INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – FMA&ES: RECUPERACIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA EL SOSTENIMIENTO ENERGÉTICO DE LA ESTACIÓN FMA&ES RICARDO DUARTE VEGA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN LICENCIATURA EN FÍSICA BOGOTA, D.C. OCTUBRE DE 2017
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INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL
MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – FMA&ES:
RECUPERACIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA EL SOSTENIMIENTO
ENERGÉTICO DE LA ESTACIÓN FMA&ES
RICARDO DUARTE VEGA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
OCTUBRE DE 2017
INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL
MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – FMA&ES:
RECUPERACIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIÓN DE UN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA EL SOSTENIMIENTO
ENERGÉTICO DE LA ESTACIÓN FMA&ES
RICARDO DUARTE VEGA COD. 20101135066
TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
LICENCIADO EN FÍSICA
NELSON LIBARDO FORERO
DIRECTOR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
OCTUBRE DE 2017
i
NOTA DE CERTIFICACIÓN
Por medio de la presente CERTIFICO que la estudiante RICARDO DUARTE VEGA
con Código 20101135066 ha cumplido con las labores de la pasantía con el grupo de
investigación Física del Medio Ambiente y Energía Solar – FMAES, cumpliendo y
superando las 384 horas de trabajo comprometidas para el desarrollo de sus
actividades.
_______________________________________
Prf. Nelson Libardo Forero Chacón
DIRECTOR
NOTA DE ACEPTACIÓN
Este informe titulado: RECUPERACIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN OPERACIÓN
DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA EL SOSTENIMIENTO
ENERGÉTICO DE LA ESTACIÓN FMA&ES”, realizado por RICARDO DUARTE
VEGA recibió la calificación APROBADO por cumplir satisfactoriamente los
objetivos propuestos.
_______________________________________
Dr. Nelson Libardo Forero Chacón
DIRECTOR
_______________________________________
JURADO
_______________________________________
JURADO
Bogotá, Octubre de 2017
ii
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, a todas Las personas que me apoyaron a lo largo de mi formación en especial a mi tía, Flor de María Duarte, a mi madre Ana Adelina Vega, a mi padre Ricardo Duarte Marín y Al profesor Nelson Libardo Forero Chacón por su acompañamiento en la elaboración del trabajo y sus profundas reflexiones de vida.
iii
TABLA DE CONTENIDO.
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1
1.1. Objetivos ........................................................................................................ 2
2. Aspectos generales ................................................................................................. 3
2.1. Radiación Solar. Componentes de la radiación solar. .................................... 3
2.2. Sensores e instrumentos de medida de la radiación solar. .............................. 8
2.3. La celda solar. Unión p-n y el efecto fotovoltaico. ...................................... 10
2.4. Sistemas fotovoltaicos. Sistema autónomo fotovoltaico – SAF. ................. 17
2.5. LabVIEW y programación gráfica. .............................................................. 18
3. DESCRIPCIÓN e informe DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS..... 21
3.1. Estudio bibliográfico de conceptos físicos y técnicos. Análisis conceptual
del tema. (30 horas dedicadas) ................................................................................ 21
3.2. Inventario de elementos, dispositivos y equipos del sistema de monitoreo de
temperatura ambiente y estado de los mismos. (10 horas dedicadas). .................... 23
3.3. Reinstalación y Puesta en funcionamiento el sistema de medición de
parámetros de operación del SAF de la estación de FMAES. ................................ 24
3.4. Identificación de elementos en deterioro y recuperación operacional de los
sistemas. (10 horas dedicadas). ............................................................................... 25
3.5. Instalación y puesta en operación del equipo reparado y recuperado. (20
horas dedicadas) ...................................................................................................... 26
3.6. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el
seminario FMA&ES. (30 horas dedicadas). ............................................................ 26
iv
3.7. Estudio y entrenamiento en el manejo de LabVIEW como plataforma de
leguaje gráfico. (20 horas dedicadas) ...................................................................... 28
3.8. Adaptación y actualización del instrumento virtual para el mejoramiento del
sistema de adquisición de datos. (10 horas) ............................................................ 30
3.9. Calibración, instalación y puesta en operación del sistema de monitoreo de
radiación solar global y de parámetros de operación del SAF . (10 horas dedicadas).
...................................................................................................................... 30
3.1. Verificación y análisis de datos registrados. (20 horas dedicadas) .............. 34
3.2. Interpretación, análisis estadístico de los resultados. (24 horas dedicadas). 37
3.3. Redacción y presentación informe final. ...................................................... 38
4. CONCLUSIONES ............................................................................................... 39
5. BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................ 40
v
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Variación de la radicación solar extraterrestre G0(0) a lo largo del año,
acorde con medidas satelitales y obtenida a partir de la expresión (2). ........................ 4
Figura 2. Posición de la superficie receptora, con ángulo de inclinación , e
incidencia de los rayos de sol. ....................................................................................... 5
Figura 3. Distribución espectral de la radiación solar en las capas atmosféricas
externas y de la radiación solar global y directa a nivel del mar, luego de atravesar la
capa atmosférica. Datos tomados de ASTM 2007. ....................................................... 7
Figura 4. Trayectoria de la radiación solar, cuando el sol está en el cenit y cuando
forma un ángulo sz con la vertical. .............................................................................. 8
Figura 5. Representación del diseño de un piranómetro tipo termopila. ...................... 9
Figura 6. Propiedades de una unión p-n en equilibrio térmico: (a) zona de escasez,
regiones n y P y campo eléctrico generado. (b) diagrama de bandas, para un sensor
tipo fotodiodo o una celda solar. © ............................................................................. 10
Figura 7. Efecto de la polarización directa aplicada V en (a) el ancho de la zona de
escasez y (b) en la altura de la barrera © .................................................................... 12
Figura 8. (a) Estructura básica de una celda solar. (b) Estructura de bandas de la celda
bajo iluminación. Los portadores minoritarios se difunden a las regiones donde son
mayoritarios. ............................................................................................................... 13
Figura 9. Curva característica I-V en oscuridad y bajo iluminación. .......................... 14
Figura 10. Curva característica I-V en oscuridad y bajo iluminación. ........................ 14
Figura 11. Circuito equivalente de la celda solar. ....................................................... 15
Figura 12. Curva característica I-V, para una celda que opera bajo condiciones
específicas. .................................................................................................................. 16
vi
Figura 13. Configuración de un sistema fotovoltaico, desde una celda a un generador.
..................................................................................................................................... 17
Figura 14. Esquema de un sistema fotovoltaico autónomo - SAF .............................. 18
Figura 15. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques
(conexiones) ................................................................................................................ 20
Figura 16. Ubicación Macarena B. Universidad Distrital FJC ................................... 21
Figura 17. Diagrama de bloques a dimensionar, para el SFA ..................................... 25
Figura 18. Diagrama de conexiones (bloques) del Instrumento Virtual desarrollado
para la adquisición de datos, de parámetros de operación del SAF. ........................... 31
Figura 19. Diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado para la
adquisición de datos y la medida de la radiación solar difusa. ................................... 32
Figura 20. Diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado para
dimensionar los valores de carga AC y DC del SAF. .................................................. 32
Figura 21: Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de los
parámetros de operación del SAF................................................................................ 33
Figura 22: Voltaje de salida (Tensión) de la batería y radiación solar global para un
día arbitrario de medidas. ............................................................................................ 35
Figura 23: Corriente de la batería, carga y módulo FV calculadas para un día
arbitrario. ..................................................................................................................... 35
Figura 24: Evolución de (a) la tensión y de (b) la corriente de la batería, (c) corriente
de la carga, (d) tensión y (e) corriente del módulo FV y (f ) radiación global, como
parámetros de operación del SAF. Datos tomas para cuatro días consecutivos en
forma arbitraria, en el mes de marzo de 2016. ............................................................ 36
vii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Potencia estimada y potencia calculada de las cargas de consumo. .............. 34
Tabla 2. Cálculo del consumo total diario demandado por las cargas. ....................... 34
1
1. INTRODUCCIÓN
Dadas las reformas y adecuaciones a la infraestructura que se han venido realizado en
la Sede A de la Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas desde el año 2009, obligó al grupo de investigación en
Física del Medio Ambiente y Energía Solar - FMA&ES, a adelantar los traslados de
sus equipos y el desmonte de la Estación de Medición de Variables Ambientales de la
sede de la Macarena A a la sede B en el año 2012, e intentar re-instalar desde
entonces los mismos. Adicional a dicha situación las actuales intalaciones fueron
intervenidas desde comienzos del 2016 y solo hasta mediados del 2017, ha sido
posible iniciar, de nuevo la instalación, Esto, generó deterioro y daño de algunos de
los equipos, sino también la suspensión del monitoreo y registro de los parámetros
atmosféricos que son de interés de la investigación en el grupo de investigación. En la
actualidad, el grupo FMAES viene adelantando la reinstalación y puesta en operación
de cada uno de los sistemas de medición, lo que conlleva a evaluar las condiciones
operativas y funcionales de los diferentes sistemas, para así poner en funcionamiento
la estación de monitoreo.
