Prototipo de laboratorio que permite verificar parámetros ...

Prototipo de laboratorio que permite verificar parámetros técnicos en paneles fotovoltaicos

Angélica María López Jaramillo, [email protected]

Claudia Liliana Montoya Vargas, [email protected]

Trabajo de grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: M,SC. Edgar Antonio Giraldo Orozco, Maestría en Ingeniería con énfasis Electrónica

Universidad de San Buenaventura Cali

Facultad de Ingeniería

Programa de Ingeniería Electrónica

Santiago de Cali, Colombia

2017

2

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1]

C. L. Montoya Vargas, y A. M. López Jaramillo, “Prototipo de

laboratorio que permite verificar parámetros técnicos en paneles

fotovoltaicos”, Trabajo de grado Ingeniería Electrónica,

Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de Ingenierías,

2017.

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3

AGRADECIMIENTOS

Nunca pares, nunca te conformes, hasta que lo bueno sea lo mejor y lo mejor sea

lo excelente.

Agradecemos a nuestras familias que cada día nos brinda su apoyo y nos tienden

una mano en las dificultades que se presentan; agradecemos a cada uno de

nuestros profesores por inspirarnos a cada día ser un mejor profesional, y a

nuestros amigos que nos alegran nuestros días.

4

NOTA DE ACEPTACIÓN

El trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico llamado “PROTOTIPO DE LABORATORIO QUE PERMITE VERIFICAR PARÁMETROS TÉCNICOS EN PANELES FOTOVOLTAICOS” realizado por las estudiantes Angélica María López Jaramillo y Claudia Liliana Montoya Vargas, cumple con los requisitos para optar al título de Ingeniero Electrónico.

Firma del jurado

Firma del jurado

5

CONTENIDO

1 CAPÍTULO .................................................................................................. 16

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .............................................................. 16

1.1.1 Formulación del problema. .......................................................................... 17

JUSTIFICACIÓN ......................................................................................... 17

OBJETIVOS ................................................................................................ 18

1.3.1 Objetivo general. ......................................................................................... 18

1.3.2 Objetivos específicos. .................................................................................. 18

2 CAPÍTULO II ............................................................................................... 19

MARCO REFERENCIAL ............................................................................. 19

2.1.1 Marco histórico. ........................................................................................... 19

2.1.2 Marco teórico. .............................................................................................. 20

2.1.2.6 Software de desarrollo para el procesamiento e ilustración de los datos adquiridos .............................................................................................................. 29

ESTADO DEL ARTE. .................................................................................. 38

3 CAPITULO III .............................................................................................. 44

6

DIAGRAMA DE BLOQUES DE LAS PRUEBA DE EFICIENCIA Y POTENCIA EN LOS PANELES SOLARES .............................................................................. 44

SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS. .............................................................. 45

3.2.1 Selección de dispositivo de adquisición de datos. ....................................... 45

3.2.2 Selección de sensor para temperatura. ....................................................... 45

3.2.3 Selección del dispositivo para medir la radiación solar. .............................. 46

3.2.4 Selección del simulador solar ...................................................................... 47

3.2.5 Selección de la carga. ................................................................................. 47

3.2.6 Selección del sensor de corriente. .............................................................. 52

4 CAPITULO IV .............................................................................................. 55

DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL HARDWARE DEL PROTOTIPO ...... 55

BANCO DE RESISTENCIAS. ..................................................................... 55

CIRCUITO DE CONTROL DE RELES. ....................................................... 57

ACONDICIONADOR DE VOLTAJE. ........................................................... 58

SENSOR DE TEMPERATURA. .................................................................. 58

SENSOR DE CORRIENTE ......................................................................... 59

CONEXIONES AL ARDUINO ..................................................................... 60

7

5 CAPITULO V ............................................................................................... 62

SELECCIÓN DE SOFTWARE DE DESARROLLO PARA EL PROCESAMIENTO E ILUSTRACIÓN DE DATOS ADQUIRIDOS. ....................... 62

IMPLEMENTACION DEL SOFTWARE. ...................................................... 62

5.2.1 Comunicación Arduino-LabView. ................................................................ 62

5.2.2 Programación de la adquisición y manejo de datos. ................................... 65

6 CAPITULO VI .............................................................................................. 69

RESULTADOS DEL HARDWARE PARA EL PROTOTIPO FINAL ............. 69

PRUEBAS DEL SISTEMA COMPLETO. .................................................... 70

6.2.1 Prueba preliminar curva I/V. ........................................................................ 71

6.2.2 Segunda prueba. Medición de la Curva I/V usando cámara de pruebas. ... 78

6.2.3 Tercera prueba curva I/V ............................................................................. 85

Conclusiones de pruebas ............................................................................ 94

7 CONCLUSIONES ....................................................................................... 96

OBSERVACIONES ..................................................................................... 97

8 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 98

8

ANEXO A ............................................................................................................. 107

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Átomo de Silicio. ..................................................................................... 22

Figura 2. Conjunto de curvas I-V para distintos niveles de irradiación. ................. 23

Figura 3. Conjunto de curvas I-V para distintos niveles de temperatura. ............... 23

Figura 4. Interfaz de programación de Flowstone. ................................................. 30

Figura 5. Interfaz para la programación de datos en Flowstone. ........................... 31

Figura 6 Ilustración de los datos adquiridos. .......................................................... 31

Figura 7. Interfaz de programación de LabView. ................................................... 32

Figura 8. Interfaz de los datos adquiridos en LabView.. ........................................ 32

Figura 9. Diagrama de bloques del diseño experimental de las dos pruebas (Potencia y eficiencia) en el panel solar. ................................................................ 44

Figura 10. Ecuación de la recta para realizar el acondicionador. .......................... 50

Figura 11. Comportamiento del sensor ACS714. .................................................. 53

Figura 12. Diagrama de bloques del diseño de Hardware requerido para implementar las pruebas en el panel solar. ........................................................... 55

Figura 13. Conexiones del banco de resistencias. ................................................ 56

Figura 14. Conexiones eléctricas del banco de resistencias ................................. 56

Figura 15. Banco de Relés con conexión a decodificadores 4 a 16, Arduino y Banco de Resistencias. ..................................................................................................... 57

Figura 16. Banco de Relés con conexión a decodificadores 4 a 16, Arduino y Banco de Resistencias. ..................................................................................................... 57

Figura 17. Acondicionador de voltaje del panel para realizar la curva I-V ............. 58

Figura 18. Esquemático acondicionador de voltaje del panel para realizar la curva I-V. ........................................................................................................................... 58

Figura 19. Sensor de temperatura de la superficie del panel solar. ....................... 59

10

Figura 20. Esquemático sensor de temperatura de la superficie del panel Solar .. 59

Figura 21. Sensor de corriente del banco de resistencias. .................................... 60

Figura 22. Esquemático sensor de corriente ......................................................... 60

Figura 23. Instalación de NI-VISA. ......................................................................... 62

Figura 24. JKI VI Package Manager. ..................................................................... 63

Figura 25. Instalación del LIFA .............................................................................. 63

Figura 26. Funciones de Arduino en LabVIEW ...................................................... 64

Figura 27. Instalación de los drives de Windows. .................................................. 64

Figura 28. Búsqueda de software de los drives ..................................................... 64

Figura 29. Ruta de LabView Interface for Arduino ................................................. 65

Figura 30. Sketch para Arduino. ............................................................................ 65

Figura 31. Descripción del bloque de inicialización. .............................................. 65

Figura 32. Lector de señales análogas. ................................................................. 66

Figura 33. Configuración de los pines digitales. .................................................... 66

Figura 34. Incrementa el número de entrada. ........................................................ 66

Figura 35. Señales digitales de salida. .................................................................. 66

Figura 36 Bloque para escribir en los pines digitales. ............................................ 67

Figura 37 bloques de cierre del programa ............................................................. 67

Figura 38 Programación completa del procesamiento de datos. ........................... 67

Figura 39 Interfaz maquina usuario. ...................................................................... 68

Figura 40. Caja de control y adquisición de datos del sistema .............................. 69

Figura 41. Cámara de pruebas. ............................................................................. 70

Figura 42. Medición de la radiación sin encender el simulador solar. .................... 71

11

Figura 43. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados de la radiación del simulador solar. ...................................................................................................... 71

Figura 44. Grafica de datos en Excel ángulo de 0 grados. .................................... 73


Figura 46 Graficas de datos en Excel ángulo de 30 .............................................. 75


Figura 48. Graficas de datos en Excel ángulo de 30 ............................................. 77

Figura 49. Comparación de las pruebas a diferentes ángulos ............................... 77

Figura 50. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados ............................. 79

Figura 51. Grafica de datos en Excel. .................................................................... 80

Figura 52. Respuesta del panel solar ángulo de 30 grados ................................... 80

Figura 53. Gráfico de datos en Excel ..................................................................... 82



Figura 56. Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en la segunda prueba. ............................................................................................................................... 84

Figura 57. Radiación del simulador solar. .............................................................. 85

Figura 58. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados ............................. 85


Figura 60. Radiación del simulador solar ............................................................... 87

Figura 61. Respuesta del panel solar ángulo de 0 grados ..................................... 88

Figura 62. Gráfico de datos en Excel ..................................................................... 89



12





Figura 69. Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en la tercera prueba.93

13

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Prueba de secuencia para estudio entre laboratorios. ............................ 39

Tabla 2. Como medir los parámetros del panel. .................................................... 42

Tabla 3. Comparación de los dispositivos de adquisición de datos ....................... 45

Tabla 4. Comparación de los sensores de temperatura ........................................ 45

Tabla 5. Datos de los pines de la resistencia variable X9C104. ............................ 48

Tabla 6. Comparación de los sensores de corriente .............................................. 52

Tabla 7 Comportamiento del sensor ACS714 ........................................................ 52

Tabla 8.Relación corriente en el panel y voltaje en la resistencia sensora. .......... 54

Tabla 9. Pines utilizados en el Arduino .................................................................. 60

Tabla 10. Especificaciones técnicas del panel solar .............................................. 70

Tabla 11. Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 0 grados ......... 72

Tabla 12. Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 30 grados ....... 74

Tabla 13 Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 60 grados ........ 76

Tabla 14. Informe de resultados según la Norma Técnica Colombiana 4405 ........ 78

Tabla 15. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 0 grados ......... 79

14

Tabla 16. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 30 grados ....... 81

Tabla 17. Resultados de la tercera prueba graficados en Excel. 60 grados .......... 82







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RESUMEN

Un prototipo de laboratorio para módulos fotovoltaico sirve para familiarizar al

practicante con los parámetros del panel solar, el funcionamiento de este y los

posibles errores que pueden tener en la vida útil de los sistemas de paneles solares.

Se podrá apreciar cómo a través de la electrónica se lograr realizar un prototipo

para evaluar los parámetros de los paneles solares, analizar los resultados y

verificar que la hoja técnica entregada por el fabricante está cumpliendo con los

resultados dados en las pruebas, además de analizar el comportamiento en

diferentes ángulos con respecto a la fuente lumínica la cual pondrá en

funcionamiento al panel solar.

Palabras Claves: panel solar, Prototipo de laboratorio, IEC 60721, NTC 4405, NTC 2883, cámara solar, Labview, Arduino.

ABSTRACT

A prototype laboratory for photovoltaic modules serves to familiarize the practitioner with the parameters of the solar panel, its operation and possible errors that may have in the life of solar panel systems. It will be possible to appreciate how the electronics can achieve a prototype to evaluate the parameters of the solar panels, analyze the results and verify that the technical sheet delivered by the manufacturer is complying with the results given in the tests, in addition to analyzing the Behavior at different angles with respect to the light source which will put the solar panel into operation.

Keywords: solar panel, laboratory prototype, IEC 60721, NTC 4405, NTC 2883, solar camera, Labview, Arduino.

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1 CAPÍTULO

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

En la actualidad el empleo de energía eléctrica a partir de carbón y el uso de combustible fósiles son dos de las cosas que más degradan el ambiente y contribuyen al calentamiento global, siendo los países más contaminantes China, Estados unidos y Brasil, con la deforestación masiva y la extracción de petróleo. Estos países no disponen de muchas hidroeléctricas y por esta razón se le da solución a la creación de energías no contaminantes, las energías renovables, siendo la fotovoltaica una de las más apetecidas en los últimos años, y es así como se encuentran extensiones de tierra dedicadas a la implementación de paneles solares. (Hecktheuer, Krenzinger, & Prieb, 2002), (Castillo, 2016) Hoy en día, existe una tendencia global sobre el uso de energía fotovoltaica porque es una energía limpia y su eficiencia ha mejorado, gracias al avance tecnológico en los paneles solares y los dispositivos electrónicos asociados a la conversión en energía eléctrica. En Colombia no se ha difundido mucho el uso de los paneles solares debido a la riqueza hídrica que tiene el país, pero con la aparición de fenómenos climáticos como el niño, donde se ha evidenciado la disminución de las fuentes hídricas. El gobierno ha decidido incentivar el uso de esta fuente de energía, aprovechando que Colombia está en una zona tropical donde la incidencia solar es alta. (Autónoma, 2015) La energía solar fotovoltaica está siendo implementada no solo por empresas grandes sino también por personas del común. Uno de los problemas de la comercialización de los paneles es la confianza que se debe tener en lo que ofrece el fabricante, pero no existen mecanismos directos para verificar que el panel está funcionando de acuerdo con las especificaciones técnicas dadas, esto determina que muchas de las implementaciones que se hacen con este tipo de dispositivos están dispuestas a variaciones. (Nofal & Herrera V., 2009) En Colombia, existen las normas NTC 4405 y 2883 que regulan las pruebas que se pueden realizar a este tipo de dispositivos (Álvarez & Alzate, 2012). En la zona del suroccidente no existe un laboratorio certificado donde se pueda hacer la

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comprobación de los parámetros técnicos de los paneles según lo exigido por las normas NTC 4405 y 28831. La Universidad de San Buenaventura Cali, siendo coherente con su misión Franciscana2, está interesada en ser pionera en la utilización de energía fotovoltaica para suplir sus necesidades energéticas en iluminación. Es así como, la implementación de un laboratorio de mediciones técnicas de paneles fotovoltaicos está en consonancia con sus pretensiones futuras y le permitirá tomar decisión sobre la implementación de dicha energía en el campus universitario. 1.1.1 Formulación del problema. ¿Qué tipo de estudios y adecuaciones técnicas son necesarios para implementar un prototipo de laboratorio, en la Universidad San Buenaventura Cali, que permita la verificación de las características técnicas de paneles solares fotovoltaicos basándose en las normas NTC-4405 y 2883?

