OBTENCIÓN DE LA MÁXIMA POTENCIA EN PANELES FOTOVOLTAICOS MEDIANTE CONTROL DIRECTO: CORRIENTE A MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS

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1 OBTENCIÓN DE LA MÁXIMA POTENCIA EN PANELES FOTOVOLTAICOS MEDIANTE CONTROL DIRECTO: CORRIENTE A MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS Fernández, Herman 1 Martínez, Abelardo 2 Guzmán, Víctor 3 Giménez, María Isabel 4 (1) Dpto. Electrónica UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz herman_fernand@yahoo.com (2) Universidad de Zaragoza, Centro de Estudios Superiores amiturbe@posta.unizar.es (3) (4) Universidad Simón Bolívar, Dpto. Electrónica y Circuitos, Sartenejas, Baruta, Caracas vguzman@usb.ve mgimenez@usb.ve Resumen.- Este trabajo contempla el diseño y la implementación de un circuito sencillo y de bajo costo para aprovechar la potencia máxima generada por paneles fotovoltaicos. El diseño basado en el LM3524, reúne las condiciones propicias de un sistema colocado en sitios rurales y de difícil acceso. El sistema de control obtiene en todo momento la potencia generada por los paneles fotovoltaicos mediante la medición de corriente producida. Además, valiéndose de una red sencilla de medición de voltaje, limita el voltaje de salida cuando se usan baterías como elementos de carga. Se realizaron pruebas experimentales utilizando distintos tipos de cargas y provocando perturbación en celdas de un de los paneles solares para demostrar la capacidad de seguimiento del controlador. Los resultados confirman una respuesta satisfactoria del diseño. Palabras clave: Paneles fotovoltaicos/ MPPT/ Circuito PWM/ MPPT por medición de corriente/ Energía solar fotovoltaica/ LM3524. I. INTRODUCCIÓN. A diferencia de las turbinas de viento, las instalaciones fotovoltaicas son estáticas, no requieren de largas y altas torres para su colocación, no producen vibraciones o ruido y no necesitan de enfriamiento. Aunque el costo actual de la energía suministrada a través de una instalación de paneles solares es más elevado que el de las instalaciones eléctricas convencionales, es la alternativa ideal para ser usada en emplazamientos aislados. Las principales ventajas de su utilización son: tiempo reducido para el diseño, instalación y puesta a punto de las plantas de energía. En contraposición, conllevan costos elevados de fabricación, baja eficiencia en la conversión de energía, característica de voltaje corriente no lineal, requieren de dispositivos y/o circuitos para compensación de tensión inversa, necesitan una unidad de conversión para el almacenamiento de la energía y es necesario el uso de algoritmos para la obtención de la potencia máxima (MPPT: Maximun Power Point Tracking). Este trabajo contempla el diseño y la implementación de un circuito sencillo MPPT que reúne las características de: bajo costo, componentes electrónicos de uso masivo y especialmente, de fácil reposición al momento de realizar el mantenimiento correctivo sin tener un alto grado de preparación. Estas condiciones son las propicias de un sistema colocado en sitios rurales y de difícil acceso (viviendas, equipos de telemetría y estaciones de comunicaciones ubicadas en colinas). El sistema de control obtiene la potencia generada por los paneles fotovoltaicos mediante la medición de la corriente producida. Valiéndose de una red sencilla de medición de voltaje, limita el voltaje de salida cuando se usan baterías como elementos de carga. La metodología empleada fue mediante ensayos experimentales. Se procedió a conectar los paneles solares midiendo la corriente a radiación solar completa (sin nubes o elementos perturbadores) y consecutivamente, se fueron bloqueando celdas del mismo panel progresivamente para comprobar el funcionamiento y hacer los ajustes del regulador. 134 Volumen 10, Número 39, julio pp

2 Fernández, H., Martínez, A., Guzmán, V., Giménez, M., Obtención de la máxima potencia en paneles fotovoltaicos mediante control directo II. DESARROLLO 1. Estado actual de los sistemas de control con algoritmo MPPT En la actualidad, la mayoría de los sistemas para el aprovechamiento de la potencia generada por los paneles fotovoltaicos se basan en un microcontrolador, microcomputador o en un procesador digital de señal (DSP). Actualmente existen varias técnicas MPPT: ajuste del ciclo de trabajo por un algoritmo almacenado en el procesador digital con una referencia constante de voltaje o corriente con control proporcional [1], sistema con referencia de corriente y regulación