UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA TÍTULO:
“ Desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos para incrementar los días de autonomía de las baterías de los
sistemas fotovoltaicos domésticos del programa de electrificación rural masiva del Ministerio de Energía y Minas,
2021”
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
Presentado por:
YORDAN JESUS HUINCHO SEDANO
HUANCAYO - PERÚ
2021
ASESOR:
M.Sc. David Elvis Condezo Hurtado
DEDICATORIA
Dedico esta tesis en primer lugar a DIOS, por dame vida y salud. A mis padres quienes me dieron educación, apoyo y consejos. A mis compañeros de estudio, a mis maestros y amigos, quienes sin su ayuda nunca hubiera podido hacer esta tesis
AGRADECIMIENTO
En primer lugar, quiero agradecer a mi asesor, quien con sus conocimientos y apoyo me guio a través de cada una de las etapas de este proyecto para alcanzar los resultados de la investigación.
También quiero agradecer a la FIEE y UNCP por brindarme todos los recursos y herramientas que fueron necesarios para llevar a cabo el proceso de investigación.
Por último, quiero agradecer en especial a mis padres, que siempre estuvieron ahí para darme palabras de apoyo.
.
ÍNDICE
ASESOR: ... ii
ÍNDICE ... v
ÍNDICE DE FIGURA ... vi
ÍNDICE DE TABLAS ... vii
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... x
INTRODUCCIÓN ... 9
Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ... 10
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 10
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 11
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN... 11
1.4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ... 12
Capítulo 2: BASES TEÓRICAS ... 14
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 14
2.2 BASES TEÓRICAS ... 16
2.3 SISTEMA DE HIPÓTESIS ... 25
Capítulo 3: ASPECTOS METODOLÓGICOS ... 27
3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN... 27
3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 29
3.3 Población y muestra ... 29
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ... 29
3.5 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS ... 29
Capítulo 4: PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ... 31
4.1 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 31
4.2 PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 40
CONCLUSIONES ... 44
RECOMENDACIONES ... 45
BIBLIOGRAFÍA ... 46
ANEXOS ... 47
ÍNDICE DE FIGURA
Figura 2.1: Esquemas de Sistema FV con Regulador de Carga de Baterias ... 17
Figura 2.2: Diferencia entre PWM y MPPT... 19
Figura 2.3: Regulador solar PWM. ... 20
Figura 2.4: PWM largo cuando está descargada. ... 21
Figura 2.5: PWM mediano a media carga ... 21
Figura 2.6: PWM corto cuando está cerca del 100 % ... 21
Figura 2.7: Se ubica entre el panel solar y la batería. ... 22
Figura 2.8: Regleta de con seis orificios para conectar los cables. ... 22
Figura 2.9: Número de ciclos vs. DOD. ... 24
Figura 4.1: Esquema de circuito PWM ... 33
Figura 4.2: A Lámpara; B Batería y C Cronómetro ... 34
Figura 4.3: Diagrama de cajas tipo lampara A ... 37
Figura 4.4: Diagrama de cajas tipo lampara B ... 38
Figura 4.5: Diagrama de cajas tipo lampara C ... 39
Figura 4.6: Análisis de barras agrupadas para los tres tipos de lámparas ... 39
Figura 4.7: Análisis del rendimiento del circuito con respecto a la tensión de alimentación ... 40
Figura 4.8: Análisis de t Student ... 42
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1: Variable dependiente ... 25
Tabla 2.2: Variable independiente ... 25
Tabla 4.1: Tiempos de autonomía antes y después Lampara A ... 34
Tabla 4.2: Tiempos de autonomía antes y después Lampara B ... 35
Tabla 4.3: Tiempos de autonomía antes y después Lampara C ... 35
Tabla 4.4: Estadístico descriptivo para Tiempos de autonomía antes y después de los tres tipos de lámparas ... 36
Tabla 4.5: Calculo de t de Student ... 41
RESUMEN
DESARROLLO DE UN CIRCUITO CON MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS PARA INCREMENTAR LOS DÍAS DE AUTONOMÍA DE LAS BATERÍAS DE LOS
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DOMÉSTICOS DEL PROGRAMA DE
ELECTRIFICACIÓN RURAL MASIVA DEL MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS, 2021
La presente investigación presenta la metodología y los pasos para el desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos para incrementar los días de autonomía de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas, para lo cual se utiliza a un tipo de investigación analítica con un nivel de investigación aplicada, utilizando una metodología deductiva, para obtener los resultados del análisis se construyó un circuito electrónico especial de modulación de anchos de pulsos , es decir se realizó un prototipo donde se pudo medir el tiempo de duración de la descarga de la batería para lo cual se empleó un diseño de investigación experimental. La población y muestra fueron los datos de tiempo de autonomía de la batería, se empleó la técnica de observación experimental para la recolección de la información en el cual se emplearon 3 tipos de luminarias en combinación con los moduladores de ancho de pulso. Como resultado se obtuvo que el modulador de ancho de pulso puede incrementar el tiempo de autonomía de las baterías en un 30%.
