El coste de la energía solar está cayendo hasta tal punto que ha dejado de ser la barrera de entrada que solía ser para numerosas aplicaciones desconectadas de la red.

Estas aplicaciones van desde señalización portátil en autopistas y luces de aviso de peligro en zonas de construcción hasta estaciones de bombeo remotas y torres de comunicación. De hecho, la energía solar se está convirtiendo en una fuente de energía viable para toda una nueva generación de aplicaciones desconectadas de la red.

Siempre existe una razón para que una aplicación no se alimente directamente de la red eléctrica: puede que el equipo necesite ser portátil, como las señalizaciones de las autopistas o las luces de aviso de peligro en zonas de construcción; o como en las estaciones eléctricas y las torres de telecomunicaciones, su localización simplemente es demasiado lejana para que la red pueda acceder a ella.
Algunas de las decisiones de diseño más críticas para alimentar las aplicaciones desconectadas de la red con energía solar están ligadas con las ventajas e inconvenientes inherentes al propio sistema de suministro de energía. Estos aspectos vendrán determinados principalmente por el tipo de carga y los patrones de demanda, que son específicos para cada aplicación.

Análisis de carga
La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de un sistema de alto nivel que forma la base para todos los diseños de energía solar. Es preciso conocer bien las principales características de la carga y su comportamiento a lo largo del tiempo al principio del proceso de diseño, de manera que se pueda lograr para cada aplicación un equilibrio entre energía recibida, almacenada y utilizada.

Las cargas tienen diferentes formas y tamaños: pueden ser constantes o variables, diurnas o nocturnas; y pueden ser intermitentes o funcionar 24 horas al día y 7 días a la semana.

El análisis del tipo de carga y del comportamiento de cada carga de aplicación determinará la realización del sistema. Por ejemplo, las luces de peligro utilizadas en zonas de construcción tienen una carga constante, pulsada y nocturna. Este tipo de carga se puede cargar durante el día y se puede seleccionar un tamaño de batería que garantice que las luces de peligro tengan energía para trabajar toda la noche. En cambio, una señal de autopista debe tener una carga pulsada que funcione tanto de día como de noche. En este caso, la batería y el sistema habrán de dimensionarse para soportar una carga constante durante el día y simultáneamente rellenar el paquete de la batería para que la señal continúe funcionando durante la noche.

Una bomba necesitaría también trabajar día y noche, pero su carga sería más intermitente que constante. En este caso habría que valorar un fallo del sistema y el sistema habría de estar diseñado para hacer frente al peor caso posible, incluyendo un sistema de soporte en el caso de que la energía sea insuficiente solar para alimentar el sistema. Una estación de bombeo para sacar agua de lluvia, por ejemplo, necesitaría un sistema de soporte dado que cuando llueve hay muy poca luz solar para cargar las baterías y es precisamente cuando el sistema va a hacer un uso más intensivo: durante o después de la lluvia.
Cada aplicación desconectada de la red tendrá su propio tipo de carga, pero la Figura 2 indica los patrones de la carga para una señal de peligro, una señal de información de autopista y una bomba.

La clave es conocer el promedio de carga diaria en función de la magnitud y la frecuencia, así como el comportamiento operativo. Una vez conocidas la carga y sus condiciones de funcionamiento resulta relativamente sencillo especificar los requisitos de almacenamiento energético.

Almacenamiento de energía
Se puede calcular la necesidad de almacenamiento de energía base utilizando un método sencillo de equilibrio de energía sobre un período de 24 horas. La Figura 3 muestra las condiciones de funcionamiento y su impacto sobre el tamaño de la batería. La capacidad de almacenamiento de energía vendrá determinada por el lado izquierdo de esta tabla.

La carga puede ser predecible, como en los señalizadores intermitentes de las autopistas, o muy variables, como en la aplicación de bombeo. La gestión de cargas variables implica dos posibles escenarios: el funcionamiento normal que cubre el 95% de los casos y el funcionamiento en el peor caso posible, que cubre el porcentaje restante. En condiciones normales, el elemento de almacenamiento de energía se puede rellenar a lo largo del día y tener suficiente capacidad de almacenamiento para alimentar la carga durante toda la noche. Sin embargo, en el peor caso, la bomba podría empezar a funcionar al atardecer y trabajar a plena carga toda la noche. La siguiente ecuación muestra el requisito de almacenamiento energético en el peor caso mediante la consolidación de la energía máxima de la carga por hora durante el periodo de tiempo gastado cuando no se está cargando.