proporcional e integral, [2], por la conductancia incremental, [3], control por adelanto con medición de corriente, [4], aprovechamiento de la máxima potencia sin un método de seguimiento [5], DSP y microcontrolador con medición de potencia y ajuste de la tensión de referencia para variar el ciclo de trabajo, [6], por medición de voltaje, corriente y temperatura [7]. De los esquemas basados en medición de corriente se destacan [8] y [9]. Aunque en ambos casos se consigue aprovechar la potencia del arreglo fotovoltaico midiendo la corriente como única variable, son inapropiados cuando por sí mismos se emplean para cargar una batería, por cuanto no consideran la medición adicional de voltaje de salida para evitar la sobrecarga. Aunque ambos casos se resuelven adicionando pasos simples de programación, necesitan la lectura de voltaje para reducir el ciclo de trabajo, cuando se percibe una fuerte radiación solar que podría sobrecargar la batería y reducir su ciclo de operación. Pensando en dicha condición, se ha diseñado un circuito económico y simple para el seguimiento de la potencia por medición de corriente y el control del ciclo de trabajo, sin tener que recurrir al uso de un procesador digital con un programa almacenado. 2. Método MPPT con medición de corriente El circuito mostrado en la Fig.1 detalla el circuito equivalente del panel fotovoltaico conectado a un convertidor reductor de c.c. a c.c. La corriente entregada por la celda solar está determinada por [10]: donde I L, I OSC, RS y RP son respectivamente la corriente generada por el panel, la corriente de oscuridad, la resistencia serie y la resistencia paralelo de la célula solar, con V t = mkt/e 25mV a 300 K. Considerando despreciable los efectos de la resistencia paralelo, (V+IRS) / Vt»1, igualando la corriente de cortocircuito a la corriente generada, despreciando los elementos resistivos de interconexión entre células y suponiendo células idénticas en un mismo panel solar, la ecuación 1 se reduce a: (1) Fig.1 Circuito MPPT con medición de corriente En un convertidor c.c. a c.c. reductor ideal se cumple: donde D es el ciclo de trabajo, t on, es el tiempo de encendido del interruptor, T, es el período de la modulación y V PV, es el voltaje de entrada al convertidor proveniente del panel. En términos de potencia, despreciando las pérdidas del convertidor, se puede igualar la potencia de entrada a la potencia de salida obteniendo la relación: De acuerdo a la ecuación 5, la potencia de salida es directamente proporcional a la corriente generada por el panel fotovoltaico e inversamente proporcional al ciclo de trabajo, D. Bajo la condición de sol radiante, la corriente del panel se incrementa considerablemente. En consecuencia, el controlador debe operar a un ciclo de trabajo reducido para extraer la máxima potencia admisible. La expresión de carga de una batería está determinada por [11]: donde SOC, SOCm, ns, son el estado de carga, la energía máxima y el número de celdas de la batería respectivamente [11]. Sustituyendo la ec.6 en la ecuación 5, se puede hallar una simple relación entre la potencia de salida y el voltaje de carga de la batería: (3) (4) (5) (6) (2) (7) 135

3 Volumen 10, Número 39, julio pp Las ecuaciones de estado del panel fotovoltaico, el convertidor y la batería son: donde S = 0 ó 1 cuando el dispositivo semiconductor se encuentra abierto o cerrado respectivamente. 3. Diseño del regulador (8) El circuito descrito a continuación [12] se basa en la medición de corriente para obtener el MPPT y a la vez, mantiene el voltaje de la batería sin llegar al estado de sobrecarga con un solo integrado. El diseño emplea un simple regulador PWM para obtener el MPPT de un grupo de paneles solares fotovoltaicos. La Fig.2 muestra el diseño elaborado basado en el regulador LM3524 (National Semiconductor) de uso común, de bajo costo y de gran sencillez. Aún cuando se emplea este regulador en particular, el diseño se puede adaptar perfectamente para operar con otros reguladores similares (TL494, LM3525, UA3844, etc.). La medición de corriente se efectúa mediante un sensor de efecto Hall en el que se registra la corriente generada por los paneles fotovoltaicos. Esta señal actúa después de adaptarse mediante un simple amplificador, directamente como consigna de referencia para ajustar el ciclo de trabajo del controlador. Como método universal para generar una señal modulada en pulsos, se compara la rampa obtenida en el condensador Ct, con la consigna de corriente para variar D. Usando el bloque limitador integrado en el LM3524 (National Semiconductor), se adapta una simple red externa de resistencia para limitar el voltaje de la batería cuando alcanza su valor máximo permisible. Este divisor provoca una señal de voltaje apropiada cuando se carga la batería para limitar el ciclo de trabajo al 25 %. De acuerdo a la disposición del circuito externo que opera como inversor, el conjunto completo actúa en dicha condición al valor complementario de un 75% para reducir así la potencia a la salida. Por ser un circuito en modo de control por corriente, el método de carga de la batería es mediante corriente constante en función a la intensidad de radiación solar. 