Conecte una carga a un panel solar con un convertidor DC-DC

Como fuente de energía, el sol ofrece algunas ventajas impresionantes sobre las típicas celdas de batería: genera energía prácticamente ilimitada, no requiere carga y se espera que dure otros cinco mil millones de años aproximadamente. Las células solares actuales, más eficientes y menos costosas, proporcionan un medio práctico para convertir la energía solar en electricidad para hacer funcionar nuestros dispositivos. Debido a que las nubes a menudo oscurecen el sol, es difícil diseñar un sistema que pueda proporcionar energía de manera confiable. Un convertidor reductor le permite conectar una carga directamente a un panel solar fotovoltaico.

Voltaje y corriente variables producidos por un panel solar.

La corriente de salida de las células solares de silicio monocristalino típicas depende directamente de la cantidad de luz solar incidente. Por ejemplo, una típica celda de silicio para aficionados del tamaño de una tarjeta de crédito tiene un voltaje de circuito abierto de 0,55 V. La resistencia interna provoca una caída de voltaje a medida que extrae corriente de la celda; pero, a medida que la energía luminosa cae por debajo del nivel necesario para soportar la carga de salida, la corriente de la celda se limita a un voltaje casi constante.

Para un nivel de luz de pleno sol (irradiancia solar de 1 kW/m²), la celda proporciona una corriente de cortocircuito típica de 0,3 A. La salida de potencia máxima se produce en la transición de voltaje constante a corriente constante, típicamente 0,484 V y 0,25 a 0,275 A a la luz del sol. Este 0,484 V es demasiado bajo para la mayoría de las aplicaciones, por lo que los paneles solares generalmente conectan celdas en una combinación en serie/paralelo que proporciona varios amperios de corriente a alrededor de 12 V.

Estas salidas son útiles para muchas aplicaciones, suponiendo que haya plena luz solar disponible siempre que la aplicación esté activa. Desafortunadamente, este imperativo es difícil de lograr en la mayoría de los lugares. La variación de la luz solar tiene un efecto menor sobre el voltaje del circuito abierto pero tiene un efecto directo sobre la corriente máxima disponible. Esta característica es fundamental en el diseño de electrónicas que optimicen el uso de la potencia disponible en un momento dado.

Uso de un convertidor de voltaje reductor o elevador

La mayoría de las aplicaciones incluyen un dispositivo de almacenamiento de energía intermedio, como una batería recargable de plomo-ácido o níquel-cadmio (NiCd), para garantizar una fuente de energía siempre lista. Cuando hay suficiente luz, la célula solar carga la batería, que luego proporciona energía estable a la carga. Cargar la batería directamente desde el panel solar (a través de un diodo en serie) es difícil o al menos ineficiente, porque el voltaje de la batería cambia significativamente a medida que se carga.

Para obtener toda la energía disponible de un panel solar, además de la batería, necesitas un convertidor elevador o reductor y un cargador de batería. El convertidor debe garantizar que toda la energía extraída del panel solar se almacene de manera eficiente en la batería para uso futuro. Un convertidor de modo conmutado opera en dos ciclos.

Un convertidor de modo conmutado opera en dos ciclos. Primero, conecta un inductor a una fuente de energía, lo que permite una acumulación de corriente en el inductor que almacena energía en el inductor. En el segundo ciclo, un cambio en la trayectoria de la corriente permite que el inductor transfiera la energía almacenada a la carga. El voltaje de carga puede ser mayor o menor que el de la fuente de alimentación del inductor.

Conectar el inductor directamente a un panel solar es ineficiente. Dependiendo de los niveles de luz, la capacidad de corriente de salida del panel puede variar desde microamperios hasta varios amperios. Un enfoque mucho mejor es conectar un condensador de tanque al panel solar.

Al monitorear el voltaje en este capacitor, puede convertir el convertidor en modo de conmutación solo cuando la salida del panel sea óptima, es decir, 0,484 V multiplicado por el número de celdas conectadas en serie en el panel. Esta entrada es adecuada para arrancar el convertidor y el condensador proporciona una ruta de baja impedancia para la corriente del inductor.

Además, el condensador admite ciclos completos de funcionamiento del convertidor sin que el voltaje de entrada del convertidor caiga por debajo de su voltaje de funcionamiento. Cuando el voltaje del capacitor cae por debajo de un nivel predeterminado (el voltaje operativo mínimo del convertidor o superior), el convertidor se apaga hasta que el capacitor se carga nuevamente al voltaje óptimo.

Cómo elegir el convertidor DC-DC adecuado

Un convertidor reductor/elevador utilizará transistores, condensadores e inductores en una disposición particular para crear un cambio de voltaje. Un convertidor reductor reducirá el voltaje, pero aumentará la corriente disponible, mientras que un convertidor elevador aumentará el voltaje, pero reducirá la cantidad de corriente disponible. Muchos convertidores reductores/elevadores tienen una eficiencia del 85 al 95 por ciento.

Todos los convertidores DC-DC (incluso los de alta eficiencia) tienen un consumo mínimo de corriente de entrada. Pero en la mayoría de los casos será lo suficientemente bajo (en relación con la capacidad actual de los paneles solares) como para considerarlo cercano a cero.

Por lo tanto, su convertidor DC-DC debe poder aceptar voltaje de circuito abierto total en su entrada, en caso de que no tenga una carga conectada a la salida. El convertidor CC-CC debería poder manejar la variación de voltaje de línea impuesta por el panel (la mayoría de ellos también pueden hacerlo).

Además, deberías considerar un convertidor DC-DC con un rango de entrada más amplio que el nominal requerido, para evitar sorpresas desagradables. El voltaje del circuito abierto depende de la temperatura y otros factores ambientales y operativos, por lo que en este caso definitivamente será una buena idea tomar márgenes de diseño adecuados.

Debes asegurarte de que el convertidor pueda manejar la corriente máxima que puede producir el panel solar. Dicho esto, existe un problema potencial al hacer coincidir la carga alimentada por el convertidor con la energía disponible desde el panel. Si “chupa” demasiada energía, el voltaje del panel disminuirá. Por tanto la carga debe adaptarse a la potencia disponible para optimizar la recogida.

Una vez que la intensidad del sol es alta, el panel solar produce suficiente energía para el voltaje. Un panel solar de 12 V produce más de 12 V. Úselo para alimentar su convertidor CC-CC. Una desventaja de este sistema es que no funciona las 24 horas del día, solo funciona cuando hay luz solar.