ENERGIAS RENOVABLES

1. XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
DISEÑO DE UN CIRCUITO CARGADOR SOLAR PARA MEJORAR EL
RENDIMIENTO DE POTENCIA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
PEQUEÑO MEDIANTE UN CONVERTIDOR TIPO BUCK
John Rojas paredes – jrojas@inictel-uni.edu.pe
Rolando Adriano Peña – radriano@inictel-uni.edu.pe
Marco Quispe Choquehuanca– mquispe@inictel-uni.edu.pe
Rafael Espino Campos – respino@inictel-uni.edu.pe
Rubén Acosta Jacinto – racosta@inictel-uni.edu.pe
Instituto Nacional de Investigación y Capacitación de Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Ingeniería.
Resumen. En el presente trabajo se presenta el diseño, simulación y pruebas de un cargador solar de baterías para mejorar el
rendimiento de la potencia entregada por un panel solar. Dicho sistema se basa en el uso de un microcontrolador de bajo
consumo de energía, un transistor MOSFET y un circuito convertidor tipo Buck. Los resultados obtenidos en el laboratorio,
en un entorno controlado, demuestran una mejora en el rendimiento del 17% con respecto al uso de un sistema cargador
solar convencional. El desarrollo de este tipo de sistemas permite disminuir el costo de los componentes utilizados en la
implementación de sistemas fotovoltaicos para la alimentación de circuitos electrónicos de baja potencia.
Palabras-clave: circuito convertidor Buck, panel solar, punto de máxima potencia, rendimiento de potencia
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad existe un aumento en la cantidad de dispositivos electrónicos alimentados por sistemas fotovoltaicos.
Se prevé que esta tendencia continúe debido a la expansión de las redes inalámbricas de telecomunicaciones, a la aparición
de nuevas aplicaciones tales como redes de sensores y el internet de las cosas y a la masificación del uso de dispositivos
portátiles y móviles.
Debido a la relativa poca eficiencia de la transformación de la energía solar en energía eléctrica por parte de los
paneles solares se hace necesario que éstos operen en o cerca a su punto de máxima transferencia de potencia. Esto permite
tiempos de carga menores así como reducir su tamaño y costo. Para lograr ello se deben implementar circuitos
controladores de carga de batería con circuitos o algoritmos de seguimiento de dicho punto. Una característica básica de
estos circuitos es que deben tener un bajo consumo de energía, más aún cuando la carga del sistema sea pequeña. Existen
varias maneras de lograr ello. Así, en (Koral, Gurkan, & Bilgic, 2013) se presenta un método sencillo y de bajo costo
(denominado Constant Input Voltage – CIV) para operar el panel solar en su punto de máxima potencia. Éste se basa en el
uso de un pin de realimentación de un circuito integrado conversor Buck para obtener un voltaje de salida constante. Esto
permite que no se requiera de un microcontrolador para implementar un algoritmo de seguimiento de punto de máxima
potencia. En (Liu & Makaran, 2009) se describe el diseño e implementación de un cargador solar de batería con un control
óptimo que permite maximizar la conversión de potencia solar en electricidad bajo cualquier condición climática así como
disminuir el tiempo de carga de baterías. Para ello se hace uso de un convertidor DC/DC y de un microcontrolador en el que
se implementa el algoritmo de seguimiento. En (Rad Hat) se presenta un sistema de regulación de carga de batería que
consiste de un convertidor DC/DC controlado por un microcontrolador de bajo costo. En (Antenor Aliaga Zegarra, 2012) se
presenta el modelado y la simulación de un cargador de batería con seguidor de máxima potencia mientras que en (S.
Cuestas)se presentan criterios de diseño de un dispositivo de bajo costo para optimizar el rendimiento de un sistema
fotovoltaico basado en la técnica de seguimiento de “perturbar y observar”. Finalmente, en (Pérez, 2008) se describe el
desarrollo de un seguidor de punto de máxima potencia de un panel solar mediante una etapa de adaptación de impedancias
colocada entre un panel solar y una carga.
En el presente documento se toma en cuenta los enfoques de modelado, diseño, simulación e implementación
considerados por las referencias indicadas para caracterizar e implementar un sistema de control de carga de batería que
permita operar paneles solares de pequeñas dimensiones en su punto de máxima potencia. Asimismo se presentan los
resultados de las pruebas realizadas en laboratorio de la implementación desarrollada

