SISTEMA FOTOVOLTAICO SIMPLIFICADO

En este artculo describo la construccin de un sistema fotovoltaico completo para alimentar una pequea instalacin elctrica de 12V. Este tipo de proyectos es relativamente complejo de hacer pero yo me he esforzado para poder simplificar al mximo el sistema en modo tal que sea fcil de construir y pueda servir como primera experiencia para le gente que se interesa de este argumento. Por este motivo, la potencia total del sistema descripto no debera superar los 50 Watt y por otro lado no he incluido algunos elementos frecuentemente usados como por ejemplo un inverter para obtener tensin de 220V AC de salida o una electrnica compleja para una carga ms inteligente de la batera. El sistema propuesto tiene una caracterstica particular: si no hay sol y la batera se esta descargando, el sistema se conecta automticamente a la red elctrica garantizando siempre la tensin de salida de 12V y evitando que la batera se dae por quedar completamente descargada.Antes de continuar quiero hacer una aclaracin: no obstante mi intento por simplificar al mximo el sistema propuesto, este no deja de ser un proyecto experimental en el cual hay muchas cosas que pueden ser modificadas y mejoradas. Para su construccin es necesario tener conocimientos bsicos de electrnica y de programacin de micros. La potencia del panel solar, de la batera, de la fuente y del consumo depende de muchos factores y no me es posible darles la "receta mgica". Es fundamental usar la lgica, el sentido comn y la paciencia para afrontarlo. He decidido publicar este proyecto porque trata un argumento que me interesa y poco se encuentra en internet que sea al alcance de todos. Naturalmente, la gente con ideas y que desee colaborar para mejorarlo es bienvenida.

En la figura podemos observar el diagrama en bloques del sistema propuesto. Bsicamente consiste en dos conmutadores de estado slido (mosfets) activados por una unidad de control (microcontrolador) que conecta automticamente un panel solar o una fuente de alimentacin permitiendo la carga de una batera y el abastecimiento de una instalacin de 12V (indicada en el esquema con el diseo de unos spots luminosos).Los ingredientes necesarios1 panel solar de 12V con potencia entre 20 watts y 50 watts1 sistema de control cuya realizacin la explico a lo largo de este artculo1 batera de 12V cido - plomo (mejor si es del tipo sigilada, con electrolito en gel y sin mantenimiento) con capacidad entre 15A/h y 50A/h, en base al panel fotovoltaico usado (para ms potencia del panel, ms grande la batera)1 fuente de alimentacin de 12V con salida de tensin ajustable (hasta 13,8V) y potencia similar a la del panel. En el texto explico las caractersticas necesarias y propongo un modo para poder construirla.Con estos materiales obtendremos un sistema capaz de alimentar una instalacin de 12V con una potencia entre 10 watts y 50 watts. Esta variacin de potencia depende de muchos factores que explicar a lo largo del texto.El concepto fundamental que me guiaba cuando proyect este sistema era el siguiente: cada watt producido por el panel fotovoltaico era energa elctrica que se ahorraba. Por lo tanto, no era mi intencin ser completamente autosuficiente en materia energtica, era fundamental para mi garantizar el abastecimiento de energa de 12V constantemente, aunque si el panel no diera abasto. En ese caso el sistema deba automticamente conectarse a la red elctrica para cubrir la energa faltante y no permitir que la batera se descargara completamente. Esta modalidad de trabajo "hbrida" me daba una gran flexibilidad y me dejaba las puertas abiertas para aumentar la cantidad de paneles en fase sucesivas reduciendo el consumo elctrico en modo progresivo.Panel fotovoltaico de 36 watts usado en el proyectoPara hacer en modo que no se produjeran interrupciones en el abastecimiento de 12V cuando el sistema conmutaba automticamente entre las distintas modalidades previstas (panel fotovoltaico, energa de la red o solo batera) he adoptado el sistema conocido como "alimentacin con batera tampn", usado generalmente en las luces de emergencia y tambin en los sistemas anti-robo. Consiste simplemente en una batera que se encuentra siempre conectada a la lnea de