JUSTIFICACIÓN

En la entrevista realizada al Ing. Jury Ulianov López Castrillón3 se comprobó que en el sur occidente de Colombia no existe una empresa o una institución universitaria que certifiquen los parámetros técnicos de los paneles fotovoltaicos, pero Colciencias y UPME están incentivando a la realización de laboratorios que se rijan de las Normas Técnicas Colombianas y de International Electrotechnical Commission (López Castrillon, 2015). Esta es una oportunidad para realizar una doble labor: de tipo académico, con la cual se promueva el estudio y la investigación en el tema de energía solar fotovoltaica con estudiantes y docentes; y de tipo social, posicionando la universidad como institución certificadora de parámetros técnicos de los diferentes paneles que se comercializan en el mercado colombiano, constituyendo este proyecto en una oportunidad de negocio. Uno de los países que ha avanzado en Sur américa en el tema de energía solar ha sido Brasil. La Universidad Federal do Rio Grande do Sul implementó un laboratorio

1 Teniendo en cuenta la información suministrada directamente de personas, tanto académicas como

empresarios, que trabajan en este campo y además con la revisión bibliográfica. 2 Considera a Jesucristo como centro del cosmos y de la historia; proclama la fraternidad universal de las

creaturas y la reverencia por la Creación; fomenta la sencillez en el desarrollo de las relaciones entre los miembros de la comunidad universitaria y a través de sus diversas actividades, educa en el amor por la vida, por la justicia, por la paz, por la libertad, por el servicio a los demás y por la protección y preservación del medio ambiente»... (Fray José Wilson Téllez Casas, Casas, Bran, & Hernández, 2010) 3 Doctor en Energías Renovables y Eficiencia Energética y docente de la Universidad Autónoma.

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fotovoltaico para realizar investigaciones y pruebas con diferentes tipos de paneles solares, presentando como resultado que los datos que se estaban ofreciendo por los fabricantes no concordaba con lo entregado en los resultados obtenidos en el laboratorio. Es así como “Se observó que la potencia máxima medida es de aproximadamente 85% de la especificada por el fabricante, no estando incluso entre los límites permitidos por las normas (más o menos 10%)”. (Hecktheuer, Krenzinger, & Prieb, 2002), (LABORATÓRIO DE ENERGIA SOLAR - LABSOL, 2017) Finalmente, este proyecto favorecerá la toma de decisión a la Universidad de San Buenaventura Cali, relacionada con la implementación de energía fotovoltaica para suplir las necesidades de energía eléctrica en los laboratorios del edificio los Naranjos y la implementación de un laboratorio para verificar parámetros técnicos de los paneles fotovoltaicos de diferentes proveedores

OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo general. Implementar un prototipo de laboratorio en la Universidad San Buenaventura Cali, que permita verificar características técnicas de paneles fotovoltaicos basándose en las normas NTC 4405 y 2883. 1.3.2 Objetivos específicos.

Definir las características y parámetros medibles de un panel fotovoltaico a partir de una revisión bibliográfica que incluye las normas técnicas colombianas e internacionales de los sistemas solares fotovoltaicos.

Determinar dos pruebas de acuerdo con criterios técnicos y teóricos exigidos por las NTC 4405 y 2883.

Describir los elementos y equipos necesarios para la implementación de las 2 pruebas seleccionadas en NTC 4405 y 2883

Desarrollar un sistema electrónico que obtenga los parámetros medibles que se necesitan para ejecutar las 2 pruebas seleccionadas en los paneles fotovoltaicos, transmitirlas para lograr el procesamiento y almacenamiento de la información captada de acuerdo con lo exigido por NTC 4405 y 2883

Documentar el trabajo de investigación realizado y presentarlo en un artículo e informe final.

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2 CAPÍTULO II

MARCO REFERENCIAL

2.1.1 Marco histórico. El físico Edmund Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico en 1839 experimentando con una pila electrolítica de dos electrodos sumergibles en una sustancia electrolítica. La pila aumentó su generación de electricidad al ser expuesta a la luz. En el año de 1870 el profesor W. Grylls Adams en compañía de uno de sus estudiantes, R. Evans Day, probaron la incidencia de la luz sobre el selenio y por medio de esto comprobaron que se creaba flujo eléctrico lo que denominaron “Fotoeléctrica”. Tuvieron un primer acercamiento al construir una celda experimental hecha de una oblea de selenio. (Jofra, 2010) Finalmente, Charles Fritts construyó la primera célula solar con una eficiencia del 1%. Se usaron semiconductores como el selenio con una capa delgada de oro. (Sanchez Pacheco, 2010) Las celdas de silicio que se usan hoy en día provienen de la patente del inventor Russel Ohl en 1946, aunque la celda fue construida en 1940. La época actual de la celda de silicio se consigue en 1954 en los Laboratorios Bells, donde al realizar un experimento con materiales semiconductores se descubre la alta sensibilidad a la luz que tienen el silicio con algunas impurezas. Con algunos avances se llegó a desarrollar una célula con un 6 % de eficiencia. (Jofra, 2010) (Sanchez Pacheco, 2010) En Colombia desde los 80`s se implementaron los paneles solares, tuvo mayor impacto en las empresas de telecomunicaciones como TELECOM, actualmente se usan este tipo de sistemas en diferentes aplicaciones (Boyas, bases militares, estaciones remotas y repetidores de microondas). A finales de los 80, los sistemas solares fotovoltaicos tuvieron gran apogeo, pero debido a las dificultades de orden público de la década de los 90, se frenó el desarrollo de su comercialización.

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2.1.2 Marco teórico. Se debe distinguir entre los conceptos de fuente energética y vector energético. Una fuente energética es aquella que se puede utilizar para obtener energía, mientras que un vector energético es aquello que se puede utilizar para transformar la energía de un punto a otro. Existen dos métodos principales para generar electricidad a partir de la energía radiada por el sol, los cuales se clasifican en dos grupos: conversión indirecta pasando a través de la producción de calor y la conversión directa, las cuales son capaces de convertir una fracción de la radiación solar incidente en energía eléctrica en corriente continua. (Banyeres, 2012) La base principal de la realización de la tesis está centrado en dos normas técnicas colombianas, estas nos dan una guía de los pasos que se deben cumplir para hacer las pruebas en los paneles solares de silicio cristalino. A continuación, se presenta un abrebocas de las dos Normas Técnica Colombianas.

2.1.2.1 Norma Técnica Colombiana 2883. Objetivo y campo de aplicación. Indica los requisitos para la calificación del diseño y la aprobación del tipo de módulos fotovoltaicos para la aplicación terrestre y para una utilización de larga duración en climas moderados al aire libre, según se define en la norma IEC 60721-2-1. Se aplica únicamente a módulos de silicio cristalino. El objeto de esta secuencia de ensayos es determinar las características eléctricas y térmicas del módulo y demostrar, en la medida de lo posible con razonables costos económicos y de tiempo, que el módulo es capaz de soportar la exposición prolongada en los climas descritos en el campo de aplicación. La esperanza de vida real de los módulos calificados de este modo dependerá de su diseño, del medio ambiente y de las condiciones en las que opere. Ensayos. Todos los módulos incluyendo el control se deben exponer a la luz solar

(Real o simulada) a un nivel de radiación de 5kWh.𝑚−2 Hasta 5,5 kW h. 𝑚−2 Con el circuito abierto. Los módulos deben dividirse en grupos y ser sometidos a la secuencia de ensayos, llevados a cabo en el orden establecido. Cada casilla se refiere al apartado correspondiente de esta norma. Los procedimientos de ensayo y las severidades incluyendo las medidas iniciales y finales si son necesarias.

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NOTA1. Cuando las medidas finales de un ensayo se utilizan como medidas iniciales para el ensayo siguiente de la secuencia, no es preciso que éstas se repitan. En estos casos, las medidas iniciales se omiten del ensayo. Cuando se efectúan los ensayos, la persona que los realice debe cumplir estrictamente las instrucciones de manipulación, montaje y conexión indicadas por el fabricante. Los ensayos especificados en los numerales 10.4, 10.5, 10.6 y 10.7 pueden ser omitidos cuando se verifique el cumplimiento de la norma IEC 61853 o se programe que sean efectuados sobre este tipo de módulo. (ICONTEC, 2006)

2.1.2.2 Norma Técnica Colombiana 4405. Esta norma presenta una metodología para la evaluación de la eficiencia de los sistemas solares fotovoltaicos, reguladores y acumuladores, la cual cubre desde etapa de paneles o módulos, etapa de regulación y etapa de acumulación. La presente norma nos explica detalladamente la ejecución del ensayo para realizar la evaluación de la eficiencia de los paneles solares o módulos fotovoltaicos (ICONTEC, 1998) Presentadas las normas se mostrara la composición química y fisca de los paneles solares dando una idea del porque estos logran convertir la luz solar en energía eléctrica. 2.1.2.3 Fundamentos físicos de los paneles solares. Los semiconductores son materiales cuya resistividad esta entre 10^-4 y 10^10 W-cm, mientras que la resistividad de los materiales varía entre10^-4 y 10^-6 W-cm. Los materiales semiconductores son por ejemplo, Si, Ge, P, As. (Grove, 1967) (Sze & Ng, 2006) Algunos elementos como el silicio, son capaces de ser activados por la luz. Este semiconductor tiene la siguiente estructura: Si ^ (14) (figura 1). El átomo de silicio tiene cuatro electrones situados en su nivel más exterior, la estructura de átomo de boro es igual, pero con solo tres electrones en este nivel. El silicio puro en estado sólido puede presentarse en estado cristalino, policristalino o amorfo. Para el estado cristalino todos los átomos están perfectamente ordenados, para el estado policristalino está conformado por un conjunto de pequeños cristales el cual esta desordenado, para el estado amorfo la disposición es totalmente aleatoria con un mayor grado de desorden. “Al considerarse que se introduce una impureza (átomo diferente de los que conforman la red cristalina de Si), como el fosforo con 5 electrones de valencia, 4 de ellos se emplearan en los enlaces con los átomos

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vecinos y uno quedara débilmente ligado, el cual se comporta como un electrón de banda de conducción del cristal, ya que existe un exceso de electrones entonces se obtiene el silicio tipo N”. Si la impureza que se introduce es de boro, el conjunto tiene un defecto de electrones, respecto al silicio ya que estos átomos solo tienen tres electrones superficiales. Este tipo de silicio ligeramente impurificado se conoce como tipo P. Al realizarse la unión de estos dos tipos de dopaje se crea la unión P-N, creándose una diferencia de potencial entre ambos, estableciéndose una corriente eléctrica cuya intensidad es proporcional a la intensidad de la luz incidente; esto se conoce como la célula fotovoltaica, la cual es capaz de convertir la luz solar en energía eléctrica directamente sin necesidad de otros procesos. (Banyeres, 2012) (DE LOS SEMICONDUCTORES, 2006) Figura 1. Átomo de Silicio.

Fuente: (Electronica2000, 2013). 2.1.2.4 Curva característica I-V. Según Carlos Robles y otros, se realizó un modelado de los paneles solares en el cual necesitaban datos que no se dan en las normas técnicas como resistencias, requerían métodos iterativos y valores de idealización para coincidir las curvas I-V de una celda o panel específico. Por esta razón C. Roncero propuso una simulación de los paneles solares basándose en las curvas I-V (para distintos niveles de irradiación figura 2 y para distintos niveles de temperatura figura 3) al igual del modelo prestando por Carlos Robles y Gabriel Villa, los cuales se referían al modelo propuesto por Ortiz en su tesis de doctorado en la Universidad de Michingan “Modeling and Analysis of Solar Distributed Generation”. (Clemente, Cadaval, Montero, Marcos, & F.Barrero, 2011) (Robles & Homez, 2012)

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Figura 2. Conjunto de curvas I-V para distintos niveles de irradiación.

Fuente: (Clemente, Cadaval, Montero, Marcos, & F.Barrero, 2011).

Figura 3. Conjunto de curvas I-V para distintos niveles de temperatura.

Fuente: (Clemente, Cadaval, Montero, Marcos, & F.Barrero, 2011). De acuerdo con Aparicio (2010) las curvas anteriores aportan un conjunto de datos útiles en la práctica, los cuales son:

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Intensidad de cortocircuito: denominada como Isc, es la máxima intensidad que

se puede obtener en un panel o modulo fotovoltaico. Se calcula midiendo la corriente

entre los bornes del panel cuando la tensión de salida es de 0 voltios. Se puede

realizar con un amperímetro. Es la intensidad máxima que se puede generar en un

cortocircuito.

Tensión en un circuito abierto: denominada como Voc, es el valor máximo de

voltaje que se medirá en un panel o modulo si no hubiese paso de corriente entre

los bornes del mismo.

Tensión nominal: denominada como Vn, es el valor de diseño al que trabaja el

panel solar como 12, 24 0 48 voltios.

Potencia máxima: denominada como PMPP, es el valor máximo de potencia que

se obtiene entre el producto de la corriente por la tensión de salida del módulo

fotovoltaico. Se trata del valor máximo que se puede obtener del panel o modulo

fotovoltaico también se denomina potencia de pico del panel; este último término es

el más utilizado para los cálculos de una instalación conectada a la red.

Tensión máxima: denominada VMPP, corresponde al punto de trabajo de máxima

potencia. Se trata aproximadamente del 80% de la tensión en circuito abierto.

Corriente máxima: denominada como IMPP, se corresponde con el valor de

corriente para la potencia máxima. (Aparicio, págs. 16-17)

Existen otros dos parámetros dados por el fabricante los cuales son:

Coeficiente de variación de la tensión del circuito abierto con la temperatura

KT.

Coeficiente de variación de la tensión del circuito abierto con la irradiación

KW

Según Clemente y otros en el artículo Modelo de String Fotovoltaico para PSCAD/EMTDC basado en las especificaciones técnicas del fabricante el cual planteo dos aproximaciones: Aproximación con corto circuito y aproximación en circuito abierto. La aproximación que se trabajara a continuación es la de corto circuito: La Curva I-V responde a una regresión exponencial la cual cumple la ecuación 1.

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𝑰𝒑𝒗 = 𝑨(𝑰 − 𝑩) Ecuación 1

Donde Ipv es la corriente inyectada por el panel fotovoltaico y el parámetro A es la

corriente de cortocircuito del panel para unas condiciones de temperaturas e irradiación determinadas y viene dada por la ecuación 2.

𝑨 = 𝑰𝒔𝒄 (𝑾

𝑾𝒓𝒆𝒇) Ecuación 2

Siendo W y Wref los valores de irradiación real y de referencia respectivamente y

donde se ha supuesto que Isc no depende de la temperatura. Por lo otro lado, el valor

del parámetro B se calcula a partir de la ecuación 3.

𝑩 = 𝑩𝟏𝒆(

𝑽𝒑𝒗−𝑽𝒐𝒄,𝑻𝑾𝝉𝟏

) Ecuación 3

Donde Vpv es la tensión del panel fotovoltaico y el término Voc,TW representa la

tención Voc del panel para unas condiciones de irradiación y temperatura determinas

calculando según la ecuación 4.

𝑽𝒐𝒄,𝑻𝑾 = 𝑽𝒐𝒄 − 𝒌𝒕(𝑻 − 𝑻𝒓𝒆𝒇) −𝒌𝑾(𝑾−𝑾𝒓𝒆𝒇)

𝑾 Ecuación 4

Donde T y Tref representan los valores de temperatura real y de referencia

respectivamente. Los parámetros kT y kW son los coeficientes de variación de Voc

respecto de la temperatura y de la irradiación. Estos coeficientes para dos puntos de referencia se calculan según la ecuación 5 y 6.

