Menu

Panells d'energia
solar fotovoltaica

Regulador de càrrega

Regulador de càrrega

Els controladors o reguladors de càrrega són equips que controlen el voltatge i el corrent d'un panell solar o generador eòlic, lliurats a el parc de bateries.

El regulador de càrrega s'encarrega que en els processos de càrrega i descàrrega dels acumuladors es faci de manera que aquests estiguin sempre dins de les condicions correctes de funcionament.

Un regulador de càrrega limita la velocitat a la qual el corrent elèctric s'afegeix o s'extreu d'elèctrics bateries. Evita la sobrecàrrega i pot protegir contra sobretensió. La sobrecàrrega de les bateries pot reduir el rendiment de la bateria o la vida útil, i pot suposar un risc de seguretat.

Quines són les característiques dels controladors de càrrega?

El regulador de càrrega es pot subministrar en forma d'un dispositiu separat (per exemple, una unitat electrònica en un aerogenerador eòlic o en un sistema d'energia solar fotovoltaica) o en forma d'un microcircuit per a la seva integració en una bateria o carregador.

Els panells solars es dissenyen perquè puguin donar una tensió més elevada que la tensió de final de càrrega de les bateries. Així s'assegura que els panells solars sempre estan en condicions de carregar la bateria, fins i tot quan la temperatura de les cel·les de la bateria sigui alta i es produeixi una disminució de l'voltatge generat.

Per què s'ha de controlar la sobretensió de les bateries?

Aquesta sobretensió té dos inconvenients:

  • D'una banda, es perd una petita part de l'energia màxima teòrica que pot donar el panell fotovoltaic (10%), que s'obtindria si treballés a tensions una mica més altes que les que imposa la bateria.
  • D'altra banda, quan la bateria arribi al seu estat de plena càrrega, no arribarà al seu potencial màxim que pot donar teòricament el panell solar, i aquest seguirà intentant injectar energia als terminals de la bateria, la qual cosa produirà una sobrecàrrega que perjudicarà la bateria que la pot danyar.

Es pot solucionar aquest últim inconvenientment, de forma manual: desconnectant la bateria quan es detecta plena càrrega, però òbviament no és el mètode més fiable ni pràctic.

Quina funció té el regulador de càrrega?

El controlador de càrrega té les següents funcions:

  • Subministrar corrent major que el corrent de autodescàrrega (per compensar la autodescàrrega però inferior a la corrent de càrrega màxima per evitar la destrucció de la bateria.
  • Implementació d'un algoritme de descàrrega / càrrega efectiu per a un tipus donat de bateria (NiMH, Ni-Cd o Li-Ion) amb una composició química donada dels components.
  • Compensació de les diferències en els fluxos d'energia quan es subministra energia a consumidor a el mateix temps que es carrega la bateria (per exemple, carregar la bateria quan l'ordinador portàtil s'alimenta de la xarxa).
  • Mesura de temperatura (usant un sensor de temperatura) per a l'apagat d'emergència de la càrrega en fred o durant el sobreescalfament (per evitar danys a la bateria).
  • Mesura de pressió (usant un sensor de pressió) per a l'apagat d'emergència de la càrrega en cas de fuita de gas (per evitar explosions i fuites)

De totes maneres, no tots els controladors implementen aquestes funcions.

La complexitat de l'algoritme de descàrrega / càrrega depèn de el cost de l'carregador. D'acord amb l'algoritme les principals funcions que realitzen són les següents:

  • Mesura de el temps des del començament de la càrrega.
  • Mesura de voltatge i corrent a l'entrada de la bateria.
  • Canvi en corrent i voltatge de càrrega depenent dels valors mesurats.
  • Repetició de cicles de descàrrega / càrrega (per restaurar la capacitat de la bateria).
  • Càrrega de la bateria fins al 90% de la capacitat de la bateria (per augmentar la vida útil).

Estratègies de control de l'regulador de càrrega

El regulador de càrrega té la missió de regular el corrent que absorbeix la bateria perquè mai es sobrecarregui perillosament. Per aquest motiu, detecta i mesura constantment el voltatge de la bateria yestado de càrrega. Si aquests paràmetres arriben a un determinat valor prèviament establert que correspongui a la valor de tensió màxima admesa, actua de dues formes Possibles:

  • Tallant el flux de corrent cap a la bateria
  • Deixant passar només una part per mantenir-la en estat de plena càrrega, sense sobrepassar.

Aquest corrent mínima s'anomena corrent de flotació i es dóna quan la bateria està a plena càrrega i rep només l'energia suficient per mantenir-la en aquest estat (que, en períodes llargs, compensarà la autodescàrrega).

Quins són els paràmetres d'un regulador de càrrega?

