Batería de acumuladores - Arturo Lara

Vista previa del material en texto

Batería de acumuladores
Regulador
T Figura 3.4. Medida de la tensión
en la batería.
Generador fotovoltaico
Circuito de
utilización
t Figura 3.5. Principio de funcionamiento de un regulador serie.
1. Funcionamiento y tipos de
reguladores
El regulador controla el estado de carga de la batería de acumuladores midiendo
la tensión en bornes de dicha batería. A partir de la tensión medida se desarrolla
la estrategia de control de la carga, de ahí la importancia de efectuar una medida
correcta evitando las caídas de tensión que se producen en los cables de conexión
y en los dispositivos de protección que puede haber entre la batería de acumula-
dores y el regulador.
La figura 3.4 representa el esquema de conexiones entre el regulador y la batería
de acumuladores donde se ve que la tensión en el regulador Ur es menor que la
tensión en la batería LA debido a la caída de tensión Rc • Ic que se produce en la
resistencia Rc de los cables de conexión al circular la corriente Jc de la carga. Para
realizar la medida correctamente, muchos reguladores disponen de un circuito de
medida independiente, representado en la figura por el voltímetro, que mide la
tensión directamente en bornes de la batería. Como la corriente lv del circuito de
medida es prácticamente cero, la tensión medida corresponde a la real de la ba-
tería de acumuladores.
A partir de la tensión medida en la batería el regulador conecta o desconecta el
generador fotovoltaico. Para efectuar esta conexión/desconexión los reguladores
actuales utilizan relés de estado sólido de tipo MOSFET.
Los valores de tensión que se deben utilizar como referencia en los procesos de
carga y descarga de una batería de acumuladores varían sensiblemente con la tem-
peratura y el tipo de batería. La mayoría de los reguladores disponen de un sensor
interno que mide la temperatura pero esto obliga a colocar el regulador cerca de
la batería. Otros reguladores permiten la conexión de un sensor de temperatura
adosado a la batería de acumuladores.
Además de la tensión de la batería, los reguladores actuales disponen de un siste-
ma de autoaprendizaje que les permite tener en cuenta también la capacidad, la
antigüedad y el grado de sulfatación de la batería de acumuladores, para decidir
la estrategia de control de la carga.
En función de cómo se realiza la conexión y desconexión del regulador se pue-
den clasificar en:
· Regulador serie: el control de carga de la batería de acumuladores se efectúa
interrumpiendo la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería me-
diante el relé de estado sólido A (figura 3.5).
Estos reguladores tienen como ventaja su pequeña disipación de energía, lo que
permite su uso en sistemas con mucha potencia (con corrientes superiores a la
centena de amperios) y como inconvenientes la caída de tensión en el circui-
to de conmutación entre el generador fotovoltaico y la batería, y el autoconsu-
mo que es mayor que en los reguladores paralelos.
· Regulador paralelo: el control de carga de la batería de acumuladores se efectúa
cortocircuitando la entrada del generador fotovoltaico mediante el relé de esta-
do sólido A (figura 3.6). El diodo de bloqueo D tiene dos funciones: evitar el cor-
tocircuito de la batería cada vez que se cierra el relé A e impedir la circulación
de corriente de la batería hacia el generador fotovoltaico durante la noche.
Estos reguladores tienen como ventajas que son más económicos y presentan una autoconsumo menor que los reguladores serie. Además, pueden funcionar sin necesidad de batería, actuando en este caso como limitador del voltaje producido por el generador fotovoltaico, que será constante aunque la irradiancia varíe. Como inconvenientes citar la elevada disipación de energía en forma de calor que limita la potencia total que pueden manejar (se utilizan en sistemas con corrientes inferiores a unos 20 A) y la caída de tensión que se produce en el diodo de bloqueo D.
Según cómo se efectúe la regulación de la carga de la batería los reguladores se clasifican en dos grupos: reguladores todo-nada y reguladores PWM.
· Reguladores todo - nada: las diferentes etapas de carga de la batería de acumuladores: carga profunda, ecualización, flotación, etc. se realizan conectando y desconectando el circuito entre el generador y la batería de acumuladores para diferentes valores de tensión de la batería. En la etapa de carga profunda el regulador permite el paso de toda la corriente producida por el generador foto- voltaico hasta que la tensión en la batería alcanza un valor predeterminado. Al final de esta primera fase de carga se produce el mantenimiento de carga profunda (MCP), dejando pasar la corriente durante un cierto tiempo con tensión constante, para producir una ligera agitación del electrolito del acumulador que evita su estratificación y la sulfatación de las placas internas.