𝒌𝑻 =𝑽𝒐𝒄(𝑻𝟏,𝑾𝒓𝒆𝒇)−𝑽𝒐𝒄(𝑻𝟐,𝑾𝒓𝒆𝒇)

𝑻𝟏−𝑻𝟐 Ecuación 5

𝒌𝑾 =𝑽𝒐𝒄(𝑻𝒓𝒆𝒇,𝑾𝟏)−𝑽𝒐𝒄(𝑻𝒓𝒆𝒇,𝑾𝟐)

𝑾𝟏−𝑾𝟐𝑾𝟏 Ecuación 6

Por último, el cálculo del parámetro B1 viene dado por la ecuación 7.

𝑩𝟏 =𝟏−

𝑰𝑴𝑷𝑷𝑰𝒔𝒄

𝒆(

𝑽𝑴𝑷𝑷−𝑽𝒐𝒄𝝉𝟏

) Ecuación 7

Donde el valor de 𝜏1 se calcula a partir de la ecuación 8.

𝝉𝟏 = (𝑽𝑴𝑷𝑷

𝑰𝑴𝑷𝑷) (𝑰𝒔𝒄 − 𝑰𝑴𝑷𝑷) Ecuación 8

Con la aproximación anterior se consigue simular el panel fotovoltaico obteniéndose perfectamente el valor de la corriente de corto circuito, por esta razón se realiza una

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segunda aproximación para un valor de la tensión de circuito abierto. La cual se da añadiendo un nuevo término exponencial a la ecuación 1 y por consiguiente obtendríamos la ecuación 9. (Clemente & otros, 2011)

𝑰𝒑𝒗 = 𝑰𝒔𝒄,𝑻𝑾(𝟏 − 𝑩) − 𝑨𝑪 Ecuación 9

Donde el valor del parámetro C se obtiene a partir de la ecuación 10.

𝑪 = 𝑩𝟐𝒆(

𝑽𝒑𝒗−𝑽𝒐𝒄,𝑻𝑾𝝉𝟐

) Ecuación 10

El valor del parámetro B2, puede obtenerse para garantizar el valor de Voc a partir de

la ecuación 11.

𝑩𝟐 = 𝟏 − 𝑩𝟏 Ecuación 11

Y el valor de 𝜏2 es calculado como se indica en la ecuación 12. (Clemente, & Otros

2011)

𝝉𝟐 =𝝉𝟏

𝟐 Ecuación 12

2.1.2.5 Dispositivos de adquisición de datos. Las tarjetas de adquisición de datos son las encargadas de realizar conversiones de señal A/D tanto como la comunicación con el computador. (Mora, 2011). Un sistema de adquisición de datos consiste en un sensor, hardware de medidas DAQ y un Pc con software programable. Estos sistemas basados en Pc, aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de los Pc. (Instrument, s.f.)

2.1.2.5.1 Arduino. Arduino es una plataforma de simulación de prototipos electrónicos de código abierto, su beneficio hace referencia a la adquisición de un software de manera gratuita, además de la libertad de poder modificar la fuente del programa sin restricciones. Existiendo otros microcontroladores, Arduino tiene ventajas importantes como su precio y asequibilidad, el software se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux, está basado en hardware y software fácil de usar así que no solo las personas con conocimientos avanzados en la programación pueden emplearlo, trabajando con el lenguaje de programación basado en processing, códigos abiertos, hardware y software extensibles, fácil comunicación con otras plataformas de programación como LabVIEW y Processing. (PE, 2014)

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Trabaja con un microcontrolador ATmega1280, con un voltaje de operación de 5 voltios, y tensiones de entradas límites entre 6v a 20v sus pines de entrada y salida, al igual que los pines análogos difieren en cantidad de acuerdo con la placa que se va a utilizar, las características del Arduino Mega (el cual se tiene facilidad de adquirir), sus pines de entrada y salida son de 54 de los cuales 15 se proveen salidas PWM, con 16 pines análogos, memoria flash de 128KB de los cuales 4KB son usados para bootloader, SRAM de 8KB, EEPROM de 4KB y la frecuencia de reloj de 16MHz, con una corriente DC por pin E/S de 40mA. Esta placa es idónea para quien necesita más pines y potencia. (Arduino, 2016)

2.1.2.5.2 Netduino. Es una plataforma muy similar al Arduino tanto así que se puede conectar placas extensibles de este, pero el Netduino incluye 22 GPIO con SPI, I2C, 4 UART, 6 PWM y 6 canales análogos para interactuar con los elementos y 14 digitales, Atmel microcontrolador de 32 bits, velocidad de 48 MHZ, ARM7, RAM 60 KB, tensión de 3.3 a 5 V y corriente de 25mA.Tiene un código abierto y permite la depuración línea por línea, a la hora de encontrar errores ayuda mucho que cuenta con un debugger, con lo cual Arduino no cuenta. Además de tener una memoria flash de 128k. Comparándolo con el Arduino se tienen muchas ventajas, pero según el foro de NATIONAL INSTRUMENTS nos dice que para poder conectar el Netduino con LabVIEW para graficar de los resultados no es posible ya que no cuenta con una librería para esto; se tendría que conectar al Arduino y así poder conectarlo con este. Al igual que otras plataformas para poder graficar no cuenta con conexión. (Navarro, 2016) (Instruments N. , 2016) (netduino, 2016)

2.1.2.5.3 MSP430. Launchpad. Es una herramienta de desarrollo y de evaluación fabricada por Texas Instruments, dispone de un socket de 14-20 pines de la familia MS430, conexión USB que permite descargar y depurar programas directamente en hardware, 2 leds programables, 1 Led de poder, 1 botón programable y un botón de reset. Incluye dos micros MSP430G2 (553IN20-2452IN20), respectivamente son de 16KB flash, 512B RAM 16-bit timers, 8ch 10-bit ADC comparador, comunicación serial (USCI-I2C, SPI & UART) y 8KB flash, 256B RAM, 16-bit timers, 8ch 10-bit ADC, comparador, comunicación serial (USI-I2C & SPI). Diseñado para aplicaciones empotradas de bajo costo, sistemas inalámbricos y de bajo consumo de energía. (Instruments T. , 2016) Este dispositivo tiene un costo entre $48.000 pesos en adelante para Colombia, teniendo poca disponibilidad de compra ya que no es de un uso constante. (ElectroniLab, 2016)

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2.1.2.5.4 Componentes claves de medidas para un dispositivo de adquisición de datos. Bus de la PC, sirve como interfaz de comunicación entre un dispositivo de adquisición de datos y la PC, para transferir instrucciones y datos medidos, los más comunes son:

USB: Es un bus punto a punto dado que el lugar de partida es el host (Hub o PC), el destino es un periférico u otro Hub. No hay más de un único host (PC) en una arquitectura USB

PCI (Peripheral Component Interconect): Consiste en un conjunto de circuitos integrados o tarjetas de expansión, es un bus estándar de computadores para conectar dispositivos periféricos directamente a la placa base.

PCI express: Tiene el mismo principio que PCI y permite añadir placas de expansión a un ordenador.

ETHERNET: Ethernet dio sus inicios usando transmisores de radio de taxis viejos y con esto lograron realizar la red, el inconveniente estaba en el canal de retorno puesto que era compartido por diferentes lugares, por lo que se hizo necesario establecer normas, se requería un protocolo MAC (MEDIA ACCESS CONTROL), nace Ethernet con una idea sencilla donde las estaciones antes de transmitir deberían detectar si el canal está ocupado o libre.

2.1.2.5.5 Características de los dispositivos de adquisición de datos.

Número de canales analógicos, indica cantidad de magnitudes que se pueden adquirir con la misma tarjeta.

Velocidad de muestreo, cuanto mayor sea, mejor representación de la señal analógica.

Resolución, viene dada por el número de bits de conversor A/D, a mayor número de bits de ADC, la tarjeta será capaz de detectar variaciones menores de señal.

Rango de entrada, son los márgenes entre los que se debe encontrar una señal de entrada para que pueda ser convertida.

Capacidad de temporización, es la capacidad de temporización interna.

Control de los momentos en que se debe leer una señal.

Identificar cuantas veces se ha producido un evento.

Generar formas de onda de acuerdo al reloj. (Mora, 2011)

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2.1.2.6 Software de desarrollo para el procesamiento e ilustración de los datos adquiridos. El software de desarrollo facilita el manejo y visualización de los datos que se obtienen de la tarjeta de adquisición de datos, es importante analizarlos en un lenguaje sencillo de entender y que además diferentes usuarios lo puedan hacer así no tengan el conocimiento específico en el tema. A continuación, se presentarán algunos de estos programas.

2.1.2.6.1 C#. Lenguaje orientado a objetos elegantes y con seguridad, permitiendo desarrollo de compilar diversas aplicaciones que se ejecutan en .NET, se puede utilizar para Windows, servicios Web XML, aplicaciones cliente-servidor, entre otras cosas. Los Programas de C# se ejecutan en .NET Framework, componente que forma parte de Windows, con un sistema de ejecución virtual Common Language Runtime. (Microsoft, 2015) Sus elementos gráficos principales son:

Creación del proyecto. Permite seleccionar el tipo de proyecto que se va a desarrollar.

ToolBox. Permite seleccionar herramientas a nuestro proyecto.

Eventos. Además de seleccionar las propiedades del elemento también se puede acceder a los eventos que involucran a este.

TextBox. Inserta datos en el cuadro de texto.

ListBox y ComboBox. Controles que permite ingresar datos asociados a una caja de edición, la cual se podrá seleccionar un dato según lo que desee el usuario.

CheckBox y CheckedBoxList. Permite al usuario tomar una decisión directamente en la pantalla.

RadioButton. Presenta al usuario un conjunto de opciones excluyentes.

Label. Permite mostrar información sobre una ventana.

PictureBox. Control de cuadro para la muestra de imágenes.

ProgressBar. Control para una aplicación de larga operación.

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DataGridView. Forma eficaz y flexible para mostrar datos en el formato de tabla.

ButtonBox. Control de botón de Windows, que responde al evento de ButtonBase. (Z.O.R.M, 2014)

2.1.2.6.2 FLOWSTONE. Lenguaje de programación industrial en tiempo real gráfica. Proporciona un entorno de desarrollo rápido para la señal en tiempo real de procesamiento digital (DSP). El uso de flowstone es crear programas partiendo de pequeños bloques de construcción prefabricados llamados componentes, al conectar componentes entre sí, se define la lógica del programa y el flujo. Los componentes agrupados pueden reunirse en módulos que a su vez se convierten en un bloque de construcción. Una vez que el programa esté completo, puede exportarlo como un programa de Windows que se puede distribuir sin ninguna dependencia de Flowstone. Para permitir la conexión con lo real, Flowstone tiene un número cada vez mayor de componentes que se comunican con el hardware como servo controlador, dispositivos de adquisición de datos, interfaces de audio, cámaras web, controladores de entrada y los sistemas de automatización del hogar. (RobotShop, 2016). En la figura 4, figura 5, y figura 6 se muestra un ejemplo de la interfaz de Flowstone. Figura 4. Interfaz de programación de Flowstone.

Fuente: (RobotShop, 2016).

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Figura 5. Interfaz para la programación de datos en Flowstone.

Fuente: (dsprobotics, 2010). Figura 6 Ilustración de los datos adquiridos.

Fuente: (dsprobotics, 2010).

2.1.2.6.3 LabView. Utiliza un lenguaje G, donde la G simboliza que es un lenguaje de tipo gráfico. Los programas desarrollados en LabVIEW se llamas VI’s (Virtual Instruments), su origen provenía del control de instrumentos, hoy en día va más allá de ellos. Los programas no se escriben, sino que se dibujan, una labor facilitada gracias a que LabVIEW

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consta de gran cantidad de bloques prediseñados. Los programas se dividen en dos partes, panel frontal y otro. (National Instruments, 2003) (estuelectronic, 2012) Diagrama de bloques panel frontal. Es la interfaz con el usuario, (figura 8) se utiliza para interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. En esta interfaz se definen los controles (Entradas, botones, marcadores) e indicadores (Salidas). (National Instruments, 2003) (estuelectronic, 2012) Diagrama de bloques. Es el programa como tal, donde se definen las funciones se colocan los iconos que realizan dichas funciones y se interconectan el código que controla el programa (Figura 7 lado derecho). (National Instruments, 2003) (estuelectronic, 2012) Figura 7. Interfaz de programación de LabView.

Fuente: National Instruments, 2003 Figura 8. Interfaz de los datos adquiridos en LabView..

Fuente: National Instruments, 2003

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2.1.2.7 Descripción de los elementos para la medición de los parámetros del panel solar.

2.1.2.7.1 Elementos Lumínicos.

Cámara Climática. Equipo de laboratorio capaz de desarrollar diferentes climas para propósitos experimentales. Estos equipos permiten predecir el comportamiento de los materiales y su resistencia, frente a diferentes cambios climáticos que pueden estar expuestos en el momento en que estén a la intemperie. (Sociedad Española para el Control de Calidad e Instrumentacion, S.L., 2011). Se pueden encontrar diferentes cámaras climáticas como:

o Cámaras climáticas EXCAL. Equipadas con una computadora en forma

de tableta con pantalla táctil de 15’’, memoria SSD. Tiene una homogeneidad de +/- 0,5ºC a +/- 1,8ºC, con una estabilidad de la regulación de temperatura de +/-0,1ºC a +/- 0,3ºC, estabilidad de humedad de +/- 1% a +/- 3%, manejando un rango de temperatura de -40ºC +180ºC o de -90ºC +180ºC, su rango de humedad estable y reproducible de 10% a 98% y con una compensación térmica de 1000W a más de 10KW. (Boustens SA de CV, 2011)

La compañía Boustens presenta diferentes cámaras climáticas según con el fin que se necesiten las cuales son para pruebas de calor, frio y humedad, para pruebas de variación rápida de temperatura, cámaras climáticas con generador de aire, cámaras climáticas de alto volumen, cámaras de ensayo de choque térmico, para pruebas universal, cámaras climáticas al vacío, para pruebas de resistencia ambiental, cámaras climáticas combinadas con vibraciones y cámaras climáticas con ensayos a la medida. (Boustens SA de CV, 2015).

o Cámara climática serie GZX. Tienen iluminación adopta un compresor ambiental a base de fluoruro y un avanzado microordenador para el control programable. Trabaja en un rango de temperatura de 0ºC a 60ºC, tiene un control de calentador equilibrado que asegura precisión de la temperatura y menor fluctuación de esta. (C.I. M&M, 2015)

Meteotron. Son capaces de reproducir las condiciones climáticas más adversas que se pueden encontrar, puede llegar a temperaturas hasta de menos 197ºC, gradientes térmicos de hasta 100ºC/min, contaminación atmosférica, lluvia, alta radiación solar mediante lámparas de arco de xenón, elevadas temperaturas. Condiciones de humedad, simulación de climas

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volcánicos desiertos y polares. (Sociedad Española para el Control de Calidad e Instrumentacion, S.L., 2009).