alimentacin. Cuando necesita carga, absorbe energa de esta lnea mientras que si falta la alimentacin, la misma batera mantiene los 12V de salida. Por lo tanto, los cables que conectan la batera al circuito permiten el pasaje de corriente en dos direcciones: hacia la batera cuando esta se carga o hacia el circuito cuando la batera trabaja como generador. Para lograr este objetivo en el modo ms simple posible, se puede usar un tipo de batera que permita la carga sin una electrnica especfica como por ejemplo las del tipo "cido/Plomo" de 12V (como las usadas en los automviles). De este tipo existen unos modelos llamados "sin mantenimiento" en los cuales, en lugar del lquido interno usado como electrolito (cido sulfrico y agua) se encuentra un gel con cido sulfrico que no evapora con el tiempo. Por este motivo, estas bateras son sigiladas.Ejemplo de batera sigilada y de fuente de 13,8V 5AEl ncleo del circuito es un microcontrolador PIC12F675 que se encarga de conectar el panel fotovoltaico o la fuente de emergencia a la batera y a la salida de consumo. A travs de un convertidor analgico/digital (ADC) incorporado, el micro mide continuamente la tensin de la batera y en base a la lectura decide de conectar el panel, la fuente o ninguno de los dos si la batera est completamente cargada. Podemos regular estos niveles de trabajo a travs de dos resistencias ajustables (llamados presets o trimmer) de 50K. El primero de ellos (indicado como BAT FULL) regula el nivel de desconexin del panel o de la fuente si la batera esta completamente cargada mientras que el segundo (indicado como POWER SUPPLY) nos permite de decidir cuando se debe activar la fuente de emergencia porque el panel no logra dar la energa necesaria y la batera se est descargando.Circuito completo del sistema fotovoltaicoPara evitar que el sistema se conecte y desconecte continuamente cuando en la batera hay una tensin cercana a los umbrales regulados por los presets, el micro trabaja con un sistema di histresis cuyo explicacin la har ms adelante, en los prrafos dedicados al programa de control. El problema de la histresis en fase de calibracin es que se hace muy difcil regular los presets de umbrales. Para evitar este inconveniente, he agregado un pulsador indicado en el circuito como "Setting mode" que elimina temporalmente la histresis en modo tal de permitir una regulacin precisa de las tensiones de umbral.Las salidas del micro no tienen la potencia suficiente para conmutar directamente los dispositivos conectados, para ello he usado dos mosfets de canal P de tipo IRF5305. Los transistores BC548 sirven como adaptadores de nivel lgico entre el micro y los mosfets. Gracias a ellos, podemos en realidad usar cualquier tipo de mosfet de canal P que sea capaz de soportar las corrientes previstas por nuestro sistema, por ejemplo entre 5A y 8A.Vista pictrica de la unidad de control fotovoltaicaEl sistema tiene 5 de los acostumbrados conectores o borneras (de dos vas cada uno) que yo uso en mis proyectos con separacin entre contactos de 5mm. Los primeros tres conectores son las entradas de la unidad de control, en el cuarto conector se conecta la batera mientras que el quinto es la salida de 12V para nuestra instalacin de baja tensin. De las tres entradas, la primera es para la fuente, en la segunda se conecta el panel fotovoltaico mientras que la tercera (AUX) sirve para futuras expansiones. El circuito electrnico de la tarjeta se alimenta a travs de la tensin de la batera.Para evitar la circulacin de corriente en sentido contrario entre el panel, la fuente y la batera, he agregado dos diodos de potencia de tipo Schottky MBR1660 en serie con las entradas. Los diodos Schottky tienen la ventaja que la cada de tensin entre sus terminales es ms baja respecto a los diodos normales.Sola la entrada AUX no tiene diodo. Esta entrada puede servir para conectar otros paneles fotovoltaicos agregando un diodo en serie por cada panel conectado. Tanto en las entradas como tambin en la salida de 12V he previsto fusibles normales de 20mm. La corriente de estos fusibles depende de la potencia que pensamos de manejar. En mi caso, yo he usado fusibles de 5A.Encapsulado de los mosfets y de los diodosDebido al hecho que