Como resultado de dicha evaluación se ha determinado que los sensores y
componentes eléctricos que componen los sistemas de medición requieren
intervención con el fin de mejorar las condiciones en la captura de datos. Para tales
efectos es necesario rediseñar y reconfigurar los componentes electrónicos y virtuales
de los distintos instrumentos, recalíbralos y ponerlos nuevamente operación. Entre
ellos se encuentra el sistema autónomo fotovoltaico, que brinda el soporte energético
de la estación.
2
1.1. Objetivos
Objetivo general
Dimensionar, instalar y poner en operación el sistema fotovoltaico que soporta
energéticamente el sistema adquisición de datos de la estación FMA&ES.
Objetivos específicos
Realizar un estudio bibliográfico de los conceptos físicos y técnicos
que están implicados.
Revisión de la situación operativa y funcional del sistema fotovoltaico
autónomo.
Formación y capacitación en el manejo de la plataforma y el entorno
de desarrollo de sistemas de adquisición de datos LabView.
Reconfiguración del Hardware, mejoramiento y actualización del
instrumento virtual que monitorea el sistema Fotovoltaico Autónomo.
Instalación y puesta en operación del sistema fotovoltaico autónomo.
Registro y análisis estadístico de datos.
Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances
frente al grupo de investigación y semilleros inscritos al grupo de
investigación FMA&ES.
Redacción y presentación del informe final.
3
2. ASPECTOS GENERALES
2.1. Radiación Solar. Componentes de la radiación solar.
El sol es una esfera de 13.9 105 Km de diámetro, compuesta de muchas capas de
gases que son progresivamente más calientes hacia el centro. Su capa externa, radía
energía producto de las interacciones nucleares en su interior, como una fuente
térmica hacia el sistema solar, equivalente a un cuerpo negro con temperatura cercana
a los 5777 K. Su rata de emisión de energía es 3.8 1023 KW, que resulta de la
conversión de 4.3 106 ton/s de masa a energía y sólo es una pequeña fracción de 1.7
1014 KW, la que es interceptada por la tierra, localizada a 149.6 millones de Km del
sol (Kreith & Kreider. , 1978).
La radiación solar que viaja a través del espacio en forma de fotones o cuantos de
energía, proporciona en promedio una potencia por unidad de área de 1367 W/m2 en
las capas exteriores de la atmósfera terrestre, valor conocido como Constante Solar
(Ics), promedio que es medido continuamente a partir de satélites artificiales (Hammer
& et.al., 25th–29th May 1998.), sin embargo esta cantidad no es constante a lo largo
del año debido a la trayectoria de la tierra y a factores intrínsecos del sol y varía casi
en un 3 % a lo largo del año, siendo su valor máximo en el perihelio cuando la tierra
se encuentra en el punto más cercano de su trayectoria y un mínimo en el afelio que
es el punto más lejano de la trayectoria de la tierra alrededor del sol, el perihelio y el
afelio se presentan el 3 de enero y el 4 de julio respectivamente.
Por tanto, Ics corresponde a la cantidad de energía recibida por las capas externas de la
atmósfera terrestre a una distancia promedio tierra-sol de una unidad astronómica
(1UA = 1.496108Km) cuyo valor sobre una superficie orientada perpendicular a los
rayos solares, está dado por 1367 W/m2 (118.108MJ/m2dia).
Una magnitud astronómica a tener en cuenta junto con el radio de la órbita terrestre es
el factor de corrección de la excentricidad o que se expresa como:
4
365
d2 cos * 0.0331 n
2
00
rr
(1)
En el que dn es el número del día del año, iniciando desde el 1º de enero.
Con base en la expresión (1), se puede relacionar la radiación extraterrestre sobre una
superficie perpendicular a la incidencia de los rayos solares y puede ser calculada
como una función de la constante solar Ics y el factor de corrección de la
excentricidad terrestre 0, expresada como:
00 )0( CSIG (2)
La representación de la variación de la radiación solar global extraterrestre a partir de
estos parámetros, a lo largo del año se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Variación de la radicación solar extraterrestre G0(0) a lo largo del año, acorde con medidas satelitales y obtenida a partir de la expresión (2).
Si la incidencia de radiación se da sobre una superficie inclinada que forma un ángulo
con la horizontal, expresada mediante el factor Coss, donde s, es el ángulo
5
formado entre los rayos incidentes del sol y la normal a la superficie, como se
representa en la Figura 2, entonces la expresión (2), se puede escribir como:
G0(𝛼, 𝛽) = 0CSI cos 𝜃𝑠 (3)
Que es un modelo matemático que expresa el valor de la radiación solar global
extraterrestre para un día dn del año, en las capas atmosféricas extraterrestres.
Figura 2. Posición de la superficie receptora, con ángulo de inclinación , e incidencia de los rayos de sol.
Donde a partir de geometría esférica que:
Coss = sensencos - [signo ()]sencossencos +
coscoscoscos+
[signo()]cossensencoscos +
cossensensen
(4)
es la declinación solar, que está dada por :
sen [360(dn+ 284)/365] (5)
6
es el azimut de la normal a la superficie respecto al sur astronómico, la latitud del
lugar, (positiva al norte del ecuador, negativa al sur) y es el tiempo local estándar,
tomado como:
= (360º/24)(Hl –12) = 15(Hl –12) (6)
se expresa en grados y también se denomina tiempo solar verdadero. Es la
diferencia entre el medio día y el momento seleccionado del día en términos de una
rotación de 360° en 24 horas, contado como negativo en la mañana y positivo en la
tarde, en función de la hora local Hl. (Luque & Hegedus, 2003)
Si la superficie es considerada horizontal, la expresión (5) se reduce a:
Coszs = sensen + coscoscos = sens (7)
donde s es el complemento del ángulo cenit, denominado altitud solar.
Antes de atravesar la atmósfera terrestre, la energía que llega a la parte alta de sus
capas es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda () entre 0.2 y 4 m, que
corresponden a radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja, como se
representa la distribución espectral con color rojo en la Figura 3.
Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera terrestre, es modificada por la
interacción establecida con los componentes gaseosas y demás partículas presentes en
esta. Así, las nubes reflejan parcialmente la radiación; el ozono, el oxígeno, el dióxido
de carbono y el vapor de agua absorben significativamente varias bandas espectrales
específicas; las gotas de agua, los aerosoles y el polvo suspendido causan dispersión.
Esto se hace evidente en la Figura 3, en donde se revelan los picos y bandas de
absorción de las diferentes especies gaseosas y del material disperso en la atmósfera
En general, al ingresar la radiación solar en la atmósfera, ésta, sufre diversos procesos
de absorción, dispersión, difusión, entre otros hasta incidir sobre un punto de la
superficie terrestre.
7
Así, la radiación total que incide en dicho punto (sobre una superficie) recibe el
nombre de radiación global G, y se describe espectralmente como se ilustra en la
Figura 3. La radiación solar global G que alcanza dicho punto sobre la superficie de
la tierra, es entonces el resultado de tres componentes fundamentales:
Radiación directa que corresponde a los rayos de luz provenientes del sol que
alcanzan la superficie, quiere decir que la radiación no se ha visto modificada a lo
largo de la trayectoria dentro de la atmósfera;
Radiación difusa o dispersada corresponde a la radiación que proviene de todo el
cielo excluyendo el disco solar, esto es, procedente de otras direcciones;
Radiación de albedo corresponde a la radiación reflejada por otras superficies
donde incide la radiación solar, incluida la superficie terrestre.