Simulador Solar. Proporcionan el espectro de banda ancha próximo a la del sol desde el UV a la IR. La parte principal del simulador solar es una lámpara de arco xenón que alcanza una temperatura de color de aproximadamente 6000k que está muy cerca a la luz solar. (Köhler, 2014). Existe el simulador solar avanzado AAA LP-156A de EKO se basa en una lámpara Xenón de alta potencia 1000W con una vida útil aproximadamente de 1000 horas y una radiación de 1000W/m2 con un rango de ajuste 700W/m2

a 1200W/m2, con una alimentación de 200V AC a 50/60Hz y potencia 2KVA y corriente nominal de entrada de 10A. Trabajando a una temperatura 10 a 35ºC y humedad 30 a 70%. (EKO Instruments, 2015).

2.1.2.7.2 Elementos Eléctricos.

Piranómetro. Instrumento que permite medir la radiación global (ICONTEC, 1998). La termopila, formada por sectores blancos y negros, es capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 500nm. Las bandas negras del sensor (termopila) absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores hacia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una señal eléctrica proporcional a la radiación incidente. (Códoba, 2008), existen diferentes tipos de piranómetros:

o Piranómetros radiación solar global. Mide la radiación solar recibida desde todo el hemisferio celeste sobre una superficie horizontal terrestre.

o Piranómetro radiación solar reflejada. Mide la radiación que llega a la tierra de manera indirecta.

o Piranómetro térmico. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares.

o Piranómetro fotovoltaico. La radiación incide sobre un fotodiodo que es capaz de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagnética, y de ese modo, mediante la lectura de voltaje, conocer los datos de radiación.

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o Piranómetro del tipo M-80-M (M-115-M). Es un instrumento actinométrico universal. Con él se puede medir todos los flujos de radiación solar en el rango

de onda corta. (EcuRed, 2015).

Megóhmetro. Permite establecer la resistencia de aislamiento existente en un conductor o sistema de tierras. Funciona basado en la generación temporal de una sobre corriente eléctrica la cual se aplica al sistema hasta que se rompe su aislamiento, al establecerse un arco eléctrico. El valor de la resistencia que se mide se registra directamente sobre una escala y esta indicación es independiente de la tensión. (Amperis Products S.L. Instrumentos de medida, 2007).

Multímetro Digital. Es un instrumento eléctrico de medición que generalmente calcula voltaje, resistencia y corriente, pero dependiendo el modelo se pueden medir otros parámetros como capacitancia y temperatura. Con este podemos comprobar el correcto funcionamiento de un circuito o de los componentes. (Electrico Corpostar, 2011). El multímetro Protek 506 el cual es el existente en el laboratorio de Electrónica en la Universidad San Buenaventura de Cali tiene los siguientes parara metros técnicos.

o Voltaje en corriente continua con una gama de 400mV a 1000V, con

una resolución de 0.1mV y precisión de +/-0,5%.

o Voltaje en corriente alterna con un rango de 400mv a 750V, resolución de 0,1mV y precisión de +/-1%.

o Corriente continua maneja un rango de 400µA a 20A, resolución de

0,1µA y precisión de +/- 1%.

o Corriente Alterna maneja un rango de 400µA a 20A, resolución de 0,1µA y precisión de +/-1.5 % en un rango de frecuencia de 50Hz a 100Hz.

o Resistencia rango de 400W a 40MW, resolución de 0.1W y precisión

de +/-0,5%.

o Decibeles rango de -31,6 a 59,71dB y teniendo una precisión de 0.5µdB.

o Temperatura rango -17ºC a 1200ºC, con una resolución de 1ºC, y

precisión de +/-3%. (LLC Company, 2015).

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Vatímetro. Instrumento para medir la potencia promedio consumida en un circuito, que realiza el producto de dos señales eléctricas. El término se aplica para describir una forma particular de electrodinamómetro, el cual consiste en una bobina fija de alambre que está dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, y una bobina vecina de alambre suspendida para ser movible, la cual se conecta en serie con una resistencia grande y solo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. Existen dos tipos de vatímetros, el análogo y el digital, el vatímetro electrónico se usa para medidas de potencia directas y pequeñas o para medidas de potencia a frecuencia por encima del rango del instrumento de tipo electrodinámico.

o Vatímetro PCE-PCM1. Medido de uso múltiple para determinar la potencia absorbida, así como el consumo de energía. Además de la medición de corriente alterna y tensión, este vatímetro puede determinar la potencia absorbida actual en redes monofásicas o trifásicas, asi como el consumo de energía (kWh) en redes monofásicas.

o Vatímetro Easycount-1-Schuko-U. Es un contador de electricidad para tensión alterna de hasta 230W con una carcasa protegida contra salpicaduras de agua y resistente a golpes. Los polos del vatímetro están equipados con conectores macho y hembra. Los conectores macho y hembra son SCHUKO normalizados. (Sergio Lopez Valiente, 2016)

Amperímetro. Este instrumento mide la intensidad de la corriente eléctrica por una rama, por lo tanto, debe conectarse en serie con la rama donde se desea medir la corriente, el amperímetro ideal mide la corriente manteniendo una diferencia de tensión cero entre sus borneras, la cual implica que el amperímetro ideal deberá tener una impedancia interna cero, los usos dependen del tipo de corriente que se va a manejar, existen diferentes tipos de amperímetros los cuales son: o Amperímetros electromecánicos. Estos dispositivos se basan en la

interacción mecánica entre las corrientes, entre una corriente y un campo magnético o entre conductores electrificados. Están compuestos esencialmente de un órgano fijo y de un órgano móvil unido a una aguja que indica el valor de la magnitud a medir sobre una escala.

o Amperímetros térmicos. Estos instrumentos se basan en el principio de que todos los conductores se dilatan cuando se calientan. Esta dilatación

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es proporcional al calor, y de acuerdo con la ley de joule, el calor es proporcional al cuadrado de la corriente, independientemente del sentido de la corriente y la naturaleza de esta, por lo que estos amperímetros sirven para corriente alterna o continua.

o Amperímetros digitales. Los adelantos tecnológicos han impuesto en el mercado los instrumentos de medición digital, de gran versatilidad y desempeño. Con los instrumentos digitales se eliminan los errores de lectura, ya que las mediciones se visualizan en una pantalla a través de un número y como las partes mecánicas móviles se han sustituido por circuitos electrónicos, también se minimiza el desgaste. (Herramienta, 2012).

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ESTADO DEL ARTE.

Según el reporte del Global Status Report del 2014, desde hace unos años se ve la tendencia del crecimiento de las energías renovables a nivel mundial con un incremento del 32% de la capacidad adicional en el 2013, mientras que en los últimos 5 años un crecimiento de la capacidad anual del 55%, lo cual se debe a una nivelación de los precios de los módulos fotovoltaicos y la disminución del coste de fabricación. Pero se tiene que observar la fiabilidad de estos productos, por esta razón Belluardo y otros, proponen una incertidumbre frente a lo que ofrecen los fabricantes de los módulos fotovoltaicos, de un lado del inversor hay una necesidad de procedimientos estandarizados sobre como monitorear y evaluar el proceso de degradación durante y al final de la vida útil de los módulos con el fin de verificar fehacientemente la realización de garantía. Plantean que el rendimiento eléctrico de los módulos depende de diferentes factores, por eso entra en juego un parámetro llamado la tasa de perdida de rendimiento. Para dar solución a este problema los autores plantean mejorar un método basado en el uso de la matriz generada métrica de energía corregida para irradiación, temperatura y efectos espectrales con el fin de disminuir la incertidumbre general en la estimación de tasa de pérdida de rendimiento. El método implementado por Belluardo y otros, se experimentó colocando 24 tipos de módulos instalados con una inclinación fija de 30º y una orientación de 8,5º Oeste del sur, con una irradiación de 1000 W/m2 temperatura de la célula de 25º y con un ángulo de incidencia mayor de 50º para mejorar la irradiación; midiéndose los parámetros de corriente continua cada 15 min y tomando los datos meteorológicos (irradiación global, velocidad del viento y la temperatura ambiente) de una estación cada 15 min. Se han logrado avances en la tecnología de los paneles solares, siendo la eficiencia uno de los parámetros con mayor progreso e importante para un sistema fotovoltaico, gracias a este, se puede deducir el tiempo que tomará recuperar la inversión realizada en cualquier proyecto (2015). En España varias empresas e instituciones educativas realizan mediciones para la certificación de los parámetros técnicos de los paneles solares, entre estas se encuentra la empresa TÜV Rheinland, la cual presta el servicio de ensayo, mediciones y certificación, donde comprueban los sistemas y componentes fotovoltaicos normalizados, incluyen módulos fotovoltaicos, sistemas conectados a la red, inversores de corriente, estructuras, cables y conectores, con el arreglo a las normas nacionales e internacionales. También existe en la Universidad Carlos III de Madrid, el laboratorio de sistemas fotovoltaicos cuyo objetivo es el de contribuir al conocimiento y desarrollo de la energía fotovoltaica. (Bayerlein, 2012) (Madrid, 2015)

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El estudio entre laboratorios para determinar la repetitividad del método de prueba Humedad-Calor para la degradación inducida por potencial y polarización en módulos fotovoltaicos de silicio cristalino realizado por Hacke y otros, consistió en utilizar tres tipos de módulos de silicio cristalino, replicarlos y distribuirlos en 5 laboratorios, explican que “las pruebas de estandarización certifican que las características y el rendimiento de los productos sean compatibles, para que los usuarios usen los mismos términos y definiciones. Tal prueba ayuda a reducir el costo proporcionando a los fabricantes de productos fotovoltaicos y sus clientes la información necesaria para asegurar la vida útil de módulo fotovoltaico”. El procedimiento que usaron los laboratorios para hacer las pruebas está determinado en la tabla 1. Tabla 1. Prueba de secuencia para estudio entre laboratorios.

PASOS DESCRIPCIÓN

1 Compruebe los módulos

2 5-20 kW / m2 light soak

3 Enjuague y limpie las superficies de los módulos

4 IEC 61215 Ed. 2, 10.1. Inspección visual

5 Medición I-V bajo simulador solar

6 Imágenes de electroluminiscencia

7 IEC 61215 Ed. 2 ,10.3 Prueba de aislamiento

8 Humedad-Calor contención de polarización

9 IEC 61215 Ed .2 Prueba de fugas corriente-humedad

10 Medición I-V bajo simulador solar

11 Imágenes de electroluminiscencia

12 IEC 61215 Ed. 2, 10.1. Inspección visual

13 IEC 61215 Ed.2.10.3 Prueba de aislamiento

. Fuente: (Hacke, y otros, 2014). Como consecuencia de las pruebas mostradas en la tabla 1 se encontró que no había grandes diferencias en los resultados de cada prueba entre los 5 laboratorios, uno de los parámetros más influyentes en la variación de resultados era el diseño del panel, además se comprobó que la iluminación por luz UV-A reduce el PID (Potential Induced Degradation). Por otro lado, la ionización en el nitruro de silicio

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puede proporcionar una mayor conductividad para una derivación de camino a través del recubrimiento anti reflectante de nitruro, y los electrones ionizados por si mismos pueden neutralizar el avance de los iones positivos que se acercan a la célula de silicio (2014). Una de las nuevas tecnologías implementadas es el MJ (sub-células), García-Domingo y otros realizan un estudio del comportamiento frente a las condiciones atmosféricas de los parámetros eléctricos del panel. Planteando que su comportamiento cambia en algunos aspectos cuando se trabaja al aire libre comparándolo con los resultados en condiciones de un laboratorio. El desarrollo de este estudio se realizó en condiciones de irradiación óptimas durante un año. Se realiza una prueba estándar en condiciones cero con una radiación directa de 1000 W/m2 a una temperatura de 25º C. Los datos se obtuvieron cada 5 minutos así realizando la curva I/V, siendo posible estudiar el efecto de las condiciones atmosféricas sobre los parámetros medidos. El sistema está controlado por una aplicación que se desarrolló en LabVIEW gestionando la comunicación entre los equipos (2014). Huang y otros, realizan la medición de la temperatura de la unión de células solares de modulo fotovoltaico, teniendo en cuenta la medición de la tensión en circuito abierto del módulo PV, el cual se mide en el momento en que el simulador solar parpadea, en un tiempo de 10 ms, en esta cantidad de tiempo no logra aumentar la temperatura de la celda, por esta razón utilizan una cámara para lograr una temperatura deseada utilizando un controlador PID (2011). Belluardo y otros, plantean que conocer la vida útil de un panel solar, es uno de los parámetros principales, pero este se enlaza a otros como la potencia máxima y eficiencia de un sistema fotovoltaico (2015). Chandel y otros en su proyecto de bombeo de agua a base de energía fotovoltaica expresa que un sistema fotovoltaico diseñado correctamente se traduce en importantes ahorros de costos a largo plazo, unos de los parámetros importantes para que el proyecto de bombeo de agua con energía fotovoltaica tenga viabilidad es el rendimiento del generador fotovoltaico. Para que el sistema de bombeo sea el esperado necesita que la potencia entregada por los PV y su eficiencia sea consistente con lo planteado por el fabricante, por lo cual se logra una mayor promoción de bombeo de agua necesaria, además de lograr recuperar los recursos económicos invertidos en el proyecto (2015). En Latinoamérica se realizó el seminario internacional de energías renovables donde Dr. Román H. Buitrago dice que las tecnologías de centrales fotovoltaicas para la generación de energía eléctrica ya han probado su confiabilidad, durabilidad,

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eficiencia, calidad y fundamentalmente su competitividad en regiones donde el recurso solar es bueno (Buitrago, págs. 3-17). De acuerdo con el Informe de GTM Research, en la región de América Latina se instalaron 625 Megavatios de energía solar fotovoltaica en 2014, lo cual corresponde a un aumento del 370% en el crecimiento anual con respecto a 2013 (2015). Según Bello y otros, el nivel de confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) depende de los factores típicos de la región y de las condiciones climáticas donde se encuentran instalados (2012). En la provincia de Corrientes, Argentina, el Grupo Energías Renovables (GER) realizó un estudio de caracterización de 85 SFA con el objetivo de ofrecer soluciones para optimizar el comportamiento de tales sistemas en la zona. En el laboratorio se realizaron ensayos de módulos fotovoltaicos y baterías con el fin de controlar sus características, además de un monitoreo de las condiciones reales de operación y datos de los SFA. Bühler y otros dicen que el rendimiento del dispositivo PV se puede obtener de la curva I-V siendo la norma internacional 60904-1 la cual indica que se debe de tener una irradiación de 1000 W/m2 a 25 º C, pero no siempre se puede lograr la curva I-V siguiendo esta norma, por tal razón existe otros métodos como la American Standard ASTM E 1036-08. El método que Bühler y otros exponen para realizar la captura de los parámetros eléctricos, es obtenido luego de que se ejecuta la curva I-V utilizando un software realizado por el laboratorio de Energía Solar LABSOL de la Universidad Federal do Rio Grande do Sul Brasil para este propósito. Para comenzar el trazado de la curva el circuito debe estar abierto, para medir la corriente utilizan una caída de tensión a través de una resistencia, el voltaje y la corriente se miden por voltímetros simultáneamente (2014). En la Universidad UNAM de la ciudad de México (Universidad Nacional Autónoma de México), se encuentra el laboratorio de innovación fotovoltaica y caracterización de celdas solares, el cual se dedica al desarrollo de materiales, celdas solares y módulos fotovoltaicos; involucrado en el análisis del desempeño eléctrico y energético de las celdas solares experimentales para dirigir hacia nuevas tecnologías e innovación. (García, 2014) En Costa Rica, gracias a los estudios y avances tecnológicos que se han tenido con respecto a las energías renovables, el gobierno decidió invertir en las energías

