Análisis e implementación de un sistema electrónico ... · 1.2.1.2 Conversor elevador operando...

ANÁLISIS E IMPLEMENTACIÓN DE UN

SISTEMA ELECTRÓNICO PARA ALCANZAR EL

PUNTO MÁXIMO DE POTENCIA EN LOS

PANELES SOLARES DE LA UNIVERSIDAD

POLITÉCNICA SALESIANA.

II

ANÁLISIS E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA

ELECTRÓNICO PARA ALCANZAR EL PUNTO

MÁXIMO DE POTENCIA EN LOS PANELES SOLARES

DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA.

JOSÉ ANTONIO GONZÁLEZ ROMERO Egresado de la Carrera de Ingeniería Electrónica

Universidad Politécnica Salesiana

XAVIER ANDRES CÁRDENAS CARANGUI Egresado de la Carrera de Ingeniería Electrónica

Universidad Politécnica Salesiana

Dirigido por:

ING. XAVIER SERRANO GUERRERO. MSC. Ingeniero Electrónico

Docente de la Universidad Politécnica Salesiana

Facultad de Ingenierías

Carrera de Ingeniería Eléctrica.

III

DECLARACION DE AUTORIA

Nosotros, José Antonio González Romero con CI 0301836318 y Xavier Andrés

Cárdenas Carangui con CI 0301585816, por medio del presente documento certifico

que hemos leído la Política de Propiedad Intelectual de la Universidad Politécnica

Salesiana y estamos de acuerdo con su contenido, por lo que los derechos de propiedad

intelectual del presente trabajo de investigación quedan sujetos a lo dispuesto en la

Política.

Asimismo, autorizo a la Universidad Politécnica Salesiana para que realice la

digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual,

de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación

Superior.

Cuenca, 20 de mayo del 2016

José Antonio González Romero Xavier Andrés Cárdenas Carangui

CI: 0301836318 CI: 0301585816

IV

CERTIFICACIÓN

En calidad de TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN “Análisis e

Implementación de un sistema electrónico para alcanzar el punto máximo de

potencia en los paneles solares de la Universidad Politécnica Salesiana”, elaborado

por José Antonio González Romero y Xavier Andrés Cárdenas Carangui, declaro y

certifico la aprobación del presente trabajo de titulación basándose en la supervisión y

revisión de su contenido.

Cuenca, 20 de mayo del 2016

Ing. Johnny Xavier Serrano Guerrero M.Sc.

DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN

V

AGRADECIMIENTOS

Nuestro principal agradecimiento es a Dios por esta siempre con nosotros, a nuestros

padres que nos han brindado su ayuda y apoyo incondicional a través de los años

hasta conseguir nuestros logros, a nuestro tutor el Ing. Xavier Serrano que con sus

conocimientos, experiencia nos ha guiado por el camino correcto en la realización

de este trabajo de titulación, de igual manera al Ing. Freddy Campoverde por la ayuda

brindada. Y a todas las personas que de cierta manera nos ha colaborado en este

trabajo.

José Antonio González Romero Xavier Andrés Cárdenas Carangui

VI

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a toda mi familia en especial a mis padres y mi hermano por

todo el apoyo brindado a lo largo de todos estos años de estudio. También a todos

mis amigos que de una u otra manera me han ayudado para culminar esta meta.

José González Romero

Dedico este trabajo, a mis padres por haberme apoyado a lo largo de mi vida, por

brindarme su amor y gracias a todo su apoyo me han permitido llegar a este

momento tan importante dentó de mi formación profesional. A mi tía y hermana que

han sido pilares fundamentales para mi responsabilidad y deseos de superación,

brindándome su apoyo tanto en mi vida personal como en mi formación estudiantil.

Además a todos mis familiares que me han brindado consejos y apoyo en todo lo que

me propuesto y me han ayudado a salir adelante.

Y finalmente a todos los amigos que durante esta etapa académica nos hemos

brindado mutua ayuda para salir adelante ante las adversidades

Xavier Andrés Cárdenas Carangui

VII

INDICE GENERAL

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ............................................................................. 1

1.1 Sistemas de energía solar fotovoltaica ........................................................ 1

1.1.1 Sistemas Fotovoltaicos Autónomos. .................................................... 2

1.1.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica. ....................... 3

1.2 Seguidor del punto máximo de potencia ..................................................... 3

1.2.1 Conversores DC-DC ........................................................................... 4

1.2.1.1 Conversor reductor operando en el MPP ...................................... 5

1.2.1.2 Conversor elevador operando en el MPP...................................... 5

1.3 Algoritmos para el seguimiento del MPPT ................................................. 5

1.3.1 P&O [13] ............................................................................................ 5

1.3.2 Conductancia Incremental [14] ........................................................... 7

1.3.3 Mediante Control Difuso [15] ............................................................. 8

1.3.4 Mediante Redes Neuronales [16] ........................................................ 9

MODELAMIENTO DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO ...........................10

