Diseño y construcción de un sistema de medición para adquisición de datos continuos del arreglo fotovoltaico del Edifició (i.e. Edificio] Mario Laserna

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(1)DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN PARA ADQUIQUISICIÓN DE DATOS CONTINUOS DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO DEL EDIFICIÓ MARIO LASERNA.. LUIS ALEJANDRO PRIETO PRIETO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2012.

(2) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN PARA ADQUIQUISICIÓN DE DATOS CONTINUOS DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO DEL EDIFICIÓ MARIO LASERNA.. LUIS ALEJANDRO PRIETO PRIETO. Proyecto de Grado para Optar el Título de Ingeniero Mecánico. ASESOR Ing. Álvaro Pinilla, M.S.c, Ph.D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2012.

(3) DEDICATORIA. Dedico la sabiduría y objetivos cumplidos de este proyecto de grado en primer lugar a Dios, quien fue el que me otorgo las energías necesarias para hacer las cosas de una manera profesional y honesta. También dedico este trabajo a mi papá y a mi mamá que trabajaron día y noche para que pudiera cumplir esta gran meta, gracias porque a pesar de los problemas me enseñaron a no desfallecer, los amo..

(4) AGRADECIMIENTOS. Agradezco primero a Dios por darme la oportunidad de tener una familia que me brinda un apoyo incondicional, emocional y familiar en el cumplimiento de mis sueños y metas. A mí querido padre Octavio Prieto por los concejos, enseñanzas y apoyo para salir adelante en esta etapa de mi vida, además de ser una inspiración para que hubiera tomado como profesión la ingeniería mecánica. A mí amada madre Miriam Prieto que además de ser cariñosa, tierna, y comprensiva, ha estado en cada momento de mi existencia para levantarme en los momentos difíciles. A ambos por enseñarme el valor del trabajo y de la unión familiar. A mis hermanos Juan Diego y Angélica Paola por su amistad, compresión y apoyo y por permitirme ser un ejemplo de motivación y dedicación al estudio y a la vida. A mi asesor Álvaro Pinilla por guiarme en la etapa final de mi carrera, y por todas las enseñanzas que lograron que amara aún más esta profesión. A la Universidad de los Andes por formarme como profesional. A mi novia Diana Cabra que ha sido el apoyo más grande estos últimos años. A mi primo y mejor amigo Daniel Rojas que me brinda su total apoyo, me a conseja y me enseña diariamente. A mis tíos Aida y Mauricio que me apoyaron en todo este largo proceso. A mis amigos Daniel U, Jay, Ana, Natalia, Juan, Sebastián, Francisco, Susana, Daniel L, Jose, German por los momentos de risas y apoyo en la universidad. A todos aquellos que durante este proceso de estudio y maduración creyeron en mí..

(5) Tabla de contenido. 1.. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1. 2.. OBJETIVOS ............................................................................................................... 3. 3.. 2.1.. OBJETIVO GENERAL ......................................................................................... 3. 2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................ 3. SISTEMA ENERGETICO FOTOVOLTAICO ............................................................... 4 3.1.. EL SOL Y SU RECURSO ENERGETICO............................................................ 4. 3.2.. ENERGÍA SOLAR: DESCRIPCIÓN Y USO ......................................................... 4. 3.3.. HISTORIA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS ............................................. 6. 3.4.. LA CIENCIA DE LA CELDA FOTOVOLTAICA .................................................... 8. 3.4.1. 3.5.. SISTEMA FOTOVOLTAICO Y SUS COMPONENTES ...................................... 10. 3.5.1.. Sistema fotovoltaico del proyecto ............................................................... 14. 3.5.2.. Paneles Fotovoltaicos................................................................................. 15. 3.5.3.. Controlador de carga .................................................................................. 16. 3.5.4.. Banco de baterías ...................................................................................... 17. 3.5.5.. Inversor de corriente DC/AC ....................................................................... 18. 3.5.6.. HUB 4 ......................................................................................................... 19. 3.5.7.. MATE 2 ...................................................................................................... 20. 3.5.8.. Monitor de Baterías – Flexnet DC. .............................................................. 21. 3.5.9.. Piranómetro ................................................................................................ 21. 3.5.10.. Tarjeta de adquisición de datos (DAQ).................................................... 22. 3.5.11.. Carga resistiva variable ........................................................................... 22. 3.5.12.. Termopar para medir temperatura de superficie de paneles ................... 23. 3.6.. 4.. Uniones P-N: Efecto Fotovoltaico ................................................................. 9. Software ............................................................................................................ 23. 3.6.1.. Labview ®................................................................................................... 23. 3.6.2.. WinVerter- Monitor OB ® ............................................................................ 23. MEDICIONES Y RESULTADOS............................................................................... 24 4.1.. CALIBRACIÓN PIRANÓMETRO ....................................................................... 24. 4.2.. RELACIÓN RADIACIÓN Y VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO ....................... 29.

(6) 4.3.. RELACIÓN TEMPERATURA Y VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO ................ 32. 4.4. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CON ARREGLO DE RESISTENCIAS VARIABLES ................................................................................................................. 36 4.5 CURVAS DE RENDIMIENTO ENERGETICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO DEL LABORATORIO DE ENERGÍA SOLAR ....................................................................... 40 4.5.1. Radiación ........................................................................................................ 41 4.5.2. Insolación ....................................................................................................... 44 4.5.3. Corriente en función de la radiación – Sistema Fotovoltaico con baterías ....... 45 4.5.4. Potencia eléctrica............................................................................................ 48 4.5.5. Energía producida por el Sistema Fotovoltaico y por el Sol ............................ 49 4.5.6. Eficiencia ........................................................................................................ 52 5.. ANALISIS FINANCIERO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO........................................ 56. 6.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 59. 7.. BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................... 61. 8.. ANEXOS .................................................................................................................. 64 8.1. ANÁLISIS DE IMPORTACIÓN DE INVERSOR PARA CONECTAR A LA RED SISTEMA FOTOVOLTAICO......................................................................................... 64.

(7) LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Primer avión que trabaja con energía solar. ........................................................ 8 Figura 2. Estructura de una celda formada con capas P-N. ............................................. 10 Figura 3. Sistema Fotovoltaico......................................................................................... 11 Figura 4. Sistema fotovoltaico autónomo (SFA), corriente directa .................................... 12 Figura 5. Sistema fotovoltaico autónomo (SFA), DC y AC ............................................... 13 Figura 6. Sistema fotovoltaico conectado a la red (SFCR). .............................................. 13 Figura 7. Diagrama de componentes y su interacción. .................................................... 14 Figura 8. Paneles solares ES-180, Edificio Mario Laserna............................................... 15 Figura 9. Controlador de carga del laboratorio de energía solar ...................................... 16 Figura 10. Nuevo banco de baterías, 24 V – 200 Ah........................................................ 18 Figura 11. Inversor DC/AC. .............................................................................................. 19 Figura 12. HUB 4. ............................................................................................................ 19 Figura 13. MATE 2........................................................................................................... 20 Figura 14. Flexnet DC del sistema fotovoltaico uniandino ................................................ 21 Figura 15. Piranómetro Apogee SP – 215........................................................................ 22 Figura 16. Piranómetro. ................................................................................................... 24 Figura 17. Piranómetro de laboratorio de conversión de energía. .................................... 26 Figura 18. Tarjeta de adquisición de datos. ..................................................................... 29 Figura 19. Divisor de voltaje ............................................................................................ 30 Figura 20. Instalación de sensor de temperatura. ............................................................ 33 Figura 21. Instrumentos para comprobar la temperatura sobre los paneles fotovoltaicos. 33 Figura 22. Banco de resistencias y estufa eléctrica. ........................................................ 37.