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fotovoltaicas e hidroeléctricas, logrando así suministrar energía a todo el país por 75 días seguidos. Por lo anterior, vemos los progresos que tienen los países con mayor incidencia solar en Latinoamérica (Lordméndez, 2015). Actualmente se han desarrollados laboratorios fotovoltaicos con fines de conocer el comportamiento del panel solar frente a diferentes condiciones atmosféricas. Entre los que podemos ver está el laboratorio implementado por la universidad del Norte en Barranquilla, inaugurado el 24 de abril del 2015. "Este proyecto busca aprovechar el potencial energético de la región Caribe como corredor de viento y radiación solar" (Cueto, 2015). Debido a la necesidad que se generó durante el proceso de construcción del laboratorio fotovoltaico teniendo en cuenta las Normas Técnicas Colombianas, surgieron diferentes tesis las cuales contribuyeron con la conclusión de este. Por otro lado se encuentra el laboratorio implementado por la empresa EPSA S.A. Yumbo la cual según Jonathan Escamilla Chito analista de proyectos e innovación (2015) informa que el laboratorio entro en operación a finales del año 2013 en el cual se están llevando dos componentes de investigación, el primero se enfoca en el comportamiento del panel solar frente aspectos atmosféricos, en el cual se identifican las variables climáticas donde se miden los datos de radiación solar, dirección solar, la velocidad del viento, la calidad y potencia del panel y el segundo es la integración de la energía a la red mediante el sistema de acople de potencia (Chito, 2015). A partir de la investigación realizada, se resalta que existen tres parámetros repetitivos e importantes para los autores nombrados anteriormente, los cuales son la eficiencia del PV, la vida útil, y el comportamiento del PV frente a diferentes condiciones atmosféricas. De estos parámetros se estudiará a profundidad la eficiencia y la capacidad que tienen los PV de soportar desequilibrios térmicos. Finalmente realizar una comparación con la hoja técnica presentada por los fabricantes. En la tabla 2 se explica cómo medir los parámetros del panel manualmente. Tabla 2. Como medir los parámetros del panel.

Ítem Parámetros Procedimiento

1 Intensidad de cortocircuito

Se mide en el momento en que se está realizando la polarización ósea el voltaje del PV es igual a cero con una impedancia de aproximadamente cero, dando la máxima corriente en el cuadrante de potencia.

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2 Tensión en circuito abierto

Se realiza la medición cuando no se tiene una carga conectada a la salida, dando el máximo voltaje en el cuadrante de potencia.

3 Tensión nominal Se mide cuando el panel está trabajando con una carga fija y luego de haber pasado la polarización.

4 Potencia máxima Desde la curva I-V, cuando la corriente y el voltaje son máximos se calcula la potencia máxima panel fotovoltaico.

5

Corriente máxima

Mediante un amperímetro conectándolo a los bornes del panel, sin ninguna otra resistencia adicional. No teniendo una resistencia alguno al paso de la corriente se tendrá la corriente máxima.

6 Coeficiente de temperatura

Se varía la temperatura del módulo, y se realiza la curva I-V del cual se puede ver su variación y se calcula los coeficientes de temperatura con las formulas dadas.

Fuente: (Sardinero, 2009); (Universidad de Puerto rico en Aguadilla, 2010);

(Teknosolar Internet, S.L., 2012) .

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3 CAPITULO III

DIAGRAMA DE BLOQUES DE LAS PRUEBA DE EFICIENCIA Y

POTENCIA EN LOS PANELES SOLARES

Figura 9. Diagrama de bloques del diseño experimental de las dos pruebas (Potencia y eficiencia) en el panel solar.

En la figura 9 se muestra los elementos que se deben de utilizar para realizar las pruebas de medición de la eficiencia y potencia máxima entregada por el panel solar, es necesario tomar varios datos de la radiación de luz emitida por la lámpara para verificar que esta se acerque lo requerido por la norma NTC 4405 para que se efectúen de manera adecuada las pruebas que se realizarán. Por medio de la luz emitida por el simulador solar se logra que el panel solar genere un voltaje, al cual se le aplicara una carga resistiva y así se podrá adquirir los datos necesarios y ser enviados por medio de una tarjeta de adquisición de datos al software para graficar la curva I-V de la cual se obtiene la corriente en corto circuito, voltaje en circuito abierto, máximo voltaje, máxima corriente. De igual forma se está monitoreando la temperatura del panel ya que este no puede superar los 50ºc según lo requerido por la norma NTC 4405.

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SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS.

3.2.1 Selección de dispositivo de adquisición de datos. Tabla 3. Comparación de los dispositivos de adquisición de datos

DAQ Tensión de entrada

Pines E/S

Memoria flash

Frecuencia de reloj

EEPROM RAM

Arduino Mega

6-20 V 54 128 KB 16 MHz 4 KB SRAM 8KB

Netduino 3.3 – 5 V 18 128 KB 48 MHz NA 60 KB

MSP 430 Launchpad

1.8 – 6.3 V

14 - 20 16 KB 8 o 16 MHz

NA 512 B

De acuerdo con la investigación realizada en el capítulo anterior y la comparación que se realiza en la tabla 3, se llegó a la conclusión que el dispositivo que cobija en su mayor parte las necesidades que tiene el proyecto es Arduino Mega, ya que tiene un software libre, de fácil uso, tiene la posibilidad de conectarse con otras interfaces de programación, además cuenta con amplia bibliografía, es extensible, su precio es bastante asequible y su compra en Colombia es fácil. Tiene 54 pines digitales que funcionan como entradas/salidas, de los cuales 16 son análogos, con una memoria flash de 128KB y es ideal para entradas de potencia, tiene entradas límites a los pines entre 6V a 20V y con una corriente DC por pin de 40mA. La comunicación entre el computador y Arduino se realiza a través de puerto serie, sin embargo, tiene un conversor USB-serie. 3.2.2 Selección de sensor para temperatura. Tabla 4. Comparación de los sensores de temperatura

Sensor Rango de trabajo Lineal Nomenclatura

LM35 -55 a 150 Si Centígrados

Termocupla -200 a 2800 No Centígrados

Termistor -195 a 450 No Centígrados

La temperatura es un parámetro muy importante para este proyecto debido a que la norma NTC 4405 especifica que el panel solar debe estar entre 25 y 50 grados

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Celsius al momento de realizar las pruebas. De acuerdo a esto, la medición debe tener una variación lineal, teniendo en cuenta que normalmente el calentamiento de los paneles solares no sobrepasa los 90 grados, realizando la comparación con otros sensores de temperatura (tabla 4) se es seleccionado el sensor LM35 que entrega una relación lineal de 10mV/Cº, no se necesita realizar conversiones de escalas (Kelvin a Celsius), tiene un rango de operación desde -55 a 150 grados centígrados, con una precisión de +/- 1.4 grados. Ya que la impedancia de salida del elemento no es tan elevada, favorece la conexión con el dispositivo de adquisición de datos, en este caso el Arduino, dado que este maneja una impedancia de 40 Ω y no se necesita realizar una adecuación para poder adquirir los datos de temperatura. 3.2.3 Selección del dispositivo para medir la radiación solar. Se han identificado dos posibles instrumentos para lograr la medición de la radiación del simulador solar, el piranómetro siendo su unidad de medida en W/m2, y el luxómetro siendo su unidad de medida en lux, su fin es el mismo y su unidad de medida está relacionada.

1𝑙𝑚 = 1𝑙𝑢𝑥 ∗ 𝑚2

1𝑙𝑢𝑥 = (1

683) 𝑤/𝑚2

Piranómetro SP110. Tiene una precisión de ± 5%, uniformidad del ±3% y

repetibilidad del ±1%, con una salida de 0 a 350mV, sensibilidad de 0.2mV por W/m2 y tiempo de respuesta de 1msg. Trabaja en un ambiente de trabajo de -40°C a 60°C. (sensovant, 2014)

Piranómetro Dr. Meter SM-206. Instrumento de precisión para medir la intensidad de la luz. Se utiliza en la medición de radiación solar, tiene un display 3.3/4 LCD, con un valor máximo de visualización de 3999, la resolución es de 0.1 Btu / (ft2-h), su rango de error está en +/- 10W/mm2 (+/- 3 Btu / (ft2-h)) o +/- 5% del valor medio, con error de temperatura de +/- 0.38 W/m2 / grado, en el momento que exista una sobre carga se podrá visualizar “OL”, con un rango de 0.1~399.9 Btu /(ft2-h), con un tiempo de muestreo de 0.5 sg. Su temperatura de funcionamiento es de 0~50 centígrados, y con alimentación de una pila de 9 voltios. (Dr Meter, 2016)

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Luxómetro DT-1308. Tiene un rango entre 0 a 400.000 Lux y equivalente en Candelas, con una exactitud: ±5% ± 10d (<10,000Lux) ±10% ±10d (>10,000Lux), su mejor resolución: 0,1 Lux/FC. Modo de medición relativo, con una memoria de valor máximo MAX y mínimo MIN. (ABC Instrumentos, 2016)

Por cuestión de adquisición del dispositivo se obtiene el piranómetro Dr Meter SM-206, esto surge gracias a un préstamo de dispositivos entre las universidades San buenaventura y Autónoma de Occidente, por intermedio del Ingeniero Yuri Ulianov López Castrillón el cual está realizando en conjunto con la universidad San Buenaventura el proyecto de Mi house y da la facilidad de poder lograr el préstamo del piranómetro por días. 3.2.4 Selección del simulador solar EL simulador solar se refiere a la fuente de luz que reemplaza o simula al sol. Para esto se pueden utilizar diferentes lámparas entre las cuales están led, fluorescentes o halógena, debido a la norma NTC 4405 la cual dice que la composición espectral debe ser tal que el máximo de su espectro de emisión no sobrepase los 0,8µm, esto implica que es conveniente usar lámpara halógena. La selección del simulador solar se basó en 2 parámetros. El primero es la máxima potencia que se requería por metro cuadrado del panel y el segundo parámetro fue el precio de este, el cual estaba oscilando entre $97.000 y $190.000, al final se escoge el de menor precio y el cual da una mayor potencia. La lámpara halógena de 500 w con base de aluminio fundido a presión, rejilla de protección, 2.5 m de cable de conexión con enchufe de seguridad. Ajustable horizontal y verticalmente, el centro de atención tiene una rejilla de protección de encendido y apagado con un diseño robusto. Fuente de alimentación de 120V / 60Hz, máximo de 500 vatios con tubo incluido halógeno r7s-118 m, sistema de protección: IP 54. 3.2.5 Selección de la carga. La carga se necesita para realizar las pruebas en el panel solar, ya que la variación de esta nos permite obtener diferentes datos de voltaje y corriente, con los cuales se obtendrá la curva I-V.

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Opción 1. Utilizar el potenciómetro digital X9C104, el cual es un dispositivo en una matriz con 100 resistencias, consta de 8 pines los cuales se especifican en la tabla 5.

Tabla 5. Datos de los pines de la resistencia variable X9C104.

Numero de pin

Nombre del pin Descripción

1 INC Incremento. Cuando se aplica una señal de onda cuadrada en este pin, el circuito aumenta o reduce el valor de su resistencia, dependiendo del estado en que se encuentre el pin U/D.

2 U/D Up/Down. Dependiendo del estado del pin, cuando se aplique una onda cuadrada en INC el valor de la resistencia subirá o bajara.

3 VH7/RH Este es el equivalente a una de las patas del potenciómetro, específicamente una de las 2 patas situadas en los extremos.

4 Vss Voltaje de salida (GND) del circuito. Se conecta a tierra.

5 VW/RW Este pin equivale a una de las tres patas del potenciómetro, específicamente la pata del centro. Se le llama “wiper”.

6 VL/RL Este pin es el equivalente a una de las patas de los extremos del potenciómetro.

7 CS Este pin es el activador/desactivador del dispositivo. Cuando está en estado bajo es posible cambiar la resistencia del potenciómetro, una vez pase al estado alto el circuito guardara la resistencia en dicho instante en una memoria no volátil por un periodo de tiempo muy extenso.

8 Vcc Voltaje de entrada (V+) del circuito. Se conecta al voltaje de alimentación.

Fuente: (Intersil, 2009). Para conectar el panel fotovoltaico con el potenciómetro digital se tiene que realizar unas adecuaciones, ya que no soporta la máxima corriente que da el panel.

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Divisor de Voltaje.

𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝑽𝒊𝒏 ∗ 𝑹𝟐

𝑹𝟏+𝑹𝟐 Ecuación 13

𝟓 = 𝟐𝟏. 𝟎𝟖 ∗ 𝑹𝟐

𝑹𝟏+𝑹𝟐 Ecuación 14

Siendo R2 =100K 𝟓

𝟐𝟏.𝟎𝟖=

𝟏𝟎𝟎𝒌

𝑹𝟏+𝟏𝟎𝟎𝒌=>

𝟓

𝟐𝟏.𝟎𝟖∗𝟏𝟎𝟎𝒌=

𝟏

𝑹𝟏+𝟏𝟎𝟎𝒌 Ecuación 15

𝟐𝟏.𝟎𝟖∗𝟏𝟎𝟎𝒌

𝟓= 𝑹𝟏 + 𝟏𝟎𝟎𝒌 Ecuación 16

𝟐𝟏.𝟎𝟖∗𝟏𝟎𝟎𝒌

𝟓− 𝟏𝟎𝟎𝒌 = 𝑹𝟏 = 𝟑𝟐𝟏. 𝟔𝒌Ω Ecuación 17

Resistencia R1 comercial 330kΩ.

𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟐𝟏. 𝟎𝟖𝒗 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝒌Ω

𝟑𝟑𝟎𝒌Ω+𝟏𝟎𝟎𝒌Ω= 𝟒. 𝟗𝟎𝒗 ≈ 𝟓𝒗 Ecuación 18

Divisor de Corriente.