Autor: YORDAN JESUS HUINCHO SEDANO
Palabras claves: días de autonomía, modulación de ancho de pulsos, sistemas fotovoltaicos.
ABSTRACT
DEVELOPMENT OF A CIRCUIT WITH PULSE WIDTH MODULATION TO INCREASE THE DAYS OF AUTONOMY OF THE BATTERIES OF THE DOMESTIC PHOTOVOLTAIC SYSTEMS OF THE MASSIVE RURAL ELECTRIFICATION PROGRAM OF THE MINISTRY OF ENERGY AND MINES, 2021
This research presents the methodology and steps for the development of a pulse width modulation circuit to increase the days of autonomy of the batteries of the domestic Photovoltaic Systems of the Massive Rural Electrification program of the Ministry of Energy and Mines, for which which is used even type of analytical research with a level of applied research, using a deductive methodology, to obtain the results of the analysis a special electronic pulse width modulation circuit was built, that is, a prototype was made where it was possible to measure the battery discharge duration time for which an experimental research design was used. The population and sample were the battery autonomy time data, the experimental observation technique was used to collect the information in which 3 types of luminaires were used in combination with the pulse width modulators. As a result, it was obtained that the pulse width modulator can increase the autonomy time of the batteries by 30%.
Author: YORDAN JESUS HUINCHO SEDANO
Keywords: days of autonomy, pulse width modulation, photovoltaic systems.
INTRODUCCIÓN
El Ministerio de Energía y Minas con el objetivo de llevar energía a las poblaciones alejadas de las provincias del Perú crea el “Programa de electrificación rural masiva” el cual consiste en instalar más de medio millón de paneles solares fotovoltaicas, estos sistemas por lo general esta compuestos de paneles fotovoltaicos de 80 Watts, baterías y reguladores; los cuales tienen problemas de autonomía porque el Perú cuenta con diferentes climas es decir la carga de las baterías dura menos tiempo porque las nubes impide que la radiación llegue de forma directa a las celdas fotovoltaicas; el dispositivo que podría solucionar el problema es el regulador de carga pero algunas marcas no cuentan con la tecnología necesaria para realizar ese trabajo; motivo por el cual se realizó la presente tesis que consiste en diseñar y construir un regulador de carga sencillo de bajo consto que pueda mantener una carga a las baterías de ciclo profundo de los sistemas fotovoltaicos.
En la tesis se presenta todo el estudio y experimentación realizado del circuito de regulador de batería que este compuesto por un modulador de ancho de pulso; para comprobar la funcionabilidad se comparó el tiempo de autonomía de las baterías con tres tipos de luminarias. Como resultado se obtuvo que nuestro circuito puede incrementar la autonomía de las baterías en un 30% más.
La presente investigación está compuesto por cuatro capítulos de en el cual se explica cómo se planteó el problema, la revisión de los antecedentes, la metodología de investigación utilizada y el análisis de los resultados obtenidos, así mismo se presenta los anexos para evidenciar los resultados.
Capítulo 1:
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El ministerio de Energía y Minas mediante el programa de Electrificación rural masiva tiene por objetivo la instalación de medio millón de sistemas fotovoltaicos a nivel nacional hasta el año 2025, el sistema fotovoltaico a instalar serán de tres tipos diferenciados según la potencia de panel solar (tipo I - 120 Wp, tipo II – 600 Wp, tipo III -1200 Wp) así mismo contaran con batería, controlador de carga, lámpara LED CC, Cables y montaje de la estructura. Como se indica el tipo I tiene una potencia muy baja los cuales se almacenaran en una batería de 100 Ah es decir tienen en promedio un día de autonomía el cual no es útil para el desarrollo de las actividades de los pobladores. Además los Sistemas Fotovoltaicos aislados se encuentran sometidos a variaciones de carga y de generación de energía los cuales pueden ocasionar muchos problemas a las baterías.
Para dar solución a la problemática planteada y obtener más días de autonomía de las baterías se propone desarrollar un circuito electrónico nuevo de modulación por ancho de pulsos, para lo cual se tomará como referencia la tesis denominada “Regulador de Panel Solar - Batería - Carga con Micricontrolador PIC” (Paul, 2003). En el cual el autor implementa un regulador flexible que sirve para medición y monitoreo de las variables que
fotovoltaico, así mismo se utilizará la investigación denominada “Desarrollo de un regulador de carga para sistemas fotovoltaicos aplicando instrumentación virtual” (Sebastián & Mora, 2009). El autor presenta el desarrollo un regulador virtual de carga para sistemas fotovoltaicos autónomos, el cual incluye adquisición y control de datos, medición en tiempo real del voltaje de las baterías, y registro de eventos.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1 Problema general
¿Cómo el desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos incrementará los días de autonomía de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación rural masiva del Ministerio de Energía y Minas?
1.2.2 Problemas específicos
¿Cómo el desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos reducirá las profundidades de descarga diarias de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación rural masiva del Ministerio de Energía y Minas?
¿Cómo el desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos aumentará la aceptación de carga de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas?.