(8) LISTA DE GRAFICAS. Gráfica 1. Medida de radiación errónea. .......................................................................... 25 Gráfica 2. Comparación mediciones de piranómetro de paneles solares y laboratorio. ... 26 Gráfica 3. Arreglo de piranómetro, comparación de instrumentos. ................................... 27 Gráfica 4. Relación piranómetros paneles y laboratorio de conversión de energía. ......... 27 Gráfica 5. Calibración por software en línea. ................................................................... 28 Gráfica 6. Comparación entre la radiación y el voltaje en circuito abierto. ....................... 31 Gráfica 7. Relación lineal entre el voltaje en circuito abierto y la radiación....................... 32 Gráfica 8. Comparación entre la temperatura en superficie de los paneles y VOC. ......... 34 Gráfica 9. Dependencia de temperatura para radiación de 1000 W/m2 teórica y experimental. ................................................................................................................... 35 Gráfica 10. Corriente contra voltaje para diversas resistencias. ....................................... 38 Gráfica 11. Curva teórica de componente e. conectado directamente a los paneles ....... 39 Gráfica 12. Eficiencia de los paneles en función de la radiación. ..................................... 39 Gráfica 13. Variación diurna radiación: Promedio, Máximo, Mínimo. ............................... 42 Gráfica 14. Proyección radiación en un día típico con cero nubosidad ............................ 43 Gráfica 15. Radiación solar diaria del 18 octubre al 30 de noviembre. ............................. 43 Gráfica 16. Insolación diaria promedio del 18 octubre al 30 de noviembre....................... 45 Gráfica 17. Corriente en función de la radiación. ............................................................. 46 Gráfica 18. Corriente promedio horaria producida por paneles y el controlador. .............. 47 Gráfica 19. Potencia eléctrica generada por los paneles y el controlador ........................ 48 Gráfica 20. Energía producida por el sistema fotovoltaico y por el sol. ............................ 50 Gráfica 21. Eficiencia y energía producida en arreglo de paneles fotovoltaicos. .............. 53 Gráfica 22. Eficiencia paneles solares vs temperatura. .................................................... 54 Gráfica 23. Variación de la potencia para diferentes valores de temperatura (ºC). .......... 55.

(9) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Componentes del sistema fotovoltaico del proyecto. .......................................... 14 Tabla 2. Información técnica del arreglo de paneles fotovoltaicos. .................................. 15 Tabla 3. Características técnicas de controlador de carga. .............................................. 16 Tabla 4. Medida de voltaje de baterías. ........................................................................... 17 Tabla 5. Información técnica del inversor de corriente. .................................................... 18 Tabla 6. Ficha técnica Mate 2. ......................................................................................... 20 Tabla 7. Información técnica de monitor de baterías. ....................................................... 21 Tabla 8. Efecto de la temperatura en propiedades eléctricas de los paneles. .................. 35 Tabla 9. Porcentaje de error para voltaje de circuito abierto teórico y experimental. ........ 36 Tabla 10. Variables energéticas a medir en el proyecto. .................................................. 41 Tabla 11. Resumen producción energía sistema fotovoltaico. ......................................... 51 Tabla 12. Precio de componentes del Sistema Fotovoltaico. ........................................... 57 Tabla 13. Costo de kWh para cada una de las alternativas propuestas. .......................... 58 Tabla 14. Impuestos de importación. ............................................................................... 64.

(10) 1. INTRODUCCIÓN. Desde la antigüedad el ser humano se ha encargado de observar y analizar los recursos que están a su disposición y gracias a estos se ha logrado la supervivencia de la especie; sin embargo con el paso del tiempo las personas han venido desarrollando nuevas herramientas que han permitido explotar al máximo el beneficio de los recursos, los cuáles se consumen diariamente y debido a su uso inapropiado, se ha generado el deterioro y posible fin del planeta, siendo esta una realidad actual. Por ello han surgido nuevas propuestas con el fin de encontrar métodos alternativos para conseguir energía por medio de recursos no convencionales; por ejemplo la mayoría de la sociedad desconoce actualmente la posibilidad de encontrar en la energía del sol la solución más cercana al agotamiento de los hidrocarburos, principales productores de energía hoy en día. Existen dos vías principales para el aprovechamiento de la energía solar. La primera radica en la energía solar térmica y la segunda consiste en la energía solar fotovoltaica (Labouret, 2008), siendo esta el insumo principal de esta investigación en la cuál se incluirá los recursos y equipos de laboratorio necesarios para dicho propósito. La Energía Solar Fotovoltaica se entiende como la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico, en donde la principal ventaja radica en el uso de la radiación como fuente inagotable, renovable y libre de contaminación; no obstante se tiene conocimiento que la radiación se presenta en forma intermitente debido a la variación del clima en cualquier parte del planeta; esta radiación posee una densidad baja en potencia, es decir, requiere que se construyan sistemas en donde se transforme la energía química, transportada por los fotones, en energía eléctrica para su respectivo almacenamiento (Rodríguez, 2009).. 1.

(11) El objetivo principal del proyecto es diseñar, construir e integrar un sistema de medición que permita la recolección de información de las variables energéticas, con el fin de analizar el rendimiento del sistema fotovoltaico que se encuentra ubicado en la azotea del edificio Mario Laserna. La intención del proyecto consiste en darle continuidad a aquellas investigaciones que fuerón llevadas a cabo en cuanto al análisis de producción de energía del sistema fotovoltaico; sin embargo una de las principales limitaciones radica en el constante cambio climático de la ciudad de Bogotá ya que se pueden llegar a presentar tiempos de nubosidad, en donde la energía producida es mínima y el sistema no evidencia todo su potencial; sin bien es cierto que existe una disminución en la energía producida esto no implica que en la ciudad de Bogotá no sea viable la instalación de un sistema fotovoltaico, ya que siempre se presentará electricidad en el sistema, siempre y cuando esté presente la energía solar aún en tiempos de nubosidad. El procedimiento empleado para el desarrollo del proyecto inicia en el diseño e integración de software/hardware, para la adquisición de las variables energéticas. El diseño comienza con la instalación de la tarjeta de adquisición de datos junto con la instalación de un sensor de temperatura en la superficie de los paneles solares, éste ira conectado a la misma; posteriormente se conectó a la tarjeta el sensor de radiación que previamente estaba instalado. La tarjeta de adquisición de datos ira conectada a un computador el cuál almacenará las variables por medio del software Labview ®. La recolección de las variables de producción energética es llevada a cabo por. los componentes del sistema fotovoltaico hacia el. computador por el software WinVerter ®. Finalmente se obtuvo los datos necesarios para determinar el rendimiento energético del sistema fotovoltaico y dejar evidencia sobre la viabilidad de la instalación de dicho sistema en la ciudad de Bogotá.. 2.

(12) 2. OBJETIVOS. 2.1.. OBJETIVO GENERAL. Diseñar y construir un sistema de medición que permita la adquisición de las diversas variables (voltaje, corriente, potencia, tiempo, radiación y temperatura) en tiempo continúo para el sistema fotovoltaico ubicado en la azotea del edificio Mario Laserna de la Universidad de los Andes.. 2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.  Comprobación de funcionamiento de los instrumentos de medición de energía y radiación para la correcta implementación del sistema de medición propuesto.  Diseño de parámetros del sistema de medición propuesto teniendo en cuenta el software.  Construcción del sistema de medición propuesto teniendo en cuenta el hardware.  Instalación de un sensor de temperatura en la superficie de los paneles fotovoltaicos.  Análisis de datos adquiridos por el sistema de medición que permitan evaluar de una forma continúa la energía eléctrica, radiación, temperatura, y rendimiento producido por el sistema fotovoltaico.. 3.