𝑰𝒓 =𝑹𝟏

𝑹𝟏+𝑹𝟐∗ 𝑰𝒔 Ecuación 19

Siendo R1 =1K

𝟑𝒎𝑨 =𝟏𝒌

𝟏𝒌+𝑹𝟐∗ 𝟏. 𝟐𝟗𝑨 Ecuación 20

𝟑𝒎𝑨

𝟏.𝟐𝟗∗𝟏𝒌=

𝟏

𝟏𝒌+𝑹𝟐=>

𝟏.𝟐𝟗∗𝟏𝒌

𝟑𝒎𝑨= 𝟏𝒌 + 𝑹𝟐 Ecuación 21

𝟏.𝟐𝟗∗𝟏𝒌

𝟑𝒎𝑨− 𝟏𝒌 = 𝑹𝟐 = 𝟒𝟐𝟗𝒌Ω Ecuación 22

Resistencia R2 comercial 470kΩ.

𝑰𝒓 =𝟏𝒌

𝟏𝒌+𝟒𝟕𝟎𝒌∗ 𝟏. 𝟐𝟗𝑨 = 𝟐. 𝟕𝟑𝒎𝑨 Ecuación 23

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Opción 2. Se plantea realizar un banco de resistencia que soporten el voltaje y corriente del panel solar. Las resistencias son seleccionadas a través de relés ya que estos lograran separar los circuitos en donde se está trabajando corrientes altas de los circuitos de control, estos han sido accionados por medio de programación, para enviar los datos al Arduino. Se realizará un acondicionador de voltaje el cual se compensará en el programa y se enviará al LabVIEW para realizar la gráfica de la curva I-V. Se necesitará una fuente externa ya que con la capacidad que da el Arduino no suple voltaje a todos los elementos. Por facilidad para seleccionar los elementos del acondicionador se realiza un divisor de tensión para bajar el voltaje al nivel requerido, se da un rango de voltaje por encima de lo generado por el panel para prevenir algún sobre picó que se pueda llegar a causar:

𝑽𝒐𝒖𝒕 =𝟏𝒌

𝟏𝒌+𝟏𝒌∗ 𝟐𝟑 = 𝟏𝟏. 𝟓 𝑽 Ecuación 24

Por tal razón el voltaje de entrada al acondicionador va hacer de 11.5 voltios. El acondicionador que se utilizara se especificara realizando las siguientes ecuaciones según la recta (figura 10): Figura 10. Ecuación de la recta para realizar el acondicionador.

𝒎 =𝒀𝟐−𝒀𝟏

𝑿𝟐−𝑿𝟏=

𝟓−𝟎

𝟏𝟏.𝟓−𝟎=

𝟓

𝟏𝟏.𝟓=

𝟏𝟎

𝟐𝟑 Ecuación 25

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𝒀 = 𝑿𝒎 + 𝒃 → 𝟓 = 𝟏𝟏. 𝟓 ∗𝟏𝟎

𝟐𝟑+ 𝒃 Ecuación 26

𝒃 = 𝟓 − (𝟏𝟏. 𝟓 ∗𝟏𝟎

𝟐𝟑) = 𝟎 Ecuación 27

La ecuación quedaría

𝒀 =𝟏𝟎

𝟐𝟑𝑿 → 𝑬𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒓𝒆𝒄𝒕𝒂 Ecuación 28

Se busca un operacional el cual su ecuación sea semejante a la ecuación de la recta, siendo este el inversor.

𝒀 =𝟏𝟎

𝟐𝟑 𝑿 𝑽𝒔𝒂𝒍 = −

𝑹𝒇

𝑹𝟏∗ 𝑽𝒆𝒏𝒕 Ecuación 29

Se hallan las resistencias Rf y R1.

𝑹𝒇

𝑹𝟏=

𝟏𝟎

𝟐𝟑 Ecuación 30

Siendo R1 10kΩ, Rf daría.

𝑹𝒇 =𝟏𝟎

𝟐𝟑∗ 𝟏𝟎𝒌 = 𝟒. 𝟑𝒌 ≈ 𝟒. 𝟕𝒌 Ecuación 31

Rf seria de 4.7kΩ, pero ya que es un operacional inversor se tiene que utilizar otro inversor para que la señal quede en los niveles adecuados, pero este no puede tener ganancia por eso Rf y R1 tienen que tener el mismo valor. Para tener una gráfica optima se tendrá un banco de resistencias de 32 las cuales serán seleccionadas dependiendo del relé que se halla accionado a través del decodificador, este se manejara por medio de Arduino por tal razón se realiza la decodificación de 5 a 32 para no acaparar todos los pines digitales.

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Se selecciona la segunda opción porque se ve que manejar el potenciómetro digital traería diferentes complicaciones para garantizar la precisión de carga al panel solar además de las adecuaciones que se tienen que realizar, se ven que estas consumirían corriente y la señal que llegaría Arduino no sería asegurada. 3.2.6 Selección del sensor de corriente. En la tabla 6 se presenta los 2 tipos de sensores de corriente que se investigaron para realizar la selección del sensor que cumple con los parámetros que son requeridos en el proyecto Tabla 6. Comparación de los sensores de corriente

Sensor Lineal Nomenclatura

ACS714 Si Voltios

Resistencia sensora (RS) Si Voltios

Fuente: (Allegro MicroSystems, LLC, 2013) El sensor ACS714 tiene para diferentes rangos de corriente (30A, 20A, 5A) por cuestión de facilidad en su adquisición se compra los sensores de 30 y 20 amperios, el cual tiene un pin de salida en voltios equivalente a la corriente que se consume. Según la hoja de datos del sensor ACS714 a 0 amperios mide 2,5 voltios. Al realizar las pruebas con el sensor (tabla 7) se concluye que presenta fallas ya que presenta datos menores a 2,5 voltios. Tabla 7 Comportamiento del sensor ACS714

Salida del sensor (voltios)

Corriente medida con multímetro (Amperios)

0,461 0,073

0,452 0,072

0,423 0,071

0,422 0,07

0,419 0,068

0,418 0,066

0,417 0,064

0,416 0,046

0,415 0,04

0,414 0,011

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Figura 11. Comportamiento del sensor ACS714.

Analizando la figura 11 se puede observar que por el sensor se estaba enviando datos incorrectos, comparándolos con la corriente que el multímetro estaba dando; por tal razón se descarta para realizar la medición. Se realiza la medición de corriente consumida por cada carga con una resistencia de 1Ω, dando provecho de la ley de ohm

𝑽𝒐𝒍𝒕𝒊𝒐𝒔 = 𝒓𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 ∗ 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 Ecuación 32

Siendo la resistencia igual a 1Ω el voltaje medido en la resistencia es igual a la corriente.

𝑽𝒐𝒍𝒕𝒊𝒐𝒔 = 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 Ecuación 33 En la tabla 8 se realiza la comparación de la corriente medida con el multímetro en el panel solar y el voltaje arrojado por la resistencia sensora, dando una diferencia de 0.002V/mA entre los datos.

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Tabla 8.Relación corriente en el panel y voltaje en la resistencia sensora.

Corriente medida en el multímetro(A)

Voltaje medido en la resistencia(V)

0,090 0,088

0,089 0,087

0,087 0,085

0,086 0,084

0,084 0,082

0,081 0,079

0,079 0,077

0,074 0,072

0,070 0,068

0,065 0,063

0,051 0,047

0,032 0,031

0,002 0,002

0,001 0,001

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4 CAPITULO IV

DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL HARDWARE DEL PROTOTIPO

Figura 12. Diagrama de bloques del diseño de Hardware requerido para implementar las pruebas en el panel solar.

En la figura 12 se visualiza el diagrama general que permite realizar las pruebas de los parámetros de los paneles solares y los elementos principales que se requieren para realizar las curvas de Voltaje – Corriente para verificar las normas NTC4405 y NTC2883. A continuación, se muestran las adecuaciones que se realizaron y las conexiones de cada elemento.

BANCO DE RESISTENCIAS.

El objetivo del banco de resistencias es permitir la generación de diferentes cargas para que haya un cambio en la corriente entregada y el voltaje producido por el panel, por tanto, permite realizar la curva I-V. Las conexiones del banco de resistencias se evidencian en las figuras 13 y 14.

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Figura 13. Conexiones del banco de resistencias.

Figura 14. Conexiones eléctricas del banco de resistencias

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CIRCUITO DE CONTROL DE RELES.

Para realiza la selección de los relés se utiliza un circuito combinacional el cual se basa en código de grey, se elige este código ya que solo se cambiara entre un número y otro un bit, cuando sucede más de dos cambios de bits, el circuito estaba presentado una selección unos instantes de otro relé, dando datos equívocos.

Gracias a un circuito combinacional junto con un banco de relés se genera una secuencia de activación donde solo uno de los 32 relés funciona al tiempo activando una carga del banco de resistencias, para activar cada una de las siguientes 31 cargas se determina un tiempo en segundos que puede ser modificado por el usuario. En la figura 15 y 16 se muestran las conexiones que se deben de realizar para que el control de las cargas funcione adecuadamente y tenga la secuencia que se requiere. Figura 15. Banco de Relés con conexión a decodificadores 4 a 16, Arduino y Banco de Resistencias.

Figura 16. Banco de Relés con conexión a decodificadores 4 a 16, Arduino y Banco de Resistencias.

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ACONDICIONADOR DE VOLTAJE.

Es necesario realizar un acondicionamiento de voltaje ya que el panel entrega hasta 22 voltios, pero Arduino maneja hasta 5 voltios, siendo sus conexiones las mostradas en la figura 17 y figura 18 siendo los valores de resistencias ya especificados en el capítulo 3, sección 3.2.5 opción 2. Figura 17. Acondicionador de voltaje del panel para realizar la curva I-V

Figura 18. Esquemático acondicionador de voltaje del panel para realizar la curva I-V.

SENSOR DE TEMPERATURA.

Por norma, para realizar las pruebas, se debe mantener una temperatura de 25ºC y 50ºC en el panel, por tanto, se distribuyen 3 sensores en el panel y por medio del Arduino se capturan los valores, los cuales estarán conectados según se muestra en la figuras 19 y 20.

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Figura 19. Sensor de temperatura de la superficie del panel solar.

Figura 20. Esquemático sensor de temperatura de la superficie del panel Solar

SENSOR DE CORRIENTE

Para realizar la curva I-V de la cual se sacan algunos de los datos pedidos por la norma se debe capturar la corriente que se está consumiendo para cada carga y así poder graficar el comportamiento del panel, en las figuras 21 y 22 se evidencia las conexiones de la resistencia sensora para capturar los datos adecuadamente.

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Figura 21. Sensor de corriente del banco de resistencias.

Figura 22. Esquemático sensor de corriente

CONEXIONES AL ARDUINO

En la tabla se presentara los pines utilizados en el Arduino para la entrada de los dados análogos y las salidas digitales Tabla 9. Pines utilizados en el Arduino

Variable Pin

Temperatura lado derecho del panel A0

Temperatura centro del panel A1

Temperatura lado Izquierdo del panel A2

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Entrada de voltaje A3

Entra de corriente A4

Pin A del decodificador 31

Pin B del decodificador 33

Pin C del decodificador 35

Pin D del decodificador 37

Pin Habilitador del decodificador 39

Los paneles que se permiten verificar en el prototipo de laboratorio deben estar en el rango entre 5W a 20W con un voltaje entre 5v y 22v y teniendo una corriente máxima de 5A, ya que el banco de resistencias, el acondicionador, la lámpara solar y el sensor de corriente han sido escogidos para trabajar dentro de estos parámetros. Según la norma NTC4405, el material de los paneles debe ser de silicio cristalino, sin importar si es poli cristalino o mono cristalino.

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5 CAPITULO V

SELECCIÓN DE SOFTWARE DE DESARROLLO PARA EL

PROCESAMIENTO E ILUSTRACIÓN DE DATOS ADQUIRIDOS.

El software que permite observar gráficamente las curvas finales de las pruebas también debe facilitar la comunicación con el Arduino Mega, para esta labor se selecciona el LabVIEW por encima del Flowstone y el C#, pues se cuenta con este programa en la Universidad San Buenaventura Cali y los estudiantes están familiarizados con la programación del software. Se tiene que resaltar que la interfaz con el usuario es de fácil manejo, interactiva y tiene una buena presentación.

IMPLEMENTACION DEL SOFTWARE.

5.2.1 Comunicación Arduino-LabView. Para realizar la comunicación entre LabView y Arduino se necesita como primer paso tener instalado estos dos programas. Arduino se podrá instalar gratuitamente desde la página Arduino.cc, se ingresa en la opción de software y se descarga según el sistema operativo que se tenga. Para instalar LabView se debe ingresar a la página de National Instruments, este software no es gratuito. El siguiente paso para realizar la comunicación entre los dos programas, es instalar Virtual Instrument Software Architecture (NI VISA) (Figura 23) el cual proporciona la interfaz de programación entre el hardware (Arduino) y el entorno de programación (LabView). Este se podrá descargar de la página de National Instruments totalmente gratis (http://www.ni.com/download/ni-visa-5.0.3/2251/en/). Figura 23. Instalación de NI-VISA.

http://www.ni.com/download/ni-visa-5.0.3/2251/en/

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Cuando se termina de instalar el NI-VISA, se instalará JKI VI Package Manager (Figura 24), totalmente gratis desde la página oficial. https://vipm.jki.net/get Figura 24. JKI VI Package Manager.

Cuando se instala el JKI VI Package Manager, se busca en este el LabView Interface for Arduino (LIFA) y se instala (Figura 25). Figura 25. Instalación del LIFA

Cuando se complete la instalación del LIFA se podrá ver en LabVIEW, las funciones para comunicarse con Arduino (Figura 26), con la cual se podrá captar y escribir datos.

https://vipm.jki.net/get

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Figura 26. Funciones de Arduino en LabVIEW

Para lograr la comunicación de Arduino con LabView se debe realizar un cambio en la función INT; se tendrá que abrir el front panel de la función INT, en el cual se debe buscar la opción Windows y abrir el Show Block Diagram. Al realizar las indicaciones pasadas se debe cambiar el bloque Visa CLR por Flush I/O Buffer, el cual limpia el buffer de entradas /salidas sin causar problemas de sincronización. (Torres & Bolaños, 2014) El último paso será conectar la placa de Arduino al conector USB, se instalan los drivers de Windows (Figura 27 y 28), los cuales vienen con el Arduino. Figura 27. Instalación de los drives de Windows.

Figura 28. Búsqueda de software de los drives

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Al terminar la instalación de los drives se tendrá que abrir el sketch de Arduino para la comunicación (LIFA), el cual se encuentra en la carpeta de instalación (Figura 29 y 30). Figura 29. Ruta de LabView Interface for Arduino

Figura 30. Sketch para Arduino.

Luego de abrir el programa en Arduino y compilarlo se podrá enviar datos a LabVIEW. 5.2.2 Programación de la adquisición y manejo de datos. En la figura 31 se podrán ver los bloques que permiten la comunicación entre Arduino y LabVIEW. Figura 31. Descripción del bloque de inicialización.

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En la figura 32 se visualiza el bloque para la lectura de los pines analógicos del Arduino, el cual lee todos los pines análogos de este, si es necesario s pude especificar al pin en concreto se quiere leer como en este caso. Figura 32. Lector de señales análogas.

