Diferencia entre controlador de carga PWM y MPPT


Cuando hablamos de instalaciones off-grid, sin duda uno de los elementos más característicos son los controladores (o reguladores) de carga. Los controladores de carga son los encargados de controlar el flujo de energía entre el campo fotovoltaico (los paneles) y las baterías, regulando la carga de estas. A partir de aquí difieren en la tensión de funcionamiento y en el punto en el que los paneles producen la mayor cantidad de energía, por lo que se pueden diferenciar diferentes tecnologías para su clasificación, los PWM y los MPPT.

Controlador de carga PWM

Los controladores de carga PWM son más antiguos y la primera tecnología que salió al mercado. Un controlador de carga PWM (Pulse-Width Modulation, modulación por anchura de pulsos) sólo dispone en su interior de un diodo, haciendo de este modo que los paneles funcionen a la misma tensión que las baterías. Esto provoca que la energía que hay en la entrada y en la salida del controlador es la misma (voltaje y amperaje).

Esto también hace que los paneles no trabajen en su punto de máxima potencia, y que la potencia la imponga la batería según el estado de carga en el que se encuentra. En general esto provoca una pérdida de potencia que gira entorno al 25-30%.

Un controlador de carga PWM carga por completo la batería de forma gradual, a pulsos de tensión. De esta forma la corriente se va introduciendo poco a poco hasta que la batería se llena de manera óptima y estable.

En resumen, todo esto implica que si tenemos un controlador de carga PWM de 12V, deberemos usar paneles de “12V”, y si el controlador PWM de 24V, entonces debemos usar paneles de “24V” (dos paneles de 12V en serie). En el mercado fotovoltaico actual, esto se traduce en paneles de 36 y 72 celdas solamente.

 

 Controlador de carga PWM Victron Energy, modelo BlueSolar PWM-Pro 12/24V-10AControlador de carga MPPT

Un regulador MPPT (Maximum Power Point Tracking, o seguidor del punto de máxima potencia) a diferencia del regulador PWM que dispone del diodo de protección, está compuesto a su vez de un convertidor de tensión CC-CC y de un seguidor del punto de máxima potencia. Con esto se consigue que se pueda trabajar a diferentes potencias (voltaje y amperaje) en el campo fotovoltaico y en las baterías (convertidor de tensión CC-CC). A su vez el seguidor MPPT adapta la tensión de funcionamiento en el campo fotovoltaico a la que proporcione la máxima potencia.

La diferencia principal del MPPT con el PWM es que en términos de energía, la que entra y sale del controlador es la misma, pero en el MPPT la tensión y la corriente son diferentes en la entrada y en la salida. Esto permite un aumento de la tensión del panel solar y aumenta la producción solar en hasta un 30% respecto a los controladores PWM. Es especialmente útil también en momentos de sombreados parciales debido a la nubosidad temporal.

Como ventaja, al disponer de tensiones elevadas en el campo fotovoltaico, podemos reducir las pérdidas energéticas debido a las bajas tensiones. Esto hace que los controladores de carga MPPT sean muy interesantes y casi obligatorios cuando tenemos campos fotovoltaicos de mediana y elevada potencia, donde se pretende generar el máximo de energía posible.

De esta forma, a diferencia de los PWM, podemos usar paneles de diferentes tensiones (de 36, 60, 72 celdas, etc.) permitiendo un uso más amplio respecto a la potencia de paneles disponibles en el mercado (como por ejemplo los paneles usados comúnmente en instalaciones on-grid), aumentando a su vez un 30% sobre la energía generada por un PWM.

 

Controlador de carga MPPT Victron Energy, modelo BlueSolar MPPT 12/24/36/48V 150V / 35

Cuando elegir un controlador de carga PWM o MPPT?

Como se ha comentado, anteriormente los sistemas eran más simples, con la tecnología PWM, en un sistema de baterías de 12V se usaba un panel solar de “12V”, teniendo en cuenta cuidadosamente que la corriente máxima FV no superara la corriente máxima del controlador y el funcionamiento del sistema.