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un circuito con modulación por ancho de pulsos para incrementar los días de autonomía de las baterías de los Sistemas
Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
1.3.2 Objetivos específicos
Desarrollar un circuito con modulación por ancho de pulsos para reducir las profundidades de descarga diarias de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación rural masiva del Ministerio de Energía y Minas.
Desarrollar un circuito con modulación por ancho de pulsos para aumentar la aceptación de carga de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
1.4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA 1.4.1 Justificación Teórica
La investigación a desarrollar utilizará teorías referentes a electrónica industrial para generar nuevos conocimientos referentes a reguladores de carga para baterías de sistemas fotovoltaicos aislados.
1.4.2 Justificación metodológica
La investigación empleará el método experimental porque el investigador realizará un prototipo para la observación, manipulación y registro de las variables de estudio.
1.4.3 Justificación Social
Con el estudio se obtendrá mayor días de autonomía de las baterías de los sistemas fotovoltaicos los cuales servirán para que los pobladores de las viviendas puedan utilizar mayor horas de iluminación el cual permitirá
mejorar las actividades en las noches y en consecuencia el desarrollo de los pobladores.
Capítulo 2:
BASES TEÓRICAS 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Habiendo revisado la investigación denominada “Desarrollo de un sistema de control que hace el seguimiento del máximo punto de potencia en paneles solares aplicado a sistemas de generación fotovoltaica para entornos rurales” (Peña La Torre & Nevado Talledo, 2019). La investigación propone un sistema para incrementar la eficiencia de aplicaciones solares en la electrificación rural. El sistema se basa en la idea fundamental del punto de máxima potencia de sistema solares. El estudio se basa en la construcción de controles con conversores DC-DC y con microcontroladores. Los resultados concluyen que el control difuso propuesto mantiene de forma estable la producción de energía eléctrica y mejora en promedio 5% la producción del panel fotovoltaico.
En la tesis denominada “Regulador de Panel Solar - Batería - Carga con Micricontrolador PIC” (Paul, 2003). La investigación realizó la implementación de un regulador que almacena la información de parámetros eléctricos, el objetivo es conocer el estado de las baterías en tiempo real. El sistemas utiliza tecnología actualizada así mismo emplea el PIC 16C711.
Como resultado el investigador muestra un nuevo regulador que almacena información para optimizar al sistema fotovoltaico.
En la investigación “Desarrollo de un regulador de carga para sistemas fotovoltaicos aplicando instrumentación virtual” (Sebastián & Mora, 2009). El autor realizó un regulador virtual para uso en sistemas fotovoltaicos autónomos el cual cuenta con registro de información del voltaje en las baterías y eventos del sistema toda la información se puede exportar en archivos Excel. En los resultados obtenido se observa que el sistema opera de forma correcta y con mayores ventajas respecto a los reguladores convencionales.
Habiendo revisado la investigación denominada “Diseño de un circuito cargador de baterías para panel solar con seguimiento del punto óptimo de carga”(Ugena Ortiz, 2014). La tesis trata sobre un cargador de baterías con sistemas de paneles solares para lo cual emplean convertidores DC/DC la idea principal es conectar paneles solares de diferente dimensión en potencia, el objetivo es mantener el punto de carga óptimo.
El equipo posee un transistor MOS de alta potencia y microprocesador para mejorar la eficiencia de la carga. Al igual que todos los reguladores posee un indicador de carga y descarga los resultados de la investigación permitió obtener una carga de batería de 24 V con punto máximo de trabajo y mejora de eficiencia del equipo.
La investigación denominada “Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos autónomos” (Alonso, 2011). El estudio propone el dimensionamiento de instalaciones fotovoltaicas en tres apartados dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos con baterías, de bombeo de agua con energía solar fotovoltaica y fotovoltaicos conectados a la red eléctrica. El sistema consta de una metodología específica para los tres distintos sistemas.
Habiendo revisado la guía denominada “Guía de instalación de sistemas fotovoltaicos domésticos (SFD)” (Gu & Dom, 2007). El estudio trata sobre el procedimiento de dimensionamiento, instalación y pruebas de sistemas fotovoltaicos domésticos. Así mismo trata sobre las conexiones eléctricas ; la guía es realizado por electricistas especialistas es SFD.
2.2 BASES TEÓRICAS
2.2.1 REGULADOR O CONTROLADOR DE CARGA 2.2.1.1 Definición
El regulador es un convertidor de potencia que permite gestionar la energía producida por los módulos FV. Cuyo objetivo es lograr que las baterías no se malogren. Es importante conocer la ubicación entre el panel y las baterías.
2.2.1.2 Función
Su función es evitar situaciones de sobrecarga y sobredescarga de la batería, lo cual favorece asimismo la prolongación de su vida útil, por medio del uso de reguladores se puede: bloquear la corriente inversa; asegurar la carga optimas de la batería y prevenir la sobrecarga de la batería.
2.2.1.3 Zonas de trabajo
Las zonas de trabajo son durante la carga y la descarga de la batería , evitando el desgaste y envejecimiento de las baterías.
