Edilberto Polania Puentes1, Armando Losada Medina2 y Félix Alejandro Sánchez2
Este trabajo consiste en presentar el diseño y la implementación de un instrumento que ayude al diagnóstico de una instalación solar fotovoltaica y a la medición de las características atmosféricas que le afecten. El instrumento está compuesto por 3 elementos: la primera, es una estación que trabaja en exteriores y es alimentada con paneles solares, la segunda es una terminal, de interacción con el usuario donde se graban los datos, y por ultimo un programa de administración, el cual permitirá el registro y visualización de los datos en un computador.
Palabras clave. variables eléctricas; instalación solar fotovoltaica; panel solar; programa de administración.
This work presents the design and implementation of an mstniment to help the diagnosis and measuring of atmospheric variables that affects a photovoltaic solar installation. The instrument consist of three modules: the first, is a station that works in outdoors and powered with solar panels, the second is a terminal with data store where user operating the station, and the third is a manage software which allows register and display data m a PC
Key words: Electrical variables; solar photovoltaic installation; solar panel; management software.
En los inicios del semillero de Energías Alternativas de la Universidad Surcolombiana, SEA-USCO, éste se propuso realizar diferentes investigaciones que le permitiera registrar y aprovechar los recursos naturales que goza el departamento del Hulla, mediante una búsqueda de información relacionada con mapas de radiación solar, encontró que los datos proporcionados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM, resultaron ser insuficientes para los propósitos del semillero, específicamente las investigaciones relacionadas con la energía solar fótovoltaica, a la vez que los datos suministrados se han calculado con base en otras variables indirectas al sol (IDEAM, 2004).
El curso normal de las diferentes propuestas investigativas fiie interrumpido debido a la carencia de datos meteorológicos específicos para realizar estudios de eficiencia de los sistemas fotovoltaicos en zonas determinadas del departamento del Huila, por lo que se planteó la necesidad de obtener una base de datos que agrupe las variables climáticas pertinentes en el conecto funcionamiento de estos sistemas, tomando como ejemplo diferentes iniciativas y proyectos realizados a nivel mundial, como la actividad realizada en el año 2008 en Chile llamada 'Midiendo la Radiación en mi País”, proyecto llevado a cabo por el Departamento de Física de la Universidad de Santiago de Chile (-Profísica-), el Observatorio Europeo Austral (-ESO-), el Núcleo Milenio de Magnetismo Básico y Aplicado, y el Programa EXPLORA CONICYT (Universidad de Santiago de Chile, 2008).
El empleo de un instrumento de medición meteorológica resultará imprescindible para la labor de realizar un mapa de radiación solar de la ciudad de Nena y posteriormente de la región del Huila, por lo que el semillero toma la decisión de empezar el proyecto con el nombre código de UDADAS (Unidad De Adquisición de Datos Atmosféricos y Solares), descartando la adquisición de un instrumento comercial por su elevado costo, ausencia de mediciones de variables eléctricas, dudosa garantía de funcionamiento y necesidades específica de la región.
El diseño del instrumento permitirá no solo ser utilizado en procesos académicos o investigativos, sino que su diseño permite ser empleado en estudios de prefactibilidad, los cuales determinarán qué región es adecuada para la realización de instalaciones solares, además de proveer datos para el mantenimiento preventivo y correctivo de las mismas.
Ésto evitaría la construcción de instalaciones de forma empírica otorgando los estudios necesarios que permita predecir y resolver problemas para la implementación de este tipo de proyectos, registrando en dichos sistemas sus valores para evitar que trabajen fuera de sus parámetros nominales, lo cual aceleraría su deterioro causando el acortamiento de la vida útil del sistema, pérdidas económicas y una mala imagen por parte de los inversionistas sobre dichas tecnologías de energías alternativas; la ausencia de un elemento que momtoree un sistema instalado, generalmente se debe a que estos dispositivos incrementan los costos a la hora de realizar una instalación, lo cual se pretende solucionar al ofrecer un instrumento amigable con presupuestos reducidos.
El propósito de este proyecto fue elaborar un dispositivo capaz de medir y registrar vanables climatológicas y eléctricas provenientes de las instalaciones solares fotovoltaicas (Letrahendo, 2009), por lo que fue necesano determinar una serie de pasos a seguir para conchin con éxito el proyecto, dentro de los cuales se destaca el estudio de las variables físicas que interactúan positiva o negativamente sobre una instalación fótovoltaica solar, como la radiación solar global y reflejada (PMODAVRC, 2012), humedad relativa, temperatura ambiente y de la superficie del panel.
La radiación solar se mide con diferentes instrumentos como el pnheliómetro y el piranómetro (AEMET, 2010), afecta positivamente la instalación pues es la fuente directa de energía que se obtiene de los paneles solares, por lo que se deduce que entre mayor radiación haya en la zona donde se encuentre la instalación, habrá una mejor producción de energía para diferentes usos.