4. Resultados y discusión A continuación se muestran los resultados obtenidos cuando se conecta el circuito a los paneles solares con distintas cargas en su salida. Los paneles fotovoltaicos son tres unidades con las características de 17 voltios a circuito abierto y 2,5A de corriente de cortocircuito (son los datos disponibles únicamente). Cada panel se conforma por 36 celdas de silicio interconectadas en serie - paralelo. Como elementos de carga se emplearon baterías de plomo ácido de 12V, 7.9 Ah y resistencias de potencia. Los ensayos realizados fueron: radiación solar completa y radiación solar completa cubriendo progresivamente celdas del panel conectando como carga la batería, circuito paralelo batería resistencia y resistencia únicamente. La Fig.3 ilustra el comportamiento del circuito cuando se perturban intencionalmente celdas en uno de los paneles. A mayor potencia de radiación solar, el circuito opera a mayor potencia de salida a un bajo ciclo de trabajo. Este modo de funcionamiento se corresponde con la ecuación 5 donde a mayor potencia de entrada se reduce D para transferir mayor potencia de salida. Al emplear como carga una batería que impone una tensión máxima en sus terminales, el circuito bajo esta condición de operación mantiene la batería a un valor de tensión sin alcanzar el régimen de sobrecarga para evitar daños irreversibles en ella. En ambas curvas se puede apreciar un descenso de la potencia registrado ante la presencia adicional de sombra, lo que provocó un cambio drástico en la respuesta del circuito en incrementar el ciclo de trabajo. Esta condición trae como consecuencia una caída importante en el voltaje de salida de los paneles que es compensada por el aumento del ciclo de trabajo, con el fin de incrementar el voltaje de salida para seguir cargando la batería. La actuación del circuito se corresponde al modo de carga de una batería a corriente constante con límite de intensidad ajustable. El voltaje de la batería se mantiene prácticamente constante, aunque sin embargo, decae cuando los paneles no pueden suministrar la potencia por el bloqueo de las celdas. Fig. 2 Diseño del circuito para obtener MPPT del panel fotovoltaico mediante la conversión directa de corriente a PWM Fig. 3 Respuesta del circuito con tres paneles solares conectando una batería en la salida. El circuito opera siguiendo la potencia de entrada ajustando el ciclo de trabajo cuando de cubren celdas progresivamente en uno de los paneles dispuestos en serie. 136

4 Fernández, H., Martínez, A., Guzmán, V., Giménez, M., Obtención de la máxima potencia en paneles fotovoltaicos mediante control directo Las diferencias encontradas se deben a las pérdidas de potencia en el convertidor de energía, constituido por elementos usados adaptados para hacer la demostración. Si se cuenta con dispositivos de mayor calidad (L y C del convertidor CC/CC), se puede mejorar la eficiencia del controlador. La Fig.4 despliega la carga gradual de una batería a corriente constante (previamente descargada) bajo una radiación solar constante (sin perturbar celdas del panel). La red de adquisición se ajustó para limitar la tensión de la batería por debajo de su valor nominal, para comprobar su actuación. Fig.6 Comportamiento del circuito con una carga batería resistencia en paralelo con tres celdas conectadas Fig. 4 Modo de operación del circuito cargando la batería a corriente constante (radiación solar fija por cielo despejado) con dos celdas conectadas en serie La Fig.5 muestra el seguimiento de potencia del LM3524 cuando varía la potencia generada por los paneles solares cuando se conecta una carga resistiva. A mayor radiación solar se incrementa la potencia transferida a la salida. Por su parte la Fig.6 ilustra como se mantiene cargada la batería a la vez que entrega corriente a la resistencia conectada en paralelo, aún cuando se producen