Figura 2.1:Esquemas de Sistema FV con Regulador de Carga de Baterías
Fuente:(“REGULADORES INVERSORES Y BATERIAS,” 2019)
2.2.2 Tipos de reguladores
Existen diferentes tipos de reguladores, podemos clasificarlos por ejemplo de acuerdo a la tecnología del interruptor, gestión de la energía o la posición del interruptor.
Tabla N° 2.1: Clasificación por el tipo de regulador.
Clasificación Tipo de regulador Según tecnología del
interruptor.
Relé electromecánico.
Estado sólido.
Según gestión de la energía. PWM (pulse width modulation: modulación ancho de pulsos).
MPPT (Maximum Power Point Tracking: seguimiento del punto de máxima potencia).
Según posición del interruptor. Serie.
Paralelo
Tabla N° 2.2: Clasificación según la gestión de la energía.
PWM MPPT
Trabajan similar a la tensión de las baterías.
Trabajan en el punto de máxima potencia de los paneles.
2.2.2.1 Regulador PWM
Los reguladores PWM son reguladores que funcionan como interruptores entre las placas fotovoltaicas y la batería. Estos reguladores fuerzan a los módulos fotovoltaicos a trabajar en el rango de tensión de la batería. El regulador PWM hace uso del voltaje que necesita la batería o el conjunto de baterías para su carga o descarga.
Si el módulo fotovoltaico genera en un determinado momento 16V y la tensión de la batería es de 12V, para su carga el regulador proporcionara el voltaje de la batería y la diferencia no serían aprovechados.
2.2.2.2 Regulador solar MPPT
EL regulador solar MPPT nos permite separar la tensión de funcionamiento del grupo de módulos solares fv respecto de la tensión de la batería. Permitiendo situar la tensión de las placas solares en el punto óptimo para la obtención de la máxima potencia en cada momento. De ahí el nombre de “maximizador”. Un regulador solar MPPT es un convertidor electrónico de corriente continua (CC) a corriente continua (CC) que optimiza el flujo eléctrico entre el panel fotovoltaico y la batería. Convierten una salida de corriente continua (CC) de mayor voltaje del panel solar a la tensión necesaria para cargar la batería. El seguimiento electrónico del punto de máxima potencia de energía es la mejor opción El regulador solar mide la salida de voltaje del panel o paneles fotovoltaicos y la compara con el voltaje medido en la batería. Luego se analiza de cuál es la mejor potencia que el panel puede suministrar para cargar la batería. Con esta información,
“convierte a la mejor la tensión de los paneles para obtener el máximo amperaje en la batería, gran parte de los reguladores solares MPPT tienen una eficiencia del 93-97% en la conversión. Por lo general, se obtiene una ganancia de potencia de 20 a 45% en invierno y 10-15%
en verano”. Se puede indicar que “la ganancia real podría variar ampliamente según el estado de carga de la batería, el clima, la temperatura y otros factores”.
Figura 2.2:Diferencia entre PWM y MPPT.
Fuente:(Reguladores inversores y baterias, 2019)
2.2.2.3 Parámetros importantes para los reguladores
Tipo de regulador (PWM o MPPT).
Intensidad de corriente CC de Entrada y Tensión.
Rango de tensión de MPPT
Tensión e Intensidad de corriente CC de salida a la batería. Deberá calcularse cuál es la máxima corriente que soportará el regulador tanto a la entrada como a la salida.
2.2.3 REGULADOR SOLAR PWM 2.2.3.1 Definición
Es una tecnología con buenos resultados el cual es el más usada en los SFD para la regulación de carga en las baterías, también llamadas PWM por el inglés “Pulse-Width Modulación”.
Son más comerciales que sus variantes y están en diferentes amperajes. Los modelos son estudiados y actualmente puede almacenar datos para toma de decisiones.
Figura 2.3:Regulador solar PWM.
Fuente: (AMAZON.fr, 2018) 2.2.3.2 Funcionamiento
Permite una carga y descarga recomendada en las baterías de ciclo profundo. Este equipo permite que la tensión se encuentre en un nivel adecuado proveniente de los paneles solares y protege a las baterías de sobrecargas.
Es decir el regulador reduce la corriente eléctrica de los paneles solares de acuerdo a la carga de la batería y el PWM genera pulsos para regular el flujo de energía. Todo lo mencionado realiza mediante la modulación del ancho del pulso y la frecuencia.
Es decir “para cuando la batería esté a poco de quedar descargada, los pulsos son largos y continuos, y para cuando la batería está cargada, los pulsos se van acortando o se filtran, este modo de carga denominado de tipo goteo o acabado es utilizado para sistemas que podrían pasar días con exceso de energía en los períodos en los que se consume muy poca energía solar”.
Figura 2.4: PWM largo cuando está descargada.
Fuente: (generatuluz, 2018)
Figura 2.5: PWM mediano a media carga Fuente: (generatuluz, 2018)
Figura 2.6: PWM corto cuando está cerca del 100 % Fuente: (generatuluz, 2018)
2.2.3.3 Ventajas del uso de un regulador solar PWM Los beneficios son:
Aumenta la eficiencia de carga.
Recarga rápida.
Incrementará la vida útil de la batería.