(13) 3. SISTEMA ENERGETICO FOTOVOLTAICO 3.1.. EL SOL Y SU RECURSO ENERGETICO. El sol es el recurso natural renovable más poderoso que posee la tierra y la fuente principal de vida en nuestro planeta, éste posee un diámetro aproximado de 1,39x106 km, una masa de 2x1030 kg, y una temperatura en su núcleo de 15 millones de grados K (Foster, 2010). Es tan alta la cantidad de energía que llega del sol, que cada hora la tierra recibe suficiente energía para satisfacer sus necesidades energéticas por un año (Messenger, 2000). El potencial de energía solar mundial se estima en cerca de 122 PW de los cuales para el año 2011 se había instado 70 GW de potencia a nivel mundial (EPIA, 2012). Colombia siendo un país favorecido debido a su posición geográfica, posee las condiciones propicias para el aprovechamiento de la energía solar, ya que al estar ubicado en la zona ecuatorial tiene aproximadamente 12 horas de luz solar durante la mayoría del año. Se estima que Colombia tiene un potencial energético solar en todo su territorio con un promedio de 4,5 kWh/m2 y un máximo en la Guajira de 6 kWh/m2 (Atlas de radiación solar de Colombia, 2005) el cual es un buen promedio comparado con la media mundial, permitiendo que se diseñen sistemas de acumulación de energía reducidos (Rodríguez, 2009).. 3.2.. ENERGÍA SOLAR: DESCRIPCIÓN Y USO. La energía proveniente del sol según su uso se puede clasificar en Energía Solar directa e indirecta, en donde la Energía Solar Directa se clasifica como energía térmica, termodinámica, y fotovoltaica (energía lumínica), y la Energía Solar Indirecta como biomasa (energía para plantas y animales), energía eólica (energía del viento), energía lumínica, hidroeléctrica (Quadri, 2010), incluso sirve como cocción de alimentos como en el caso de los pueblos indígenas de Bolivia y otras. 4.

(14) partes de la zona andina. En Colombia, las aplicaciones más utilizadas de la energía solar son el calentamiento de agua y generación de electricidad a una escala pequeña. De la misma forma se tienen proyectos de secado solar para producción agrícola y destilación solar de agua de mar u otras fuentes de agua que no estén potabilizadas (Rodríguez, 2009). Se debe tener claro conceptos solares como son la radiación y la irradiancia, la radiación que emite el sol en todas las direcciones no sufre perdidas considerables por tener contacto con la materia, por otro lado la irradiancia que se define como la densidad de flujo radiante solar disminuye con el cuadrado de la distancia. Con factores como la distancia entre el sol y la tierra y sus respectivos tamaños se puede asumir que la irradiancia alrededor de la tierra, en la superficie exterior de la atmósfera, tiene un valor constante definido como la constante solar, β0, que en promedio es. . Básicamente, la irradiancia solar es la potencia de. radiación solar por unidad de área que incide en una superficie cualquiera (Perpiñán, 2012). Cuando la radiación atraviesa la atmósfera se empieza a debilitar principalmente por dos razones: la primera es debido a las moléculas gaseosas y partículas de polvo que logran reflejar los rayos del sol dispersándolos en todas las direcciones, efecto conocido como radiación difusa. La segunda razón de debilitamiento de la radiación se debe a que el vapor de agua y el carbono en el aire absorben los rayos del sol de ciertas longitudes de onda. Debido a la reflexión y la absorción de la radiación, a nivel del mar (aproximadamente 30 km de la atmósfera) se recibe una radiación aproximada de. (Quadri, 2010), sin embargo esta medida. varía dependiendo de la posición geográfica y de la época del año. Además se debe tener en cuenta la definición de masa de aire (AM) que involucra la altura del sol a lo largo del día (Perpiñán, 2012), ya que entre más bajo este el sol, más grande será la distancia que los rayos del sol deben viajar a través de la atmósfera hasta la superficie receptora (Quadri, 2010).. 5.

(15) 3.3.. HISTORIA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS. Para entender la tecnología involucrada en sistemas fotovoltaicos, es necesario conocer y estudiar la historia de sus principales componentes los cuales son las células fotovoltaicas. La palabra fotovoltaico expresa la transformación de energía lumínica (luz) en energía eléctrica (electricidad), proviene del griego “photos” que significa luz, y voltaico en honor al famoso físico italiano Alejandro Volta; sin embargo la persona que descubrió el efecto fotovoltaico e introdujo los principios de energía solar a través de celdas o módulos fue el físico francés Alexander Edmond Becquerel. En 1839, Becquerel descubrió que en ciertos materiales la conductividad puede variar bajo el efecto de la luz, y que esta reacción puede producir corriente eléctrica (Labouret, 2008). A partir de este momento, varios científicos de diferentes partes del mundo, se interesaron en el descubrimiento de Becquerel y el aporte de los mismos fue el encargado del desarrollo de las celdas fotoeléctricas. En 1873, Willoughby Smith descubrió el efecto foto-conductivo cuando observo un cambio en la conductividad del selenio al exponerlo a la luz. Para el año 1876, William Adams y Richard Day se encontraban trabajando en el efecto fotoconductivo con barras sólidas de selenio amorfo embebidas en hierro (Messenger, 2000). En medio del experimento Adams y Day notaron una generación de tensión eléctrica interna. Para comprobar la anomalía los científicos realizaron el siguiente experimento: colocarón contactos térmicos de platino en los extremos de un cilindro vítreo de selenio, en donde el objetivo era comprobar si al aplicar luz al blanco se llegaría a producir corriente eléctrica sobre el cilindro de selenio (Adams & Day, 1877). Los resultados fueron positivos presentando por primera vez el efecto fotovoltaico en objetos sólidos y la primera celda compuesta por selenio. Pocos años después en 1883, Fritts construye la primera película delgada fotovoltaica la cual tenía un área de 30 cm2 construida de selenio (Fritts, 1883).. 6.

(16) En 1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico con el cuál ganaría el Premio Nobel en 1921 (Perpiñán, 2012). En 1954 se obtiene la primera celda de silicio desarrollada por los investigadores de laboratorios Bell, la cuál poseía una eficiencia de 4,5 % (Mayfield, 2010). Este tipo de tecnología se aplicó al sector aeroespacial en el año 1958, cuando se implementó un sistema fotovoltaico al satélite Vanguard-I de 0,1 W que permaneció activo durante 8 años (Messenger,2000). En 1973 la Universidad de Delaware construyó una vivienda llamada. Solar. One. que. se. alimentaba. con. energía. solar. (www.udel.edu/iec/history.html). En los años 80 se construye Solar Trek, un vehículo con tecnología fotovoltaica que tenía una potencia máxima de 1kW y una velocidad. máxima. de. 72. km/h. (http://www.suministrosolar.com/historiadelaenergiasolar).. Los últimos avances se producen en el desarrollo de nuevos materiales para las celdas solares como teluro de cadmio y seleniuro de cobre e indio. También se han desarrollado módulos solares transparentes o incluso diminutos con formas esféricas que poseen tamaños de 1 mm de diámetro (Peña, 2011). El progreso tecnológico actual se puede resaltar por algunos ejemplos puntuales tales como: el Solar Impulse, el cual es un avión que funciona completamente con paneles fotovoltaicos monocristalinos de silicio (www.solarimpulse.com/es). También se construyó el NUNA el cual es un vehículo terrestre que funciona con 2000 celdas fotovoltaicas alcanzando una velocidad de 140 km/h con una potencia máxima de 2500 W (www.nounsolarteam.nl).. 7.

(17) Figura 1. Primer avión que trabaja con energía solar. Tomado de: http://www.solarimpulse.com/es. Los Sistemas Fotovoltaicos hoy en día son después de las hidroeléctricas y la energía eólica, la tercera fuente energética renovable más importante del mundo en términos de capacidad instalada (EPIA, 2012). Actualmente se están promoviendo políticas para el uso de Sistemas Fotovoltaicos que sustituyan las fuentes de energía no renovables como por ejemplo, en Japón ya tiene planes para los próximos 20 años en donde para el año 2030 se desea tener una capacidad instalada en Sistemas Fotovoltaicos de 83 GW, ésta potencia es más de la capacidad instalada actualmente en todo el mundo, los cuales podrán satisfacer el 50% de las necesidades energéticas de vivienda o lo que es equivalente al 10% de las necesidades energéticas de Japón (Foster, 2010).. 3.4.. LA CIENCIA DE LA CELDA FOTOVOLTAICA. Es importante tener en cuenta que las celdas solares o fotovoltaicas son aquellas que transforman la energía lumínica en energía eléctrica, siendo éstas diferentes de los paneles térmicos solares que captan la energía térmica del sol para posteriormente calentar algún fluido como el agua, el aire u otros. Los materiales principales de fabricación de las celdas fotovoltaicos son el Silicio, tanto el Cristalino como el Amorfo. Para la fabricación de paneles solares se utiliza el Silicio Solar semiconductor llamado Tipo IV en donde la cualidad de este silicio. 8.