Figura 3. Distribución espectral de la radiación solar en las capas atmosféricas externas y de
la radiación solar global y directa a nivel del mar, luego de atravesar la capa atmosférica. Datos tomados de ASTM 2007.
La intensidad y la distribución espectral de la radiación solar sobre un punto de la
superficie terrestre, dependen por tanto de la composición de la atmósfera y de la
distancia recorrida por la radiación, como se evidencia en las distribuciones
espectrales representadas con color verde y azul. Un concepto que facilita la
comprensión y dinámica de los diferentes procesos que sufre la radiación solar en su
8
paso por la atmósfera, es el de masa de aire (AM), el cual caracteriza el efecto de la
atmósfera. AM, representa la distancia mínima de espesor de la atmosfera que debe
atravesar la radiación solar para llegar a la superficie terrestre, esto es, corresponde a
la longitud relativa del camino del rayo directo a través de la atmósfera comparada
con el camino vertical directamente a nivel del mar como se representa en la Figura 4,
y se describe matemáticamente en el expresión (8).
𝐴𝑀 =1
coszs (8)
Figura 4. Trayectoria de la radiación solar, cuando el sol está en el cenit y cuando forma un ángulo sz con la vertical.
En el que zs es el ángulo solar zenith, ángulo entre la vertical y el rayo solar
incidente, en un punto geográfico de latitud específica , como se muestra en la
Figura 4. Cuando el sol está en el cenit (esto es a las 12m) en un día claro al nivel del
mar, se obtiene AM1. En la Figura 3, se representa la variación de la irradianza solar
extraterrestre (AM0), esto es, antes de atravesar la atmósfera y (AM1) luego de
atravesarla y llegar al nivel del mar. (Forero & y otros., 2007)
2.2. Sensores e instrumentos de medida de la radiación solar.
Son diversos los tipos de sensores empleados para la medida de la irradiación solar
global (directa + difusa + albedo). Se tienen de tipo calorimétrico, termomecánicos,
fotoeléctricos, piroeléctricos, termoeléctricos y fotovoltaicos, cuyo principio de
funcionamiento en cada uno determina las características del instrumento.
9
Actual y básicamente por costos, estabilidad mecánica y eléctrica, los piranómetros
más empleados para evaluar la radiación solar que llega a una superficie horizontal
son de tipo termoeléctrico y de tipo fotovoltaico. (Markvart & Castañer, 2003)
Sensores de radiación Solar tipo termopila.
Este tipo de piranómetro está conformado principalmente por una pila termoeléctrica
(o termopila). La pila termoeléctrica está configurada por termopares que se
encuentran ubicados horizontalmente y unidos a una placa maciza de latón por medio
de dos barras de cobre cada uno, dispuestas verticalmente, como se describe en la
Figura 5. El elemento sensible (transductor) donde están alojadas y distribuidas
simétricamente todas las puntas de las junturas de cada termopar, está recubierto con
material negro mate para absorber eficientemente la radiación solar, que en conjunto
genera una diferencia de potencial eléctrico proporcional a la diferencia de
temperatura que hay entre las puntas de los termopares, y esta a su vez proporcional a
la radiación incidente.
Figura 5. Representación del diseño de un piranómetro tipo termopila.
La función que cumple la cúpula de cristal en el sensor, por su parte, es debido a que
la sola termopila cubre un espectro de 300 a 5000nm, por tanto sobrepasa el espectro
de radiación solar, es aquí donde la cúpula de cristal, limita el espectro de radiación
en el rango que se requiere de 300 a 2800nm, sin cambiar el campo de visión de 180°.
La forma de obtener la potencia recibida es multiplicando la tensión que entrega el
instrumento de medición por una constante del mismo que proporciona el fabricante
(y que depende de las características del instrumento).
10
Sensor de radiación Solar tipo fotodiodo
Posee como elemento sensible un fotodiodo de Silicio (Si) por lo general
monocristalino, pero también, se emplean otros compuestos semiconductores. Opera
de tal manera, que al incidir radiación genera una diferencia de potencial proporcional
a la intensidad de la radiación solar incidente.
Por sus bajos costos, frente al resto de tecnologías empleadas en los demás tipos de
piranómetros, su versatilidad, estabilidad mecánica y eléctrica, como su rapidez de
respuesta, el cual es del orden de los milisegundos, su detectividad y sensibilidad, es
uno de los más usados para medir radiación solar.
Los principios de operación del piranómetro tipo fotodiodo corresponden
básicamente a los de una celda solar. Los fotodiodos, como las celdas solares son
dispositivos que convierten directamente la radiación solar, en energía eléctrica por
medio del efecto fotovoltaico.
Figura 6. Propiedades de una unión p-n en equilibrio térmico: (a) zona de escasez, regiones n y P y campo eléctrico generado. (b) diagrama de bandas, para un sensor tipo fotodiodo o una
celda solar. ©
2.3. La celda solar. Unión p-n y el efecto fotovoltaico.
Una celda solar se desarrollada a partir de materiales semiconductores y consiste en
una región extrínseca tipo n por un lado, en la que los portadores mayoritarios son
11
electrones y otra región extrínseca tipo p en la que la mayoría de portadores de carga
son huecos. (Lorenzo, 1994). Al unirse estas dos regiones conforman entre sus partes
adyacentes una región de juntura o unión p-n, como es representado en la parte
superior derecha, de la Figura 6.
En la parte inferior izquierda y derecha, respectivamente de la Figura 6, se
representan las bandas de energía en forma independiente y en la conformación de la
juntura p-n entre las dos regiones.
A causa de los gradientes de concentración de huecos en el lado p y de electrones en
el lado n, algunos huecos se difunden de p hacia n y algunos electrones de n hacia p.
En la zona próxima de la juntura, electrones y huecos se recombinan permaneciendo
en la zona n próxima a la juntura los donores ionizados (positivos) y en la zona p
próxima a la juntura los aceptores ionizados (negativos). Así en la región de la unión,
-xp < x < xn, la carga neta es neutra y como no tiene portadores se conoce como zona
de escasez. La distribución de carga en la zona de escasez produce un campo eléctrico
en dirección de n a p, tal que, bajo equilibrio térmico tiene una magnitud que
contrarresta exactamente la difusión de los portadores. La diferencia de potencial que
resulta como efecto del campo se conoce como potencial de contacto. Como referente
energético a 0 grados K, se establece un nivel de energía conocida como Nivel de
Fermi, de tal manera que en equilibrio térmico, la energía de Fermi EF es la misma
para las dos regiones extrínsecas y para la unión p-n, como se representa en la Figura
6 b).
Cuando se aplica una diferencia de potencial externo V a la unión, como se muestra
en la Figura 7(a), el estado se llama de polarización directa y la diferencia de
potencial se considera positiva. El efecto de este potencial es el de modificar la altura
de la barrera a qVi - qV (ver Figura 7(b)) y de esta forma, la diferencia de potencial
en los límites debe ser igual a la caída de potencial en la unión. De esta forma, la
zona en la que no hay portadores de carga disminuye y por lo tanto la difusión es
el medio dominante de transporte de carga, lo cual produce altas corrientes debido a
12
la difusión de cargas. Si por el contrario el estado es de polarización inversa, es decir
V < 0, la altura de la barrera de potencial pasar a ser qVi y el ancho de la unión mayor
que Wo, de tal manera que la zona de escasez se incrementa y por lo tanto el medio de
transporte dominante de carga dominante es el de drenaje (drift), el cual reduce las
corrientes producidas por difusión. Este comportamiento del dispositivo en estas
condiciones se conoce como diodo.