Reducción de calentamiento y gases en la batería
Aumento de aceptación de carga.
Ecualización de la celda de la batería.
Recuperar la capacidad perdida a lo largo del tiempo,
Autorregulación con caída de temperatura o voltaje 2.2.3.4 Esquema de instalación con regulador PWM
Figura 2.7:Se ubica entre el panel solar y la batería.
Fuente: (generatuluz, 2018)
Los fabricantes estandarizan las ubicaciones de los conexionados mediante indicaciones con orificios uno para el polo positivo y otro para el polo negativo para los paneles solares, la batería y la carga respectivamente.
Figura 2.8:Regleta de con seis orificios para conectar los cables.
Fuente: (generatuluz, 2018)
Siempre se tiene que respetar las polaridades de los paneles fotovoltaicos, la batería y la carga. No conectar el panel solar al regulador sin batería; el regulador podría ser dañado. Desconectando el regulador en un orden determinado primero los paneles solares y por último la batería.
2.2.4 Dimensionamiento de las baterías
Este cálculo es muy teórico, ya que no hay días de oscuridad total y los paneles solares siempre cargan "algo", La situación más común es la de
que la instalación solar no es capaz de suministrar toda la energía que se necesita para cubrir las necesidades energéticas de la casa; como consecuencia de ello, las baterías se van descargando día tras día, de manera que cada día nublado que pasamos tenemos menos carga de la batería, con lo cual, el valor primero que dijimos de "días de autonomía" se ha desfigurado debido a que hemos descargado la batería poco a poco durante varios días.
El punto más importante que hay que tener en cuenta a la hora de calcular los días de autonomía de las baterías es el consumo que se tiene en la casa o vivienda respecto a lo que somos capaces de almacenar en las baterías.
Cuando se habla de 3 días de autonomía, es importante saber que en las baterías hay 3 veces más energía que la que consume la casa o vivienda en un día. Con ello, quiero decir que los 3 días de autonomía pueden gastarse en uno con un consumo 3 veces superior al habitual o podemos tener 6 días de autonomía gastando la mitad.
Simplemente hay que tener en cuenta que los días de autonomía es un dato teórico que sirve para tener una aproximación de cuán grandes son las baterías que van incluidas en el kit respecto al consumo que se ha calculado sobre esa instalación.
Uno de los principales factores que determinan el dimensionado son los días de autonomía que nuestra instalación es capaz de suministrar esa energía diaria sin problemas en las circunstancias concretas que la producción de los paneles sea nula (días muy nublados, con lluvia etc…)
Pero el factor que más cabe destacar y que afecta directamente a la vida útil de las baterías solares, es que si disponemos de 4 días autonomía, cada día únicamente consumiremos un 20-25% de la capacidad de la misma. Por la tanto de esta forma se favorece que las profundidades de descarga diarias sean del orden del 20%-25%, y como podemos comprobar en la gráfica, cuanto menor es la profundidad de descarga mayor número de ciclos dispondremos de dichas baterías.
Si nuestra instalación no cuenta con 3-4 días de autonomía, la profundidad de descarga diaria que le realizaremos a nuestra batería será entre el 50%
y el 100% de la capacidad de la batería, y esto reduce a más de la mitad la vida útil de la misma.
¿Cómo calculamos la capacidad de baterías que necesita nuestra instalación? El primer paso es realizar un listado de aparatos con su respectiva potencia y horas de uso.
Una vez tengamos esa lista, sumaremos el consumo de cada aparato dándonos un consumo de Wh/día
En segundo lugar, multiplicaremos el consumo de nuestra vivienda por los días de autonomía de 2,3,4 días etc…
Figura 2.9:Número de ciclos vs. DOD.
Fuente: (AutoSolar, 2019) 2.2.5 Definiciones conceptuales
VI: Desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos Es un circuito que modula los achos de pulso de la tensión y corriente Las dimensiones son: Ancho de pulso, Periodo y Media de Voltaje.
VD: Días de autonomía de las baterías
Es el tiempo que permanece la batería sin cargar. Las dimensiones son: Número de días o tiempo en minutos
2.2.6 Definiciones operacionales
VI: Desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos
Elaboración de un circuito de modulación de ancho de pulsos para la variación de señales de la tensión y corriente dentro del circuito.
VD: Días de autonomía de las baterías
Variable que expresa variación del tiempo de carga de la batería.