(18) se encuentra en sus átomos ya que son tetravalente, es decir, que se tiene cuatro electrones de valencia los cuales forman enlaces covalentes. Los enlaces covalentes del Silicio no son muy fuerte y con un poco de energía, como la del Sol, es posible romper los enlaces para que los electrones queden libres y de esta manera producir corriente y así clasificar al Silicio en un material semiconductor intrínseco. Es posible también usar otro tipo de materiales que son Silicio tipo III-V, que se basan en el Arseniuro de Galio, en capas delgadas se usa el CdTe (telurio de cadmio) y el CIS (cobre-indio de selenio). (Labouret, 2008) El silicio solar se divide en dos grandes grupos: -. Los materiales sólidos cristalizados (paneles fotovoltaicos del proyecto).. -. Las capas delgadas y flexibles.. 3.4.1. Uniones P-N: Efecto Fotovoltaico. Las celdas solares más comunes poseen una configuración llamada uniones P-N (Positivo – Negativo). Las uniones P-N son básicamente la unión de una gran cantidad de diodos que aprovechan la energía lumínica para producir corriente eléctrica directa (Salazar, 2007). Al sistema fotovoltaico no se le aplica voltaje, en vez de esto se produce corriente en alguna carga conectada al mismo, cuando las celdas fotovoltaicas son iluminadas (Foster, 2010). La unión P-N se produce debido al dopaje con ciertos materiales como el Si o GaAs que con la debida combinación se transforman en materiales semiconductores (Labouret, 2008). Se tienen dos pasos esenciales para la transformación de energía lumínica a energía eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas. En primer lugar el material de las celdas debe absorber la luz en cierta longitud de onda y generar una pareja hueco-electrón (Messenger, 2000), similar al proceso de fotosíntesis en plantas. A partir de la absorción y excitación el flujo de electrones viaja a través del material con capa N y los huecos por la capa P llenando a los terminales. Finalmente la. 9.

(19) electricidad es recolectada por los contactos metálicos que se encuentran instalados detrás y enfrente de la celda, ya que el movimiento de huecos y electrones crean cargas positivas y negativas que forman un campo eléctrico cerca de las uniones metálicas (Labouret, 2008).. Figura 2. Estructura de una celda formada con capas P-N. FOSTER, Robert; GHASSEMI, Majid; & COTA, Alma. Solar Energy. 3.5.. SISTEMA FOTOVOLTAICO Y SUS COMPONENTES. Un sistema fotovoltaico es un conjunto de componentes que proveen de electricidad en forma fiable a un elemento o sistema concreto (Labouret, 2008). El sistema. fotovoltaico. produce. energía. únicamente. cuando. es. iluminado. (Messenger,2000), siendo la mejor fuente energética, como se ha mencionado anteriormente, la radiación del sol que se presenta en formar variable, produciendo que la energía generada en los paneles sea de igual forma variable. Ahora, en la mayoría de aplicaciones es necesario el almacenamiento de la energía y el control de la misma para su posterior uso y muy frecuentemente se debe transformar la corriente directa a una alterna para diversos usos como lo puede ser cualquier aparato tecnológico moderno (televisor, computador, equipo de sonido, etc).. 10.

(20) Las funciones principales de un sistema fotovoltaico se presentan en el siguiente diagrama:. Figura 3. Sistema Fotovoltaico. Basado en figura 1.2, LABOURET, Anne y VILLOZ, Michael. Energía solar fotovoltaica manual práctico.. Según la Figura 3, la primera etapa del sistema es la producción de energía, la cuál proviene de los paneles fotovoltaicos, el almacenamiento y la transformación de. corriente. corresponden. a. las. baterías. y. al. inversor. de. corriente. respectivamente. La segunda etapa denominada Controlar es de vital importancia para que los componentes trabajen sin ser forzados o sobrecargados, como el caso de las baterías, este componente es el controlador de carga del sistema. La tercera etapa de medición es muy importante y es el eje central de este proyecto ya que informa de la situación de cada uno de los componentes del sistema. Finalmente, la última etapa denominada Carga corresponde a dispositivos que necesiten electricidad para su respectivo funcionamiento. (Labouret, 2008). Existen múltiples configuraciones de sistemas fotovoltaicos que se adaptan a las preferencias del usuario. Están los conectados a la red llamados SFCR (Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red) y los sistemas autónomos que se encargan de alimentar un sistema eléctrico especifico (SFA) (Aguilera, 2004). A continuación se presentan los tres tipos de sistemas más utilizados. En primer lugar se tiene un SFA que alimenta equipos que trabajan con corriente continua. Este sistema puede o no estar exento del banco de baterías. Cuando el SFA no posee banco de baterías se dice que se tiene una alimentación directa. En. 11.

(21) este caso la función del sistema se limita a producir por medio de los paneles y a utilizar en equipos DC, únicamente cuando exista energía lumínica (Aguilera, 2004). Para nombrar algunos ejemplos podemos citar un ventilador (Labouret, 2008), el cual se puede usar en lugares cálidos en donde a medida que el sol genere más calor debido a su potencial de radiación el panel producirá más corriente y el ventilador ira más rápido.. Figura 4. Sistema fotovoltaico autónomo (SFA) DC. Tomado de: AGUILERA, Jorge y HONTORIA, Leocadio. Dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos, Curso de energía solar fotovoltaica.. El segundo sistema es un SFA que trabaja con corriente alterna, siendo éste el que se encuentra instalado en la Universidad de los Andes. Este sistema además de ser autónomo es capaz de almacenar la energía, para la transformación de la corriente directa que proviene de las baterías a corriente alterna, se utiliza un aparato electrónico llamado Inversor de corriente DC/AC (Aguilera, 2004).. 12.

(22) Figura 5. Sistema fotovoltaico autónomo (SFA), DC y AC. Tomado de: AGUILERA, Jorge y HONTORIA, Leocadio. Dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos, Curso de energía solar fotovoltaica.. El tercer tipo de sistema es un SFCR, estos sistemas se conectan directamente a la red de distribución eléctrica de la región, generalmente se instalan en zonas donde la radiación es alta y constante durante todo el año. La ventaja más grande es que no se necesita el banco de baterías por lo que la inversión inicial no representa un alto costo. Este sistema está conformado únicamente por los paneles fotovoltaicos y un inversor de corriente DC/AC que debe estar configurado de acuerdo a la frecuencia transportada en los cables de la red (Aguilera, 2004). En Alemania este tipo de sistema se está implementando en muchas viviendas, a causa que genera dinero, ya que las políticas alemanas, en cuestión de electricidad, permiten al usuario contribuir a la generación de energía a la red por medio de paneles fotovoltaicos. (Notas curso de sistemas de conversión de energía, Álvaro Pinilla 2012). Figura 6. Sistema fotovoltaico conectado a la red (SFCR). Tomado de: AGUILERA, Jorge y HONTORIA, Leocadio. Dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos, Curso de energía solar fotovoltaica.. 13.

(23) 3.5.1. Sistema fotovoltaico del proyecto. El siguiente diagrama presenta los componentes y la interacción del Sistema Fotovoltaico del proyecto.. Figura 7. Diagrama de componentes y su interacción.. La siguiente tabla contiene los números que identifican cada componente del Sistema Fotovoltaico (figura 7): Tabla 1. Componentes del sistema fotovoltaico del proyecto.. Número 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12. Componente Paneles solares Controlador de carga Baterías Inversor de corriente Monito de baterías Carga (lámpara 360 W) HUM 4 MATE 2 Piranómetro Termopar tipo k Tarjeta de adquisición de datos Computador. 14.

