionamiento que podrían acortar su vida útil o dañarlas.

Para proteger las baterías, el regulador evita que se produzca tanto la sobrecarga como la sobredescarga de estas:

● Prevención de la sobrecarga en la batería: una vez que la batería alcanza su estado de carga completo, el regulador desconecta o limita la corriente proveniente de los paneles solares.

La tensión de los módulos o paneles puede llegar a valores máximos incluso superiores al 40% de la tensión nominal de la batería.

La sobrecarga provoca una aumento de la temperatura interna de la batería, acelerando los procesos de corrosión y reduciendo su vida útil. En casos extremos, puede generar gases inflamables e incluso provocar una explosión.

● Prevención de la sobredescarga en la batería: el regulador desconecta la carga cuando la tensión de la batería alcanza un valor mínimo preestablecido.

La sobredescarga reduce la capacidad de la batería de forma permanente, puede dañar sus celdas y reducir su vida útil de forma significativa.

En algunos sistemas, especialmente aquellos con inversores híbridos o multifunción, el regulador de carga puede estar integrado en el propio inversor.

El regulador de carga es un componente esencial en cualquier sistema fotovoltaico, ya que garantiza un funcionamiento seguro y eficiente de las baterías. En el procedimiento de cálculo de instalaciones fotovoltaicas, su elección debe basarse en las características del sistema y en el tipo de baterías utilizadas.

Tipos de Reguladores

Los reguladores de carga solar se pueden clasificar según la tecnología de regulación empleada en 2 tipos: reguladores PWM y reguladores MPPT.

Reguladores PWM (Pulse Width Modulation)

Estos dispositivos modulan la anchura de los pulsos de la señal de carga para proporcionar una carga constante a la batería. Este método asegura una entrega de energía más estable y uniforme, contribuyendo a extender la vida útil de la batería.

No obstante, los controladores PWM presentan limitaciones en cuanto a la eficiencia energética, ya que no optimizan completamente la tensión y la corriente de carga en función de las variaciones de luz y temperatura.

Por otro lado, suelen operar a una tensión cercana a la tensión de la batería, limitando el rango de funcionamiento de los paneles solares.

Debido a su menor coste y simplicidad, son adecuados para sistemas fotovoltaicos de baja a media potencia con baterías de capacidad reducida.

Reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracking)

Estos reguladores representan la tecnología más avanzada en controladores solares, permitiendo maximizar la conversión de energía generada por los módulos fotovoltaicos.

Funcionan mediante algoritmos que rastrean continuamente el punto de máxima potencia P_M, ajustando dinámicamente la corriente y la tensión de entrada para asegurar que el panel solar opere en su punto óptimo de rendimiento, independientemente de las condiciones de iluminación y temperatura.

Estos reguladores ofrecen una gran flexibilidad, ya que pueden trabajar con una amplia gama de voltajes de entrada, permitiendo utilizar paneles solares de diferentes tecnologías y tamaños.

A pesar de su mayor complejidad y coste inicial, los reguladores MPPT son más rentables a largo plazo, ya que reducen la necesidad de paneles solares adicionales al optimizar la producción de energía. Esto los hace ideales para instalaciones fotovoltaicas de alta potencia y bancos de baterías de gran capacidad.

Comparativa entre PWM y MPPT

A continuación, se realiza una comparativa entre los reguladores PMW y los reguladores MPPT:

Características de los Reguladores

Los principales parámetros que caracterizan a un regulador solar son los siguientes:

Tensión Nominal de Entrada V_N

Indica el rango de voltaje de entrada que el regulador puede manejar desde los paneles solares (PV+ / PV-).

Suele estar expresado en valores nominales como 12V, 24V o 48V, y determina la tensión de los paneles solares y baterías que se pueden conectar.

Corriente Máxima de Entrada I_REG

Representa la máxima corriente de entrada que el regulador puede soportar desde los paneles solares (PV+ / PV-).

Este valor debe ser superior a la corriente de cortocircuito I_SC de los paneles solares o módulos fotovoltaicos instalados para evitar daños en el regulador.

Corriente Máxima de Salida

Indica el valor de la corriente máxima de salida que el regulador puede suministrar a la carga desde sus terminales (LOAD+ y LOAD-).

Este valor debe ser adecuado a la capacidad de descarga de la batería y a la demanda de la carga conectada. Si la corriente solicitada por las cargas es mayor a la corriente máxima de salida del regulador, este quedará sobrecargado.

Voltajes de Desconexión y Reconexión

Estos valores definen los umbrales de tensión a los cuales el regulador desconecta o reconecta la carga.

Estos voltajes suelen venir programados para los diferentes tipos de baterías, pero en muchos reguladores pueden configurarse por el usuario.

El voltaje de desconexión protege a la batería de descargas profundas, mientras que el voltaje de reconexión permite que la carga se conecte nuevamente cuando la batería ha recuperado suficiente energía.

Tipo de Batería del Regulador

Los reguladores solares pueden estar diseñados para trabajar con diferentes tipos de baterías.

Es importante seleccionar un regulador compatible con el tipo de batería utilizado en el sistema, como ácido-plomo, gel, AGM, litio, entre otros.