Figura 33. Configuración de los pines digitales.

En la figura 33 se muestra los bloques de inicialización para los pines digitales del Arduino, aquí se especifica que pin se traba y si este es de entrada o salida. Figura 34. Incrementa el número de entrada.

En la figura 34 se muestra el bloque que suma va incrementando la variable que maneja el relé seleccionado. Figura 35. Señales digitales de salida.

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En la figura 35 muestra cómo se divide un número en bits y se realiza la conversión de un número entero a 1 o 0, dependiendo del valor que se halla ingresado Figura 36 Bloque para escribir en los pines digitales.

En la figura 36 se muestra el bloque de escritura en los pines digitales del Arduino, el cual envía 1 o 0 dependiendo de la posición del relé que se vaya a seleccionar. Figura 37 bloques de cierre del programa

En la figura 37 se muestra la finalización de la programación en Arduino, se realiza para darle cierra a este y dar la orden al Arduino de no realizar ninguna acción. Figura 38 Programación completa del procesamiento de datos.

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Figura 39 Interfaz maquina usuario.

Las figuras 38 y 39 muestran el resultado final de la interfaz con el usuario y la codificación que existe detrás de este.

69

6 CAPITULO VI

RESULTADOS DEL HARDWARE PARA EL PROTOTIPO FINAL

Después de implementar cada una de las tarjetas electrónicas que intervienen en el sistema del prototipo de caracterización de paneles solares se hizo el ensamble de una cámara para realizar las pruebas y una caja que guarda las tarjetas. Figura 40. Caja de control y adquisición de datos del sistema

En la figura 40 se observan las tarjetas que conforman el banco de resistencias a los lados, el sistema de comunicación con el Arduino en la parte inferior derecha y todos los circuitos en conjunto diseñados en el capítulo 3 y capítulo 4, en el centro el conjunto de relés los cuales van a realizar la selección de la carga del panel solar y a manipular los datos que este entregue para realizar la verificación de los parámetros de este. La figura 41 se puede evidenciar el prototipo implementado para darle radiación solar al panel y que permite lograr los ángulos (0°, 30° y 60°) requeridos por la norma en la realización del laboratorio.

70

Figura 41. Cámara de pruebas.

PRUEBAS DEL SISTEMA COMPLETO.

Las pruebas se realizan con un panel solar de la marca pvsolar con referencia pv20W, el cual tiene las especificaciones dadas en la tabla 10: Tabla 10. Especificaciones técnicas del panel solar

Potencia nominal 20W

Voltaje de funcionamiento 17.65V

Corriente de trabajo 1.17A

Voltaje circuito abierto 21.08V

Rango de potencia ±5%

Peso 2.6KG

Temperatura de operación -40°C ~+80°C

Tamaño 340x 580 x 28 mm

Todos los datos técnicos en estándar Condiciones

AM (Masa del aire) 1.5

E (Intensidad lumínica) |1000W/M2

Celdas Poli cristalino

Eficiencia del panel 22%

71

Figura 42. Medición de la radiación sin encender el simulador solar.

En la figura 42 se observa que con un Piranómetro especificado en el capítulo 3 sección 3.2 selección de dispositivos se toma una muestra de la radiación al interior de la caja sin que el simulador solar esté encendido, se obtiene un valor de 0 W/m2, lo cual indica que no hay ingreso de radiación solar real o simulada del exterior. 6.2.1 Prueba preliminar curva I/V. Esta prueba se realiza con todo el sistema conectado completamente pero no dentro de la cámara de pruebas.

Prueba panel ángulo de 0 grados. Figura 43. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados de la radiación del simulador solar.

72

En la figura 43 se puede comprobar la respuesta del panel con un ángulo de 0 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1153,11 W se resalta que la temperatura del panel se mantiene en un rango entre 32 °C y 36 °C lo cual se encuentra dentro de los parámetros que exige la norma (25° a 50°C). Se exportan los datos a Excel para tener futuros registros para el usuario los cuales se evidencian en la tabla 11. Tabla 11. Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 0 grados

Voltaje Corriente

0,966428 0,2842

2,26783 0,294

3,21145 0,2891

3,86143 0,2842

4,51285 0,2793

5,32105 0,2793

5,94966 0,2793

6,60107 0,2793

7,02727 0,2793

9,2951 0,2695

11,1581 0,2695

11,8323 0,2646

12,6405 0,2548

14,4365 0,2401

16,7486 0,196

16,8612 0,1911

17,2646 0,1666

17,2874 0,1617

17,3544 0,1617

17,534 0,1421

17,6908 0,1176

17,849 0,0931

17,8932 0,0833

17,9602 0,0784

18,0728 0,0588

18,1854 0,0441

18,2296 0,0294

73

Figura 44. Grafica de datos en Excel ángulo de 0 grados.

La figura 44 muestra la gráfica generada por Excel luego de exportar los datos desde LabVIEW.

Prueba panel ángulo de 30 grados Figura 45. Respuesta del panel solar a un ángulo de 30 grados de la radiación del simulador solar.

74

En la figura 45 se puede evidenciar la respuesta del panel con un ángulo de 30 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1153,11 W Tabla 12. Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 30 grados

Voltaje Corriente

0,808207 0,2352

1,86444 0,2352

2,62703 0,2352

3,16583 0,2303

3,70464 0,2303

4,35605 0,2254

4,78225 0,2254

5,36667 0,2254

5,72587 0,2254

7,61169 0,2205

9,18249 0,2205

9,85671 0,2156

10,5751 0,2107

12,4381 0,2058

15,5355 0,1862

15,8049 0,1813

16,5462 0,1568

16,4792 0,1568

16,5462 0,1519

16,8384 0,1323

17,1078 0,1176

17,3544 0,098

17,4898 0,0833

17,5112 0,0735

17,6466 0,0539

17,8034 0,0392

17,8932 0,0294

75

Figura 46 Graficas de datos en Excel ángulo de 30

En la tabla 12 se encuentran los datos exportados a Excel desde LabVIEW luego de realizar la prueba y posteriormente se compone la gráfica de la figura 46, dando la curva I-V en LabVIEW y en Excel iguales.

Prueba panel ángulo de 60 grados. Figura 47. Respuesta del panel solar a un ángulo de 60 grados de la radiación del simulador solar.

76

En la figura 47 se puede evidenciar la respuesta del panel con un ángulo de 60 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1153,11 W La exportación de los datos desde LabVIEW a Excel se ven reflejados en la tabla 13. Tabla 13 Resultados de la prueba tabulados en Excel ángulo de 60 grados

Voltaje Corriente

0,538805 0,1617

1,28002 0,1568

1,79602 0,1568

2,20083 0,1568

2,58284 0,1617

3,00904 0,1519

3,27844 0,1519

3,66045 0,1519

3,86143 0,1519

5,18707 0,147

6,30886 0,1519

6,73506 0,1519

7,25248 0,147

8,66649 0,1421

11,5173 0,1323

11,8323 0,1323

13,3133 0,1274

13,3803 0,1274

13,7395 0,1274

14,7501 0,1127

15,5812 0,1029

16,0971 0,0882

16,3437 0,0784

16,4564 0,0735

16,7486 0,0539

16,9724 0,0441

17,1078 0,0294

Al graficar los datos de la tabla 13 se obtiene la figura 48.

77

Figura 48. Graficas de datos en Excel ángulo de 30

Figura 49. Comparación de las pruebas a diferentes ángulos

Realizando un análisis de las gráficas I-V dadas en las pruebas (Figura 49) se puede deducir que los valores obtenidos de voltaje y corriente en la prueba con un ángulo de 30° corresponden al 89% respecto a la prueba que se realizó con un ángulo de 0°, por tanto, hay una pérdida de aproximadamente el 11%.

78

Se realiza la comparación en la prueba con ángulo de 60° y se tiene como resultado un porcentaje del 70% con respecto a la prueba con ángulo de 0°, dónde la pérdida es del 30% debido a que a mayor angulación, menor es la captación de radiación en el panel. Se deduce, teniendo en cuenta que la prueba fue realizada por fuera de la cámara de ensayo con posibles interferencias de irradiación de otras fuentes, la diferencia en porcentaje de sus valores no es tan alta. Tabla 14. Informe de resultados según la Norma Técnica Colombiana 4405

G(W/m2) θi Im Vm Isc Voc GA cos θi FF ᶯ 1153,11 0 0,2401 14,4365 0,2842 18,2296 1153,11 0,6690 0,0030

1153,11 30 0,18623 15,5355 0,2352 17,8932 1027,42 0,6875 0,0025

1153,11 60 0,1274 13,7395 0,2940 17,1078 677,78 0,3480 0,0015

Para plasmar el conjunto de resultados, la norma técnica colombiana 4405 propone realizar la tabla 14. Se ubican los valores de los resultados de corriente y voltaje máximo, corriente en corto circuito y voltaje de circuito abierto, posteriormente por medio de la:

𝑭𝑭 = 𝑰𝒎𝑽𝒎

𝑰𝒔𝒄𝑽𝒐𝒄 Ecuación 34

Se obtiene el valor del favor de llenado y con la:

ᶯ = 𝑭𝑭𝑰𝒔𝒄𝑽𝒐𝒄

𝑮𝑨 𝐜𝐨𝐬 𝜽 Ecuación 35

Se halla el valor de la eficiencia del panel la cual depende del ángulo de radiación del panel y del factor de llenado 6.2.2 Segunda prueba. Medición de la Curva I/V usando cámara de pruebas. La segunda prueba se realiza usando la cámara de pruebas del prototipo (ver figura 41), con esta ensayo se quiere llegar a comprobar el comportamiento del panel, ya la cámara de pruebas está revestida al interior con ductoglass el cual realiza aislamiento térmico, y en las paredes laterales tiene 4 ventiladores los cuales ayudaran con la circulación de aire dentro de la caja, de igual forma está ayudando a que no ingreso radiación de luz del exterior. Para este caso no se realiza medición de la temperatura del panel, los resultados fueron

79

Prueba panel solar ángulo de 0 grados Figura 50. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados

Tabla 15. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 0 grados

Voltaje (V) Corriente (A)

0,359203 0,3234

1,16741 0,3185

2,89643 0,3136

4,13084 0,3136

5,05165 0,3087

5,99527 0,3136

7,05008 0,3087

7,70149 0,3038

8,39709 0,2989

8,8689 0,294

11,8323 0,2842

13,9875 0,2793

14,6161 0,2695

15,4685 0,2597

17,085 0,2401

17,8034 0,1715

17,8262 0,1617

18,4776 0,0686

18,5218 0,0637

18,6116 0,049

80

18,7014 0,0343

18,747 0,0245

18,9038 0

18,881 0

18,8582 0

18,8582 0

Figura 51. Grafica de datos en Excel.

Prueba panel solar ángulo de 30 grados Figura 52. Respuesta del panel solar ángulo de 30 grados

81

Tabla 16. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 30 grados


0,315015 0,2891

1,05623 0,2891

2,60422 0,2842

3,66045 0,2793

4,46866 0,2744

5,27687 0,2744

6,19625 0,2744

6,82486 0,2695

7,54327 0,2646

7,99227 0,2646

10,5751 0,2548

12,2585 0,2401

12,9769 0,2352

13,6725 0,2303

15,2661 0,2107

17,6238 0,1666

17,7364 0,1617

18,4548 0,0686

18,499 0,0637

18,5674 0,049

18,6572 0,0343

18,7014 0,0245

18,8582 0

18,8582 0

18,8582 0

18,8368 0

82

Figura 53. Gráfico de datos en Excel

Prueba panel solar ángulo de 60 grados Figura 54. Respuesta del panel solar ángulo de 60 grados

Tabla 17. Resultados de la tercera prueba graficados en Excel. 60 grados


0,0684197 0,0784

0,292209 0,0784

0,764019 0,0784

1,10042 0,0784

1,36982 0,0784

83

1,61641 0,0784

1,93143 0,0784

2,15522 0,0784

2,38043 0,0784

2,53723 0,0784

3,43524 0,0735

4,15364 0,0735

4,40024 0,0735

4,75944 0,0735

5,63607 0,0686

7,76848 0,0637

8,08207 0,0686

14,1671 0,049

14,7958 0,049

15,8277 0,0343

16,5462 0,0294

16,7714 0,0196

17,3772 0

17,3772 0

17,4 0

17,4 0


Comparando las gráficas dadas en LabVIEW (figura 50, figura 52 y figura54) y las gráficas realizadas en Excel (figura 51, figura 53 y figura 55) teniendo en cuenta las tablas generadas por los valores exportados desde LabVIEW (Tabla 15, tabla 16,

84

tabla 17) se puede deducir que los datos coinciden y la gráfica que realiza el LabVIEW concuerda con los datos enviados por los circuitos de control. Figura 56. Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en la segunda prueba.

Haciendo una observación de los valores obtenidos en las diferentes curvas de la figura 56, se logra deducir que existe una similitud del 93% en los valores al cambiar el ángulo de la base de 0° a 30°, el cambio significativo está cuando se hace la prueba a 60°, donde hay una reducción del 50% con respecto al voltaje y corriente emitidos por el panel solar. Tabla 18. Informe de resultados según la Norma Técnica Colombiana 4405

G(W/m2) θi Im Vm Isc Voc GA cos θi FF ᶯ NA 0 0,2793 13,9875 0,3234 18,9038 1153,11 0,6390 NA

NA 30 0,2303 13,6725 0,2352 18,8582 1027,42 0,7099 NA

NA 60 0,0686 8,08207 0,2940 16,7714 677,78 0,1124 NA

En la tabla 18 no se toman valores de irradiación (G) por tanto no se puede hallar el valor de la eficiencia, pero si los valores del factor de llenado debido a que la formula no depende del valor de irradiación G y es otro término para definir la eficiencia

85

6.2.3 Tercera prueba curva I/V La tercera prueba se realiza en la caja de ensayos del prototipo, analizando la temperatura que va adquiriendo el panel a través de las pruebas y se mide la radiación solar por medio del piranómetro Dr Meter SM-206

Prueba panel solar ángulo de 0 grados y 804 W/m2. Figura 57. Radiación del simulador solar.

En la imagen de la figura 57 se muestra el valor de radiación medido al interior de la cámara de pruebas Figura 58. Respuesta del panel solar a un ángulo de 0 grados

86

En la figura 58 se puede evidenciar la respuesta del panel con un ángulo de 0 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 804 W Al exportar los valores del resultado de la prueba a Excel, se obtiene la tabla 19. Tabla 19. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 0 grados


0,404816 0,3332

1,25721 0,3332

3,05323 0,3332

4,33324 0,3283

5,29825 0,3283

6,17487 0,3234

7,20687 0,3185

8,06069 0,3136

9,09269 0,3234

9,69849 0,3234

12,7517 0,3087

14,9525 0,2989

15,7836 0,294

17,018 0,2891

18,1626 0,2499

18,9266 0,1813

19,8916 0,0098

19,5994 0,0784

19,6664 0,0686

19,712 0,0539

19,779 0,0343

19,8246 0,0245

19,9586 0

19,9586 0

19,9586 0

19,9814 0

87


Se grafican los valores exportados en Excel y se muestran en la figura 59 graficados.