Una vez alcanzado ese nivel de carga, se pasa a la etapa de flotación donde se mantiene la tensión de la batería en torno a un valor constante, conectando y desconectando en un rango de histéresis muy pequeño, entre 0,5 y 1 V por encima y debajo del dicho valor constante. Con esto se consigue mantener un estado de carga en el rango de 80 %...90%. Si el consumo aumenta y el regulador no es capaz de mantener la tensión de flotación, se desconecta el consumo y se vuelve a la primera etapa de carga, hasta que se recupera la tensión en la batería.
· Reguladores PWM: en este tipo de regulación la primera etapa es igual que en la regulación todo-nada y el regulador permite el paso de toda la corriente producida por el generador fotovoltaico hasta la batería. Es en la fase final de la primera etapa (fase MCP) y en la etapa de flotación donde se recurre a la técnica de modulación por anchura de pulsos (PWM - Pulse-Width Modulation ). Esta técnica permite variar de forma gradual la corriente de carga de la batería modificando la anchura de los pulsos de la tensión aplicada a la batería. Veamos cómo se produce esta variación.
En la figura 3.7, la tensión Ufv es la tensión proporcionada por el generador fotovoltaico. La tensión Um aplicada a la batería se obtiene abriendo durante un tiempo toff y cerrando durante un tiempo ton el interruptor que conecta el generador con la batería de acumuladores. El cociente ton/T se denomina ciclo de trabajo del regulador. Modificando el ciclo de trabajo ton/T varía la tensión Um según la expresión:
[1] Um = UE.--^
Generador
fotovoltaico
? Figura 3.6. Principio de funcionamiento de un regulador paralelo.
saber m s
Relés de estado sólido (MOSFETS)
MOSFET
Canal N Canal P Símbolos eléctricos de transistores MOSFET.
Utilizan transistores MOSFET (Transistores de Efecto de campo de Metal Óxido Semiconductor - Metal - Oxide - Semiconductor Field-Efect Transistor).
Hay dos tipos de MOSFET, de canal N y de canal P. Tienen tres terminales denominados Fuente (Source), Drenador (Drain) y Puerta (Gate). Se utilizan en modo de conmutación, donde el transistor MOSFET actúa como un interruptor que conmuta corrientes muy grandes circulando entre la fuente S y el drenador D, a frecuencias elevadas, controladas con tensiones y corrientes muy pequeñas en la puerta G.
100
Unidad 3
T Figura 3.7. Modulación PWM de la tensión del generador fotovoltaico para cargar la batería.
En los reguladores para sistemas fotovoltaicos se mantiene la frecuencia constante (y por lo tanto el periodo T) en tomo a algunas centenas de hercios y se varía el tiempo de conducción íun para variar la tensión Um.
El uso de esta técnica de regulación permite introducir más corriente en la hatería sin aumento de la tensión, consiguiendo estados de carga de la batería con promedios cercanos al 95 % además de mejorar el aprovechamiento de la energía procedente del generador fotovoltaico.
La técnica PWM se puede realizar con reguladores serie o paralelo, pero hacia el final de la carga, el interruptor en un regulador paralelo estará más tiempo cerrado que en el regulador serie, que estará casi siempre abierto,y el calor disipado en dicho interruptor será considerablemente mayor. Esto obliga a utilizar un buen sistema de evacuación de calor que minimice sus efectos sobre el funcionamiento del regulador.
Hay reguladores de carga que se fabrican con un seguidor del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico integrado. Con este componente el generador fotovoltaico funciona en el máximo de potencia MPP (MPP Máximum Po- wer Point) de su característica y reduce las pérdidas de potencia en porcentajes superiores al 10%. Tiene como inconveniente el encarecimiento del regulador de carga.
El regulador de carga con seguidor MPP es imprescindible cuando se utilizan módulos fotovoltaicos cuya tensión en el punto de trabajo óptimo es muy diferente de la tensión de carga de la batería. Esto ocurre cuando se utilizan módulos que están diseñados para sistemas conectados a la red o en sistemas aislados con temperaturas ambiente muy bajas.