miércoles, 17 de abril de 2013

Prototipo de cargador solar simple DIY


Hola querido lector,
en entrega anterior hablé acerca de las pilas recargables del tipo NiMh (las más comunes) y los diferentes tipos de cargadores que hay en el mercado, pero hoy vengo a hablarte sobre el primer prototipo funcional de un cargador solar, asi como los problemas, errores y soluciones durante el desarrollo del mismo.

Antes de entrar con los detalles, permíteme hablarte someramente sobre las placas solares, o mejor dicho, paneles fotovoltaicos. [1]

Pero antes aún, permíteme aclarar un detalle: lo que voy a contar se basa en mi experiencia personal, y si decides poner en práctica algún tipo de circuito, ten presente que lo haces bajo tu propio riesgo, no me hago responsable de posibles problemas o consecuencias.

Paneles fotovoltaicos.

También conocidos popularmente como placas solares, están compuestos por una capa de material semiconductor, habitualmente silicio, la cual, al recibir la radiación solar, genera electricidad.
Antes de continuar, ruego me disculpen los expertos en la materia por simplificar tanto, pero no es el objetivo de este post ahondar en los fundamentos físicos de este tipo de paneles, so pena de provocar sopor y abatimiento a los lectores.
Estos paneles empezaron a usarse con profusión a finales de los años 50, en plena carrera espacial, lo cual propició el interés por su uso, y el posterior avance, aunque aún dista mucho de ser una tecnología eficiente.
A día de hoy, la eficiencia de un panel solar se sitúa en torno al 12%, aunque hay paneles mucho más eficientes en desarrollo.
¿Por qué usar estos paneles si son tan poco eficientes? Porque son fáciles de fabricar, asequibles a pequeña escala, y muy fáciles de usar, aunque también depende directamente del índice de radiación solar de la zona donde vayan a usarse.
Dado que el objetivo de este artículo es realizar un cargador de pilas, el coste será pequeño en relación al beneficio obtenido, y la posibilidad de reutilizarse en otros proyectos.

Problemas de los paneles fotovoltaicos.

Una vez más, insisto en que hablo desde mi experiencia: no pretendo instaurar una verdad absoluta acerca de lo aquí hablado, pero sí espero que pueda ayudar a otras personas que se vean en una tesitura similar.
El primer problema, como dije, es la eficiencia: en torno al 12%, muy poco, pero es bien conocido que las energías renovables no son un negocio atractivo, y llevará tiempo mejorar esa eficiencia, aunque el ingenio es determinante [2]
Otro problema interesante viene derivado de la propia naturaleza de los paneles: para funcionar a pleno rendimiento necesitan recibir la mayor cantidad de radiación solar posible. Esto puede ser un problema potencial, y de hecho, es el primero a resolver antes de plantearse poner las placas.
En mi caso, tengo una terraza donde los rayos solares inciden durante casi todo el día, pero habrán casos donde sólo se pueda poner las placas en una ventana durante unas horas, por citar un ejemplo.
Insisto, es importante tener claro este punto, porque los resultados van a variar y mucho.
También es importante que la placa esté orientada hacia el sol para generar la máxima electricidad.
En las pruebas que he hecho, la diferencia entre poner el panel tumbado sobre el suelo (obviamente boca arriba), y reclinado a 45º, supone perder en torno a 20-30 mA
No parece mucho, pero si hablamos de una placa que da 250 mA, es cerca del 10-15%, una cifra nada desdeñable.
También hay otro factor a tener en cuenta: el entorno.
Por suerte, vivo en una zona donde apenas está nublado durante el año, pero de noche se puede meter bastante humedad, y no quita que de cuando en cuando pueda llover con bastante intensidad.
Este factor es muy importante: no es lo mismo un clima húmedo que uno seco, con mayor o menor contaminación (se depositará polvo, tierra, etc... sobre la placa y restará eficiencia), y puede marcar la diferencia entre dejar las placas instaladas en exteriores siempre, o tener que recogerlas cuando anochezca.
Los fabricantes, evidentemente, han previsto estas inclemencias, y venden diferentes soluciones: placas selladas para resistir la lluvia, etc... incluso cabe la posibilidad de fabricarse un soporte para satisfacer estos requisitos.
En mi caso, estuve dándole vueltas a esta cuestión, y finalmente adquirí un panel en eBay a un precio bastante ajustado:


En torno a 10€ puesto en casa, nada mal para un panel simple, muy simple: no trae cables, ni soporte ni nada, de hecho, hay que soldarle un par de cables para poder usarlo.


Como digo, hay mejores soluciones y en Bricogeek, Adafruit, Sparkfun, etc... puedes encontrar productos muy interesantes.
Con una tensión de 6V y una intensidad de 250 mA es un buen punto de partida para un primer prototipo.

Errores comunes y no tan comunes usando paneles fotovoltaicos con circuitos electrónicos.

Aquí voy a entrar un poco en materia, y en los cabezazos que me ha dado al usar estos paneles.