Protecciones del Regulador

Los reguladores incorporan diversas protecciones para garantizar su integridad, así como la de los elementos que controlan.

Suelen disponer de las siguientes protecciones: contra sobrecargas y cortocircuitos (evita las sobreintensidades), contra sobretensión (protege de picos de tensión), contra polaridad inversa (evita daños en caso de una conexión incorrecta de los paneles solares en el regulador), etc.

Otras Características del Regulador

Además, los reguladores pueden caracterizarse por:

● Rendimiento: indica la proporción de energía que el regulador transfiere de los paneles solares a la batería. El rendimiento suele estar en torno al 90%. En un regulador MPPT puede llegar a ser mucho mayor, hasta el 95%.

● Algoritmo de carga: determina la forma en que el regulador controla la carga de la batería y puede variar según el tipo de regulador (PWM, MPPT, etc.).

● Comunicaciones: algunos reguladores permiten la conexión a un ordenador o a una aplicación móvil para monitorizar y controlar el sistema de forma remota.

Conexión de las Cargas en los Reguladores

Los reguladores de carga solar se clasifican según la forma en que se conectan las cargas, dando lugar a 2 tipos principales: regulador de carga solar con conexión de carga y regulador de carga solar sin conexión de carga.

Regulador con Conexión de Carga

Los reguladores con conexión de carga, además de controlar la carga de la batería, disponen de bornes de salida (LOAD+ / LOAD-) para conectar directamente las cargas.

Estos reguladores limitan la corriente y tensión de carga para evitar la sobrecarga de la batería. También, desconectan la carga cuando el voltaje de la batería cae por debajo de un umbral predefinido, evitando descargas profundas.

Además, suelen proteger tanto a la batería como al propio regulador contra cortocircuitos que puedan producirse accidentalmente en las cargas o receptores. De este modo, evita que se sobrepase la corriente de descarga máxima de la batería.

Permiten configurar parámetros específicos para diferentes tecnologías de baterías (plomo-ácido, AGM, gel o litio).

En la siguiente se observan los bornes de un regulador con conexión de carga:

donde:

PV+ / PV- = bornes (positivo y negativo) de conexión de los paneles

BAT+ / BAT- = bornes (positivo y negativo) de conexión de baterías

LOAD+ / LOAD- = bornes de conexión para cargas de corriente continua CC

Regulador con Conexión de Carga para Pequeñas Potencias

La mayoría de los reguladores con conexión de carga para sistemas pequeños tienen una corriente máxima de salida relativamente baja. Si bien la tensión de salida suele ser bastante estable, las fluctuaciones de la carga o de la tensión de entrada pueden causar pequeñas variaciones.

Aunque suelen incluir protecciones básicas como cortocircuito y sobrecarga, las protecciones más avanzadas, como la protección contra sobretensión o la limitación de potencia, pueden estar ausentes en modelos más simples.

Generalmente, la salida de carga (LOAD+ y LOAD-) suele estar diseñada para cargas de corriente continua (CC) de bajo consumo, aunque depende del modelo de regulador. Son ideales para alimentar luces LED, pequeños electrodomésticos o sistemas de bombeo de agua de bajo caudal.

Regulador con Conexión de Carga para Grandes Potencias

Debido a las altas corrientes involucradas, el inversor se conecta directamente a la batería, sin pasar por el regulador. Además, disponen de la salida de carga (LOAD+ y LOAD-) para cargas de corriente continua (CC) de bajo consumo.

El regulador, aunque puede controlar el voltaje de la batería, no tiene un control directo sobre las cargas CA conectadas al inversor. Puede desconectar la carga de CC de su salida (LOAD+ y LOAD-), pero no la carga de CA del inversor.

Observamos en el siguiente esquema que, si las cargas de CA demandan mucha energía y la batería tiene un nivel bajo de carga, aunque el regulador desconecte la batería de sus terminales (BAT+ y BAT-), las cargas seguirán conectadas a la batería mediante el inversor.

Por ello, para evitar que la batería se siga descargando y sufra daños, es fundamental que el inversor incorpore funciones de protección de la batería, como la desconexión por bajo voltaje.

Regulador sin Conexión de Carga

Los reguladores sin conexión de carga realizan el control de carga de la batería de forma similar a los reguladores con conexión de carga, pero no disponen de bornes de salida (LOAD+ / LOAD-) para conectar directamente las cargas.

En la siguiente figura se observan los bornes de un regulador sin conexión de carga:

donde:

PV+ / PV- = bornes (positivo y negativo) de conexión de los paneles

BAT+ / BAT- = bornes (positivo y negativo) de conexión de baterías

Tanto las cargas de CC como el inversor se conectan directamente a la batería. Esto significa que se deberá de disponer de mecanismos para desconectar las cargas cuando el voltaje de la batería sea bajo.

La desconexión de las cargas de la batería cuando el voltaje de esta sea bajo, se podrá realizar de 2 formas:

● Dispositivo de protección de batería (DPB): se puede instalar un DPB adicional para proteger la batería. Estos dispositivos monitorean continuamente el voltaje de la batería y pueden desconectar la carga, activar alarmas o realizar otras acciones para proteger la batería. Será imprescindible para cargas de CC.

