Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances en el

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

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

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

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

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

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.

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

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

5.

BIBLIOGRAFÍA.

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