(24) 3.5.2. Paneles Fotovoltaicos. Los paneles fotovoltaicos son el componente más importante de un sistema de producción de energía lumínica a eléctrica. El sistema instalado cuenta con 10 paneles fotovoltaicos de silicio policristalino (multicristalino) con una configuración serie – paralelo con la siguiente disposición: conexiones en serie de a dos paneles y estas cinco series en paralelo con la intención de aumentar la corriente. El arreglo actual posee paneles EvergreenSolar referencia ES-180, que trabajan con las siguientes características: Tabla 2. Información técnica del arreglo de paneles fotovoltaicos.. Condiciones de prueba estándar (STC) Potencia nominal Cantidad Paneles Voltaje potencia nominal Corriente potencia nominal Voltaje de circuito abierto Corriente corto circuito. Pmp No. Vmp Imp Voc Isc. 1800 10 51,8 34,78 65,2 38,9. W V A V A. Las condiciones de prueba estándar (STC) son las siguientes: radiación de 1000 W/m2, 25 ºC la temperatura de la celda, espectro AM (masa de aire) 1,5.. Figura 8. Paneles solares ES-180, Edificio Mario Laserna. Fuente: Propia.. 15.

(25) 3.5.3. Controlador de carga. El controlador de carga o voltaje es un aparato electrónico que se instala entre el arreglo fotovoltaico y el banco de baterías. Entre las funciones principales del controlador de carga se tiene: el control de flujo de energía al evitar descargas o sobrecargas, debe asegurar la vigilancia y la seguridad de la instalación, debe proporcionar información sobre el estado de carga de las baterías y de los diferentes parámetros de funcionamiento del sistema (Labouret, 2008). El controlador empleado en el sistema fotovoltaico puede realizar una transformación de potencia, ya que cuenta con tecnología MPT (Maximum Point Tracker), en donde el sistema trabaja siempre en el punto de máxima potencia. Tabla 3. Características técnicas de controlador de carga.. Marca Referencia Corriente máxima de salida Voltaje máximo de entrada Potencia máxima FV (24VDC) Eficiencia Compatible con baterías. Out back Power Systems Flexmax 80 80 A 150 VDC 2500 W 97,5 % 12, 24, 36, 48, 60 VDC. Figura 9. Controlador de carga del laboratorio de energía solar. Fuente: Propia.. 16.

(26) 3.5.4. Banco de baterías. Las baterías son el medio por el cual la energía en forma de corriente directa se almacena para posteriormente ser utilizada por una carga cualquiera. El banco de baterías del laboratorio de energía solar estaba conformado por 4 baterías marca TROYAN de referencia L16P, cada batería estaba construida para manejar 6v y una capacidad de 390 Ah, en donde se instalaron con una configuración en serie para aumentar el voltaje y mantener la capacidad constante. De esta manera el banco quedo conformado con 24v y una capacidad de 390 Ah. Sin embargo cuando las baterías no son utilizadas de forma continua se empiezan a descargar, auto descarga de 4% semanal (Messenger, 2000), y como el banco estuvo quieto más de 7 meses las baterías sufrieron una descarga tan profunda que dos de ellas se dañaron irreparablemente, las otras dos baterías se lograron recuperar al cambiarles el ácido interno en la empresa Falcón Ltda. A continuación se presenta una tabla con los valores de voltaje de las baterías medidas al empezar el proyecto: Tabla 4. Medida de voltaje de baterías.. Voltaje Medido (V) Porcentaje de Carga (%). Batería 1 5,812 16,7. Batería 2 5,785 12,78. Batería 3 5,814 17. Batería 4 5,672 0. El problema de utilizar las dos baterías que se lograron recuperar es que al colocarlas en serie máximo se va a tener un voltaje de 12v pero el inversor de corriente trabaja a partir de 21v. Por lo cual fue necesario reemplazar el banco anterior con dos baterías marca Nety de 12v cada una y una capacidad de 200 Ah, libres de mantenimiento para evitar el problema que se tuvo con el banco anterior. Estas baterías cumplen con las normas internacionales como IEC896-2, BS6290-4 y la norma de la asociación de fabricantes de baterías eléctricas Europea. Este nuevo banco se configuro en serie para aumentar el voltaje a 24v y una capacidad de 200 Ah.. 17.

(27) Figura 10. Nuevo banco de baterías, 24 V – 200 Ah.. 3.5.5. Inversor de corriente DC/AC. La energía eléctrica que producen los paneles es corriente directa útil para almacenar en el banco de baterías, pero que no es utilizable en la mayoría de aparatos electrónicos como televisores o computadores, etc. Los cuales trabajan con corriente alterna. Para ello se utiliza un inversor DC/AC que convierte la corriente directa en alterna. El inversor DC/AC del laboratorio está configurado para trabajar bajo las condiciones eléctricas colombianas que corresponden a un voltaje de 120/220 VAC y una frecuencia de 60 Hz. Tabla 5. Información técnica del inversor de corriente.. Marca Referencia Rango de voltaje de entrada Voltaje de salida nominal Frecuencia Corriente directa máxima de entrada Eficiencia. Out back FX2524T 21-34 V 120 V(AC) 60 Hz 125 A 92 %. 18.

(28) Figura 11. Inversor DC/AC. Fuente: Propia.. 3.5.6. HUB 4. El HUB 4 es un aparato electrónico encargado de comunicar e integrar los diversos componentes del sistema de marca OutBack en un solo punto. El HUB del sistema solar posee 4 puertos para conectar los componentes por medio de cables CAT5e con conectores modulares tipo Jack RJ45.. Figura 12. HUB 4. Fuente: Propia.. 19.

(29) 3.5.7. MATE 2. El MATE 2 es un asistente de configuración de los diversos componentes electrónicos Outback Power System como el controlador de carga, el inversor de corriente y el monitoreado de baterías. Entre sus funciones principales el MATE2: maximiza el desempeño del sistema fotovoltaico, coordina y evita que el sistema entre en conflicto por los diversos componentes. Además el MATE 2 se puede conectar a un computador mediante un cable RS232 y un software compatible con el sistema OutBack para controlar componentes y adquirir datos relevantes del mismo. Las características del MATE 2 se presentan a continuación: Tabla 6. Ficha técnica Mate 2.. Marca Referencia Control Manual Cableado interconexión Conexión al computador Microprocesador. OutBack Power Systems MATE 2 6 botones de silicona - Dos para inversor y entrada AC respectiva. CAT 5 estándar con conectores modulares tipo Jack RJ45 Cable de comunicación RS 232 - DB9 16 MHz de bajo consumo. Figura 13. MATE 2.. 20.

(30) 3.5.8. Monitor de Baterías – Flexnet DC.. La función principal del Flexnet DC es monitorear el banco de baterías de modo que adquiere la información de corriente (A), voltaje (V) y potencia (W) que entre a las baterías, en donde posteriormente se presenta en el MATE 2 con la finalidad de tener puntos de ajuste más exactos en la carga y descargar del banco. Tabla 7. Información técnica de monitor de baterías.. Marca Voltaje de entrada de baterías Corriente de entrada Rango capacidad batería. Outback Power Systems 8,0 - 80,0 VDC -1000 a 1000 A(DC) 100 – 10000 Ah. Figura 14. Flexnet DC del sistema fotovoltaico uniandino. Fuente: Propia.. 3.5.9. Piranómetro. El piranómetro es un instrumento que se utiliza para detectar la radiación solar. El piranómetro empleado es de marca Apogee Instruments SP-215 el cual debe ser conectado a una fuente de 5v y algún aparato que mida o registre la radiación, como por ejemplo un multímetro o una tarjeta de adquisición de datos. Para hacer efectiva la medición de radiación se instaló el piranómetro dentro del área efectiva donde se encuentran los paneles fotovoltaicos. El registro de las mediciones se da. 21.