cambios en el suministro de la corriente de entrada. La Fig.7 es un gráfico comparativo de la operación del circuito en función de los paneles usados y el tipo de carga, cuando se mide la potencia de entrada, la potencia de salida y el voltaje de salida. El grupo de la izquierda se corresponde a la conexión de una batería, mientras el grupo de la derecha al arreglo paralelo (batería resistencia). Aunque la respuesta del regulador es similar en ambos esquemas, se aprecia un mejor seguimiento de la potencia y estabilización del voltaje de salida cuando se inserta la resistencia adicional de carga. Este resultado es satisfactorio, ya que por lo general, los paneles solares se conectan a una carga o a otra etapa de conversión. Fig.7 Gráfico comparativo del controlador a dos cargas: batería y batería con resistencia en paralelo. Fig. 5 Relación de potencia de salida frente variaciones en la fuente de entrada. La Fig.8 muestra el comportamiento del circuito cuando entra en régimen de sobrecarga debido al incremento excesivo de voltaje. Durante esta fase, el ciclo de trabajo en el regulador PWM se llega a reducir al 25% y a eliminar cuando la condición persiste en la salida. Aunque se trata de un regulador que trabaja a frecuencia fija, se registran cambios en el período de la señal PWM al suprimir pulsos de salida cuando el voltaje de salida sigue aumentando. 137

5 Volumen 10, Número 39, julio pp Fig.8 Señales de salida del LM3524 con control por límite de voltaje (trazo superior) y en condición normal del PWM (trazo inferior) III. CONCLUSIONES 1. Se obtuvo un diseño compacto, de fácil fabricación, de bajo costo y accesible para labores de mantenimiento. 2. El circuito es propicio para ser usado en aplicaciones para carga de baterías. 3. Se comprobó la capacidad de emplear el regulador de MPPT cuando se conectan cargas adicionales a la batería como elementos resistivos. 4. Se puede esperar resultados similares cuando se enlace a convertidores de potencia. 5. La actuación del regulador como limitador de voltaje se realizó sin agregar circuitos complejos, usando más bien, las funciones del mismo LM Debido a las funciones similares de los reguladores PWM comerciales, se puede extender el diseño con otros controladores ampliamente usados en fuentes que operan en modo conmutado, accionamientos de motores CC, etc. IV. REFERENCIAS 1) Maheshappa H, Nagaraju J, And Krishna M. An Improved Maximum Power Point Tracker Using a Step-Up Converter with Current Loop. Renewable Energy, Vol.13, No.2, 1998, pp ) Bose B., Szczesny P, And Steigerwald R. Microcomputer Control of a Residential Power Conditioning System. IEEE Transaction On Industrial Application, Vol.IA-21, September / October 1985, pp ) Nafeh A., et al., Developed Algorithm of Maximum Power Tracking for Stand-Alone Photovoltaic System. Energy Sources, vol.10, No.2, January, pp ) Harada K, and Zhao G. Controlled Power Interface between Solar Cells and AC Source. IEEE Transaction on Power Electronics, vol.8, October, pp ) Capel A., et al., A Novel Approach to Operate Solar Arrays at Their MPP without Tracking Process. Seminario Annual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación Electronique de Puissance du Futur (SAAEI-EPF04), Toulouse, Septiembre 2004, pp. 4. 6) Hua C, Lin J, and Shen C. Implementation of a DSP- Controlled Photovoltaic System with Peak Power Tracking. IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol.45, February, pp ) Koutroulis E, Kalaitzakis K and Voulgaris N. Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System. IEEE Transaction on Power Electronics, Vol.16, No.1 January, ) Salas V., et al., Novel Algorithm Applied to Maximum Power Point Trackers (MPPT) Measuring Only One Photovoltaic Variable. 1st SWH International Conference: solar-wind-hidrogen/fuel cells (Renewable energies), Segovia, Julio, 2003, pp.4. 9) Noguchi T, and Matsumoto H. Maximum-Power-Point Tracking Method of Photovoltaic Using Only Single Current Sensor. EPE2003, Toulouse, September, 2003, pp.8. 10) Gimeno S., et al. Convertidores electrónicos: energía solar fotovoltaica, aplicaciones y diseño. Valencia, España, Universidad Politécnica de Valencia, 2002, pp ) Castaner L. and Silvestre, S. Modelling Photovoltaic Systems London, Wiley. 2002, pp ) Fernández H., et al., Captura de la máxima potencia en paneles fotovoltaicos mediante control directo: corriente a modulación por ancho de pulsos. Seminario anual de automática, electrónica industrial e instrumentación, SAAEI2005, Santander, Septiembre, 2005, 6 pp. 138