Almacenamien to de energía necesario = Energía máxima en la carga por hora * (24 horas - TiempoCarga)

En el peor caso posible se supone que queda algo de energía en la batería, o en el elemento de almacenamiento, pero debería tenerse en cuenta el impacto de no tener un paquete de baterías a plena carga antes de que empiece a funcionar.
En todas las aplicaciones, una consideración importante es el impacto y el coste de un fallo, como el impacto potencial de que una señalización de aviso de peligro no funcione o la bomba no trabaje. Una técnica evidente para mitigarlo consiste en aumentar el tamaño del elemento de almacenamiento de energía. Sin embargo, siempre existe el peor caso absoluto. En situaciones en las que no se pueda tolerar un fallo, o cuando sea raro que se necesite la energía al máximo, puede ser posible dimensionar el sistema para un funcionamiento normal y añadir un sistema de soporte como un generador diésel.
La parte izquierda de la Figura 3 muestra los requisitos de almacenamiento de energía, mientras que la parte derecha puede utilizarse para dimensionar la matriz solar.

Dimensionamiento de los paneles solares
Si se conocen a fondo los requisitos de carga se puede ajustar el tamaño de los paneles solares. En función de la Figura 3, los paneles solares se deben dimensionar de manera que cubran la capacidad de almacenamiento de energía dentro del tiempo de carga específico, así como para hacer frente a la salida de carga media durante ese mismo periodo de tiempo. Esta relación de alto nivel se define mediante la siguiente ecuación:

Potencia de salidaPanel solar =
= Tamaño de almacenamiento de energía +
TiempoCarga
+ Potencia de cargamedia

Mediante una técnica simplificada de equilibrio de energía se puede estimar el tamaño de los componentes de almacenamiento de energía y de los paneles solares. Hay, sin embargo, otros factores internos y externos a tener en cuenta para afinar las dimensiones estimadas.
Uno de los factores externos críticos es la localización, y más concretamente la latitud de la aplicación fuera de red. Éste, por sí solo, determinará el nivel pico de exposición solar que puede esperarse, así como su variación a lo largo del año. El nivel mínimo de exposición solar se dará durante los meses de invierno y la máxima exposición durante el verano, y esto se debe a la posición de la localización relativa al sol.

Otros factores externos son la nubosidad y la temperatura ambiente, que también pueden afectar de manera adversa a la cantidad de luz solar que el sistema recibirá previsiblemente, así como a la eficiencia de la conversión de energía. Estos factores externos variarán necesariamente con cada aplicación y localización.
Los factores internos, como la arquitectura del sistema y sus interfaces, también influirán sobre el tamaño de los elementos del sistema. En los ejemplos anteriores, el tamaño del almacenamiento de energía y de los paneles solares determina la energía y potencia que se podrían suministrar. Sin embargo, como es sencillamente imposible alcanzar eficiencias de conversión del 100%, habrá que gestionar estas pérdidas inevitables. Esto significa que es fundamental tener en cuenta la electrónica de potencia cuando se calcula la energía que se necesita generar.

Electrónica de potencia
Si el diagrama de bloques de sistema de la Figura 1 explica el equilibrio energético, para considerar los factores internos que influyen sobre el tamaño de los componentes hace falta más información. La Figura 4 proporciona más detalles sobre la realización del sistema y también incluye dudas que influyen sobre la estrategia de la electrónica de potencia.

La estrategia de potencia se basa en un microcontrolador que proporciona una flexibilidad inherente de alto nivel. Permite utilizar un diseño de referencia estándar para una amplia variedad de aplicaciones, así como atender las necesidades específicas de la aplicación y añadir funciones avanzadas. Un diseño de potencia basado en microcontrolador no solo ofrece soporte a la conversión de energía básica, sino que también ofrece flexibilidad para la selección de los principales componentes; también acepta cambios y permite optimizar diferentes de estados de funcionamiento. Además se pueden realizar fácilmente funciones avanzadas como comunicación y diagnóstico, que no serían factibles para un convertidor de energía autónomo dedicado y que pueden realizarse fácilmente mediante un diseño basado en microcontrolador.

En esta realización, las principales preguntas están relacionadas con la carga: ¿cuál es la naturaleza de la carga y cómo se controlará? ¿Se necesitará una tensión o corriente y cuál será la precisión necesaria del punto de ajuste de corriente o tensión? El control de carga podría ser tan sencillo como un relé o tan complejo como un inversor trifásico, pero ambos necesitan una función de cargador que utiliza energía solar para cargar el dispositivo de almacenamiento de energía y, si es posible, proporcionar el seguimiento del pico de máxima potencia (Maximum Peak Power Tracking, MPPT).