Els paràmetres que defineixen un regulador són:

  • Voltatge màxim admès o voltatge màxim de regulació : és el valor de la tensió nominal màxima que el regulador permet aplicar a la bateria.
  • Interval d'histèresi superior : és la diferència entre el voltatge màxim de regulació i el voltatge a què el regulador permet el pas de tot el corrent produïda pels panells solars. Per a un valor de voltatge intermedi, el regulador deixa passar una fracció del corrent produïda pels panells fotovoltaics, que és més petit com més s'acosta el voltatge dels terminals de la bateria a el valor màxim de regulació.
  • Voltatge de desconnexió : voltatge a què es desconnecten automàticament les càrregues de consum per tal d'evitar una sobredescàrrega de la bateria.
  • Interval d'histèresi inferior : és la diferència entre el voltatge de desconnexió i el voltatge a què es permet que els consums es connectin de nou a la bateria.

Quines són les prestacions més habituals dels reguladors de càrrega en una instal·lació fotovoltaica?

    Els següents paràmetres defineixen les prestacions més habituals dels reguladors de càrrega que s'utilitzen en les instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes:

    • Protecció contra sobrecàrregues de l'acumulador (tall per alta): aquesta és la funció bàsica de l'regulador. Evita que la bateria es calenta, que es perdi aigua de l' electròlit i que les plaques s'oxidin.
    • Alarma per bateria baixa : indicadors sonors / llums que indiquen que l'acumulador està bastant descarregat. A partir d'aquest moment, l'usuari pot moderar el consum, el que evitarà una descàrrega nociva i excessiva de l'acumulador.
    • Desconnexió per bateria baixa (tall per baixa): aquesta funció fa que el regulador talli el subministrament de corrent cap als consums si el nivell de càrrega de l'acumulador és massa baix i, per tant, corre el perill d'una descàrrega profunda, fet que originaria problemes de sulfatació.
    • Protecció contra curtcircuits : aquesta funció permet, mitjançant un fusible, protegir el regulador, així com la sortida de l'acumulador de patir intensitats elevades en cas de curtcircuit en algun dels circuits de consum de la instal·lació.
    • Visualització de funcions : la majoria de reguladors tenen algun sistema visual que permet obtenir informació sobre l'estat de la instal·lació, simplement amb uns indicadors dient que els panells estan donant corrent, si la bateria està carregada o descarregada, o bé més acuradament per mitjà de indicadors dels nivells actuals de càrrega, voltatge de bateries ...

    Quins són els tipus de reguladors de càrrega?

      En funció de el principi de funcionament hi ha els següents tipus de reguladors de càrrega:

      • Reguladores de carga tipo paralelo (shunt).
      • Reguladors de càrrega tipus sèrie.

      Reguladores de carga tipo paralelo (shunt)

      Regulador de càrrega tipus paral·lelEls reguladors de càrrega shunt basen el seu funcionament en un transistor que deriva el corrent procedent dels mòduls cap a una càrrega resistiva de dissipació. Permet establir valors de voltatge de bateria per als que aquesta desviació es fa de manera intermitent a fi d'aconseguir mantenir l'acumulador en el nivell de màxima càrrega (flotació).

      Aquest sistema provoca escalfament de la mateixa regulador, el que provoca desgast i pèrdues i, per tant, els reguladors d'aquest tipus tenen limitat el corrent de treball a pocs ampers i, per tant, seran vàlids per a instal·lacions fotovoltaiques petites.

      Reguladors de càrrega tipus sèrie

      Aquest tipus de reguladors basen el seu funcionament en la interrupció del corrent cap a la bateria, en funció del seu voltatge. Gràcies a les tecnologies actuals, aquest interruptor és progressiu, de manera que es pot enviar per poder tenir diferents nivells de càrrega.

      Controlador de càrrega

      El corrent de flotació es pot fer mantenint un nivell baix d'intensitat de càrrega o bé commutant moments de càrrega i moments de no càrrega per afavorir la no gasificació de la bateria.

      Aquest tipus de reguladors es connecten en sèrie entre els panells i la bateria i, com no dissipen calor, poden ser més aviat petits i poden anar muntats en llocs tancats si fos necessari.

      Altres models de reguladors d'aquest mateix tipus, usats en grans instal·lacions, desvien el corrent dels panells en altres circuits quan les bateries estan carregades per utilitzar aquesta energia per a altres usos.

      Altres models desconnectant automàticament els panells solars o grups de panells fotovoltaics a mesura que la tensió de la bateria creix, per deixar passar només el corrent necessari i mai en excés.

      Molts reguladors de càrrega porten incorporades altres funcions per a la visualització i control de l'funcionament de la instal·lació solar fotovoltaica com poden ser: 

      • volt mil·límetres i amperímetres;
      • alarmes per baixa tensió de bateria;
      • sensor de temperatura que regula automàticament el valor de la tensió màxima de càrrega;
      • desconnectadors automàtics de circuit de consum per baixa tensió; comptadors de amperes per hora; visualitzadors digitals;
      • mòdul d'adquisició de dades; mòdul de regulació amb seguidor de punt de màxima potència, etc.