hay solo un disipador compartido para todos los mosfet y diodos, es necesario aislar estos componentes usando kits de montaje para encapsulado TO220 como explico en mi gua"montaje de disipadores de calor para TO220".Circuito impreso de la unidad de control fotovoltaicaElenco de componentes1 resistencia de 1K 1/4 watt5 resistencias de 2,2K 1/4 watt1 resistencia de 4,7K 1/4 watt7 resistencias de 10K 1/4 watt2 resistencias de ajuste (preset o trimmer) de 47K o 50K3 capacitores de 100nF (0,1uF)2 capacitores de 22uF 25V (o 47uF 25V)2 diodos MBR1660 (Schottky de potencia)4 leds verdes 3mm2 leds amarillos 3mm2 transistor BC548 (o BC547 o BC337)2 Mosfet IRF5305 (u otros modelos de potencia de canal P)1 Microcontrolador PIC 12F6751 regulador 78L051 pulsador simple o doble1 interruptor de encendido para circuito impreso1 zocalo 8 pin (8DIP300)1 disipador (perfil rectangular de aluminio)4 kits aislantes para encapsulados TO2205 borneras de dos vas (o conectores)3 portafusibles para circuito impreso (fusibles de 20mm )3 fusibles de 20mm y 5Acircuito impreso, accesorios de montajeEl microcontrolador mide la tensin de la batera, que es tambin la tensin de salida del sistema, a travs de un convertidor analgico digital (ADC) incorporado. Debido a que este ADC no puede medir tensiones superiores a 5V, he agregado un divisor resistivo compuesto por una resistencia de 10K y una de 4,7K. El micro tiene otras 3 entradas analgicas, dos de las cuales son usadas para los dos preset de regulacin de los umbrales.Consideraciones sobre el panel fotovoltaico y la bateraLos paneles fotovoltaicos de 12V en realidad generan una tensin mas alta que puede llegar hasta 17V . Si no fuera as, no sera posible cargar bateras de 12V sin la ayuda de convertidores DC-DC que aumentaran la tensin a 13V o ms. Naturalmente, esta tensin de 17V disminuye cuando conectamos nuestra batera al panel y esta empieza a absorber corriente.La corriente de carga mxima inicial que una batera soporta (con un aumento razonable de su temperatura interna) es del 20% de su capacidad nominal aunque si yo prefiero no ir ms all del 10%. Por lo tanto, si conectramos una batera de 20 A/hora, la corriente de carga inicial no debera ser mayor de 2A. Sabiendo que nuestro panel es de 12V, la potencia del mismo sera de 24 watts (P = V * I). Esta es la relacin que yo he adoptado entre la capacidad de la batera y la potencia mxima del panel solar. En el caso de disponer de un panel ms potente, por ejemplo de 50 watts, conviene usar una batera ms grande por ejemplo de 40 A/hora. Se puede agregar un sistema electrnico que permita de limitar la corriente mxima entregada por el panel aunque si yo prefiero de usar simplemente una batera que sea capaz de "digerir" sin problemas la potencia mxima que un panel puede entregar sin poner nada en el medio (si la energa est disponible prefiero aprovecharla toda).

Foto de la unidad de control fotovoltaica desde el lado de los fusiblesConsideraciones sobre la fuenteFundamentalmente la fuente sirve para evitar que la batera se descargue si nuestro consumo elctrico es mayor respecto a la potencia que nuestro panel solar entrega en un cierto perodo de tiempo. Esto puede suceder si nuestro panel es demasiado pequeo respecto a nuestra necesidad o tambin en base a las condiciones meteorolgicas como por ejemplo los das nublados o en el perodo invernal. En mi caso por ejemplo, en invierno el panel casi no trabaja porque el sol est muy bajo y los edificios delante de mi casa me permiten solo un breve perodo de produccin elctrica a travs del sol. Por lo tanto, por varios meses "viajo" fundamentalmente con la energa de la red. Por eso es muy importante para mi la fuente.La fuente que uso es del tipo switching, de 13,8V (vendida como 12V regulables) y es capaz de entregar una corriente de 6A, es decir, con una potencia mxima de 80 Watt. Para evitar la posibilidad de una excesiva corriente hacia la batera, he regulado la tensin de salida exactamente a 13,8V (teniendo en cuenta la cada sobre el diodo MBR1660 a la batera llegan 13V) y he hecho en modo que el circuito active la fuente cuando la batera no est completamente descargada en modo tal que la misma no absorba una corriente inicial excesiva.