● Inversor: actualmente suelen incorporar protecciones de bajo voltaje que desconectan automáticamente la carga cuando el voltaje de la batería cae por debajo de un umbral preestablecido. Esto evita que la batería se descargue en exceso y se dañe.

Como se observa en el siguiente esquema, las cargas se conectan a la batería, directamente si son cargas de corriente continua (CC), o mediante inversor si son cargas de corriente alterna (CA).

Elección del Regulador

La elección del regulador adecuado garantizará un funcionamiento óptimo del sistema solar, prolongará la vida útil de las baterías y maximizará la producción de energía.

Factores Clave en la Elección de un Regulador Solar

La elección del tipo de regulador dependerá de diversos factores, como:

1º) Tamaño del sistema: para sistemas pequeños, un regulador PWM puede ser suficiente. Para sistemas más grandes, se recomienda un regulador MPPT.

2º) Presupuesto: los reguladores MPPT son más caros, pero a largo plazo pueden resultar más rentables debido a su mayor eficiencia.

3º) Condiciones climáticas: en regiones con condiciones climáticas variables, un regulador MPPT puede aprovechar mejor la energía solar disponible.

Parámetros Técnicos del Regulador a Considerar

Además, para poder elegir el regulador adecuado hay que conocer la tensión y la corriente de la carga que se va a conectar al sistema fotovoltaico:

● Tensión nominal del regulador o reguladores: coincidirá con la tensión de la carga, normalmente de 12, 24 o 48 V.

● Corriente que debe soportar el regulador o los reguladores (I_REGULADORES): el regulador o reguladores (si fuera necesaria la instalación de varios), siempre deberá soportar la máxima corriente que se pueda extraer de los paneles fotovoltaicos (intensidad de cortocircuito Isc). Esa será la corriente máxima que deba proporcionar a la carga.

La máxima corriente I_{SC_PANELES} que se puede extraer de los paneles o módulos fotovoltaicos será:

donde:

Nº de ramas = número de ramas en paralelo del grupo generador fotovoltaico

Isc = intensidad de cortocircuito de un módulo o panel

Y aplicando un margen de seguridad del 10% para evitar que el regulador o reguladores puedan trabajar al límite, la corriente que debe soportar el regulador o los reguladores, I_REGULADORES, deberá ser al menos:

La máxima corriente de entrada que el regulador puede soportar desde los paneles solares, la denominamos como I_REG. Entonces, se elegirá un regulador cuya corriente máxima de entrada I_REG, según sus hojas de características, sea igual o inmediatamente superior a este valor I_REGULADORES, es decir, I_REG ≥ I_REGULADORES.

La tensión del regulador también deberá ajustarse a la tensión de la instalación (usualmente 12, 24 o 48 V).

A continuación se muestra un ejemplo de las características básicas que proporciona un fabricante de reguladores:

Se observa que algunos reguladores se pueden utilizar para diferentes tensiones nominales, por ejemplo, para 12 V o 24 V.

Si no encontramos un regulador con suficiente corriente máxima I_REG, podremos incrementar esta corriente asociando reguladores en paralelo.

Asociación de Reguladores

En instalaciones grandes puede ser necesario asociar reguladores en paralelo (nunca se conectan en serie). La conexión en paralelo se hace de la siguiente forma:

● Distribución equitativa: los paneles se distribuyen de forma simétrica entre los reguladores, asegurando que cada uno tenga el mismo nº de paneles. Los reguladores deben ser idénticos.

Por ejemplo, para una instalación de 6 ramas, podríamos utilizar 2 reguladores (un regulador por cada 3 ramas), o 3 reguladores (un regulador por cada 2 ramas) o 6 reguladores (un regulador por cada rama).

● Conexión del banco de baterías: el banco de baterías se conecta a todos los reguladores de manera paralela (BAT+ y BAT-), uniendo los terminales positivos y negativos correspondientes.

● Conexión de la carga: se conecta la carga a cada uno de los terminales correspondientes (LOAD+ y LOAD-) de todos los reguladores o al banco de baterías (BAT+ y BAT-), si se trata de un regulador sin conexión de carga.

Ejemplo: Realizar el esquema de conexión de 2 reguladores, con conexión de carga, en una instalación con 8 ramas de paneles fotovoltaicos.

A continuación, se muestra el esquema de conexión de los 2 reguladores con conexión de carga en los que se han distribuido las ramas de baterías de forma equitativa entre ambos.

Para elegir el número de reguladores a conectar en paralelo se realizará el siguiente cociente:

siendo:

I_REGULADORES = corriente total que deben soportar todos los reguladores

I_REG = corriente máxima de entrada del regulador seleccionado, según sus características

Es muy importante tener en cuenta el valor económico de utilizar un solo regulador que soporte una elevada corriente o varios reguladores que controlen varias ramas. De forma general, siempre escogeremos la opción más económica.

Ejercicios Resueltos de Reguladores

A continuación, se presentan 2 ejercicios resueltos sobre la corriente que deben soportar los reguladores, así como de la asociación y conexión de más de un regulador.

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