Tal vez una de las primeras decisiones sea recurrir a una arquitectura de carril de alimentación común o distribuida. La Figura 5 muestra la diferencia entre estas arquitecturas, aunque el comportamiento de la carga será el principal factor que influye sobre esta decisión de diseño. Si la carga necesita una tensión constante, el carril de alimentación mostrado en la Figura 5a sería la mejor elección. En este caso, el controlador de carga se convierte en un simple relé o un interruptor de estado sólido. El CC/CC solar mantiene el carril común en el punto de ajuste de la tensión y el cargador de la batería se alimenta mediante el bus para cargar el dispositivo de almacenamiento de energía. Las ventajas e inconvenientes de esta solución son los pasos de conversión de energía: suponiendo una eficiencia media del 85% para la conversión de energía, todavía habrá un 15% de pérdidas por conversión. Si el CC/CC solar puede soportar la carga, entonces será un solo paso de conversión. Sin embargo, la carga de la batería requiere dos pasos de conversión como soporte para la carga: el primero del CC/CC solar al carril común y del carril común al CC/CC bidireccional; y el segundo del CC/CC bidireccional al carril común.

También se puede utilizar un carril común si la carga sólo se necesita de noche, cuando el CC/CC solar no funciona. En este caso, el CC/CC solar se puede eliminar y el CC/CC bidireccional del dispositivo de almacenamiento de energía se puede utilizar para cargar la batería desde los paneles solares; o bien se puede recurrir a una fuente alternativa para alimentar la carga. En este caso las necesidades de energía pasan por tan solo dos pasos de conversión: del CC/CC solar al CC/CC bidireccional y del CC/CC bidireccional a la carga.
La arquitectura distribuida, mostrada en la Figura 6, es más flexible y puede afrontar diversos requisitos de carga. El CC/CC solar se puede utilizar, por ejemplo, como soporte para el almacenamiento de energía para la carga, mientras que el convertidor CC/CC se puede adaptar a los requisitos de la carga. El inconveniente de esta opción es que hay siempre hay dos conversiones, aunque es la mejor solución si se prevé que los paneles solares y la carga trabajen de forma concurrente.

Un diseño de circuito propuesto
Esta revisión de alto nivel de la arquitectura de alimentación puede aplicarse a un ejemplo sencillo de baja potencia para señalización de peligro utilizado en zonas de construcción. Desde una perspectiva de alto nivel, los señalizadores solo funcionan por la noche y la batería lo recargará por completo el resto del tiempo. Este comportamiento permite utilizar una arquitectura de bus común y, dado que los señalizadores de peligro solo están cargando o en dando destellos, la topología se puede simplificar combinando el CC/CC solar, el CC/CC bidireccional y el control de carga en un único convertidor bidireccional. La Figura 6 muestra el diseño del circuito propuesto.

Este diseño de circuito utiliza un microcontrolador PIC16F690 de Microchip y dos controladores PWM analógicos MCP1630 para controlar un convertidor bidireccional de retroceso (flyback). Durante el día, la energía solar se utiliza como entrada y carga la batería; cuando se detecta que es de noche mediante un aviso de “energía baja o nula” en el panel solar, el convertidor empieza a suministrar energía al LED mediante un esquema de destellos programado. Las hipótesis y los cálculos en que se basa este diseño se resumen en la Tabla 1.

Conclusiones
El menor coste de las instalaciones solares permitirá que haya más aplicaciones desconectadas de la red eléctrica que accedan a la energía solar. El éxito de estos nuevos sistemas de energía solar dependerá del equilibrio entre ventajas e inconvenientes, tamaño y coste, así como de la utilización de una topología apropiada para cada aplicación final.

La utilización de un microcontrolador como base para la conversión de energía aporta un elevado nivel de flexibilidad. No solo ofrece soporte a un amplio abanico de aplicaciones finales basadas en un diseño de referencia estándar, sino que también puede ayudar a que el diseño sirva en un futuro ante la llegada de la próxima generación de desarrollos en tecnología solar fotovoltaica.

Autor:

Por Stephen Stella, Director de Marketing de Línea de Producto, División de Productos Analógicos y de Interface de Microchip Technology Inc.

Más información o presupuesto