Prueba panel solar ángulo de 0 grados y 1019 w/m2. Figura 60. Radiación del simulador solar

En la figura 60 se muestra la radiación incidente a la superficie del panel.

88

Figura 61. Respuesta del panel solar ángulo de 0 grados

En la figura 61 se puede comprobar la respuesta del panel con un ángulo de 0 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1019 W Tabla 20. Resultados de la segunda prueba graficados en Excel. 0 grados


0,449004 0,3626

1,34701 0,3577

3,27844 0,3528

4,66964 0,3528

5,77006 0,3577

6,84767 0,3577

7,90247 0,3479

8,62088 0,3381

9,5645 0,3381

10,1703 0,3381

13,4929 0,3283

16,0743 0,3234

16,7486 0,3087

17,5796 0,2989

18,3422 0,2548

18,9708 0,1813

19,0378 0,1764

19,5766 0,0735

89

19,5994 0,0686

19,6892 0,049

19,712 0,0343

19,7348 0,0245

19,8916 0

19,9144 0

19,8916 0

19,8688 0

Figura 62. Gráfico de datos en Excel

Prueba panel solar ángulo de 30 grados y 1072 w/m2. Figura 63. Radiación del simulador solar

90

En la figura 63 se muestra la radiación incidente al panel solar con un ángulo de 30 grados cabe aclarar que esta no es uniforme en todos los puntos del panel Figura 64. Respuesta del panel solar ángulo de 30 grados

En la figura 64 se puede comprobar la respuesta del panel con un ángulo de 30 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1072 W Tabla 21. Resultados de la tercera prueba graficados en Excel. 30 grados


0,337822 0,2793

1,05623 0,2793

2,56004 0,2793

3,66045 0,2744

4,44585 0,2744

5,27687 0,2695

6,15207 0,2695

6,82486 0,2695

7,54327 0,2695

8,01508 0,2646

10,7547 0,2597

12,7973 0,2499

13,5827 0,2499

14,5705 0,245

16,7486 0,2352

91

18,432 0,1764

18,5218 0,1715

19,2402 0,0735

19,2858 0,0686

19,3528 0,049

19,4426 0,0343

19,4654 0,0245

19,5994 0

19,6222 0

19,5766 0

19,5994 0


Prueba panel solar ángulo de 60 grados y 1108 m/w2. Figura 66. Radiación del simulador solar

92

Figura 67. Respuesta del panel solar ángulo de 60 grados

En la figura 67 se puede comprobar la respuesta del panel con un ángulo de 60 grados con respuesta al simulador solar y con una radiación de 1108 W Tabla 22. Resultados de la tercera prueba graficados en Excel. 60 grados


0,0684197 0,0784

0,292209 0,0784

0,786826 0,0784

1,10042 0,0784

1,36982 0,0784

1,61641 0,0784

1,93143 0,0735

2,11103 0,0784

2,33482 0,0735

2,49304 0,0735

3,32263 0,0735

3,97404 0,0735

4,22064 0,0686

4,55846 0,0686

5,43366 0,0686

7,38647 0,0637

7,56607 0,0637

14,2569 0,049

93

15,0652 0,049

16,7486 0,0392

17,4442 0,0294

17,6908 0,0196

18,365 0

18,365 0

18,365 0

18,3878 0


Se exportan los resultados de las pruebas a Excel obteniendo la tabla 19, tabla 20, tabla 21 y tabla 22, posteriormente se grafican los datos teniendo como resultado la figura 59, figura 62, figura 65 y figura 68, Figura 69. Gráfica comparativa de los resultados obtenidos en la tercera prueba.

94

En la figura 69 se representan los resultados de la tercera prueba, donde no solo se cambia el ángulo de posición sino que también se realiza el cambio de irradiación. Analizando los resultados se logra concluir que para las mediciones en ángulo 0°, la perdida es del 5% cuando se efectúa el cambio de irradiación. Teniendo en cuenta los resultados de la prueba 2 (ítem 6.2.2), se puede observar que, al realizar cambios en la inclinación del panel, las reducciones obtenidas son similares, para 30° se tiene una reducción del 27% y para 60° la reducción es del 47%. En la siguiente tabla se mostrarán los datos obtenidos en las prueba para diferentes ángulos. Tabla 23. Informe de resultados según la Norma Técnica Colombiana 4405

G(W/m2) θi Im Vm Isc Voc GA cos θi FF ᶯ 804 0 0,2891 17,018 0,3332 19,9586 804 0,7398 0,0061

1019 0 0,3234 16,0743 0,3626 19,8916 1019 0,7207 0,0051

1072 30 0,2352 16,7486 0,2793 19,6222 928,3792 0,7188 0,0042

1108 60 0,049 15,0652 0,0784 17,6908 554 0,5322 0,0013

Conclusiones de pruebas

Según los resultados de las 3 pruebas realizadas anteriormente, se deduce que la corriente máxima, voltaje máximo, potencia máxima y eficiencia del panel solar no llega a los valores óptimos, por tal razón se puede decir que el panel no está cumpliendo con los valores dados por el fabricante.

Las pruebas realizadas con diferentes ángulos, sirven para conocer el comportamiento del panel en el momento en que realice su función fuera del laboratorio, esto quiere decir que se podrá hacer una analogía con el movimiento del sol con el transcurso del día.

La concentración de la irradiación en el panel está más enfocada en el centro de este, por lo tanto no es homogénea, debido a la ubicación que tienen los simuladores solares, lo cual se ve reflejado en los resultados de las pruebas donde la temperatura era mayor para el centro del panel.

95

Al realizar las pruebas dentro de la cámara de ensayo se observa que los datos entregados por el panel mejoran con respecto a la prueba preliminar realizada fuera de la cámara de ensayo.

Con las pruebas se lograr adquirir los dos parámetros del panel solar, los cuales son la potencia máxima y la eficiencia del panel en un periodo de tiempo corto con un máximo de carga de 30kΩ.

96

7 CONCLUSIONES

El prototipo implementado logra cumplir con el propósito del proyecto, el cual es realizar la verificación de los parámetros del panel seleccionados en el capítulo 2 sección 2.2 los cuales son potencia máxima y eficiencia del panel solar, estos se logran obtener realizando las curvas características de los paneles solares en diferentes ángulos, planteadas en las normas técnicas colombianas 4405 y 2883.

Los ángulos planteados en las normas técnicas colombianas tienen como propósito conocer el comportamiento de los paneles cuando la radiación de la fuente no está directa a la superficie del panel, resultado que se pudo verificar en las gráficas arrojadas con las pruebas hechas con el prototipo con diferentes ángulos de incidencia de la luz sobre el panel solar; donde la eficiencia bajo notablemente al aumentar el ángulo.

La interfaz gráfica se realizó usando el LABVIEW y permite realizar desde un computador la prueba de los paneles solares, donde la curva I-V arrojada, denota el cambio que tiene la corriente y el voltaje de este, en función de la variación de la carga de una manera automática y secuencial.

Se logra trabajar con dos plataformas de programación, las cuales consiguen facilitar la adquisición de datos y el manejo de estos para alcanzar el propósito del proyecto el cual es adquirir dos parámetros del panel seleccionados en el capítulo 2 sección 2.2 estado del arte (potencia máxima y eficiencia del panel solar).

Gracias a las investigaciones que se realizaron durante el proceso del proyecto se pudieron concluir los parámetros más significativos de este, para el momento que se requiera realizar un sistema de paneles solares.

97

OBSERVACIONES

La comunicación entre LabVIEW y Arduino se logra establecer por medio de la librería LabVIEW for Arduino, la cual se descarga desde la página oficial de National Instruments, pero se debe tener presente los bloques que se utilizan en el programa LabVIEW para lograr el funcionamiento de esta, por tanto, se debe poseer un conocimiento básico de la programación en LabVIEW.

En la Universidad de San Buenaventura no se cuenta con un piranometro, por tal razón se realiza el préstamo de este dispositivo por medio del profesor Jury Ulianov López Castrillón de la Universidad Autónoma de Occidente, el tiempo de adquisición fue limitado por tal razón se lograr realizar pocas pruebas con el Piranómetro presente.

En un futuro el proyecto se podrá ampliar para paneles más grandes, se debe tener en cuenta su potencia máxima ya que se trabaja con un banco de resistencias como carga que soportan 20W, de igual forma se podrá aumentar la irradiación ya que es posible ingresar más simuladores solares en la cámara de ensayos.

En Colombia no se encuentra un laboratorio certificado donde se realice el análisis de los parámetros del panel solar bajo condiciones repetibles.

98

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107

ANEXO A

GUIA DE PRUEBAS DE LABORATORIO Para realizar las pruebas de laboratorio de verificación de los parámetros del panel solar se deben tener en cuenta los siguientes materiales:

Panel solar entre 5W a 20W, con un voltaje entre 5v y 22v y teniendo una corriente máxima de 5 amperios.

Simuladores de luz solar (Lámparas Halógenas, 500 W).

Fuente dual, a 12 y menos 12 voltios

Programa LabVIEW y Arduino instalado en el equipo en que se trabajará. Si ya se tiene instalado el programa Virtual Instrument Software Architecture y LabVIEw for Arduino por favor omitir los pasos 1 al 10. 1. Ingresar a www.ni.com /dowload/ni-visa-5.0.3/2251/en/ e instalar NI Dowload

Manager (Recommended).

Figura 1. Instalación de NI-Visa.

108

2. Dar siguiente hasta que se llegue la descarga del programa para la comunicación entre las interfaces con las que se trabajará.

3. Al terminar la instalación de NI-VISA se debe ingresar a vipm.jki.net/get para instalar JKI VI Package en donde se encontrará la librería de comunicación LabVIEW for Arduino. Al ingresar a la página se podrá ver 3 opciones de instalación se recomienda descargar el paquete sin costo.

Figura 2. Página de descarga de JKI VI Package.

4. Al terminar la instalación de JKI VI Package se realiza la búsqueda de LabVIEW for Arduino (LIFA).

Figura 3. JKI VI Package Manager.

109

Figura 4. Instalación del LIFA

5. Al completar la instalación se podrá ver en LabVIEW en las funciones una librería llamada Arduino donde se encontrar los bloques para realizar el manejo de los datos de Arduino enviados y recibidos por LabVIEW, la configuración de los pines y de la placa de Arduino, y la comunicación entre estos.

Figura 5. Librería de Arduino en LabVIEW.

6. Se debe conectar la placa del Arduino al computador para lograr realizar la instalación de los Drives de Arduino los cuales se encuentran en el panel de control, administrador de dispositivos, se busca puertos COM y LPT, se le da doble clic a puertos de comunicaciones (COM) y actualizar software de controladores.

Figura 6. Actualizar controladores de Arduino.

7. Al dar clic en la opción anterior saldrá una ventana en donde se tiene dos opciones se debe seleccionar buscar software de controlador en el equipo, y aceptar.

110

Figura 7. Actualizador de Software del Arduino

8. Al terminar la instalación de los drives se tendrá que abrir el sketch de Arduino para la comunicación (LIFA), el cual se encuentra en la carpeta de instalación, la cual tiene la ruta de equipo/dico local/archivos de programa (x86)/national intruments/ LabVIEW 2013, o según el labview instalado en su computadora,/vi.Lib/L()LabVIEW interface for Arduino/Fimware/lifa_base.

9. Al encontrar la ruta anterior se debe de abrir el programa LabVIEWinterface en el Arduino.

Figura 8. Programa de comunicación entre Arduino y LabVIEW

10. Ya teniendo abierto el programa se debe cargar a la placa del Arduino para lograr su comunicación, y así poder recibir y enviar datos.

Figura 9. Programa LIFA en Arduino

111

En los siguientes pasos se mostrará cómo se debe realizar las conexiones entre la cámara de pruebas y la caja de control y adquisición de datos del sistema. Las conexiones del Arduino están especificadas en la tabla 1 Tabla 1. Especificaciones de los pines de Arduino

Variable Pin

Temperatura lado derecho del panel A0

Temperatura centro del panel A1

Temperatura lado Izquierdo del panel A2

Entrada de voltaje A3

Entra de corriente A4

Pin A del decodificador 31

Pin B del decodificador 33

Pin C del decodificador 35

Pin D del decodificador 37

Pin Habilitador del decodificador 39

11. Se coloca la fuente dual a 12 voltios a una corriente de 1 Amperio, y se

programa en serie, siendo el canal 1 maestro y canal 2 esclavo, la conexión de menos doce voltios (-12V), se debe realizar en la tierra del canal 2.

12. Se realizan las conexiones en la caja de control y adquisición de datos las cuales son 12, -12 voltios y tierra de la fuente dual.

Figura 10. Conexiones caja de caja de control y adquisición de datos.

13. Los doce voltios de la cámara de pruebas se conectan desde la fuente dual, al igual que la tierra, para que el sistema tenga especificado una sola tierra.

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Figura 11. Conexiones cámara de pruebas.

14. Los cinco voltios se producen desde el acondicionador y sale desde la caja de control y adquisición de datos del sistema, para ser conectado a la cámara de pruebas.

Figura 12. Conexión de 5 voltios de la caja de control y adquisición de datos del sistema a cámara de pruebas.

15. La salida de voltaje del panel, se podrá encontrar en la cámara de pruebas teniendo su salida especificada en una de las bananas; este se tendrá que conectar a una banana de la caja de control y adquisición de datos del sistema.

Figura 13. Conexión Voltaje del panel solar.

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16. Las señales de los sensores de temperatura saldrán de la cámara de pruebas e irán conectadas al Arduino (ver tabla 1) para su análisis.

17. Teniendo en cuenta los pines usados en el Arduino (ver tabla 1), así mismo se debe configurar los pines en el programa de LabVIEW, también se deberá configurar la placa de Arduino que se está utilizando (en este caso Arduino mega) y se deberá configurar el puerto que se utiliza.

Figura 14. Configuración de la placa de Arduino y pines

18. Por ultimo en la interfaz de LabVIEW se debe colocar el ángulo en que se está trabajando y la radiación (W/m2) de los simuladores solares con respecto al plano del panel solar.

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Figura 15.Datos de radiación solar y ángulo del panel

19. Ya realizando todos los pasos anteriores se correrá el programa en LabVIEW.

Los datos obtenidos a medida que se corre el programa se pondrán ver en la parte derecha de la interfaz con el usuario (Potencia, voltaje, corriente y temperatura). Al finalizar se obtendrá la curva I-V, potencia máxima, voltaje máximo, corriente máxima, voltaje de circuito abierto, corriente de corto circuito, factor de llenado y eficiencia del panel, los cuales se muestran en la parte derecha inferior de la interfaz de usuario.

20. Dando clic derecho sobre la gráfica se tendrá la opción de exportar los datos de esta a Excel.

Figura 16. Exportación de los datos a Excel.

Prototipo de laboratorio que permite verificar parámetros ...

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