2.1 Modelo matemático de una Célula Solar Fotovoltaica ...............................10

2.1.1 Determinación de 𝑰𝑳 ..........................................................................11

2.1.2 Determinación de 𝑰𝒐 ..........................................................................12

2.1.3 Determinación de 𝑹𝒔 .........................................................................13

2.1.4 Determinación de a ............................................................................13

2.1.5 Modelo del panel solar .......................................................................14

2.2 Características del Panel Solar Fotovoltaico ..............................................15

2.3 Modelamiento del Panel Solar Fotovoltaico ..............................................16

DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA ................................................23

3.1 Estimación de la energía entregada por el panel ........................................23

3.2 Diseño del sistema ....................................................................................24

3.2.1 Subsistema de control ........................................................................25

3.2.1.1 Hardware ....................................................................................25

3.2.1.1.1 Microcontrolador .....................................................................26

3.2.1.1.2 Sensor de Voltaje .....................................................................27

3.2.1.1.3 Sensor de Corriente ..................................................................29

3.2.1.1.4 Mosfet driver ...........................................................................30

3.2.1.1.5 LCD ........................................................................................31

3.2.1.1.6 Interfaz Serial-USB..................................................................32

VIII

3.2.1.2 Software .....................................................................................32

3.2.2 Subsistema de potencia ......................................................................44

3.2.2.1 Conversor elevador (BOOST) [31] .............................................44

3.2.2.2 Dimensionamiento de los componentes ......................................47

3.2.2.2.1 Inductor ...................................................................................48

3.2.2.2.2 Transistor.................................................................................48

3.2.2.2.3 Capacitor .................................................................................49

3.2.2.2.4 Diodo.......................................................................................50

3.2.3 Simulaciones .....................................................................................51

3.2.3.1 Con R = 50Ω ..............................................................................53

3.2.3.2 Con R=20Ω ................................................................................57

3.3 Implementación del sistema ......................................................................61

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ....................................................................65

4.1 Pruebas del algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable ...................65

4.2.1 Punto de máxima potencia del panel fotovoltaico ...............................65

4.2.2 Algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable ..............................66

4.2 Pruebas con MPPT ...................................................................................68

4.3.1 Con R = 20Ω .....................................................................................68

4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia ...............................................68

4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia .....................................................71

4.3.2 Con R = 45Ω .....................................................................................73

4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia ...............................................73

4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia .....................................................76

4.3 Pruebas sin MPPT.....................................................................................79

4.3.1 Con R = 20Ω .....................................................................................79

4.3.2 Con R = 45Ω .....................................................................................80

4.4 Comparación de las pruebas con MPPT y sin MPPT .................................81

4.5 Presupuesto...............................................................................................83

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................85

5.1 Conclusiones ............................................................................................85

5.2 Recomendaciones y Trabajo futuro ...........................................................86

ANEXOS ................................................................................................................87

ANEXO I ............................................................................................................87

SOFTWARE DEL SISTEMA REALIZADO EN MPLAB C18 ..........................87

ANEXO II ......................................................................................................... 100

IX

SCRIPT EN MATLAB PARA LA ADQUISICIÓN DE DATOS ...................... 100

Bibliografía ........................................................................................................... 104

X

Índice de Figuras

Figura 1.1. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Figura 1.2. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico autónomo. . . . . . . . . . . .2

Figura 1.3. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red

eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Figura 1.4. Representación de punto máximo de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Figura 1.5. Modelo de un convertidor DC-DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Figura 1.6. Diseño de un convertidor Buck-Boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Figura 1.7. Diagrama de bloques del algoritmo P&O. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Figura 1.8. Diagrama de bloques del algoritmo CI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Figura 1.9. Arquitectura de un controlador difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Figura 1.10. Arquitectura de una red neuronal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Figura 2.1. Modelo equivalente de una celda solar: (a) Modelo general, (b) Modelo

simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Figura 2.2. Circuito equivalente de un panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Figura 2.3. Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

Figura 2.4. Características Eléctricas del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . 15

Figura 2.5. Datos Técnicos del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Figura 2.6. Coeficientes de Temperatura del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . .16

Figura 2.7. Modelo en Simulink del panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

Figura 2.8. Diagrama de bloques del panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura 2.9. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y

variación de irradiancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Figura 2.10. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con irradiancia constante y

variación de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Figura 2.11. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y

variación de irradiancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Figura 2.12. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con radiación constante y variación

de la temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

Figura 3.1. Diagrama de bloques del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 3.2. Diagrama de bloques del Hardware del subsistema de Control. . . . . . . . 26

Figura 3.3. Diagrama de pines del PIC18F4620. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

XI

Figura 3.4. Sensor de voltaje a la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

Figura 3.5. Sensor de corriente ACS712. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

Figura 3.6. Conexión del sensor de corriente al microcontrolador. . . . . . . . . . . . . . .30

Figura 3.7. Circuito de excitación del Mosfet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

Figura 3.8. Conexión del LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

Figura 3.9. Interfaz Serial-USB con FT232RL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

