PWM, MPPT y la eficiencia del sistema fotovoltaico

En los últimos años se masificaron las promociones de reguladores de carga solar o inversores con tecnología MPPT, pero existen factores técnicos que debemos considerar antes de elegirlos.

El mercado de la energía fotovoltaica los ha adoptado con el fundamento principal de que optimizan la potencia obtenida por los paneles, sin embargo son pocos los que detallan cómo es que funciona, y cuánto más podemos obtener por la utilización de este mecanismo, por el que se debe pagar un valor adicional que incrementa el costo total de la instalación fotovoltaica, y en algunos casos no solo no se justifica, sino que perjudica la eficiencia del sistema.

PWM o MPPT

Antes de abordar en concreto el MPPT, vamos a dejar en claro las alternativas disponibles para regular la energía producida por un sistema solar. Si bien existen otras formas, explayaremos las dos más conocidas en el mercado.

El regulador tipo PWM (Pulse Width Modulation o Modulación por Ancho de Pulso) funciona como un interruptor entre los paneles y las baterías. Toma la energía de los módulos fotovoltaicos y regula la amplitud de onda producida para mantener el voltaje dentro de los parametros requeridos (12, 24 o 48 voltios normalmente), y es importante notar que la tensión de los módulos debe corresponder con la del banco de baterías y/o el inversor.

La energía excedente en un regulador PWM se descarta.

Si el regulador recibe más energía que la necesaria para abastecer las baterías, o el consumo requerido, recortará el excedente mediante micro-interrupciones en forma de pulsos.

Variación de onda en rangos entre 11v y 14,1v, generado por un regulador PWM durante la carga de una batería

Las ventajas de este tipo de reguladores son la sencillez, su reducido peso, tamaño y el precio. La desventaja principal es la pérdida de rendimiento, es decir un regulador de carga PWM va a extraer menos energía de un campo fotovoltaico que un regulador de carga MPPT, por lo que se necesitan más paneles para sacar la misma producción, aunque en una instalación pequeña la diferencia es mínima.

En los sistemas que utilizan PWM es importante el correcto dimensionamiento, si se subestima la energía generada las baterías no llegarán a recuperar la carga durante las horas de incidencia solar, y por consecuencia se producirán descargas profundas o completas del banco de almacenamiento, algo que se debe evitar para cuidar la vida útil de las baterías.

Los reguladores MPPT (Maximum Power Point Tracker o Seguidor de Punto Máximo de Potencia) se consideran inteligentes en comparación al PWM, ya que no solo regulan el paso de energía requerida por el sistema, tambien utilizan el excedente de energía para aumentar la corriente, evitando las pérdidas. Esta conversión también permite combinar diferente tensión de entrada y salida, por ejemplo 72v en los paneles y 24v en las baterías.

En su forma más básica, el sistema MPPT convierte tensión (voltios) en corriente (amperes), y para esto se valen del rango variable que produce un módulo fotovoltaico.

Si observamos las especificaciones de los módulos fotovoltaicos, a simple vista encontramos que la tensión siempre es superior a la indicada en las referencias. Por ejemplo, un módulo de 24v notará una tensión máxima (VMPP) de 31,1v para módulos de 60 celdas, o 36,8v para módulos de 72 celdas. Pero esto no es un error.

Especificaciones de un módulo de 24v, 60 celdas
Especificaciones de un módulo de 24v, 72 celdas

Sin entrar en muchos detalles técnicos, el proceso de carga de una batería funciona como una cañería con un flujo de agua a una determinada presión (tensión). Para que la batería absorba energía y se produzca la carga se debe aplicar mayor tensión para que el flujo ingrese a la batería. Para cargar una batería de plomo ácido de 12v se recomienda aplicar una carga de 14,5v; si se aplica un voltaje mayor se podría causar daños a la estructura interna. Dependiendo el tipo de batería estos niveles pueden variar.

Los paneles solares estan dimensionados para estas características y por eso sus configuraciones se adaptan a los posibles usos, incorporando el excedente proporcional a la tensión de trabajo.

La cantidad de celdas

En la oferta de paneles solares podemos encontrar módulos de 30 y 36 celdas para potencias de 100W a 150W, o de 60 y 72 celdas para potencias de 250W a 320W, en ambos casos se encuentran en 12v o 24v. En dimensiones, los módulos de 60 celdas miden 1m x 1,60m, mientras que los de 72 celdas miden 1m x 2m, y en cantidad esto puede representar una diferencia considerable en superficie a cubrir.

Los módulos de menor cantidad de celdas tienen menor costo, pero debido a que se catalogan dentro de los mismos parametros generales, quienes comercializan estos productos desconociendo los aspectos técnicos concluyen en una confusión, y un grave error, al momento de utilizarlos en instalaciones fotovoltaicas, montando un sistema deficiente que se traduce en pérdidas económicas.

La eficiencia del MPPT

Como dijimos al comienzo de este artículo, los reguladores MPPT han inundado las ofertas promocionando sus ventajas de aparente eficiencia por sobre el PWM, pero en la búsqueda por mejorar la oferta de menor valor se acompañan de paneles de 30 o 60 celdas cuyo voltaje nominal, considerando la verdadera eficiencia, con suerte será apenas superior al requerido para la carga continua de la batería.

Si apuntamos a las latitudes y el clima de Argentina, encontramos que la temperatura promedio del panel rondará los 40ºC durante las horas de sol, lo que provoca una caída de tensión a causa del factor de temperatura, para comprender mejor esto recomendamos leer este otro artículo de nuestro blog.

Sumado a la capacidad del panel debemos considerar el mecanismo del MPPT, que sacrifica tensión (voltios) para buscar mayor corriente (amperes), volviéndose casi inútil en las condiciones que proponemos, ya que la mayor parte del tiempo contará con el voltaje justo para cargar las baterías.

En este contexto, un regulador de tipo PWM puede reducir considerablemente la inversión requerida para el montaje de una instalación fotovoltaica off-grid, y con esa diferencia puede resultar más eficiente la incorporación de un panel adicional al conjunto de módulos, con lo que se obtendrán mejores beneficios en la potencia generada.

Si la instalación cuenta con módulos de 36 o 72 celdas estaremos haciendo un uso más eficiente del regulador MPPT ya que la tensión, aún con las pérdidas de eficiencia, producirá mayormente excedentes que se aprovecharán para obtener corriente adicional. En promedio, se estima que la utilización de un regulador MPPT con los módulos correctos aumenta un 5% a un 10% la energía generada.

MPPT en instalaciones on-grid

Los inversores de tipo on-grid no almacenan la producción en baterías, por lo que toda energía cuya tensión se encuentre en el rango válido del dispositivo será inyectada a la red AC (Corriente Alterna), mientras que la variación en la corriente continua (DC) de entrada solo provocará una leve diferencia en la energía que se entrega a la red.

MPPTrucho

Regulador de carga que dice ser MPPT, pero no lo es

Sin ir muy lejos, debemos tener cuidado con algunos reguladores que dicen ser MPPT pero que no superan las pruebas básicas, ni siquiera a simple vista de sus componentes electrónicos. Si no contamos con un instrumentos de medición, como el osciloscopio, podemos hacer una inspección visual en el interior del aparato.

Los reguladores MPPT cuentan con una pieza clave, el inductor, que consiste en un anillo envuelto en un cable de cobre. Esta pieza se utiliza para almacenar la energía excedente en el proceso de conversión de potencia.

Visualización del inductor en un regulador MPPT

 

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