(31) en voltios, luego esta medición se debe multiplicar por un factor de conversión que en este caso es 250 W/Vm2 para obtener las unidades adecuadas [W/m2].. Figura 15. Piranómetro Apogee SP – 215.. 3.5.10. Tarjeta de adquisición de datos (DAQ). La DAQ es un componente hardware que le permite al usuario medir y adquirir variables que en tiempo continuo sería difícil obtener. Estas permiten grabar en el tiempo variables como voltaje, temperatura, corriente, resistencia, entre otras y son óptimas para implementarlas en la adquisición de todas las variables analizar en este proyecto. La tarjeta de adquisición de datos es de marca NATIONAL de referencia N9219E que es compatible con Labview ®.. 3.5.11. Carga resistiva variable. La carga es el componente que consume energía que en el caso del laboratorio de energía solar es una lámpara alógena de 360 W utilizada en proyectos pasados. Sin embargo para diferentes evaluaciones de los paneles fotovoltaicos también se manejara un banco de resistencias variable y una estufa eléctrica de un puesto.. 22.

(32) 3.5.12. Termopar para medir temperatura de superficie de paneles. Un termo par es un transductor que produce voltaje debido a la diferencia de temperatura debido a la unión de dos metales diferentes. El termo par empleado en el proyecto es un tipo k que está compuesto por una aleación de Ni-Cr o Ni-Al, es de bajo costo que trabaja en un rango de temperatura de -200 ºC a 1372 ºC y una sensibilidad de 41 μV/ºC aproximadamente.. 3.6.. Software. El software es el componente computacional o soporte lógico encargado de comunicar los componentes físicos (hardware) con una computadora con el objetivo de ejercer control o medición sobre estos componentes.. 3.6.1. Labview ®. Labview posee un lenguaje de programación grafico el cual es compatible con la tarjeta de adquisición de datos National. Por medio de este programa se van adquirir los datos de radiación del piranómetro, temperatura de la superficie de los paneles, voltaje y corriente proveniente de los paneles.. 3.6.2. WinVerter- Monitor OB ®. WinVerter es el software compatible con los equipos de marca OutBack Power Systems que en este caso maneja y adquiere los datos al computador del monitor de baterías, el controlador de carga y el inversor de corriente.. 23.

(33) 4. MEDICIONES Y RESULTADOS 4.1.. CALIBRACIÓN PIRANÓMETRO. El piranómetro es el instrumento encargado de medir la radiación del sol, por medio de éste es posible cuantificar la energía que es irradiada sobre los paneles fotovoltaicos. El objetivo de usar este instrumento en el proyecto es el de cuantificar la energía entrante y compararla con la que producen los paneles para encontrar la eficiencia de los mismos.. Figura 16. Piranómetro.. La comprobación de calibración del piranómetro se decidió hacer debido a que las primeras pruebas de adquisición de datos en este instrumento señalaban radiaciones por encima de lo normal, en donde el piranómetro estaba arrojando radiaciones mayores a la constante solar (1367 W/m2). Era inapropiado tener estos valores de radiación, debido a que cuando la energía lumínica entra al planeta se debe superar obstáculos como la atmosfera, nubosidad, cierta masa de aire, entre otros. Estos obstáculos evitan que la energía lumínica llegue completamente a la tierra y en consecuencia los niveles de radiación son menores que la constante solar. Lo normal es que a nivel del mar se posea una radiación máxima de 1000 W/m2 y a nivel del Bogotá entre 1100 y 1250W/m 2 ya que existe. 24.

(34) menor masa de aire. A continuación se presenta una gráfica en donde se logra observar la irregularidad medida por el piranómetro del sistema fotovoltaico.. Gráfica 1. Medida de radiación errónea.. Como se observa en la Gráfica 1, los niveles de radiación alcanzados en este periodo de tiempo (1600 s), los cuáles se representan en color rojo, fuerón mayores a 1200 W/m2 lo cuál para la ciudad de Bogotá son magnitudes fuera de lo común, mientras que la línea de color azul representa niveles de radiación normales. Para comprobar el funcionamiento del piranómetro que se encuentra ubicado en el área efectiva de los paneles, se realizó una comparación con el piranómetro del laboratorio de conversión de energía junto con el software en línea proporcionado por el fabricante para comprobar que tan calibrado está el instrumento.. 25.

(35) Figura 17. Piranómetro de laboratorio de conversión de energía.. Las primeras mediciones de ambos piranómetros presentaban una diferencia en promedio de 100 W/m2, lo que dejo en evidencia que el piranómetro de los paneles estaba descalibrado.. Gráfica 2. Comparación mediciones de piranómetro de paneles solares y laboratorio.. Después de varias pruebas realizada para identificar el problema, se encontró que los cables de conexión del piranómetro del Sistema Fotovoltaico estaban desgastados por lo cual se procedió a su reemplazo, al igual que se remplazó la 26.

(36) fuente de alimentación de energía del piranómetro, permitiendo esto reiniciar las mediciones de radiación.. Gráfica 3. Arreglo de piranómetro, comparación de instrumentos.. Gráfica 4. Relación piranómetro paneles y piranómetro laboratorio de conversión de energía.. 27.

(37) Como se observa en la Gráfica 3 y 4 el comportamiento de los instrumentos es el mismo teniendo en cuenta que el piranómetro del laboratorio tiene medidas más precisas debido a que este instrumento es más sensible a la luz. Para corroborar los resultados se recurrió al Software en línea Clear Sky Calculator, el cuál solicita la información referente a: hora del día, el día del año, la temperatura ambiente, la humedad relativa, latitud, longitud y elevación respecto al nivel del mar en donde se encuentra el dispositivo. A partir de estos datos el Software arroja una medición de radiación que en promedio debe estar marcando el instrumento, en donde la comparación por medio del % de error debe ser menor al 5%, de lo contrario el instrumento de medición debe recalibrarse en un centro especializado.. Gráfica 5. Calibración por software en línea.. La Gráfica 5 presenta las mediciones teóricas y experimentales para cierta hora del día (de 2:42 Pm a 3:12 Pm) en donde el error máximo fue del 2,6%. Teniendo en cuenta la comparación con el piranómetro del laboratorio de conversión de. 28.

(38) energía y la calculadora solar se da como apto el uso de este instrumento en el proyecto.. 4.2.. RELACIÓN RADIACIÓN Y VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO. Una vez se tuvo la calibración del piranómetro y teniendo en cuenta que no se tenía banco de baterías, se decidió realizar mediciones de la variación del voltaje en circuito abierto (Voc) contra el cambio de la radiación para conocer su comportamiento. De este modo se implementó un sistema de adquisición de datos por medio de las tarjetas National 9219E, donde se obtuvo las medidas de radiación y voltaje en circuito abierto.. Figura 18. Tarjeta de adquisición de datos.. Sin embargo, las Tarjetas National 9219E tienen una entrada de voltaje máximo que se limita a 60V y debido a la configuración serie paralelo de los paneles estos trabajan teóricamente con un Voc = 65,2 V por lo cuál éstas no eran aptas para la toma de datos. Se realizarón algunas pruebas tanto con multímetro y las tarjetas de adquisición de datos en donde el voltaje en circuito abierto que se manejaba estaba entre 56V y 65V y cuando las tarjetas pasaban el límite de 60V estas se. 29.

(39) saturaban y se perdía gran parte de la información ya que con voltajes mayores al límite solo marcaba 60V. En consecuencia se decidió diseñar y construir un divisor de voltaje para la variable deseada; para el diseño del divisor de voltaje se tuvo en cuenta la siguiente ecuación teórica:. En donde V es voltaje y R corresponde a una resistencia. Con dos resistencias del mismo valor fue posible dividir el voltaje de circuito abierto en 2 y de esta manera fue posible la toma de datos de todo el rango que maneja el voltaje en circuito abierto de los paneles solares.. + V/2 Figura 19. Divisor de voltaje. A partir del montaje del divisor de voltaje se obtuvo continuamente la adquisición de datos de las dos variables de interés. La relación entre la radiación y el voltaje en circuito abierto es que ambas posee el mismo comportamiento, si la radiación aumenta el voltaje también tiende aumentar, esto se demuestra en la Grafica 6 que es una extracción de período de tiempo representando ambas variables en donde se aprecia gráficamente el cambio en un rango considerable de radiación:. 30.