Con controladores PWM el sistema pierde una cantidad de energía respecto a los MPPT. En el siguiente diagrama puede verse como la zona del MPP en azul (Vmpp * Impp) es hasta un 30% mayor que el área del PWM (Vbat * ~ Isc) dentro de la curva IV:Si el objetivo es obtener específicamente captación FV, el MPPT obtendrá hasta un 30% de eficiencia y reducirá los costes del sistema, ya que se obtiene la misma energía produciendo con menos generación FV. Si el tamaño del panel solar ya se fijó y no puede cambiarse, usar un MPPT también es una ventaja, ya que el rendimiento ahora será mayor en el mismo sistema al utilizar dicho MPPT. En ambos casos, el usuario sale beneficiado.

Ahora, con el controlador MPPT podemos poner paneles en serie, así como en paralelo, lo que también aumentará la potencia de entrada y la flexibilidad. Gracias a la potencia de salida o limitador de corriente, la potencia de salida nunca excederá el máximo de la del controlador. Esta característica hace que el controlador de carga MPPT sea aún más interesante.

Otra ventaja es que con el MPPT se pueden añadir posteriormente más paneles (del mismo tipo que los que ya hay idealmente) en paralelo sin la necesidad de cambiar el controlador de carga MPPT. Esto reduce los costos al mínimo, y aumenta el rendimiento.

Cuando elegir un controlador de carga MPPT Victron Energy?

Si usamos controladores de carga Victron Energy, podemos usar la herramienta especial en formato Excel para elegir de forma correcta que controlador de carga MPPT necesitamos para nuestra instalación:


Exceder el rango de tensión de entrada provocará (como pasa con los controladores PWM) que se dañe el controlador de forma permanente.

Por supuesto también hay que tener en cuenta la tensión mínima, donde el controlador MPPT comenzará a trabajar. Si por ejemplo se toma un panel con una tensión en circuito abierto (Voc) de 22.2V y la tensión de máxima potencia (Vmpp) de 18 V en condiciones STC (1.000W/m² de radiación, 25°C temperatura de la célula y una masa de aire de 1,5). Si la temperatura de la célula es mayor o menor que 25°C, esta tensión se reduce o se aumenta debido al coeficiente de temperatura, en este caso -0,34%/°C (para este panel de ejemplo).

Así que si tomamos 3 de estos paneles en un controlador MPPT 150/70 en un sistema de 48 V en los días fríos, es decir, -10 ° C (sólo mirando la tensión), el controlador puede empezar a cargar:

El voltaje de inicio es de 48 V + 7V (ver ficha técnica MPPT 150/70) = 55V Los paneles producirán 3 * (22,2V + (-0,34% de 22,2V * -35°C diferencia de temperatura)) = 74,5V. 74,5V es mayor de 55V -> por lo tanto ok, perfecto.

El voltaje de funcionamiento es de 48 V + 2V (ver ficha técnica MPPT 150/70) = 50V. Los paneles producirán 3 * (+ 18V (-0,34% de 22,2V * -35°C diferencia de temperatura)) = 61,9V. 61,9V es mayor que 50V -> por lo tanto ok, perfecto
Siguiendo el mismo procedimiento, cuando los paneles se calientan durante el día, en este caso a 70°C se puede ver lo que sucede:

El voltaje de inicio sigue siendo 48V + 7V (ver ficha técnica MPPT 150/70) = 55V. Los paneles producirán 3 * (22,2V + (-0.34% de 22,2V * 45°C diferencia de temperatura)) = 56,4V. 56,4V es mayor de 55V -> funcionaría

Pero ahora en el MPP la tensión del panel es inferior al mínimo:

El voltaje de funcionamiento es de 48 V + 2V (ver ficha técnica MPPT 150/70) = 50V. Los paneles producirán 3 * (+ 18V (-0,34% de 22,2V * 45°C diferencia de temperatura)) = 43,8V. 43,8V es inferior a 50V -> no es suficiente.

Aumentar el número de paneles por rama a 6 en serie con 10 en paralelo da el siguiente resultado a 10°C:

La tensión en circuito abierto (Voc) se mantendrá por debajo del máximo de 150V a -10°C:

Ahora a altas temperaturas, tales como una temperatura de célula de 70°C el sistema funciona muy bien. Tomando este ejemplo en la hoja de cálculo Excel, ahora se puede aumentar el número de paneles en paralelo y puede verse, si a partir de los 11 strings, que el controlador comenzará a reducir la potencia. La gran ventaja de hacer esto es que ahora se producirá la salida máxima salida del controlador con una radiación menor. Como los precios de los paneles disminuyen, es una opción efectiva.

Fuente: Victron Energy

Raül Serrano
Responsable Departamento Técnico
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Móvil: +56 9 56984240

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