Tabla 2.1: Variable dependiente Variable
dependiente
Indicador Valor final Tipo de variable
Días de autonomía de las baterías
Número de días horas Numérica
continua
Tabla 2.2: Variable independiente
2.3 SISTEMA DE HIPÓTESIS 2.3.1 Hipótesis General:
El desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos incrementará los días de autonomía de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
2.3.2 Hipótesis específica
El desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos reducirá las profundidades de descarga diarias de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas
El desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos aumentará la aceptación de carga de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos
Variable independiente
Indicadores Valor final Tipo de variable
Desarrollo de un
circuito con modulación por ancho de pulsos
Ancho de pulso Tiempo (segundos)
Numérica continua
Periodo Tiempo
(segundos)
Numérica continua Media de
Voltaje
Voltios Numérica continua
domésticos del Programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
Capítulo 3:
ASPECTOS METODOLÓGICOS 3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN
3.1.1 Tipo de Investigación:
Según el número de variables de interés se empleó el tipo de investigación analítica porque se utilizó la estadística para el análisis de resultados y pruebas de hipótesis. Es decir, se empleó el tipo se investigación analítica porque se realizó la desmembración de un todo, descomponiéndolo en sus partes o elementos para observar las causas, la naturaleza y los efectos. (José supo, 2012)
3.1.2 Nivel de Investigación
El nivel de investigación que se empleó según el propósito fue el aplicada porque buscó la aplicación o utilización de los conocimientos que se tiene referente a circuitos electrónicos con modulación de achos de pulso aplicado en reguladores de carga de baterías de sistemas fotovoltaicos. Es preciso indicar que la investigación aplicada se encuentra estrechamente vinculada con la investigación básica, pues depende de los resultados y avances de teorías que ya se conocen; esto queda aclarado si nos percatamos de que toda investigación aplicada requiere de un marco teórico.
Sin embargo, en una investigación empírica, lo que le interesa al investigador, primordialmente, son las consecuencias prácticas. ( Supo, 2014)
3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 3.2.1 Método
Se utilizó el método de investigación deductiva porque se buscó respuestas válidas a preguntas significativas, así como realizar predicciones. Las explicaciones científicas deben cumplir dos requisitos sistemáticos: el de relevancia y el de contrastabilidad. (Pereda, 2015)
3.2.2 Diseño
Se empleó el diseño de investigación experimental porque se estableció un grupo experimental y grupo control es decir se realizó pruebas antes y después de un tratamiento para lo cual se realizó el análisis de la variancia de los datos.
3.3 Población y muestra
La población y muestra está constituido por los datos obtenidos por el módulo y simulación del regulador de carga.
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Se empleó la técnica de observación experimental porque se obtuvo datos en condiciones relativamente controladas por el investigador, particularmente porque se manipuló las variables y como instrumento se utilizó la hoja o ficha de registro de datos. (Tamayo , 2028)
3.5 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS
Para el procesamiento de los datos se siguió los siguientes pasos:
Recolección de los datos.
Procesamiento de la información.
Presentación de los resultados.
Se realizó un análisis estadístico y un análisis de contenido descriptivo.
.
Capítulo 4:
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
4.1 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
4.1.1. Desarrollo de un circuito con modulación de ancho de pulso.
A continuación, se explicará cómo es el funcionamiento del circuito diseñado de modulación de ancho de pulsos para garantizar mayor tiempo de autonomía de las baterías.
Para conseguir la potencia con el mejor rendimiento posible se realizó experimentos con diferentes componentes de circuitos electrónicos y la solución más optima consistió en utilizar reguladores de modulación de anchura de impulsos.
Como la potencia suministrada a la lámpara se debe mantener constante, es preciso que la regulación provoque un aumento de la anchura de los impulsos cuando se produzca una disminución de la tensión de alimentación.
Es relativamente fácil de imaginar una regulación de tal anchura tal que esta inversamente proporcional a la tensión de alimentación V𝑏.
La potencia disipada por la lámpara se expresa por la fórmula P = 𝑉𝑏2/𝑅, en donde V𝑏 es la tensión de la batería y R representa la resistencia de la
lámpara. La idea consiste en compensar las variaciones de 𝑉𝑏2 mediante la regulación de la anchura de impulsos.
La solución al problema radica en emplear reguladores de achura de impulso que trabajen a frecuencia distintas. Como se muestra en la figura 4.1 ambos reguladores tienen una tensión de referencia aplicada la cual determina para cada uno la anchura patrón de los impulsos que suministra. Dicha anchura depende también de la tensión de alimentación V𝑏.
Una disminución de esta última trae consigo un aumento de la anchura de pulsos.
Las salidas de los reguladores son multiplicadas por medio de un puerto AND (Y), de manera que a su salida se tenga una señal con la anchura proporcional a 1/𝑉𝑏2 la lámpara es conmutada por esta señal con la ayuda de una etapa de potencia.
Teniendo en cuenta que:
V𝑏: Tensión de la batería.
V𝑒: Valor eficaz de la tensión pulsadora.
𝐷 = 𝑡1
𝑡2 : Factor de servicio de ambos moduladores P: Potencia de la lámpara.
R: resistencia de la lámpara.
Cada modulador tiene: V𝑒 = V𝑏 . √ 𝐷 En la salida de la puerta AND
V = V𝑏√ 𝐷 √ 𝐷 = V𝑏. 𝐷 Y la potencia cedida a la lámpara será:
P =𝑉𝑏2
𝑅 =𝑉𝑏2. 𝐷2 𝑅
Como V𝑏 y D eran inversamente proporcional y están afectados por igual exponente P será constante
Figura 4.1: Esquema de circuito PWM Fuente: Elaboración propia
4.1.2. Experimentación de tiempos de autonomía de las baterías.
Para la experimentación se emplearon 2 baterías marca OPALUX de 12 voltios 7 Ah, 3 lámparas de 12 voltios de diferente tipo, cronometro,
Figura 4.2: A Lámpara; B Batería y C Cronómetro Fuente: Elaboración propia
A continuación, se muestra los tiempos medidos en minutos referentes antes y después de la experimentación el cual se denominó de la siguiente forma:
TAa: Tiempo de Autonomía antes de la experimentación.