Figura 7. Efecto de la polarización directa aplicada V en (a) el ancho de la zona de escasez y (b) en la altura de la barrera ©
Una de las más importantes aplicaciones de una unión p-n es la de obtener energía a
partir de la luz solar. Cambiando las condiciones del sistema, es decir, exponiendo la
juntura a radiación (radiación solar), los portadores minoritarios de carga en las
regiones dopadas tipo p y tipo n, aumentan su densidad de manera exponencial,
debido a esto aumenta significativamente la densidad de corriente que se colecta a
través de las terminales del circuito electrónico, este es el principio básico de una
celda solar.
El funcionamiento de la región de la unión p-n se basa en la generación de pares
electrón-hueco producidos por absorción de fotones; estos portadores de carga se
mueven por difusión hacia la juntura p-n donde genera un campo eléctrico que los
desplaza hacia los contactos eléctricos, haciendo posible el llamado efecto
fotovoltaico. De esta manera, se genera una fotocorriente proporcional a la intensidad
de la radiación incidente.
13
Figura 8. (a) Estructura básica de una celda solar. (b) Estructura de bandas de la celda bajo iluminación. Los portadores minoritarios se difunden a las regiones donde son
mayoritarios. El mecanismo de conversión de radiación en energía eléctrica es conocido como
efecto fotovoltaico. Una celda solar es un dispositivo cuya base de operación es el
efecto fotovoltaico. En la Figura 8(a) se ilustra la estructura básica de una celda solar
simplificada a una unión p-n, la corriente generada por la celda es entregada a una
carga externa RL. La Figura 8(b) muestra la estructura de bandas de la celda solar
bajo iluminación, los fotones con suficiente energía generan pares electrón-hueco
tanto en la región p como en la n. El campo eléctrico de la unión impide que los
portadores mayoritarios se difundan a las regiones donde son minoritarios. En
cambio, cuando los portadores minoritarios se aproximan por difusión a la región
unión, el campo eléctrico se encarga de desplazarlos a las regiones donde son
mayoritarios, de esta forma se establece una carga neta en las regiones extrínsecas,
dando lugar a una diferencia de potencial. En la unión p-n de la Figura 8(a), el exceso
de portadores se incrementa por foto-generación y decrece por recombinación.
El efecto de extraer esta energía a través de una resistencia de carga externa RL, como
la representada en la Figura 8(a), produce una corriente conocida como corriente
fotogenerada, que se expresa en la ecuación (9) y cuya representación establece la
curva característica I-V que se muestra en la .
𝐼 = 𝐼𝑠 (𝑒𝑞𝑉
𝐾𝑇 − 1) − 𝐼𝐿 (9)
14
En oscuridad, IL=0 y la curva I-V de la celda solar es igual a la de un diodo ordinario,
por esta razón al primer término de la derecha de se le conoce como corriente de
diodo ID. Mientras con iluminación la curva I-V corresponde a la curva en oscuridad
bajada en IL.
Figura 9. Curva característica I-V en oscuridad y bajo iluminación.
Para extraer la corriente generada por la celda solar a un circuito exterior, se necesitan
contactos eléctricos. La Figura 10 representa la estructura básica de una celda solar.
Figura 10. Curva característica I-V en oscuridad y bajo iluminación.
El contacto eléctrico de la parte posterior del sustrato p cubre toda el área. Antes de
colocarlo, se difunde una capa muy delgada de aluminio en la superficie, para
establecer un buen contacto óhmico con el sustrato. El contacto metálico frontal es
una rejilla diseñada de tal forma que incida el mayor número de fotones sobre la
unión y que a su vez ofrezca una baja resistencia. Sobre la superficie iluminada se
15
coloca una película antirreflectante, para reducir la perdida de luz incidente debido a
la reflexión.
Figura 11. Circuito equivalente de la celda solar.
Desde el punto de vista eléctrico la celda solar se comporta de manera equivalente al
circuito mostrado en la Figura 11. El circuito consiste de una fuente de corriente
constante que representa la corriente fotogenerada IL, en paralelo con un diodo que
corresponde a la corriente de diodo ID. En la celda se presentan otros factores que
afectan la corriente y que son equivalentes en el circuito a dos resistencias, una en
paralelo Rp que se debe a fugas de corriente por la superficie de los bordes de la celda
o a defectos estructurales a lo largo de la unión, y una resistencia en serie Rs que
representa la resistencia de los contactos metálicos con el semiconductor y
principalmente la resistencia de la rejilla metálica frontal.
De la solución del circuito equivalente se permite escribir la ecuación de la celda
como:
𝐼 = 𝐼𝐿−𝐼𝑠 (𝑒𝑞𝑉𝐼𝑅𝑠
𝜂𝐾𝑇 − 1) − 𝐼𝑅𝑠𝑉
𝑅𝑝 (10)
De la ecuación de la celda solar (9) se obtiene la curva característica corriente en
función de voltaje (I-V), mostrada en la Figura 12. La potencia P generada por la
celda solar es el resultado del producto IV.
16
Figura 12. Curva característica I-V, para una celda que opera bajo condiciones específicas.
De la curva características I-V y P-V se obtiene la información de los parámetros de
operación que caracterizan el comportamiento eléctrico de la celda solar. En
condiciones de corto-circuito, el voltaje de salida es nulo, esto es V=0 y la celda
genera el máximo valor de corriente que se denomina corriente de cortocircuito Isc.
Cuando el circuito externo es abierto, la corriente es nula, I=0 y el voltaje alcanza su
valor máximo que se conoce como voltaje de circuito abierto Voc. En forma
consecuente se obtiene el punto de máxima potencia, Pm que se presenta par un
máximo valor de voltaje, Vmp con su correspondiente, valor de corriente Imp. Por su
parte el factor de llenado FF se define como el cociente entre la potencia máxima
entregada por la celda y la potencia máxima teórica que viene dada por el producto
Isc,Voc, esto es:
𝐹𝐹 =𝐼𝑚𝑝𝑉𝑚𝑝
𝐼𝑠𝑐𝑉𝑜𝑐 (11)
Este factor es una relación de las áreas de los dos rectángulos representados en la
Figura 12, donde el área del rectángulo de potencia máxima entregada es menor por
lo tanto la relación siempre será menor que 1 y cuanto más se aproxime a este valor,
la celda será de mejor calidad y tendrá una mayor eficiencia-
17
2.4. Sistemas fotovoltaicos. Sistema autónomo fotovoltaico – SAF.
Un sistema fotovoltaico está conformado por uno o más módulos fotovoltaicos, que
guardan las mismas características y que están configurados en serie y/o en paralelo
según sea necesario proveer cierta potencia, M×N. Cada módulo fotovoltaico, a su
vez está configurado por un conjunto de celdas solares en serie y/o en paralelo, m×n
que guardan las mismas características entre sí.
Figura 13. Configuración de un sistema fotovoltaico, desde una celda a un generador.
La conformación, por tanto de un número M×N de módulos fotovoltaicos establece
un generador fotovoltaico.
Un sistema fotovoltaico autónomo, por su parte está encargado de suministrar energía
eléctrica a cargas DC y/o AC cuando sea requerida, independiente de la ausencia de
radiación solar, durante un periodo de tiempo específico. El suministro de energía
debe ser continuo y confiable, así el sistema debe estar compuesto además de los
dispositivos encargados de transformar la radiación solar en energía eléctrica, de
dispositivos para almacenar y acondicionar esta energía a los requerimientos de las
cargas a alimentar, durante el periodo estimado. En la se muestra esquemáticamente
un SAF, cuyos componentes son:
Generador fotovoltaico. Encargado de captar y convertir la radiaci´on solar en
energía eléctrica.
Banco de baterías. Almacena la energía generada por los módulos fotovoltaicos
durante las horas de radiación para su posterior uso y mantiene estable la diferencia
de potencial del sistema.
18
Regulador de carga. Controla el estado de carga y descarga de la batería,
garantizando el óptimo funcionamiento del SFV autónomo.
Inversor. Convierte la corriente DC en corriente AC. En nuestro caso, no se har´a uso
de un inversor, ya que todas las cargas empleadas son DC.