(40) Gráfica 6. Comparación entre la radiación y el voltaje en circuito abierto.. La importancia de la Gráfica 6 se encuentra en que el voltaje está ligado fuertemente a la radiación y que esto puede influir en la producción de energía de los paneles. Ahora se conoce que no solo la corriente cambia con la radiación sino que también el voltaje cambia en forma significativa con la variación de energía lumínica, además se observan lugares en la Gráfica 6 en donde el cambio de voltaje no tiene la misma tendencia que la radiación, sobre todo para radiaciones altas, por ejemplo en el intervalo de tiempo de 100 s a 280 s, esto se debe principalmente a la temperatura sobre las células solares. Como se observa en la Gráfica 6, la radiación en este intervalo de tiempo es alta lo que infiere que el sol incidió directamente los paneles provocando un aumento en la temperatura de estos, lo que a su vez produce una disminución en el voltaje y en resultado también disminuyendo la energía eléctrica producida por los paneles. Para verificar la relación entre las dos variables se realizó una regresión lineal entre el voltaje en circuito abierto y la radiación, de lo cuál se obtuvo la siguiente ecuación (y=0,0037X+56,758) y un coeficiente de correlación R2 = 0,9 información suficiente 31.

(41) para corroborar que estas dos variables tienen un comportamiento lineal como lo muestra la Gráfica 7.. Gráfica 7. Relación lineal entre el voltaje en circuito abierto y la radiación.. 4.3.. RELACIÓN TEMPERATURA Y VOLTAJE DE CIRCUITO ABIERTO. Para conocer si realmente la temperatura afectaba la variación de voltaje en circuito abierto de los paneles fotovoltaico se decidió implementar un sensor de temperatura sobre la superficie de las células solares. El sensor instalado es básicamente un Termopar tipo k de 25 m que se compone en 2 cables especiales que tienen una juntura soldada en alguno de sus extremos. El sensor de temperatura expresa la medición en voltios la cual es identificada por el multímetro o la tarjeta de adquisición de datos los cuales transforman los voltios a grados centígrados (ºC).. 32.

(42) Figura 20. Instalación de sensor de temperatura.. Para la comprobación de la correcta medición de temperatura sobre los paneles se hizo también mediciones con 3 sensores de temperatura (1 termómetro y 2 pistolas infrarrojas de medición de temperatura).. Figura 21. Instrumentos para comprobar la temperatura sobre los paneles fotovoltaicos.. Una vez se aprobó el sensor de temperatura como apto para su uso en el proyecto, este se implementó a la tarjeta para la adquisición de datos continúos. En resultado fue posible verificar la hipótesis teórica basada en que la temperatura afecta el voltaje de los paneles, de este modo se obtuvo la Gráfica 8 de voltaje y temperatura donde se analiza el mismo intervalo de tiempo y radiación de la Gráfica 6.. 33.

(43) Gráfica 8. Comparación entre la temperatura en superficie de los paneles y voltaje en circuito abierto.. Como se observa en la mayoría de la Gráfica 8 el voltaje cambia inversamente con el cambio de temperatura, cuando la temperatura aumenta el voltaje disminuye y viceversa; sin embargo este cambio no se percibe exacto en todo el análisis, probablemente porque además de la radiación, los paneles también son afectados por líneas de corriente de aire que bajan desde la montaña de Monserrate, éstas líneas de corriente transportan aire frío que producen cambios de temperatura pequeños que modifican la temperatura provocada por la incidencia del sol. Otro factor importante a tener en cuenta es la nubosidad, además de que esta afecta directamente en la radiación, también puede provocar lluvias momentáneas que enfrían la superficie de los paneles de forma intermitente lo que produce que el voltaje no cambie completamente lineal con la temperatura; sin embargo en un aspecto general la incidencia del sol sobre los paneles permite que la temperatura aumente y el voltaje disminuya de forma considerable. Según el fabricante de los paneles solares la pérdida de voltaje debido a la temperatura. 34.

(44) es de -0,34% / ºC, a pesar de esto se han detectado cambios de hasta el -2,5% / ºC, como por ejemplo muestra la siguiente gráfica que presenta el cambio en voltaje de circuito abierto dependiendo del cambio de temperatura para una radiación de 1000 W/m2. Esta gráfica fue construida teniendo en cuenta la información de varios días en donde se extrajo datos de radiaciones a 1000 W/m2 a la vez que se comparó con el cambio teórico que señala en la ficha técnica de los paneles solares representados en la tabla 7 y reconstruyendo la curva típica de los paneles fotovoltaicos teniendo en cuenta los tres punto importantes que son: corriente en corto circuito, punto de mejor operación y voltaje en circuito abierto: Tabla 8. Efecto de la temperatura en propiedades eléctricas de los paneles.. Vmp Imp Voc Isc. -0,47 -0,02 -0,34 0,06. % / ºC % / ºC % / ºC % / ºC. 2. Gráfica 9. Dependencia de temperatura para una radiación de 1000 W/m teórica y experimental.. 35.

(45) El porcentaje de error para cada uno de las temperaturas evaluadas teniendo en cuenta el voltaje en circuito abierto se presenta en la Tabla 9: Tabla 9. Porcentaje de error para voltaje de circuito abierto teórico y experimental.. %Error 25ºC 7,7%. 4.4.. %Error 23ºC 4,4%. %Error 25ºC 10,5%. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CON ARREGLO DE RESISTENCIAS VARIABLES. Se realizó una evaluación de los paneles fotovoltaico con un banco de resistencias que eran alimentados con energía en forma de corriente directa. En primera instancia se conectó directo un banco de resistencias variables a los paneles solares para evaluar su funcionamiento en cuanto a la producción de energía, y eficiencia en diferentes rangos de radiación.. Siguiendo la Ley de Ohm se logró establecer teóricamente la corriente que se debía producir en los paneles teniendo en cuenta la resistencia producida por el banco y el voltaje promedio al que trabajan los paneles fotovoltaicos. El banco de resistencias se probó con diversas configuraciones; sin embargo no se encontró una resistencia lo suficientemente pequeña para producir una corriente significativa. De este modo se implementó al sistema una estufa eléctrica de un puesto y se configuró en paralelo con el banco de baterías para disminuir aún más la resistencia y producir más corriente.. 36.

(46) Figura 22. Banco de resistencias y estufa eléctrica.. Con la información recolectada fue posible construir curvas de corriente contra voltaje, curvas de eficiencia contra radiación y curvas de radiación contra potencia que muestran la comparación de las diversas configuraciones de las resistencias. Además se reconstruyó la curva de corriente-voltaje típica de un panel fotovoltaico y se presentarón los puntos teóricos de mejor punto de operación. La Gráfica 10 presenta la corriente contra el voltaje para resistencias de 2.5 Ω, 3.5 Ω, 5.23 Ω, 6.23 Ω, 7.7 Ω, también se sobrepuso la curva típica de los paneles al nivel de radiación en donde se obtuvo la máxima eficiencia en el momento de medir la resistencia y teniendo en cuenta la temperatura guiándonos por la Tabla 8 para cada punto de reconstrucción de la curva típica de paneles solares. Para reconstruir la curva típica de corriente contra voltaje de un panel fotovoltaico para diferentes radiaciones, se asumió que la corriente varía linealmente con la radiación. Por lo cual primero se construyó la curva de corriente vs voltaje para una radiación de 1000 W/m2 teniendo en cuenta tres puntos que son: la corriente cortó circuito donde el voltaje es cero, el punto de mejor operación, y el voltaje en circuito abierto donde la corriente es cero. A partir de esta curva y corroborando por la Gráfica 17 que la corriente es lineal con la radiación se obtienen las demás curvas como se muestra a continuación: 37.