  • El primer error, y el más típico, es medir la tensión e intensidad del panel sin pararse a mirar las condiciones de iluminación: para que el panel rinda a plena potencia, como dije, debe recibir la radiación directa del sol.
  • Si mides la tensión a la sombra, o en un día nublado, te vas a llevar una sorpresa, y si mides la intensidad, el susto es mayúsculo, mayúsculo porque apenas circulan unos miliamperios, aunque debería circular mucho más.
  • Otro error muy común es asumir que la placa va a funcionar a pleno rendimiento cuando se enchufa a un circuito: no es lo mismo medir la tensión de una placa sin carga que conectada a una carga, cae ligeramente.
  • También es fácil pensar que por tener un circuito conectado a una placa solar, este va a funcionar de maravilla mientras el día esté soleado: no siempre es así. Como pase una nube, la tensión y la intensidad van a caer, y según lo tolerante que sea el circuito, puede ser que no ocurra nada, o que se vuelva inestable y falle. Para el cargador de pilas no supone un inconveniente porque las pilas recibirán carga de una manera más o menos constante, pero sí supone un problema importante de cara a futuras mejoras, como usar Delta Peak para controlar la carga de las pilas (¿recuerdas que requería una intensidad constante?).
  • Del punto anterior se deriva otro hecho: las medidas de tensión e intensidad (amperaje) de las placas suele venir en circuito abierto, es decir, se mide sin enchufar ningún circuito, sino directamente en las mejores condiciones de radiación solar. Cuando se conecta un circuito, hay una ligera caída, como es lógico.
  • No basta con usar un panel cualquiera para un circuito cualquiera, primero hay que tener muy claras las necesidades del circuito antes de elegir la placa (la intensidad suministrada por la placa debería ser superior a la demandada por el circuito pero la tensión sí debe estar bien delimitada o usar un regulador de tensión).
  • Si la placa va a alimentar algún tipo de batería, hay que usar un diodo de protección, porque si no, al caer la tensión de la placa por debajo de la proporcionada por la batería, la corriente circulará de la batería hacia la placa, descargando la batería por completo.
  • Por las buenas experiencias previas, usé un tupperware (aprox. 1-2€) para almacenar las pilas con la circuitería, con intención de que la placa quedase dentro del tupperware, y así aislarla del entorno. El error es que la tapa del tupperware no es totalmente translúcida, y resta en torno a 30-40 mA, una cantidad considerable.


Cabezazos y soluciones diseñando un cargador solar de pilas.

Salvo raras y honrosas excepciones, los autores suelen excluir los errores cometidos, y los cabezazos que se dan porque algo falla y no ven por qué.
En mi caso, el primer error y más importante fue montar el siguiente circuito sin analizar un poco más el escenario al que me enfrentaba:

Un portapilas de 4 pilas AA, un diodo de protección 1N4007 y una placa solar de 6V@250mA, un esquema muy típico que puedes encontrar en varias webs por internet, incluso con algunas donde te venden los componentes.
¿Por qué fue un error? Por varios motivos, pero empezaré por el primero:

  • La eficiencia de las pilas NiMh es del 66% aproximadamente.

¿Recuerdas que lo comenté en el post anterior? Esto es importante, porque los 250 mA de la placa solar se reducen bastante (sólo se aprovecha un 66%), una potencia muy reducida para cargar 4 pilas.
Ahora está más que claro, pero en aquel momento desconocía ese dato, fue un dolor de cabeza importante.
Pensando que 4 pilas eran demasiadas para tan poca potencia, cambié el portapilas de 4 pilas por uno de 2 pilas, usando un regulador de tensión de 3V (este dato es clave y veremos un poco más adelante por qué) pensando que iba a sobrecargar las pilas y provocar algún problema.
Nuevamente, no funcionó: más dolores de cabeza y frustración.
Mirando, y mirando, caí en la cuenta de algo:

  • El diodo 1N4007 provoca una caída de tensión aproximada de 0.8V cuando circulan 250 mA según el datasheet [3]


El diodo estaba puesto entre la salida del regulador de tensión y el portapilas.



Resultado: 3V - 0.8V = 2.2V, una tensión inferior a la demandada por las pilas, y aún queda añadir la caída de tensión del propio regulador de tensión.

Indagando desde la falta de experiencia con estos componentes, encontré un tipo de diodo con una caída de tensión pequeña: el 1N5817

La caída de tensión es 0.2-0.3V a 250 mA

Tras conseguir un par de diodos, procedí a cambiarlo pero seguía sin funcionar: circulaba corriente pero las pilas no cargaban.

Y aquí es donde entra en escena el problemas más importante:

  • Las pilas AA NiMh necesitan una tensión de carga en torno a 3V más que la tensión de la pila.

Si usamos una pila AA (recordemos que la tensión nominal es 1.2V), haría falta una tensión de 4.2V.

