Técnicas de conversión de potencia en iluminación LED alimentada con energía solar

Las mejoras en las prestaciones que han experimentado los diodos emisores de luz (Light-Emitting Diodes, LED) y las células solares fotovoltaicas gracias al desarrollo de la tecnología han aumentado a su vez las prestaciones de la aplicación final. En aplicaciones que combinan estas dos tecnologías, como la iluminación alimentada mediante energía solar, existe el potencial de proporcionar una mejora sustancial de las prestaciones en la aplicación final.

Por ejemplo, es posible reducir la superficie de la célula solar ya que las células solares de mayor eficiencia convierten más energía del Sol en electricidad y los LED de alta eficiencia pueden funcionar durante más tiempo y con un mayor brillo durante la noche.

Los fabricantes de soluciones de iluminación solar tratan de aprovechar estos avances de forma rápida y económica; una forma de conseguirlo consiste en utilizar una estrategia de conversión de potencia que permita un rápido desarrollo y puesta en marcha de soluciones que utilicen las tecnologías más avanzadas. Este artículo revisará los componentes necesarios para desarrollar un sistema de este tipo y analizará las consecuencias que tiene este planteamiento.

La iluminación alimentada mediante energía solar incluye desde faroles utilizados por la noche como lámparas portátiles en zonas con una red eléctrica poco fiable hasta la instalación de sistemas de iluminación de calles a gran escala.

Las diferentes aplicaciones de los sistemas de iluminación solar/LED se utilizan de forma masiva y a nivel global; sólo se diferencian por la escala de la aplicación final.

Los principales componentes de cada uno de estos sistemas son:

• Células solares Captadores de energía

• Batería. Almacenamiento de energía

• LED. Emisores de energía

Tal como se muestra en el diagrama de configuración del sistema en la Figura 1a.

Para que esta implementación sea funcional el comportamiento de cada elemento debe ser compatible con los demás, lo cual significa que la evolución de la tensión/corriente de salida de la célula solar debe estar en consonancia con el perfil de carga de la batería, y el perfil de descarga de la batería debe cubrir los requisitos de control del LED.

La Figura 2 indica las prestaciones de cada componente. Si bien es posible lograr que el comportamiento de cada componente se aproxime al de cada uno de los otros dentro de los márgenes de una configuración determinada, resulta casi imposible garantizar las prestaciones.

La tensión máxima de la célula solar (por célula) se aproxima a 1V, mientras que la batería de NiMH trabaja dentro de un rango de 0,9V a 1,4V, y los LED necesitan una fuente de corriente constante, aunque su tensión directa suele tener un valor superior a 3V. Además, la batería de NiMH presenta algunos requisitos específicos de carga para prolongar su vida operativa útil.

Un sistema que se conecte directamente a todos estos componentes presenta importantes limitaciones, así como ramificaciones para la eficiencia y la robustez del sistema en su conjunto.

La Figura 1b presenta un diagrama de sistema alternativo que afronta estas limitaciones. La conexión de la electrónica de potencia entre cada uno de los tres elementos principales permite un mayor nivel de flexibilidad y permite optimizar las prestaciones del sistema en su conjunto. El microcontrolador no es fundamental; un circuito integrado (CI) autónomo para la carga de la batería puede cubrir las necesidades del perfil de carga de NiMH y los CI de control del LED pueden convertir la tensión de la batería en una fuente de corriente constante.

No obstante, la flexibilidad de una configuración sin microcontrolador es limitada; es probable que los dispositivos tengan un margen de funcionamiento muy estrecho, lo cual limita su capacidad para responder a los cambios. Si se cambia la configuración de la célula solar habrá que cambiar el CI de carga de la batería. En caso de que se cambie la tecnología o la configuración de almacenamiento de energía habrá que sustituir tanto el CI de carga de la batería como el CI controlador del LED. Finalmente, si se cambia el tipo de LED o su configuración, habrá que reconfigurar el CI controlador del LED. Debido al ritmo de innovación, una flexibilidad estándar ofrece respuestas más rápidas a los requisitos cambiantes y a nuevas oportunidades. La flexibilidad del sistema tiene su origen en que los cambios se pueden incorporar, en su mayoría, en el interior del microcontrolador sin necesidad de introducir cambios significativos en el hardware, lo cual exige un rediseño y homologación de forma intensiva.

Una solución basada en componentes discretos tendría dificultades para seguir el ritmo de la innovación sin un componente que optimice el sistema. Un CI de tipo general para la carga de la batería no maximizaría la salida de la célula solar de la misma manera que una solución integrada en un microcontrolador que también incluyera un algoritmo de seguimiento de máxima potencia (Maximum Peak Power Tracking, MPPT).

Un microcontrolador consigue que el diseñador aproveche las prestaciones cada vez mayores de cada uno de los componentes principales, permitiendo al mismo tiempo reutilizar la arquitectura fundamental. La Figura 3 presenta una implementación propuesta. Este planteamiento tiene tres ventajas.

Esta solución incluye cuatro sistemas principales: LED, batería, célula solar y electrónica de potencia. El perfil de carga de la batería se debería controlar para mejorar la eficiencia de carga y su vida operativa, pero la eficiencia de carga en su conjunto también depende de la eficiencia de la célula solar. La incorporación de un perfil de MPPT al algoritmo de conversión debería incrementar la eficiencia de la conversión de energía Solar ->Electricidad. El resultado es una reducción en el tamaño de los paneles solares para cumplir los objetivos de carga. La reducción en el tamaño influye sobre el formato del producto y ofrece al diseñador diversas opciones para mejorar el atractivo visual. La calidad de la luz puede ser una característica de importancia crítica en la aplicación de destino, como sería el caso de su uso para lectura. La calidad de la luz se puede atribuir a la forma de onda de la corriente, una estrecha tolerancia para la corriente de control del LED o la incorporación de atenuación. La solución que incluye un microcontrolador permite a los ingenieros de diseño optimizar todo, desde la eficiencia del componente hasta la robustez y la vida operativa del sistema en su conjunto.

Una sola célula solar, baterías recargables de NiMH de tipo comercial y unos pocos LED que utilicen una corriente de control de 20-75 mA pueden alimentar un farol compacto y portátil para lectura. La sustitución de componentes en la etapa de potencia, como MOSFET de potencia y transformadores, asegura que este diseño pueda ofrecer una potencia que se adapte a las necesidades de iluminación de seguridad en el ámbito comercial y de una comunidad.

Se puede aumentar el número de células solares, las baterías de NiMH de tipo comercial se pueden sustituir por paquetes de baterías a medida y se pueden utilizar LED de alta corriente que necesitan una corriente de control superior a 350 mA.

Se pueden adoptar rápidamente células solares de nueva generación o un nuevo LED con unos requisitos de control determinados para el desarrollo de nuevos productos. Para la utilización de estos productos el cliente puede presentar otros requisitos que no sean fundamentales. Su flexibilidad, va por tanto, más allá de las prestaciones y entra en la funcionalidad de diagnóstico, que permite a un dispositivo prever y comunicarse cuando requiera mantenimiento.

Una solución de conversión de energía basada en microcontrolador ofrece una amplia flexibilidad al combinar dos tecnologías emergentes como la solar fotovoltaica y los LED. La solución permite una rápida implementación de avances que cubren las necesidades del cliente y adoptan los avances de esta emergente tecnología.