La humedad relativa y la temperatura ambiente afectan negativamente la vida útil y el rendimiento de un panel solar (UNIA, 2011). La humedad presente en el ambiente puede introducirse dentro del panel deteriorando el material semiconductor del mismo acortando la vida útil del panel. Una alta temperatura altera la producción de eneigia en esta tecnología ya que por su naturaleza semiconductora, al calentarse disminuye la liberación de comente reduciendo su eficiencia, lo cual puede resultar inconveniente en algunas regiones del país donde la alta radiación solar viene asociada inexorablemente con ambientes de alta temperatura. Para este proyecto no se tuvieron en cuenta otros factores como el viento y las partículas perjudiciales que éste podría arrastrar a la zona de la instalación.
Se añadió la medición las variables eléctricas como voltaje, comente y potencia eléctrica producidas por todo el sistema fotovoltaico (Argañaraz. 2003). La determinación de la cantidad de energía producida es una variable necesaria para asegurar la vida útil de los mismos y empleada como elemento de garantía del éxito de una instalación solar fotovoltaica, pues permitiría concluir si dicha instalación está operando correctamente o se encuentra por debajo de las cotas de producción que se esperaban al momento en que se realizaron los diseños y estudios de prefactibilidad.
El diagrama de bloques (Figura 1) del instrumento permite observar generalmente qué circuitos serán necesarios para el desarrollo del proyecto.
No obstante, el instrumento se compone de dos unidades físicas llamadas Módulo Estación y Modulo Administrador (Figura 2), donde la primera unidad es la estación meteorológica y medidor de sanables eléctncas en sí. mientras que la segunda unidad es la herramienta donde el usuario controlará la operación de la Estación a su vez que almacena y visualiza los datos provenientes de la misma. Ambos Módulos pueden comunicarse de forma alámbrica (Cable telefónico cobre 4 hilos con conectar RJ11) o inalámbrica (Zigbee Xbee-PRO SI) según las necesidades del usuario que use el instnunento, ambas formas no pueden emplearse al mismo tiempo pues al momento de realizar la implementación de los encuitas no se tenia a disposición el componente Zigbee por lo que la comunicación se hizo temporalmente por cable, hasta que adquirió dicho componente y se preparó el circuito para la comunicación inalámbrica sm retirar el anterior medio de comunicación
El siguiente paso fue el diseño de la electrónica necesaria para la captura de las señales medidas, teniendo como objetivo desarrolla una circuiteria robusta que garantice un margen de precisión necesaria para asegurar la fidelidad del funcionamiento del mstnimento, no solo en la sensórica del mismo sino en la electrónica de potencia (Rashid, 1995) donde el instrumento será conectado a la instalación solar fotovoltaica, el cual debe soportar la potencia y poseer protecciones al momento de realizar la conexión eléctrica. Se tuvo en atenta que el equipo no podría depender de la red eléctrica convencional para su funcionamiento, pues se esperaría que este equipo puede ser instalado en zonas que carecen de este servicio público, por lo que se diseñó una fuente de alergia eléctrica que aproveche la energía solar de un pequeño sistema fotovoltaico para alimentar dicho instrumento. Su diseño permite el abandono por parte del operario del mismo al momento de realizar las medidas, pues resiste agrestes condiciones medioambientales y posee una gran capacidad de almacenamiento de datos, lo cual ahorra en costos de mantenimiento y visitas penódicas regulares para la toma de los mismos. El núcleo del anterior módulo reside en unidades nncrocontroladas que dirigen distintos bloques principales, los cuales destacan la unidad sensonca y la unidad de comunicación alámbnca'malámbrica con el Administrador.
En cuanto al módulo Administrador destaca la unidad de Gestión de la Memoria MMC SD CARD, la unidad de microprocesamiento, visualización, comunicación Alámbncalnalámbrica con la Estación y la unidad de comunicación US'B. Fué elevada la dificultad al momento de implementai la unidad de Gestión de la Memoria MMC SD CARD no solo al gran número de requisitos técnicos (SanDisk, 2004) a tener en cuenta para operar un medio de almacenamiento de este tipo, como el tipo de taijeta. capacidad y velocidad, sino a la baja tensión que requería para trabajar, la cual era diferente al voltaje nominal del resto de circuitos por lo que fue necesario realizar una adaptación del voltaje y tener presente que esta modificación no afectara la implementación del jjrotocolo de comunicación de la taijeta de menciona (ChaN, 2010).
Como herramientas de desarrollo del diseño electrónico se emplearon el simulador electrónico Proteus y el compilador en lenguaje C para miciocontroladores CSS PICC, dada las capacidades que tiene estos programas en cuanto al desarrollo y simulación de circuitos microcontrolados (García, 2008).
