Sistema solar fotovoltaico:

La última fuente que posee la microrred es el sistema solar fotovoltaico. El sistema consta de dos secciones: primero, la sección de generación, donde se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica a partir de ella, haciendo uso del fenómeno fotoeléctrico a través de paneles solares; y, segundo, la sección de acondicionamiento, donde se encuentra el circuito responsable de encontrar el punto de máxima potencia de generación de los paneles solares a partir del algoritmo MPPT [28], el inversor y el administrador de entradas conocido como multigate.

La sección de generación se compone de dos paneles solares de 120 wp de potencia pico nominal (cada uno), conectados en serie, para un total de 240 wp de capacidad en condiciones favorables de sol (1000 w/ ). Las demás especificaciones técnicas se exponen a continuación:

Características

Valor

Potencia máxima 120 w

Tensión de máxima potencia 17,3 V

Corriente de máxima potencia 6,94 A

Tensión de circuito abierto 22,2 V

Corriente de corto circuito 7,52 A

Eficiencia 12%

Tipo de construcción Mono cristalino

Peso 12 Kg

Tensión máxima del sistema 1000 V DC

Rango de temperatura de funcionamiento -45°C~85°C Tabla 5. Características de los módulos fotovoltaicos (tomado de [26]).

49 Sabiendo la configuración del sistema fotovoltaico, es posible calcular sus características de salida, empezando por la tensión total nominal. Al tener dos módulos de 12 V en serie, se tiene que la tensión nominal de la sección de generación fotovoltaica será de 24 V. Lo mismo pasa para las demás especificaciones de tensión, teniendo así, por ejemplo, una tensión total nominal de circuito abierto de 44,4 V. Como los paneles están conectados en serie, no se modifican los valores de corriente expuestos en la tabla 5, con lo cual se tiene un sistema cuya salida de tensión en condiciones de máxima potencia será de 34,6 V con una corriente de salida de 6,94 A, para un total de 240,124 w.

Una vez que se ha definido la etapa concerniente a los paneles y sus características de salida, es posible pasar a la etapa de acondicionamiento. El acondicionamiento se da, en primera instancia, a través de un conversor DC-DC tipo boost, cuyo funcionamiento se fundamenta en un control que se basa en el algoritmo de punto de máxima potencia (MPPT). Los paneles fotovoltaicos se modelan como fuentes de corriente que dependen de la radiación solar; la tensión, sin embargo, puede variarse de manera independiente. Es a través de este hecho que el conversor controlado puede encontrar el punto de máxima potencia del panel en función de la corriente que se presente en un momento determinado debido a la radiación. Cada panel tiene una curva de corriente contra tensión que define estos puntos de máxima potencia. Para los paneles que hacen parte del sistema que aborda este estudio se tiene la siguiente curva de tensión versus corriente:

Figura 24 Curva I(corriente) vs V (Voltaje), y curva P(potencia) vs V(voltaje). Tomado de [26]

La figura 24 muestra dos curvas que se cruzan en un único punto, ese punto es el de máxima potencia. La curva de color negro representa la relación de corriente contra tensión de la que habíamos hablado anteriormente, mientras que la curva azul representa la potencia total que genera el sistema debido al punto en que se encuentra de la curva corriente-tensión. La potencia se puede entender como el área del rectángulo que se genera cuando se elige un punto de la curva I vs V,

50 punto que pasa a ser su vértice superior derecho. El algoritmo MPPT controla la tensión en función de la corriente que generan los paneles, a través del ciclo útil de la señal de pulsos que hace conmutar al transistor del conversor [29]. De esta manera se tiene un movimiento en la curva de funcionamiento del panel en el eje x dependiendo del valor existente en el eje y en un momento dado, buscando siempre así el mayor aprovechamiento posible de los paneles. La siguiente parte del sistema es el inversor. El conversor elevador tipo boost asegura una tensión de salida lo suficientemente mayor para que el inversor pueda asegurar la tensión pico de salida esperada. Para el caso de la microrred, se tiene un micro inversor que posee ambas funciones (convertidor elevador tipo boost, e inversor), capaz de entregar la señal AC necesaria para alimentar las cargas del sistema siendo compatible (mediante la sincronización dinámica de tensión, frecuencia y fase), con las demás fuentes. Las características del equipo son las siguientes:

Características

Valor

Marca SMA

Referencia SUNNY BOY 240-US

Máxima potencia DC (con ( ) ) 250 w

Máxima tensión de entrada 45 V

Rango de tensión MPP 23 V~32 V

Tensión nominal de entrada 29,5 V

Tensión mínima de entrada 15 V

Máxima corriente de entrada 8,5 A

Potencia nominal de salida 240 w

Frecuencia de trabajo 60 Hz

Máxima salida de potencia aparente 240 VA

Tensión nominal de salida AC 2*120 V

Rango de tensión de salida AC 211 V~264 V

Máxima corriente de salida AC 1 A

Eficiencia 95,9%

Peso 1,3 Kg

Rango de temperatura de funcionamiento -40° C~65° C Tabla 6. Características del micro inversor (tomado de [28]).