      Què és un díode de bloqueig?

        Un element especialment important que incorporen molts reguladors és un díode de bloqueig.

        El díode de bloqueig permet el pas de corrent en un sol sentit des dels panells a la bateria i no en sentit contrari. Aquest díode és necessari quan la radiació solar és baixa i la tensió de la bateria és superior a la dels panells fotovoltaics, així s'evita que la bateria es descarregui pels panells solars fotovoltaics.

        És important no confondre aquest díode de bloqueig amb el díode de bypass (variant) dels mòduls fotovoltaics, ja que les funcions que realitzen són molt diferents.

        Si per accident o per defecte d'aïllament hi ha un error en el sistema de protecció de presa de terra, el corrent pot circular en sentit contrari a l'normal i passar a través d'un panell solar o grup de panells solars abans de fugir per la presa de terra.

        En aquests casos, la presència de l'díode de bloqueig és molt important per evitar danys en els mòduls fotovoltaics .

        Un molt bon aïllament i una bona presa de terra segura podrien evitar la necessitat d'instal·lar el díode de bloqueig. Com el díode de bloqueig produeix una caiguda de tensió addicional de 0,5 a 1 V, resulta una raó més per dissenyar la tensió dels panells superior a la necessària per carregar les bateries.

        Què són els reguladors de càrrega amb seguiment de màxima potència?

        Els reguladors de càrrega amb seguiment de màxima potència són controladors de càrrega que incorporen un convertidor ce coriente contínua a corrent altern a la sortida dels mòduls solars.

        Aquest convertidor de corrent permet aïllar el voltatge de treball dels mòduls fotovoltaics de el voltatge de les bateries. D'aquesta manera, els mòduls poden treballar en el seu punt de màxima potència i, per tant, el màxim rendiment possible.

        Exemple de controlador de càrrega amb seguiment de màxima potència

        Si prenem com a exemple un mòdul fotovoltaic en el qual les dades que aporta el fabricant són: 53 Wp a 17,4 V i 3,05 A.

        Quan connectem el mòdul directament a un acumulador amb un voltatge entre borns que, en aquest moment, és de 12 V, el mòdul està lliurant realment una potència de:

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

        És a dir, que dels 53 W disponibles, quan es carrega directament una bateria amb 12 V en borns, només vam aprofitar 36,6 W, el que implica un 30% de pèrdua de potència.

        La pregunta és: on són la resta de Watts que falten? Enlloc, ja que la generació de la lliçó és de corrent i no de potència.

        L'objectiu és aconseguir la màxima potència de l'mòdul fotovoltaic mitjançant reguladors de càrrega amb un cercador de màxima potència. En aquest cercador, es desenvolupa la compensació posterior de tensió per intensitat.

        Controladors de càrrega independents

        Els controladors de càrrega es venen als consumidors com a dispositius separats, sovint juntament amb generadors d'energia solar o energia eòlica, per a usos com a sistemes d'emmagatzematge de bateries domèstiques.

        En aplicacions solars, els controladors de càrrega també poden anomenar  reguladors solars .

        Alguns controladors de càrrega / reguladors solars tenen característiques addicionals , com una desconnexió de baix voltatge (LVD), un circuit separat que apaga la càrrega quan les bateries es descarreguen excessivament (algunes químiques de la bateria són tals que la descàrrega excessiva pot arruïnar la bateria ).

        Els controladors pot ser en sèrie o de desviació:

        • Un regulador de càrrega en sèrie o un regulador en sèrie desactiva el flux de corrent cap a les bateries quan estan plenes.
        • Un controlador de càrrega de derivació o regulador de derivació desvia l'excés d'electricitat a una càrrega auxiliar o de "derivació", com un escalfador d'aigua elèctric, quan les bateries estan plenes.

        Els reguladors de càrrega simples deixen de carregar una bateria quan excedeixen un nivell d'alt voltatge establert i tornen a habilitar la càrrega quan el voltatge de la bateria cau per sota d'aquest nivell. Les tecnologies de modulació d'ample de pols (PWM) i rastrejador de punt de màxima potència (MPPT) són més sofisticades electrònicament, ajustant les taxes de càrrega segons el nivell de la bateria, per permetre la càrrega més a prop de la seva capacitat màxima .

        Els controladors de càrrega també poden controlar la temperatura de la bateria per evitar el sobreescalfament. Alguns sistemes de regulació de càrrega també mostren dades, transmeten dades a pantalles remotes i registren dades per rastrejar el flux elèctric al llarg de el temps.

        Autor:

        Data de publicació: 8 de abril de 2016
        Última revisió: 8 de abril de 2020