Figura 14. Esquema de un sistema fotovoltaico autónomo - SAF
2.5. LabVIEW y programación gráfica.
LabVIEW es un lenguaje de programación gráfico que utiliza un modelo de flujo de
datos en lugar de líneas secuenciales de código de texto, desarrollado por la firma
National Instruments NI. NI-LabVIEW, originalmente estaba orientado para
aplicaciones de control de equipos electrónicos usados en el desarrollo de sistemas de
instrumentación, lo que se conoce como “instrumentación virtual”. Por este motivo
los programas creados en LabVIEW se guardan en ficheros llamados VI (Virtual
Instrument), y con la misma extensión.
Un Instrumento Virtual, VI, es un instrumento real que al momento de crearse es
posible utilizar varios IV los cuales son llamados sub-IV, con todos ellos pueden
crearse programas robustos. La programación en Labview se compone de dos partes:
el panel frontal y el diagrama de bloques. El panel frontal es la forma de interactuar
19
con el instrumento virtual, en este se presentan los botones, graficas, cajas de
recepción de datos y muestra de datos; el panel frontal es la interfaz de Entrada –
Salida con el instrumento virtual.
Con un instrumento virtual al igual que con un instrumento tradicional se realizan
mediciones de magnitudes físicas tales como corriente, tensión, entre otras, pero
además con este instrumento se puede realizar otras funciones como almacenamiento
y procesamiento de las señales. Los instrumentos virtuales se componen de tres
partes, computador, hardware y software, el computador es la estación de trabajo
donde se puede almacenar y visualizar los datos. El hardware es el dispositivo que se
conecta al computador y ofrece un amplio rango de capacidades para la adquisición
de datos, se pretende utilizar módulos Field Point de la National Instruments como
herramientas de este tipo, uno de los módulos I/O incluye entradas y salidas de tipo
análogo y digital el cual se encargará de la adquisición de datos de variables como
temperatura, radiación, corriente y voltaje de los diferentes sensores, el otro modulo
comunica el computador y el modulo I/O por medio de un puerto serial RS-232.
El software que controla y administra los recursos del computador es una parte
fundamental del instrumento virtual ya que le da flexibilidad al permitir que el
usuario configure el instrumento de acuerdo al tipo de medición. Labview es un
software orientado hacia la instrumentación virtual que cuenta con un gran número de
herramientas de presentación y librerías especializadas, además de estas funciones
cuenta con programas driver que son los encargados de manejar el hardware
(módulos Field Point) es decir, de establecer cómo será el modo de empleo y la
comunicación, ordenar la toma de datos, llevar los datos del dispositivo al
computador.
El diagrama de bloques permite crear de forma gráfica la programación del
instrumento virtual, al igual que en la programación a bajo nivel, Labview utiliza las
mismas estructuras, solo que estas se representan con bloques las cuales interactúan
entre ellas por medio de cables.
20
a.)
b.)
Figura 15. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques (conexiones)
El panel frontal y el diagrama de bloques se conectan a través de terminales,
elementos que sirven como entradas o salidas de datos.
21
3. DESCRIPCIÓN E INFORME DE LAS ACTIVIDADES
DESARROLLADAS.
A continuación se describen cada una de las actividades realizadas en el desarrollo del
TG bajo la modalidad de pasantía en el grupo de investigación FMA&ES y se
analizan los resultados obtenidos, siguiendo lo expresado en los objetivos planteados
en el PTG. Se planteó un cronograma de actividades a ejecutarse inicialmente durante
el transcurso de los periodos 2016-1, 2016-3. Las primeras sesiones de trabajo se
desarrollaron a comienzos del 2016, sin embargo y debido a la intervención física de
las instalaciones donde opera el grupo FAMES, se decidió suspender la parte
operativa y experimental del proyecto y solo se reanudaron a mediados del mes de
mayo del 2017. A continuación se presenta la descripción de cada una de las
actividades realizadas en el desarrollo de la pasantía, los resultados obtenidos y su
análisis respectivo.
3.1. Estudio bibliográfico de conceptos físicos y técnicos. Análisis conceptual
del tema. (30 horas dedicadas)
El edificio de laboratorios Macarena B de la Universidad se encuentra ubicado en la
ciudad de Bogotá – Barrio la Macarena, con la dirección catastral Kr 4 No 26a-40:
Figura 16. Ubicación Macarena B. Universidad Distrital FJC
22
Las coordenadas de ubicación de este edificio donde opera la estación FMAES son:
4°36´49.1´N¨ - 74°03´55.2¨W.
La primera actividad de revisión bibliográfica, contempló el estudio, descripción y
análisis de una serie de documentos, libros y artículos relacionados con los siguientes
temas:
Radiación solar. Astronomía de la radiación solar.
Componentes de la radiación solar. Componente directa, albedo y la radiación
solar difusa.
Fundamentos físicos de materiales semiconductores y de la celda solar.
El diodo semiconductor y la celda solar. Características y propiedades.
El efecto fotovoltaico. Módulos y generadores fotovoltaicos.
Sistema autónomo fotovoltaico. Dimensionamiento.
Instrumentos de medida de la intensidad radiación solar. Tipos de piranómetros.
Piranómetros tipo fotovoltaico y tipo termopila.
LabView. Programación gráfica.
Sistemas de adquisición de datos e instrumentación virtual.
Los temas relacionados anteriormente, se resumen en el capítulo anterior sobre
ASPECTOS GENERALES, en el que se incluye la revisión y análisis bibliográfico.
Los estudios y análisis en los temas relacionados forman parte del proceso de
formación profesional, para el cual se adelantaron y aprobaron formalmente tres
cursos electivos ofrecidos por el grupo FMAES a la Licenciatura en Física, que son el
soporte teórico-experimental para el desarrollo del trabajo de grado.
Estos cursos se convierten en requisitos del proceso y son: “Principios de Física del
Estado Sólido”, desarrollado durante el periodo 2016 - 1, curso electivo de
23
Fundamentos y aplicaciones de Energía Solar. desarrollado durante el periodo 2016 -
3 e “Instrumentación Virtual y adquisición de datos”, desarrollado durante el periodo
2016 - 3.
3.2. Inventario de elementos, dispositivos y equipos del sistema de monitoreo
de temperatura ambiente y estado de los mismos. (10 horas dedicadas).
Módulos de adquisición Compact Field Point 2020 de la firma National Instruments.
cFP 2020: Compact Field Point 2020. Controlador Robusto e Inteligente en
Ethernet para Compact FieldPoint con Unidad de Disco Desmontable. Con las
siguientes características: (Instrument, 2015)
Controladores en tiempo real, autónomos y embebidos o interfaz
Ethernet para E/S distribuida basada en PC.
65 MB de almacenamiento CompactFlash no volátil, memoria DRAM
de 32 MB. 1
puertos serial RS485 y 3 RS232 para conexión a periféricos.
Soporte para el Módulo LabVIEW Real-Time 8.5.1 y anterior
Soporte para Windows.
cFP-AI-100: El módulo cFP-AI-100, es un módulo de entrada analógica de
voltaje y corriente de 8 canales para Field Point
Maneja 8 entradas de voltaje o corriente con una resolución de 12 bits
Maneja señales de milivoltios, bajo voltaje, voltaje medio o
miliamperios
Rango de entrada configurable por software (por canal)
rango de operación de -40 a 70°C
Operación Hot PnP (plug-and-play)
24
Tecnología Plug and Play, simplifica las configuraciones de los
dispositivos automatizando el procedimiento de asignación de recursos
a los dispositivos instalados
cFP-TC-120: El Módulo cFP-TC-120 llamado de termopar de 8 canales para
Field Point:
Mide señales de termopares y milivoltios
Maneja 8 entradas diferenciales con resolución de 16 bits
Operación Hot PnP (plug-and-play)
Rango de operación de -40 a 70°C; rechazo de ruido de 50/60 Hz
Rango de entrada o tipo de termopar configurable por software por
canal.
3.3. Reinstalación y Puesta en funcionamiento el sistema de medición de
parámetros de operación del SAF de la estación de FMAES.