Para un port pilas de 2 pilas, haría falta 1.2V*2+3V = 2.4V+3V = 5.4V, una cifra superior a la suministrada por el regulador de tensión.
En el caso de usar un port pilas de 4 pilas, haría falta 1.2V*4+3V = 4.8V+3V = 7.8 V, un valor muy por encima de la capacidad de la placa solar usada.

Tras muchos quebraderos de cabeza, y cuando digo muchos, eran muchos, resultó que el problema era de lo más simple.

Solución: poner un porta pilas de 2 pilas AA conectado a la placa de 6V usando el diodo de protección 1N5817 pero SIN regulador de tensión.
¿Qué ocurrió? Las pilas empezaron a cargarse, y en unas horas (aproximadamente 3-4 a plena luz del sol) pasaron de 1.27V a 1.41V: ¡funcionó!
¿Recuerdas que la energía sobrante se disipa en forma de calor? Esto es importante tenerlo en cuenta, porque las pilas estaban tibias al tacto, y digo tibias, no calientes.

Mejoras al cargador de pilas.

El cargador empezaba a funcionar como esperaba, pero en aras de mejorar la eficiencia, compré una segunda placa solar para conectarla en paralelo con la que tenía previamente, de modo que las pilas recibieran 500 mA: a mayor corriente, más rápido carga, o más pilas pueden ponerse.
Aquí hay que andarse con mucho, pero mucho cuidado: más intensidad implica más riesgos.
Dado que las pilas usadas para las pruebas tenían una capacidad en torno a los 2450 mAh, la carga era de 0.2C, un valor pequeño y seguro para una carga lenta, pero si alguien está pensando en hacer la burrada de darle varios amperios, mejor no lo intente, porque las consecuencias serán desastrosas y sumamente peligrosas.
Como iba diciendo, tras poner un segundo panel, las pruebas han dado unos tiempos de carga en torno a 4-6 horas para cargar 4 pilas AA, una cifra más que razonable.
En base a estos datos, el cargador es un poco más avanzado que un cargador lento, lo suficiente para no suponer un riesgo, aunque las pilas están ligeramente tibias (he usado cargadores convencionales que dejaban las pilas, literalmente, ardiendo).
Aprovecho para recalcar algo: las pilas se calientan cuando están totalmente cargadas, lo he repetido varias veces, pero también se van calentando durante la carga, y hay que tener mucho cuidado. Con un cargador lento, los fabricantes dicen que no hay problema por dar un exceso de carga durante mucho tiempo, pero mejor curarse en salud, ¿no crees? Este prototipo de cargador lento no tiene mecanismos de seguridad: si las pilas se calientan, se calientan, aunque sea poco. Hay que cronometrar el tiempo de la carga para retirar las pilas cuando estén cargadas, y además, es importante tener presente la temperatura ambiente.
La temperatura ambiente máxima para cargar pilas ronda los 40ºC, y si la idea es dejar el cargador y los paneles a plena luz del día, esa temperatura se puede alcanzar con muchísima facilidad. Lo ideal es poner el cargador y pilas a la sombra, y si durante el día hace mucho calor, plantearse alguna alternativa, como ventilación adicional, aislantes térmicos, etc...
Dicho esto, decir que de momento, el prototipo funciona como se espera, pero es poco eficiente, especialmente por los porta pilas: las pilas no tendrán nunca la misma tensión, ni se cargarán al mismo ritmo, luego habrá una que se cargue antes que la otra.
Esto supone un problema: desde que una pila esté cargada, el resto dejará de recibir carga.
Una posible solución sería cargar las pilas individualmente, a costa de reducir la intensidad que reciben, o agruparlas de dos en dos pero también complica el diseño, porque la corriente debe repartirse correctamente aunque no hayan pilas conectadas (si se pone sólo una pila a cargar, recibiría los 6V y 500 mA ella sola y podría provocar una sobrecarga).
Hacer el cambio implica introducir algún mecanismo para controlar la carga de las pilas, y cortar el circuito cuando se alcance la carga plena, o limitar la intensidad recibida por cada pila.
Estos cambios son ideas que aún estoy planteándome, y tendré que analizar y probar.
La introducción de los mismos llevarán al diseño de un cargador inteligente capaz de realizar una carga completa de pilas NiMh AA (realmente podría cargarse cualquier tipo de pila NiMh contando con los paneles y porta pilas adecuados) sin riesgo de provocar una sobrecarga.
Por ahora, el siguiente paso a introducir es un microcontrolador para monitorizar los parámetros del cargador (tensión de las placas, corriente circulante, temperatura interior del tupperware y temperatura de las pilas).

¡Hasta la próxima!


[3] http://www.diodes.com/datasheets/ds28002.pdf

2 comentarios:

  1. GRACIAS POR LA INFORMACION ME AHORRASTE TIEMPO, SERIA BUENO QUE SUBAS EL CIRCUITO FINAL.

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  2. Justo o que eu procurava sobre placas solares

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