La interacción con el usuario es vital para realizar anáfisis a los datos obtenidos y poder emplearlos en determinados usos, por lo que siempre se buscó el método más adecuado para la recepción de los datos generados por el instrumento junto con el software necesano para visualizarlos en un ordenador, prefiriendo el empleo de herramientas libres, como el IDE QT Creator, LibUSB y complementos creados por otros desairolladores de software, que contribuyan al ambiente académico sin olvidar los beneficios de las herramientas licenciadas.
La apariencia física (Figura 3) del módulo Estación es voluminosa, con un cuerpo conformado por dos partes diferenciadles por el color. En la sección blanca reside el sensor de humedad relativa y temperatura ambiente, dentro de un circuito de refrigeración forzosa provisto por un ventilador; el color blanco se usa para reflejar la mayor cantidad de radiación posible, evitando que altere las medidas obtenidas por el sensor antenoimente mencionado. En la sección negra reside los demas circuitos de este módulo, destacándose los sensores de radiación, el sensor de temperatura intema, la cajilla de conexión al circuito de la instalación fotovoltaica, la batena de energizacion en situaciones de emergencia, entre otros. Los sensores de radiación solar necesitan absorber la mayor cantidad de radiación posible, por lo que esta sección del módulo esta pintada de negro.
El módulo Administrador tiene una apanencia física compacta y portátil (Figura 4), destaca el chasis transparente del módulo con el fin de poder observar los componentes internos.
Los módulos Estación (Tabla 1) y Administrador (Tabla 2) poseen sus propias especificaciones técnicas, que muestran las capacidades del instrumento y algunas características que son imprescindibles para la adecuada operación del mismo.
La instalación y realización de las praebas inició en el mes de junio del 2012, el cual el módulo Estación file energizado con dos paneles solares de pequeña potencia (30Wp). Este fue instalado sobre el techo de la residencia de uno de los investigadores en la ciudad de Neiva (Figura 5).
Estas pruebas se realizaron para verificar la fidelidad y estabilidad del sistema, el cual quedó demostrado en los registros de los datos almacenados, 77 días aproximadamente de continuo funcionamiento y con un muestreo de cada 10 segundos. Las gráficas obtenidas se agrupan en sanables comunes como la gráfica de las radiaciones global y reflejada (Figura 6) donde se aprecia los cambios entre el día y la noche, gráficas del punto de rocio, humedad relativa y voltaje de la batería (Figura 7) y gráficas de las diferentes temperaturas (Figura 8) que el instrumento puede registrar. Todas las gráficas corresponden a las medidas obtenidas durante de los primeros dos días de funcionamiento del sistema 11 y 12 de junio 2012.
Se llevó a cabo un contraste de los datos del instrumento UDADAS con los datos proporcionados por el instrumento meteorológico Davis (Figura 9). ubicado en las instalaciones del Tecnoparque Nodo Neiva (SENA - Regional Huila) para corroborar la precisión obtenida, mediante pruebas realizadas en ambientes abiertos y cerrados durante el transcurso de la realización del proyecto, enfocándose durante el periodo de tiempo que el instrumento UDADAS fue puesto a prueba a la intemperie.
Los datos obtenidos por el instrumento Davis no fiieron uniformes en cuanto a la cantidad de días registrados, debido a problemas en el fluido eléctrico que energiza el controlador portátil e inconvenientes internos en el Tecnoparque, sin embargo, los datos obtenidos son suficientes para afirmar que el instrumento UDADAS es preciso. Es necesario resaltar las diferencias entre las escalas, las horas del dia y el formato de representación, lo que aparentan diferencias en las muestras representativas de la radiación solar directa tomadas durante los días 11,12 y 13 de junio del 2012 (Figura 10).
El programa en Labview (Figura 11) fue realizado únicamente con propósitos de verificación del fiincionamienro del software, sin embargo, ofrece un ambiente completamente operativo para el usuario que desea controlar la estación. La elaboración del programa filé sencilla respecto a la interfaz gráfica y algunos de los bloques constructivos del programa, pues labview ya ofrece una serie de herramientas que facilitan la programación gráfica por parte del diseñador. No se puede decir lo mismo del bloque USB el cual fue complicado de realizar, pues el bloque USB que ofrece Labview por defecto, no solucionaba nuestras necesidades especificas de comunicación, por lo que se realizaron ajustes personalizados empleando este bloque básico en un conjunto de funciones para suplir nuestras necesidades comunicativas.