(47) Puntos teóricos de mejor operación paneles.. Gráfica 10. Corriente contra voltaje para diversas resistencias.. Los puntos negros sobre las curvas de cada resistencia indican el lugar donde se obtuvo la máxima eficiencia. En las curvas teóricas típicas del sistema fotovoltaico se denotan puntos intermedios que indican los puntos teóricos de mejor operación de los paneles solares del laboratorio. La siguiente gráfica presenta una curva teórica de un componente eléctrico conectado directamente a los paneles solares, en donde se puede apreciar que existe un único lugar en donde la potencia nominal del equipo coincide con el punto de mejor operación de los paneles, exactamente en el punto E. La Gráfica 11 también tiene superpuesta curvas típicas de corriente contra voltaje de paneles solares a diferentes magnitudes de radiación.. 38.

(48) Gráfica 11. Curva teórica de componente eléctrico conectado directamente a los paneles.. De esta. manera se observa que los paneles fotovoltaicos no trabajan. óptimamente cuando se posee esta configuración debido a que cada vez que se disminuye la resistencia para aumentar la corriente y esforzar los paneles para que generen energía, los puntos de mejor eficiencia de las resistencias se alejan de los puntos de mejor operación de los paneles. Experimentalmente es difícil que la potencia nominal de un equipo eléctrico coincida con el punto de mejor operación de los paneles dado que la radiación está cambiando cada instante.. Gráfica 12. Eficiencia de los paneles en función de la radiación.. 39.

(49) La Gráfica 12 presenta la eficiencia en función de la radiación para cada una de las cargas experimentales, en donde se observa que a medida que se disminuye la resistencia, la eficiencia máxima para cada carga se encuentra en radiaciones mayores, además va a existir un punto ideal en los paneles en donde la energía lumínica proporcionada por el sol entregue la energía necesaria que requiere el sistema. Cada curva se puede relacionar con una parábola en donde la pendiente positiva indica que los paneles no han entregado la energía suficiente para satisfacer la energía de la carga. El punto más alto en la curva indica el punto de máxima eficiencia, por lo cual en esa radiación los paneles satisfacen idealmente la carga. La pendiente negativa indica que el sistema está satisfecho en términos energéticos pero que se está desperdiciando energía porque el sol entrega más energía de la que necesita la carga. La eficiencia promedio del sistema cuando se evalúa de esta manera es de 11,27% el cuál es un valor típico para los paneles fotovoltaicos de silicio multicristalino. De igual forma se aprecia como se comporta el Sistema sin tecnología MTTP proporcionada por el controlador de carga, si se tuviera activo el sistema MTTP del controlador, la Gráfica 11 tendería a ser una línea horizontal manteniendo una eficiencia constante para todo el rango de radiaciones.. 4.5. CURVAS DE RENDIMIENTO ENERGETICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO DEL LABORATORIO DE ENERGÍA SOLAR. Con el nuevo banco de baterías se procedió con la configuración e iniciación del sistema por parte de los componentes Outback Power System. La intención es evaluar el recurso energético que se posee con esta fuente energética renovable, no contaminante para el intervalo de tiempo comprendido entre el 18 de Octubre al 30 de Noviembre del año 2012.. 40.

(50) Las variables adquiridas por los componentes OutBack Power System son las siguientes: Tabla 10. Variables energéticas a medir en el proyecto.. Corriente entrada paneles Voltaje entrada paneles Potencia entrada paneles Energía diaria producidas por los paneles Controlador de carga Corriente salida controlador Voltaje salida controlador Potencia salida controlador Energía emitida hacia las baterías Corriente salida de baterías Voltaje salida de baterías Energía diaria producida por las baterías Inversor de corriente Corriente transferida a la carga Voltaje transferido a la carga Potencia de la carga. 4.5.1. Radiación. La radiación es la densidad energética del sol, dicha variable es de vital importancia porque teniendo el promedio de radiación diaria y la producción energética de los paneles fotovoltaicos es posible encontrar la eficiencia que se produce en el sistema. La radiación, como se ha mencionado anteriormente se da en unidades de potencia por unidad de área [W/m 2] de esta manera para encontrar la potencia que produce el sol sobre una superficie como lo puede ser un panel solar se debe multiplicar la radiación por el área efectiva (donde impacta la luz) de la superficie. La información de radiación se obtiene del piranómetro en donde por medio del análisis de adquisición de datos fue posible construir dos curvas importantes. La primera es el promedio de variación diurna de radiación para los días de. 41.

(51) evaluación (Gráfica 13). La segunda curva es el promedio de radiación diaria para el período de tiempo evaluado (Gráfica 15), el cuál se debe obtener promediando la radiación para las 24 horas del día.. Gráfica 13. Variación diurna radiación: Promedio, Máximo, Mínimo.. La Gráfica 13 presenta la radiación promedio horaria para el período de evaluación de 6am – 6pm para el día promedio y el día de máxima y mínima radiación. El análisis de la Gráfica 13 nos muestra como es el comportamiento de radiación para un día típico en Bogotá, en donde se presenta una radiación máxima entre las 11 am a 12 pm, para esta época del año. La curva de radiación para el día de máxima radiación (28-oct - 2012), es comparable con la Gráfica 14 obtenida del catálogo del piranómetro en donde se muestra la variación de radiación diurna con un cielo totalmente despejado; sin embargo el máximo de. 42.

(52) esta curva se corre un par de horas hacia la tarde debido a la posición geográfica del lugar de donde se registró la radiación:. Gráfica 14. Proyección radiación en un día típico con cero nubosidad. Tomado del manual del piranómetro Apogee SP 215.. La Gráfica 15 presenta la radiación diaria promedio en el período de evaluación.. Gráfica 15. Radiación solar diaria del 18 octubre al 30 de noviembre.. 43.

(53) El promedio de radiación solar en el período de evaluación fue de 155 W/m2 comparado con el año anterior (Jaime, 2011) en donde se tuvo un promedio de 122W/m2. Cabe resaltar que en el análisis del trabajo pasado se realizó el promedio para 12 horas siendo lo apropiado aplicar el promedio de radiación para 24 horas del día. Para encontrar el valor promedio correcto de la tesis anterior fue necesario dividir en 2 la radiación que se encontró en aquel proyecto de grado:. El promedio de los años 2011 y 2012 para el mes de Octubre y Noviembre es de 138,5 W/m2 teniendo en cuenta que para este proyecto de grado se tuvo 9 días más de evaluación.. 4.5.2. Insolación. La insolación es la integral de la radiación respecto al tiempo, normalmente se toma la radiación promedio diaria y se evalúa en 24 h, más no en el tiempo en el que estuvo presente el sol. A razón de lo anteriormente mencionado la insolación posee unidades de energía por área [kWh/m 2]. Para obtener la energía que entrega el sol se debe multiplicar la energía por unidad de área y a su vez multiplicarlo por el área efectiva de los paneles en este caso 15,2 m 2. (. 44. )[. ].

(54) Gráfica 16. Insolación diaria promedio del 18 octubre al 30 de noviembre.. El análisis anterior relaciona directamente la insolación con la radiación por lo cual es evidente que la Gráfica 15 y la Gráfica 16 sean idénticas en forma más no en magnitud y unidades. Recordemos que la radiación posee unidades de W/m 2 y la insolación unidades de kWh/m2. El promedio de insolación para el período de evaluación fue de 3,72 W/m2 comparado con el año 2011 en donde se obtuvo una insolación de 3 kWh/m2 (Jaimes, 2011). El promedio de los años 2011 y 2012 para el mes de Octubre y Noviembre es de 3,36 kWh/m2.. 4.5.3. Corriente en función de la radiación – Sistema Fotovoltaico con baterías. En un Sistema Fotovoltaico el voltaje proporcionado a la carga se mantiene en promedio constante con presencia de radiación solar, por otro lado teóricamente la corriente cambia linealmente con la radiación. Para que el sistema produzca. 45.