Al conectar los módulos fotovoltaicos al micro inversor se tiene un sistema funcional cuya salida final está dada en forma de corriente alterna (AC), con tensión nominal de 240 V, corriente máxima de salida de 1 A, y potencia máxima (al igual que el arreglo fotovoltaico), de 240 w. En la figura 25 puede verse el equipo.

Finalmente, la salida del inversor se conecta al multigate (ver figura 26). Este equipo se encarga de administrar múltiples entradas de micro inversores (con lo que se tiene el potencial de poseer un sistema modular capaz de crecer), hacia el barraje que alimenta las cargas. Para la microrred que aquí tratamos, tenemos únicamente una entrada disponible, debido a que sólo se posee un micro inversor. La salida de este equipo va, finalmente, al bus AC que administra la energía para todas las cargas.

51 La tabla de características del equipo es:

Características

Valores

Marca SMA

Referencia Sunny Multigate US

Máxima potencia aparente de salida AC 2880 VA

Tensión AC nominal de salida 2*120 V

Rango de tensión de salida AC 211 V~264 V

Frecuencia de trabajo 60 Hz

Rango de frecuencia de trabajo 59,3 Hz~60,5 Hz

Corriente máxima de salida 12 A

Factor de potencia (a potencia nominal) 1

Eficiencia 99,9%

Peso 0,7 Kg

Rango de temperatura de funcionamiento -40° C~45° C Tabla 7 Características Multigate

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Figura 26 Multigate SMA Multigate

El sistema fotovoltaico funciona dependiendo de la irradiación solar, es por esto que resulta importante identificar este fenómeno en función de la ubicación geográfica del sistema que se busca implementar. Para el caso de la microrred, se toman los datos referentes al estudio del IDEAM (ver figura 27), donde se han tomado medidas de irradiación durante los diferentes meses del año, las 24 horas del día, en la estación ubicada en la Universidad Nacional de Colombia.

53 Partiendo de los datos de la tabla 27, puede construirse una curva de irradiación que servirá para modelar el comportamiento de los paneles solares. Esta curva se compone de los valores promedio anuales de irradiación en cada hora del día, de tal manera que se tenga un estimado del valor de la irradiación en un día promedio del año. Bogotá es una ciudad que presenta mucha nubosidad durante el año, esto se traduce en bajas potencias en los sistemas fotovoltaicos. Así mismo, se tiene la temperatura ambiente como otro factor determinante en el comportamiento del panel, es por esta razón que se hace necesario realizar una curva que describa el comportamiento de este fenómeno de manera adjunta a la curva de irradiación. Los datos necesarios para su construcción se toman de los estudios del IDEAM [30]. En la figura 28 se pueden observar ambas curvas para el sistema que hace parte de la microrred del estudio.

Figura 28 En la parte superior, curva promedio anual de irradiación. En la parte inferior, la curva de temperatura construida a partir de los valores del IDEAM. [Elaboración propia a partir de los datos tomados de 30] Según lo expuesto en la figura 28, se tiene una irradiación máxima de 523 w/m^2 en el intervalo de 11 am a 12 am (las horas son expuestas en el intervalo de 0 a 2,5 representando las 24 horas), lo cual corresponde a la mitad de la potencia que el fabricante pone como requisito para alcanzar la potencia nominal del panel, lo que significa para este caso un total de 60 w por panel aproximadamente. Esta es una limitación importante que deberá ser tenida en cuenta durante el desarrollo del estudio, debido a que limita aún más la capacidad de la microrred de autoabastecerse. Finalmente, se tiene el punto de conexión de tierras de todos los equipos que componen el sistema solar (ver figura 29). El compartimiento donde se ubica este punto fue acondicionado especialmente, como puede verse en [26], para albergar las tierras de manera apropiada.

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Figura 29. Caja de tierras del sistema fotovoltaico.