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2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
2.1 Caracterización del solar
El panel solar que se utilizó es de silicio policristalino de dimensiones 9.5cm x 9.5cm, con características nominales
a una radiación de 1000W/m2
, entrega un voltaje de circuito abierto de 5.0V y una corriente de cortocircuito de 200mA.
La caracterización se realizó con el fin de encontrar el punto en que el panel solar, entrega la máxima potencia hacia
una carga específica. Se utilizó una carga variable conectada a la celda solar y se realizaron las mediciones de corriente y
voltaje para diferentes valores de la carga, y con las lecturas obtenidas se graficó la curva característica de voltaje vs
corriente que se muestra en la parte izquierda de la Fig.1, Luego se realizó el cálculo de la potencia en cada punto de
medición y se obtuvo la curva de potencia del panel solar como se muestra en la parte derecha de la Fig.1.
Figura 1- Curva característica de la corriente vs voltaje y curva de potencia vs voltaje del panel solar.
De acuerdo a los resultados obtenidos se observa una potencia máxima es de 512.82mW para un voltaje de 4.44V y una
corriente de 115.5mA que entrega el panel solar.
2.2 Diseño del convertidor Buck
En el estudio de circuitos para la adaptación de la celda solar a la batería y controlar el voltaje de carga de la batería se
optó por utilizar un convertidor reductor tipo Buck, debido a que con este se podría regular los niveles del voltaje de carga
de la batería.
Este circuito se encuentra constituido básicamente por un transistor MOSFET y un filtro pasa-bajo LC como se muestra
en la Fig.2, el transistor se encuentra operando en una alta frecuencia de conmutación para una adecuada regulación del
voltaje de salida de dicho filtro. La importancia de usar el filtro LC es debido a su bajo consumo de energía respecto al
comúnmente utilizado filtro pasa-bajo RC.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
20
40
60
80
100
120
Voltaje (V)
Corriente(mA)
0 1 2 3 4 5 6
0
100
200
300
400
500
600
Voltaje (V)
Potencia(mW)

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Figura 2- Esquema circuital del convertidor Buck.
Para el diseño del convertidor se consideran los parámetros de diseño mostrados en la Tab. 1. El voltaje de entrada (Vin )
y la corriente de entrada (Iin) al circuito convertidor, corresponden a los valares eléctrico que entrega como máximo el panel
solar.
Tabla 1. Parámetros de diseño del convertidor Buck.
SÍMBOLO PARÁMETRO VALOR
Vin (V) Voltaje de salida de la celda solar 5
Iin (A) Corriente de salida de la celda solar 0.140
Vout (V) Voltaje de salida 4.1
f (Hz) Frecuencia de conmutación PWM 50000
∆IL (A) Corriente de rizado del inductor 0.08
∆VC (V) Voltaje de rizado del capacitor 0.1
Utilizando los valores de la tabla 1 se calcula el Ciclo de trabajo nominal (D) y la corriente de salida nominal (IOUTmax):
(1)
(2)
Con estos valores se calcula la inductancia mínima (Lmin) y capacitancia minima (Cmin) adecuados para el convertidor
Buck.
( )
(3)
(4)
5k
220k
3.3V
50kHz
V Vout
180u
1.8u
A
IL
23
V Vc
V Vcell
5.0V
V

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Para la simulación del circuito se consideró componentes comerciales de L=180uH y C=1.8uF. El esquema se muestra
en la Fig. 2, para el cual se realiza la simulación en el software PSIM v.9.03, considerando una señal de control PWM de 50
KHz con un ciclo de trabajo del 80 %, el cual corresponde a la relación del voltaje de salida con respecto al voltaje de
entrada del filtro para obtener un voltaje de salida promedio de 4.1 V y una corriente de salida promedio de 170 mA. tal
como se muestra en la Fig. 3,
Figura 3- Señal de control PWM a 50KHz con ciclo de trabajo del 80% (superior), voltaje de salida del convertidor reductor
(medio), corriente de salida del convertidor reductor (inferior).
3. PRUEBAS Y RESULTADOS
3.1 Esquema de pruebas
Para la implementación del sistema se utilizó el esquema de la Fig. 4, en donde se la celda solar es conectada al
convertidor reductor y a la salida de éste se conecta una carga de 120 Ω. Se utilizó un voltímetro y amperímetro conectado
al panel solar para la lectura de voltaje y corriente. El control del voltaje de salida del convertidor reductor se realizó por
medio de una señal digital PWM de 50KHz con ciclo de trabajo ajustable generada por un microcontrolador de bajo
consumo de energía tal como se muestra en la Fig. 5. Para determinar el ciclo de trabajo que permita la máxima
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006
Time (s)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Vc
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006
Time (s)
0
2
4
6
8
Vout
0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006
Time (s)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
IL

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transferencia de potencia se varió el ciclo de trabajo de la señal PWM mientras se calculaba la potencia entregada por la
celda solar.
Convertidor
reductor Buck
Carga
VBATT
Celda solar
Microcontrolador
PWM
Batería
V
A
Figura 4- Esquema para maximizar la potencia de la celda solar
Figura 5- Implementación del esquema pruebas
Figura 6- Disposición de los equipos en el simulador solar
Para evaluar el sistema en un entorno controlado de radiación solar se utilizó un simulador solar, como se muestra en
la Fig. 6, en base a una lámpara de tungsteno, la cual tenía un filtro infrarrojo y una lente con el objetivo que la radiación
sea uniforme en el área del panel solar, dispuesto como se muestra en la Fig. 7.
Microcontrolador Convertidor Buck
Panel solar
Batería de Ion-Litio