Circuito de una fuente con tensin de salida regulableEl que prefiere construir la fuente con un transformador comn puede hacer el circuito que muestro en la figura. Es un clsico regulador serie con tensin de salida ajustable y dispositivo de limitacin de corriente hecho con un transistor. La resistencia de 0,5 ohm determina la corriente mxima que la fuente puede entregar antes que se active el sistema de proteccin de corriente. Para determinar su valor podemos usar la siguiente frmula:R = Vbase / I => R = 0,6 / I.Por ejemplo, para una corriente de 2A la resistencia sera de 0,6V / 2 = 0,3 ohms. La potencia de la resistencia en este caso sera de P = V * I = 1,2 wattsDescripcin del firmwareEl software del micro lo he escrito en C y es relativamente simple. Est compuesto por un bucle principal (while) y por pocas funciones: una de inicializacin (funcin setting), una para la lectura del ADC (funcinread_adc) y una que ayuda en la conmutacin de los estados (funcinstatus_switch). El sistema puede adoptar tres estados distintos en base a la tensin de la batera: BAT_NORMAL, BAT_FULL y BAT_EMPTY.BAT_NORMAL: es el estado en el cual el panel solar esta conectado y la batera se encuentra en carga normal a travs del sol.BAT_FULL: la batera est completamente cargada y por lo tanto el panel solar y la fuente estn desconectadosBAT_EMPTY: la tensin en la batera ha disminuido ms all de un cierto lmite y por lo tanto el sistema ha conectado la fuente de emergencia para cargar la batera.Como mencionado en la descripcin del sistema, los estados BAT_FULL y BAT_EMPTY tienen histresis. Me explico mejor. Supongamos que la tensin de la batera disminuye por debajo de la tensin de umbral mnima (batera descargada), por lo tanto el sistema pasa al estado BAT_EMPTY conectndose la fuente de emergencia para cargar la batera. Una vez que la batera empieza a tomar carga, la tensin inmediatamente superar el umbral y por lo tanto el sistema pasa a BAT_NORMAL desconectando la fuente. El problema es que la batera, en tan breve tiempo no se logra cargar. Su tensin desciende enseguida y nuevamente pasa a BAT_EMPTY, as al infinito. Para evitar este problema (tpico de todos los sistemas autoregulados) se usa la histresis que simplemente consiste en crear dos umbrales distintos, uno cuando se baja y otro cuando se sube. Por ejemplo, la fuente se activa cuando la tensin de la batera desciende de los 11,5V mientras que se desactiva cuando se superan los 12,5V.En el programa he previsto dos valores de histresis distintos, uno cuando es necesario desconectar todo porque la batera est completamente cargada (BAT_FULL) y otro cuando la batera est completamente descargada y es necesario activar la fuente de emergencia (BAT_EMPTY). Por ahora he usado un valor numrico de 40 que equivale aproximadamente a 0,8V de histresis. No excluyo en el futuro de modificarlos y probablemente de diferenciarlos entre si.Como expliqu antes, hacer la regulacin de los umbrales del sistema a travs de los presets con la histresis activada es cosa de locos. Por este motivo he agregado un pulsador que desactiva provisoriamente la histresis para permitir esta regulacin. Para hacer que el programa trabaje as simplemente controlo el estado del pulsador y si se encuentra activado (nivel lgico 0) hago que las variables v_offset_full y v_offset_empty que determinan la amplitud de las histresis tengan como valor 0 mientras que cuando el pulsador se encuentra desactivado (nivel lgico 1) memorizo en v_offset_full y v_offset_empty el valor 40.Comentarios finales

Sistema fotovoltaico en funcinEn la fotografa pueden ver el prototipo funcionando. He aprovechado losmdulos para medir corrientes y tensionesque he publicado en el blog tiempo atrs y que ya tena armados. El display que se ve en el ngulo inferior a la izquierda trabaja junto con ellos, visualizando las tensiones y las corrientes de entrada y de salida del sistema. Quizs logre publicar su realizacin en el futuro. De cualquier manera, estos mdulos no son necesarios para el funcionamiento del sistema descrito y las mediciones iniciales se pueden hacer tranquilamente con un tester comn. Les dejo para descargar el diseo del circuito impreso en versin KiCad (programa gratis y open source), el PDF si quieren imprimirlo directamente sin necesidad de abrirlo con el programa y tambin el software en C y en HEX.