El programa en lenguaje C++ se desarrolla en el IDE Qt Creator (Figura 12) el cual destaca la rapidez con que se realiza la comunicación USB y la facilidad para usar la Librería LibUSB, permitiendo al programa comunicarse con la Estación en el sistema operativo GNU'Linux junto con la elaboración de una sección de diagnóstico que permite detectar cualquier problema ocurrido en la comunicación USB. En contraste con el programa anterior, filé complicada la realización de la interfaz gráfica y el aprendizaje de los distintos complementos usados para ofrecer una adecuada visualización al usuario, lo que ha causado que el programa permanezca en una fase de desarrollo permanente hasta lograr una versión académica estable, pues el programa solo visualiza los datos en modo Texto y modo gráfico instantáneo mas no en un modo que se asemeje al Osciloscopio.
El desarrollo de los sensores representó un gran reto debido a la poca información disponible, por lo que filé necesario recurrir a la ingeniería inversa y a métodos experimentales de ensayo y error, los cuales arroj aron un diseño de un encuito que permitiera cuantificar eléctricamente la radiación solar, lo que demuestra que Colombia está en la capacidad de desarrollar sus propios dispositivos que pueden ser implementados para solucionar problemas complejos adaptados a las necesidades especificas del país: las demás sanables fueron obtenidas con sensores existentes en el mercado electrónico sin realizar profundos procesos de adaptación por lo que no se mencionan junto a la radiación solar.
El muestreo del sistema completo puede llevar a un nuevo nivel el estudio de la meteorología, impulsado por el poder de cómputo de los ordenadores actuales y a los registros anuales con un muestreo muy pequeño para observar con más precisión las variaciones del clima.
El software en Labview obtuso un bajo rendimiento en cuanto a la captura y procesamiento de datos de la estación. Es probable que la causa radique en lo limitado del código obtenido en Labview, el cual siempre se ajustará a los requerimientos de los creadores de este programa, además el código cerrado de algunos bloques de Labview impidió realizar modificaciones profundas para obtener un mejor raidimiento. Esto no demuestra que el software de Labsiew sea un producto inferior, simplemente demuestra que no satisface las necesidades especificas del proyecto y que es necesario usar hardware fabricado por National Instruments para obtener el mejor rendimiento con el software de Labsiew; con lo cual restringe o facilita el empleo de este producto según las necesidades de cada usuario.
El código fiiente de cada programa filé una tarea compleja de realizar, mientras en Labview la interfez gráfica y visualización filé fácil de realizar en contraste con la dificultad de instalar y configurar la interfaz gráfica en QT4, filé sencillo trabajar la librería USB en QT4 en alto contraste con la realización de este bloque constmctis'o empleado en Labsiew, el cual filé casi diseñado desde cero al encontrar bastante limitado el bloque USB que viene por defecto en este programa.
El software libre es la mejor opción para ambientes educádseos donde se puede aprovechar su máximo potencial en la elaboración de proyectos de microelectrónica con interfaz para equipos de cómputo y que estén limitados por los costos o cuestiones legales de las Ucencias privativas. No se duda en ningún momento de las grandes prestaciones de los programas privativos, que en el campo de la ingenien?, electrónica superan ampliamente al software Ubre, sin embargo, se pretende dar a conocer diferentes opciones en la creación de herramientas y soluciones que no impidan el desarrollo y ejecución final de un proyecto de grado además de resaltar los aportes que los estudiantes podrían hacer al software libre.
1. Agencia Estatal de Meteorología, AEMET, 2010. [online]. Propiedad intelectual regulada en su articulo 10 del Real Decreto Legislativo 1/1.996 de 12 de abril de España (Ley de Propiedad Intelectual) URL:http://www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/obsersacion/radiacion/Radiacion_SoLar.pdf.
2. Argañaraz José Hugo. UniversidadNacional del Sur- departamento de ingeniería eléctncay de computadora (Argentina), [online]. 2003. URL:http:www.ingelec.uns.edu.ar/lmei2773/docs LMEl-NC14-Medidas-Medicion%20de%20 P-E-FP.PDF.
3. ChaN. 2010. ELECTRONIC LIVES Manufacturing (Japón), [online]. Update: November 3,. Copyright ©1997-2012. URL:http//elm-chan.org/docs/mmc/mmc_e.html
4. Garcia Breijo, Eduardo. 2008. Compilador C CCS y simulador Proteus para Microcontroladores PIC Primera edición MARCOMBO, S.A. ISBN 9788426714954, pp 260.
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9. Rashid, Muhammad H, 1995. Electrónica de potencia Circuitos, dispositivos y aplicaciones segunda edición. Prentice Hall Hispanoamérica, SA., IEEE. pp 721.
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11. Universidad Internacional de Andalucía, UNIA, 2011. [online] (España). Esta obra se publica bajo una licencia Creative Commons License. OpenCourseWare-UNIA. Unidad 6. Funcionamiento del módulo fotovoltaico en el campo.URL:http://ocw.unia.esciencias-de-la-ingenieria/tecnologia-de-celulas-y-modulos-fotovoltaicos/Matenales/unidad-6.
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