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Figura 7- Esquema del simulador solar utilizado para las pruebas
Una vez dispuestos los equipos, se estableció el ciclo de trabajo para obtener la máxima potencia de la celda solar y se
realizaron 2 tipos de pruebas, uno considerando una carga de 120 Ω considerar a la salida del convertidor y la otra sin
carga. En cada una de estas pruebas se determinó también la potencia entregada por el panel con el circuito cargador solar
convencional de batería (panel solar conectado directamente a la batería), con el objetivo de evaluar el rendimiento del
sistema desarrollado. La potencia fue determinada a partir de 5 mediciones de voltaje y corriente como se muestran en las
Tab.2 y Tab.3.
3.2 Resultados
En cuanto a la evaluación realizada sin carga conectada a la salida del convertidor, se observa que cuando se usa el
circuito cargador desarrollado se obtiene una mejora en el rendimiento del panel solar de 17% respecto a si usa el circuito
cargador convencional.
Tabla 2. Potencia promedio obtenidas con y sin el circuito cargador desarrollado, sin carga a la salida del convertidor.
USANDO CIRCUITO CONVERTIDOR SIN USAR CIRCUITO CONVERTIDOR
I(mA) V(Volt) POTENCIA(mW) I(mA) V(Volt) POTENCIA(mW)
84,9 4,992 423,8208 85,8 4,226 362,5908
85 4,993 424,405 85,8 4,226 362,5908
85 4,993 424,405 85,8 4,227 362,6766
85,1 4,993 424,9043 85,7 4,227 362,2539
84,6 4,992 422,3232 85,7 4,227 362,2539
PROMEDIO(mW) 423,97166 PROMEDIO(mW) 362,4732
En cuanto a la evaluación realizada con carga de 120Ω conectada a la salida del convertidor, se observa que cuando se
usa el circuito cargador desarrollado se obtiene una mejora en el rendimiento del panel solar de 20% respecto a si usa el
circuito cargador convencional.
Tabla 3. Potencia promedio obtenidas con y sin el circuito cargador desarrollado, con una carga de 120Ω a la salida del
convertidor.
USANDO CIRCUITO CONVERTIDOR SIN USAR CIRCUITO CONVERTIDOR
I(mA) V(Volt) POTENCIA(mW) I(mA) V(Volt) POTENCIA(mW)
84,4 5,121 432,2124 86,1 4,2 361,62
84,5 5,122 432,809 86,3 4,188 361,4244
84,6 5,122 433,3212 86,1 4,187 360,5007
84,6 5,123 433,4058 87,1 4,2 365,82
84,5 5,122 432,809 86,1 4,17 359,037
PROMEDIO 432,91148 PROMEDIO 361,68042

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1) El circuito convertidor diseñado para su uso en el desarrollo de un cargador solar permite mejorar el rendimiento
de la potencia para la carga de baterías.
2) El cargador solar desarrollado puede ser implementado con un bajo costo debido a que todos los componentes
electrónicos utilizados pueden ser adquiridos localmente.
3) Los resultados de las pruebas del circuito convertidor se obtuvieron bajo una determinada condición de radiación
solar. Para optimizar su uso bajo condiciones cambiantes se requiere implementar un sistema de seguimiento
automático del punto de máxima potencia.
Agradecimientos
Al INICTEL-UNI por permitir el desarrollo de la investigación dentro de sus instalaciones.
Al Laboratorio de Energía Solar de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería por permitir el
uso de sus instalaciones para la realización de las pruebas del circuito cargador desarrollado.
.
REFERENCIAS
Antenor Aliaga Zegarra, C. H. (2012). "Modelamiento y simulación de un cargador de batería para un seguidor de máxima
transferencia de potencia". XIX Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XIX- SPES), (pág. 12). Puno.
Koral, A., Gurkan, G., & Bilgic, O. (2013). "Low cost maximum power point tracking method for solar battery charging".
ELMAR, 2013 55th International Symposium, (págs. 369,371,25-27).
Liu, K., & Makaran, J. (2009). "Design of a solar powered battery charger". Electrical Power & Energy Conference
(EPEC), 2009 IEEE , (págs. 1,5, 22-23).
Pérez, V. G. (2008). "Seguimiento del punto de máxima potencia de un panel solar para la carga de baterías de sistemas
portátiles". Tarragona.
Rad Hat, A. A. (s.f.). "Designing and Simulation of Microcontroller Based on PWM Solar Charge Controller". ‫مممم‬
‫مممم‬ ‫ممممممم‬ ‫.ممممممم‬
S. Cuestas, L. L. (s.f.). "Diseño de un seguidor de punto máximo de potencia". Laboratorio de Energías Alternativas de la
Universidad Tecnológica Nacional Regional Paraná.

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FORMAT INSTRUCTIONS FOR PAPERS SUBMITTED TO THE CONFERENCE
Abstract. This paper presents the design, simulation and testing of a solar battery charger to improve the performance of
the power delivered by a solar panel. This system is based on the use of a microcontroller of low power consumption, a
MOSFET transistor and a Buck type converter circuit. The results obtained in the laboratory, in a controlled environment,
show an improvement in the performance of 17% with respect to the use of a conventional solar charger system. The
development of such systems can reduce the cost of components used in the implementation of PV systems for powering low
power electronic circuits.
Key words: Buck converter circuit, solar panel, maximum power point, power performance