Para dimensionar e instalar el sistema fotovoltaico es necesario conocer el consumo
de energía de la carga o equipo que se va alimentar con el sistema, el número de horas
de uso diario, el tipo de corriente que requiere ya sea continua o alterna. En nuestro
caso se quiere alimentar los sistemas de acople electrónico y de de suministro de
potencia que alimentan algunos de los sensores, más los módulos de adquisición
compact Field Point de National Instruments, las 24 horas del día, los cuales utilizan
un voltaje de alimentación entre 11v-30v DC. Otro aspecto importante es la ubicación
del sistema ya que cada lugar tiene una intensidad de radiación solar diferente para el
caso de Bogotá es de 2mkWh 3.6 aproximadamente, así mismo los parámetros
característicos de los módulos, de la batería, el inversor que son especificaciones que
normalmente proporciona el fabricante. En el proceso de dimensionar se calcula la
energía que se consume diariamente, esto es, cuál es el consumo de cada una de las
25
cargas, tanto DC como AC, el número de módulos fotovoltaicos, el número de
baterías, teniendo presente la inclinación que los módulos deben tener para que se
capte la mayor cantidad de radiación solar, esta inclinación es generalmente la latitud
del lugar y el sistema captador (módulos fotovoltaicos) va orientado hacia el ecuador,
en nuestro caso hacia el sur e inclinado 0.10 , a fin de facilitar la escorrentía y la
acumulación de polvo (esto técnicamente establecido, aunque se sugiere inclinar la
superficie captadora el equivalente a la latitud del lugar, dirigida al sur si se está en
latitudes norte y viceversa. Al respecto, la latitud de Bogotá es 724, norte); todo esto
facilita la instalación del sistema, determina la capacidad y la eficiencia máxima y
ayuda a que los costos sean mínimos. La Figura 17, representa un diagrama de
bloques general que involucra cada uno de los dispositivos y sistemas que aplica
carag al sistema fotovoltaico autónomo, SAF.
Figura 17. Diagrama de bloques a dimensionar, para el SFA
En el computador se podrá visualizar las señales características del sistema
fotovoltaico por medio del programa diseñado en Labview. El modulo Field Point
permitirá comunicar el computador con el otro modulo Field Point I/O, que se
encarga de la adquisición de datos de los sensores.
3.4. Identificación de elementos en deterioro y recuperación operacional de
los sistemas. (10 horas dedicadas).
Debemos mencionar aquí, que toda la estructura de soporte del generador
fotovoltaico, como todo el sistema de cableado de potencia y de comunicación que
26
operaba la estación FMAES, fue destruida o desaparecida, durante los diferentes
traslados de los equipos, desinstalaciones e instalaciones que se presentaron, lo que
hizo necesario diseñar una nueva. Por su parte, dentro de los dispositivos de control y
comunicación, se preservaron, dado el cuidado que se tuvo, y solo ha sido necesario
el reemplazo de algunos componentes electrónicos, en particular reguladores de 12V
(LM 75012) y de 5V (LM 7508) empleados para alimentar algunos dispositivos y la
fuente del NI-cFP-2020.
3.5. Instalación y puesta en operación del equipo reparado y recuperado. (20
horas dedicadas)
Además de la reubicación de equipos en la sede Macarena B y la correspondiente
reinstalación de cada uno de los componentes de la estación de medición de variables
ambientales, por parte del grupo de investigación FMAES, como lo de la estructura y
base del sistema fotovoltaico, los componentes eléctricos de los cuales se hizo
necesario reemplazar el cableado y la reinstalación desde el punto de ubicación de los
sensores de voltaje y de corriente, que son básicamente los parámetros de operación
que se miden del SFA.
A partir de los estudios de denominados de astronomía solar, esto es del movimiento
aparente del sol, y teniendo en cuenta los demás parámetros astronómicos de posición
y movimiento terrestre a lo largo de cada uno de los días del año en torno a la latitud,
declinación aparente, hora local y demás, se revisó y determinó la posición y
orientación de los módulos fotovoltaicos, conforme a lo señalado en la sección
anterior, y siguiendo básicamente los principios expresados en la sección 2,1 y la
descripción que se hace en la Figura 2.
3.6. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el
seminario FMA&ES. (30 horas dedicadas).
Parte de las actividades académicas programadas por el grupo FMA&ES, son la
realización de un seminario interno que se desarrolla semanalmente en dos horas y en
27
el que se realiza la socialización de los avances de cada uno de los diferentes trabajos
vinculados con el grupo de investigación, lo que es importante para dar a conocer el
estado del proyecto y recibir observaciones por parte de los integrantes del grupo.
Cada una de las socializaciones se ha realizado con una presentación en diapositivas
en las que se ponen en común avances y se debate sobre el tema.
Durante el periodo 2015-1, se realizaron varias presentaciones sobre conceptos de
astronomía solar y sobre las componentes de la radiación solar que se presentan y
captan sobre un punto de la superficie terrestre, así como una presentación sobre las
interacciones de la radiación solar con la atmosfera y el concepto de masa de aire.
Durante el periodo 2015-3 se realizó una presentación en el que se expuso el tema
sobre los tipos de instrumentos existentes para la medida de la irradiación solar global
y en particular el de la irradiación solar difusa haciendo una descripción de los
fenómenos físicos involucrados, este último de interés, toda vez que es el tema del
trabajo.
A partir de los conceptos estudiados para cada uno de los diferentes tipos de
transductores de radiación, en este caso denominados radiómetros o piranómetros, se
evidencian las razones por las cuales se ha optado por emplear, como sendor de
radiación el piranómetro tipo fotodiodo CMP3, Kipp & Zonen, el cual tiene como
ventajas estabilidad eléctrica, sensibilidad, estabilidad mecánica, rapidez de
respuesta, así como un costo bajo, entre otras.
Los principios físicos involucrados en el desarrollo del piranómetro y sus ventajas
operacionales, fueron expuestos en una tercera presentación hecha tanto en los
seminarios del grupo FMAES, así como en el curso electivo de Fundamentos y
aplicaciones de Energía Solar.
Durante el periodo 2015-3 se tomó el curso electivo de “Instrumentación Virtual y
adquisición de datos”, como fundamento de formación en temas de programación en
lenguaje grafico en particular en el manejo de LabVIEW y como plataforma de
28
operación de los módulos de adquisición Field Point de National Instruments, que
también se desarrolla bajo el software de programación gráfica LabVIEW de National
Instruments.
Se desarrollaron diversos Instrumentos virtuales, como producto del curso, pero en
particular fue desarrollado un Instrumento Virtual (un programa en Labview) con el
que se permita adquirir datos de radiación solar difusa, cada cinco (5) segundos, se
promedie minuto a minuto estas adquisiciones, se promedie hora y promedio día.
Sobre el desarrollo del instrumento Virtual y en el empleo de LabVIEW, para la
medida de radiación difusa se hicieron dos presentaciones tanto en el curso, como en
el seminario del grupo de investigación. En el periodo 2016-1 se realizó una serie de
presentaciones respecto al funcionamiento y mecanismos de operación de la celda
solar como elemento básico del piranómetro tipo fotodiodo Kipp & Zonen, tomando
como base los fenómenos involucrados y descritos a partir de la física de
semiconductores, para describir el funcionamiento del piranómetro como transductor
activo de energía.
3.7. Estudio y entrenamiento en el manejo de LabVIEW como plataforma de
leguaje gráfico. (20 horas dedicadas)
Anteriormente se mencionó que en el año 2015-3 se desarrolló el curso electivo de
“Instrumentación virtual y adquisición de datos”. En el mencionado curso, como
parte de la formación se diferenciaron los conceptos de instrumento físico, esto es la
instrumentación electrónica convencional, esto como ejemplo, un osciloscopio o un
generador, transductores y sensores en general y el concepto de instrumento virtual ó
el concepto de hardware y software en un instrumento virtual. El software utilizado
para programar fue LabVIEW versión 2015, donde se desarrollaron programas , esto
es instrumentos virtuales, como temporizadores para semáforos, ejemplo de sistemas
de control, seguido del estudio y la programación de compuertas lógicas, finalizando
con un proyecto individual, en el que en este caso se desarrolló un instrumento virtual
29
para adquisición de datos de radiación solar global, medidas de voltaje y corriente
empleando tarjetas de adquisición de datos, a manera de responder a las necesidades
que exigen el instrumento virtual para el caso que nos ocupa, de tal manera que
satisfaga y amplíe las funciones que desarrollaba el anterior instrumento virtual.