TAd: Tiempo de Autonomía después de la experimentación.
Para realizar la experimentación se comprobaron la efectividad del circuito PWM con tres tipos de lámparas las cuales son:
A: P22d 12V 35/35 LUCAS,Lamp voor koplamp van Engelse Oldtimers.
B: P22s 12V 45W LUCAS,Lamp voor koplamp van Engelse Oldtimers.
C: P22d 12V 45/40 LUCAS,Lamp voor koplamp van Engelse Oldtimers.
A continuación, se muestra la comparación de tiempos de autonomía sin el modulador de ancho de pulsos y con el modulador de ancho de pulsos para las tres lámparas.
Tabla 4.1: Tiempos de autonomía antes y después Lampara A Tipo de
lámpara ITEM Minutos TAAA
Minutos TADA
A
1 298 822
2 294 819
3 299 817
4 293 820
5 291 811
6 288 821
7 287 816
8 279 804
9 278 806
10 276 804
11 264 800
12 261 796
13 264 791
14 258 779
Fuente: Elaboración propia, 2021
Tabla 4.2: Tiempos de autonomía antes y después Lampara B Tipo de
lámpara ITEM Minutos TAAB
Minutos TADB
B
1 246 772
2 240 764
3 233 759
4 234 746
5 235 739
6 237 728
7 238 710
8 232 703
9 234 692
10 233 697
11 232 676
12 232 665
13 233 647
14 234 627
15 230 619
16 233 616
Fuente: Elaboración propia, 2021
Tabla 4.3: Tiempos de autonomía antes y después Lampara C
Tipo de
lámpara ITEM Minutos TAAC
Minutos TADC
C
1 231 604
2 232 586
3 233 579
4 233 575
5 230 583
6 231 580
7 229 572
8 230 580
9 232 571
10 232 562
11 229 552
12 230 565
13 232 570
14 231 569
15 230 572
Fuente: Elaboración propia, 2021
4.1.3. Análisis estadístico de los resultados
En la siguiente tabla se muestra el resumen del análisis estadístico.
Tabla 4.4: Estadístico descriptivo para Tiempos de autonomía antes y después de los tres tipos de lámparas
Estadísticos descriptivos
N Rango Mínimo Máximo Suma Media Desv.
Desviación Varianza Estadístico Desv. Error Estadístico Estadístico Minutos_TAAA 14 41.00 258.00 299.00 3930.00 280.7143 3.81931 14.29055 204.220 Minutos_TADA 14 43.00 779.00 822.00 11306.00 807.5714 3.44137 12.87642 165.802 Minutos_TAAB 16 16.00 230.00 246.00 3756.00 234.7500 0.97681 3.90726 15.267 Minutos_TADB 16 156.00 616.00 772.00 11160.00 697.5000 13.04160 52.16640 2721.333 Minutos_TAAC 15 4.00 229.00 233.00 3465.00 231.0000 0.33806 1.30931 1.714
Minutos_TADC 15 52.00 552.00 604.00 8620.00 574.6667 3.07318 11.90238 141.667
Fuente: Elaboración propia, 2021
en el siguiente grafico de cajas se muestra la comparación de tiempos de autonomía.
Figura 4.3: Diagrama de cajas tipo lampara A Fuente: Elaboración propia
Figura 4.4: Diagrama de cajas tipo lampara B Fuente: Elaboración propia
Figura 4.5: Diagrama de cajas tipo lampara C Fuente: Elaboración propia
En la siguiente figura se muestra la comparación de horas de autonomía en mediante el grafico de barras donde se observa que en todos los casos el tiempo utilizando el modulador de ancho de pulso es mayor.
Figura 4.6: Análisis de barras agrupadas para los tres tipos de lámparas Fuente: Elaboración propia
En la figura siguiente se muestra la experimentación en tres lámparas diferentes.
Se observa curvas que dan la relación entre el rendimiento del circuito y la tensión de la alimentación V𝑏 para 3 tipos de lámparas.
De las curvas se puede observar que un aumento de la corriente permite conseguir un mejor rendimiento.
Figura 4.7: Análisis del rendimiento del circuito con respecto a la tensión de alimentación
Fuente: Elaboración propia
4.2 PRUEBA DE HIPÓTESIS
Se platearon las siguientes hipótesis durante la investigación.