Se ha verificado el desarrollado y configuración del Instrumento Virtual a partir de la
plataforma LabVIEW compuesto por el hardware, configurado por todos los
componentes citados como tal, los dispositivos electrónicos para la adquisición de
datos, esto es los módulos Field Point y el computador. Adicionalmente está el
software, en el que opera toda la plataforma de desempeño del computador, esto es el
sistema operativo, y demás programas y en este caso principalmente LabVIEW.
Dentro de las sesiones de trabajo en el grupo FMAES, se realizaron prácticas de
instalación y configuración de LabVIEW, así como de los diferentes programas y
plataformas asociadas al mismo, como LabVIEW Real Time, NI-MAX
(Measurement & Automation Explorer) Monitor, LabVIEW para Field Point, entre
otros. De la misma manera se hicieron ensayos de instalación del sistema Compact
FieldPoint, que es una plataforma de medición y automatización o controlador
automático programable (PAC), que ofrece un conjunto que va desde los cuatro a los
ocho módulos de Entrada/Salida (E/S) análogos o digitales y que puede ejecutar
LabVIEW REAL–TIME realizando análisis, registro, almacenamiento y
comunicación por red de datos ayudado por una conexión Ethernet. Debemos tener
presente que Compact Field Point opera en un rango de temperatura que va desde los
-25ºC hasta los 60ºC, ofreciendo condiciones extremas al ambiente que otros módulos
no soportarían; está constituido por un sólido plano posterior de metal, que
suministra un camino seguro para las descargas electrostáticas y soporte para la
interferencia electromagnética típica en procesos industriales.
Con los programas citados anteriormente, se procedió a configurar y detectar en la
interface gráfica cada uno de los diferentes dispositivos asociados a los módulos Field
Point, puertos y sensores. Se re-instaló el sistema de adquisición de datos radiación
30
solar global en la plataforma LabVIEW, seguido de esto, se instaló el sistema y se
conectó a la Field Point con el fin de obtener gráficos estadísticos sobre la medida de
la radiación solar global, se verificaron las condiciones de funcionalidad de cada uno
de los componentes del instrumento virtual, esto es, los subinstrumentos virtuales,
´para las medidas de temperatura ambiente, voltaje de salida del sistema fotovoltaico
y de corriente.
3.8. Adaptación y actualización del instrumento virtual para el mejoramiento
del sistema de adquisición de datos. (10 horas)
En las prácticas de configuración e instalación de los diferentes componentes del
sistema de adquisición que se realizaron, se verificaron varios sub-instrumentos
virtuales, entre ellos, los de medida de temperatura ambiente, los de cálculo de
promedios minuto, hora, día, de cada una de las variables a medir. Estos permiten
además del cálculo de los promedios, el de exportación de en archivos diarios en MO-
Excel, como base de datos de estos promedios.
En la siguiente sección se describe el Instrumento Virtual mejorado y adaptado a las
nuevas necesidades de adquisición y manejo estadístico de datos para la medida de
los parámetros señalados. Una de las grandes ventajas de hacer programación libre
con LabVIEW, es el hecho de que se puede mejorar, tanto en los procesos de
adquisición y análisis de datos como de la presentación grafica de los instrumentos.
3.9. Calibración, instalación y puesta en operación del sistema de monitoreo
de radiación solar global y de parámetros de operación del SAF . (10
horas dedicadas).
Una vez hechas todas las instalaciones eléctricas, verificada la funcionalidad de los
diversos dispositivos de control, esto es el módulo Compact Field Point 2020 (cFP-
NI-2020), así como de los dispositivos para adquisición, en particular el cFP-NI-
TC120 y el cFP-AI-100, de tal manera que además de ser reconocido por el sistema
operativo y el Measurement & Automation Explorer, sea evidente la respuesta y
31
lectura a los diferentes sensores, en este caso y en particular el piranómetro Epley
Black &White .
Figura 18. Diagrama de conexiones (bloques) del Instrumento Virtual desarrollado para la adquisición de datos, de parámetros de operación del SAF. La Figura 20, representa el diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado
para la adquisición de datos de parámetros de operación del SAF, medida de la
radiación solar global, la medida del voltaje de salida del generador fotovoltaico, la
medida del voltaje del banco de baterías, la medida de corriente del generador
fotovoltaico y análogamente de la corriente del banco de baterías.
Para la reconfiguración del software y el hardware se trabajó inicialmente con
diferentes dispositivos sensores y transductores para adquirir destreza en la
programación en LabVIEW. Por su parte, la Figura 20, corresponde al panel frontal
de una de las fases del instrumento virtual, en la que se muestran los valores de los
parámetros generales de operación del SAF, entre ellas están las medidas de
temperatura ambiente, radiación solar global y los valores de ajuste según las
especificaciones de los módulos fotovoltaicos.
32
Figura 19. Diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado para la adquisición de datos y la medida de la radiación solar difusa. Por su parte, en la Figura 20 se presenta el panel frontal de una segunda fase del IV
en donde se muestran los parámetros de las cargas AC y DC del sistema.
Figura 20. Diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado para dimensionar los valores de carga AC y DC del SAF. El sistema de adquisición desarrollado a partir de instrumentación virtual, captura y
permite visualizar valores de cada uno de los parámetros mencionados en tiempo real
33
y su configuración permite exportar valores promedio a Microsoft Office Excel (u
otros formatos), para su posterior análisis estadístico básico. En el software se tiene la
plataforma LabVIEW que utiliza lenguaje gráfico para su programación. Así mismo,
se visualiza directamente el histórico del comportamiento de los parámetros de
operación del SAF, en tiempo real así como también se presenta numéricamente en el
panel frontal del IV, lo que se muestra en la Figura 21.
Figura 21: Panel frontal del instrumento Virtual desarrollado para la medida de los
parámetros de operación del SAF.
34
3.1. Verificación y análisis de datos registrados. (20 horas dedicadas)
Con el SFV autónomo fotovoltaico se alimenta durante el día el sistema de
adquisición de datos, compuesto por tres módulos Compact FieldPoint de la National
Instrument con referencias cFP-2020, cFP-TC-120 y cFP-AI-100. Así como el sensor
de temperatura ambiente, y adicionalmente los circuitos de acoplamiento electrónico,
los cuales permiten el control de la corriente del módulo y la batería para proteger el
Compact FieldPoint. En la Tabla 1, se muestra la potencia requerida por estos
dispositivos, en la primera columna se aprecia la potencia estimada y en la segunda
columna la potencia calculada a partir de mediciones de tensión y corriente.
Tabla 1. Potencia estimada y potencia calculada de las cargas de consumo.
Cargas de consumo Potencia DC Nominal-estimada [W]
Potencia DC Medida [W]
Módulos Compact FieldPoint 6.4 6.0±0.1 Circuitos acopl. electrónico 0.05 5.8±0.1× 10-6 Sensor de temp. ambiente 0.1 0.026±0.001 Potencia DC total requerida [W]
6.55 6.0±0.1
El dimensionamiento del SAF se realizó tomando la potencia DC nominal – estimada
como la potencia requerida por las cargas de consumo, ya que esta es mayor que la
potencia calculada. En la Tabla 2 se muestra el consumo total diario de las cargas a
partir de la potencia DC requerida y de las horas de uso diario.
Tabla 2. Cálculo del consumo total diario demandado por las cargas.
Parámetro Valor Potencia DC Medida [W]
Potencia DC total requerida PPDCi 6,55W Horas de uso diario Td 24 h Energía diaria requerida por la carga DC EDC 157,2Wh Energía total requerida por día ET 157,2Wh Tensión de funcionamiento de la carga Vcar 12 V Demanda total de amperios-hora por día DT 13.1 Ah
35
Una vez verificados cada uno de los subsistemas, esto es cada uno de los
subinstrumentos virtuales, se procedió a la adquisición de datos de los diferentes
parámetros, como se muestra en la Figura 22, que corresponde a la medida del voltaje
(la tensión) de salida de la batería instalada.
Figura 22: Voltaje de salida (Tensión) de la batería y radiación solar global para un día arbitrario de medidas. Análogamente en la Figura 23, se presentan para el mismo día arbitrario, medidas de
corriente de la batería, de la carga (consumo) y corriente del módulo fotovoltaico
instalado.