H0: El desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos no incrementará los días de autonomía de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
H1: El desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos incrementará los días de autonomía de las baterías de los Sistemas Fotovoltaicos
0 2 4 6 8 10 12 14
80 82 84 86 88 90 92 94 96
TENSIÓN DE ALIMENTACION Vb
RENDIMIENTO DEL CIRCUITO
RENDIMIENTO DE LAS LAMPARAS
LAMPARA A LAMPARA B LAMPARA C
domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
Para validar la hipótesis se utilizó Prueba T de Student para muestras relacionadas el cual se utiliza para comparar las medias de un mismo grupo en diferentes etapas es decir se utiliza para las comparaciones de los resultados de una prueba antes y después para un grupo determinado. En la siguiente tabla se muestra el valor de la t de Student calculado con el software Spss 20 para las tres lámparas conectadas al modulador de ancho de pulsos.
Tabla 4.5: Calculo de t de Student
Diferencias emparejadas T calcul gl
Sig.
(bilateral)
Media Desv.
Desv. Error promedio
95% de intervalo de confianza de la diferencia
Inferior Superior Par
1
Minutos_TAAA -
Minutos_TADA
-526.85714 5.33288 1.42527 -529.93625 -523.77803 -369.654 13 0.000
Par 1
Minutos_TAAB -
Minutos_TADB
-462.75000 49.75473 12.43868 -489.26243 -436.23757 -37.202 15 0.000
Par 1
Minutos_TAAC -
Minutos_TADC
-343.66667 11.67823 3.01530 -350.13385 -337.19948 -113.974 14 0.000
Fuente: Elaboración propia
Para validar la hipótesis se realizó las comparaciones con la tabla t Student en el cual para el trabajo del modulador con ancho de pulso se obtuvo los siguientes valores de t calculado.
Lampara A: gl = 13; t = 1.7709 Lampara B: gl = 15; t = 1.7613 Lampara C: gl = 14; t = 1.7531
En todos los casos se puede observar que el valor t calculado de la tabla 4.5 es menor que t de tabla el cual se también se observa y se confirma con la figura 4.8.
Figura 4.8: Análisis de t Student Fuente: Elaboración propia
Observando el análisis se concluye que el desarrollo de un circuito con modulación por ancho de pulsos incrementará los días de autonomía de las
baterías de los Sistemas Fotovoltaicos domésticos del programa de Electrificación Rural Masiva del Ministerio de Energía y Minas.
CONCLUSIONES
Con el circuito elaborado se puede incrementar el tiempo de autonomía de las baterías aproximadamente en un 30%.
Se puedo observar que un aumento de corriente permite conseguir un mejor rendimiento del circuito.
La variación del tiempo de autonomía va a depender de la carga a emplear.
La propuesta permitiría que los sistemas fotovoltaicos de baja potencia del Ministerio de Energía y Minas puedan tener más tiempo de autonomía para beneficio de los pobladores de bajo recurso.
El circuito propuesto tiene bajo costo y mayor fiabilidad que otros reguladores de tensión del mercado.
Una solución del circuito propuesto es emplear reguladores de acho de pulso que trabajen a frecuencia distintas manteniendo constate la potencia suministrada.
RECOMENDACIONES
Es recomendable que en próximos estudios se utilice el regulador de carga propuesto (PWM) en sistemas fotovoltaicos reales con mayor potencia.
Se recomienda realizar el análisis del circuito regulador de carga con modulación de ancho de pulso con diferentes cargas.
Se recomienda utilizar el equipo propuesto por ser accesible en costo para la población con menos recursos.
Se recomienda utilizar equipos de protección personal cuando se realiza trabajos de experimentación.
BIBLIOGRAFÍA
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Vázquez, M. P. (2011). Comportamiento Hidráulico de Turbinas Cinéticas de Flujo Axial en Canales a Superficie Libre, como una Alternativa de Generación de Energía Hidroeléctrica en Obras y Estructuras Existentes. Distrito Federal México: Universidad Autónoma de México.
Winkler, P. W. (2012). Evaluación de una Turbina Hidrocinética de Tipo Darrieus para la Localidad de Melinka. Valdivia - Chile: Universidad Austral de Chile.
ANEXOS
1 Desarrollo del circuito del regulador por ancho de pulso
Desarrollo del circuito del regulador por ancho de pulso
7 6
1
312
U1:A
LM339
5 4
2
312 U1:B
LM339
9 8
14
312
U1:C
LM339
11 10
13
312
U1:D
LM339
Q3
BD139
R1
150k
R2
470k
R3
10k
R4
1M
R5
150k
R6
470k
R7
10k
R8
1M
R9
10k
R10
10
R11
10k
R12
10k
R13
330
R14
2.2k
R15
1.8k
R16
100k
R17
100k
R18
22k
R19
47k
R20
10k
R21
150
R22
100
C5 C6 470u
1u
C2
1u
C4
2.2u
1 2 3 4
J1
CONN-SIL4
RV1
500
Q1
BC547BP
Q2
BC547BP
C3
47n
V REF
OSC 1
OSC2
AND
L1
12V
POTENCIA
B1
12V
2 Circuito en físico
PLACAS DE LOS CIRCUITOS EMPLEADOS EN LA INVESTIGACIÓN
3. Panel fotográfico del experimento y toma de datos
PANEL FOTOGRÁFICO DE LA ENCUESTA REALIZADA
Placas de los Circuitos PWM Bateria de ciclo profundo