Figura 23: Corriente de la batería, carga y módulo FV calculadas para un día arbitrario. En general, se observa que conforme a las variaciones de radiación solar, responden
los demás parámetros que se miden para el sistema.
36
Por su parte la Figura 24, presenta las medidas de radiación solar global y difusa para
un dia de media y otro de baja radiación solar.
Figura 24: Evolución de (a) la tensión y de (b) la corriente de la batería, (c) corriente de la carga, (d) tensión y (e) corriente del módulo FV y (f ) radiación global, como parámetros de operación del SAF. Datos tomas para cuatro días consecutivos en forma arbitraria, en el mes de marzo de 2016.
37
3.2. Interpretación, análisis estadístico de los resultados. (24 horas
dedicadas).
Se observa en la Figura 24 (a) que el voltaje de salida (tensión) de la batería tiene
ciclos diarios en los cuales aumenta en la horas de radiación y decrece en las horas de
la noche, como la tensión de la batería es indicador de su estado de carga, entonces,
estos ciclos corresponden a los ciclos de carga y descarga de la batería. Para proteger
la batería de las descargas profundas, el regulador desconecta la carga de consumo
cuando la tensión de la batería tenga un valor de 11,4 V. En la gráfica se observa que
a de la tensión de la batería alcanza un valor mínimo durante una descarga de 12,12 V
sobre las de la madrugada, aun considerando días anteriores de baja radiación y que
ni siquiera fue necesario que el regulador de carga, aún sin llegar al límite de
tolerancia del regulador que de 11.7 V.
Para días considerados típicos la tensión de la batería no baja de 12.45 V, por lo que
el SAF podría suministrar en ausencia de radiación la energía requerida por la carga
de consumo durante cerca de 36 horas, lo cual concuerda con los dos días de
autonomía estimados en el dimensionamiento. La cabida de tensión de la batería hace
que la corriente requerida por la carga de consumo aumente para mantener la potencia
constante, como se observa en la Figura 24 (c). Por otro lado, con el aumento de la
radiación se aumenta la corriente generada por el modulo fotovoltaico, como se
aprecia en la Figura 24 (e), y a su vez con el aumento de la corriente del módulo
fotovoltaico aumenta la corriente de la batería como se ve en la Figura 24 (b). En
consecuencia la tensión de la misma aumenta. El regulador de carga desconecta el
módulo fotovoltaico por sobrecarga de la bacteria a una tensión de 14,1 V, y lo pone
en tensión de circuito.
De otra parte, a raíz de los diferentes eventos causados durante el traslado de la
estación FMAES, y las continuas instalaciones y des-instalaciones, a los sistemas de
adquisición de datos, que han afectado la continuidad en la construcción de las bases
de datos, se contempló a mediados del 2014 la reconfiguración y reinstalación de
38
dichos sistemas de adquisición, que incluyera a su vez la actualización de la
plataforma software, así como la re-calibración de todos y cada uno de los diferentes
componentes de la estación y el mejoramiento de los diferentes instrumentos virtuales
asociados.
Una vez puesta en operación el sistema de adquisición para la medida de radiación
solar difusa a mediados del mes de mayo de 2017 en su fase de prueba, luego de la
intervención de la cúpula en el mes de marzo de 2016, donde se encuentran los
espacios físicos donde se desarrollan las actividades del grupo FMAES. La
información es tomada cada cinco (5) segundos y promediada cada 12 adquisiciones,
esto es, se obtiene un promedio cada minuto durante las 24 horas.
A partir de la base de datos es posible analizar el comportamiento de cada uno de los
parámetros de operación del SAF, descritos anteriormente, con lo cual se pueden
obtener promedios diarios, mensual y anual en series de tiempo, esto siempre que se
garantice la estabilidad en la operación continua de los sistemas de medición. Este
tipo de resultados en las mediciones de variables meteorológicas y en particular de la
radiación solar, son de vital importancia en los pronósticos ambientales, ya que si se
registran a diario y detalladamente durante varios años, estableciendo series de
tiempo, se puede predecir el comportamiento del clima.
3.3. Redacción y presentación informe final.
Se han cumplido las actividades programadas, no sin antes mencionar las profundas
dificultades y tropiezos en el desarrollo de este, al igual que otros varios trabajos
programados por el grupo FMAES, para la puesta en operación de la estación de
medición, FMAES.
Las actividades fueron interrumpidas a comienzos del mes de marzo de 2016, y solo
hasta el mes de abril de 2017, y en condiciones básicas de funcionamiento dichas
instalaciones sean venido restableciendo las actividades. Aun así, se hace entrega de
este informe, con lo más relevante de las actividades desarrolladas.
39
4. CONCLUSIONES
Este trabajo permitió reinstalar el Sistema Fotovoltaico Autónomo (SAF) y
cada uno de sus componentes eléctricos y electrónicos. El SAF autónomo se
caracteriza por suministrar el total de la demanda energética a los dispositivos que se
desean alimentar. Este trabajo de pasantía consistió en reinstalar y revisar el
dimensionamiento, y puesta nuevamente en operación del SAF, así mismo en el
monitoreo de sus parámetros de operación a través de un sistema de adquisición de
datos controlado con instrumentación virtual desarrollada en LabVIEW.
Con el SAF se suministra energía de forma continua y confiable las 24 horas del día
al sistema de adquisición de datos de la estación de medición de parametreos
ambientales EMPA del Grupo de Física del Medio Ambiente y Energía Solar
``FMAES".
Para realizar los cálculos del dimensionamiento de cada uno de los elementos del
SFV autónomo se complementó y re-diseñó un Instrumento Virtual en LabVIEW.
Con el instrumento se calcula el consumo diario requerido por los dispositivos a
alimentar y la capacidad que debe tener cada uno de los elementos del sistema para
garantizar esta demanda energética. El instrumento muestra advertencias cuando la
capacidad de los elementos seleccionados no es óptima para la instalación
fotovoltaica. A partir de las especificaciones de los elementos seleccionados se estima
la energía diaria que en condiciones de operación suministra el SAF autónomo. De
esta manera el Instrumento Virtual puede ser usado para realizar el dimensionamiento
de cualquier SAF autónomo sin importar la ubicación de la instalación.
El SFV autónomo instalado se compone de un módulo fotovoltaico policristalino de
80W, una batería de electrolito gelificado con capacidad de 100A-h, un regulador de
carga con tensión nominal de 12V y corriente máxima admitida de 8A. Se estimó que
en total ausencia de radiación solar, el SFV autónomo puede suministrar energía al
sistema de adquisición de datos aproximadamente por 36 horas.
40
5. BIBLIOGRAFÍA.
Forero, N., & y otros. (2007). Correlation of global solar radiation values estimated
and measured on an inclined surface for clear days in Bogota. Renewable
Energy, 32, 2590-2602.
Hammer, A., & et.al. (25th–29th May 1998.). Derivation of daylight and solar
irradiance data from satellite observations. 9th Conference on Satellite
Meteorology and Oceanography, American Meteorology Society, (págs. pp.
747–750.). Paris.
Indarraga, G. M., Hernández Riveros, J. A., & Valencia Rodríguez, R. (Noviembre de
2004). Algoritmos para localización de fallas en líneas de transmisión, análisis
para el caso colombiano. Dyna(143), 95-100.
Instrument, N. (2015). Compact FieldPoint I/O Connectivity Accessories”. Obtenido
de Http://www.ni.com/pdf/products/us/4dio524.pdf.
Kreith, F., & Kreider. , J. (1978). Principles of Solar Engineering. Hemisphere
Publishing Corporation, 27.
Lorenzo, E. (1994). Electricidad solar, ingeniería de los sistemas fotovoltaicos.
España: Progensa.
Luque, A., & Hegedus, S. (2003). Handbook of Photovoltaic Science and
Engineering. Jhon Wiley & Sons.
Markvart, T., & Castañer, L. (2003). Practical handbook of photovoltaics.
Fundamentals and applications. Elsevier.
Zeghbroeck, B. (2002.). Principles of semiconductor devices. Prentice Hall.
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