Figura 3.10. Diagrama de flujo del programa principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

Figura 3.11. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración de periféricos del

PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

Figura 3.12. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración la interrupción del

PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Figura 3.13. Diagrama de flujo de la subrutina para la conversión Analógico/Digital. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Figura 3.14. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de voltaje. . . . . . . . . .38

Figura 3.15. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de corriente. . . . . . . . 38

Figura 3.16. Diagrama de flujo para la subrutina de envío de datos por el puerto serial.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Figura 3.17. Diagrama de flujo para la subrutina de recepción de datos por el puerto

serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

Figura 3.18 Diagrama de flujo para la subrutina de interrupción de alta prioridad. . .41

Figura 3.19. Diagrama de flujo para la subrutina de MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . .43

Figura 3.20. Diagrama de flujo para la subrutina de actualización de variables. . . . .43

Figura 3.21. Conversor Elevador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura 3.22. a) Circuito equivalente con el interruptor cerrado, b) Circuito equivalente

con el interruptor abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Figura 3.23 Corriente en el inductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 3.24. Inductor de 1mH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 3.25. Encapsulado y distribución de pines del IRF 540N. . . . . . . . . . . . . . .49

Figura 3.26. Capacitor de 1000 uF - 200V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

XII

Figura 3.27. Diodo Schottky 30CPQ100 de International Rectifier. . . . . . . . . . . . .50

Figura 3.28. Simulación en Simulink de MATLAB®. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Figura 3.29. Valores de Irradiancia y Temperatura a utilizarse en la simulación. . . .52

Figura 3.30. Curvas Potencia-Voltaje del panel para distintas Irradiancias. . . . . . . .52

Figura 3.31. Potencia a la salida del Panel con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura 3.32. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R =

50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura 3.33. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . .55

Figura 3.34. Voltaje y corriente a la salida del Conversor con R = 50Ω. . . . . . . . . . . 56

Figura 3.35. Ciclo de trabajo del PWM con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura 3.36. Potencia a la salida del Panel con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 3.37. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R =

20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

Figura 3.38. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . .59

Figura 3.39. Voltaje y Corriente a la salida del conversor con R = 20Ω. . . . . . . . . . . 59

Figura 3.40. Ciclo de trabajo del PWM con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura 3.41. Sistema de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura 3.42. Sistema de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura 3.43. Circuito impreso del subsistema de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 3.44. Circuito impreso del subsistema de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 3.45. Disposición de los pines de salida del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 3.46. Diagrama de conexión del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 4.1. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=650W/m^2. . .65

Figura 4.2. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=430W/m^2. . .66

Figura 4.3. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso fijo. . .67

Figura 4.4. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso variable.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

Figura 4.5. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

Figura 4.6. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . . .70

Figura 4.7. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

Figura 4.8. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Figura 4.9. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . . .72

XIII

Figura 4.10. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

Figura 4.11. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Figura 4.12. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . .75


Figura 4.14. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

Figura 4.15. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . .78


Figura 4.17. Voltaje, corriente y potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura 4.18. Voltaje, corriente y potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Figura 4.19. Potencia entregada por el panel con y sin MPPT, con variación de la carga.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

XIV

Índice de Tablas

Tabla 2.1. Características del Módulo SIMAX SM536-9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Tabla 3.1. Datos de Insolación Global en el Cantón Cuenca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

Tabla 3.2 Valores de Corriente, Voltaje y Potencia del punto de máxima potencia a

distintas irradiancias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

Tabla 3.3 Valores de Corriente y Voltaje máximos a la entrada y salida del sistema. . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

Tabla 4.1. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia máximos a la salida del panel con

distintas irradiancias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

Tabla 4.2. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. . . . . . . . . . 68

Tabla 4.3. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. . . . . . .69







Tabla 4.10. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . 79

Tabla 4.11. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . 80

Tabla 4.12. Tabla comparativa con los valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la

carga con y sin MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82

Tabla 4.13. Tabla comparativa con los valores de la eficiencia del sistema con y sin

MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Tabla 4.14. Costos de implementación de sistema MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

XV

Abreviaturas

FV Fotovoltaico

DC Corriente Continua

AC Corriente Alterna

PWM Modulación por ancho de pulso

MPPT Seguimiento del punto máximo de potencia

MPP Punto de máxima potencia

P&O Algoritmo de Perturbar y Observar

CI Algoritmo de Conductancia Incremental

G Irradiancia [𝑊/𝑚2]

STC Condiciones estándares de prueba con G = 1000 W

m2 y T = 25 C°

PMPP STC Potencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de

prueba

VMPP STC Voltaje en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de

prueba

IMPP STC Corriente en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de

prueba

RMPP STC Resistencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándares

de prueba

VOC STC Voltaje de circuito abierto a condiciones estándares de prueba

ISC STC Corriente de cortocircuito a condiciones estándares de prueba

ADC Conversor Analógico/Digital

XVI

RESUMEN

Este proyecto presenta el diseño y la implementación de un sistema electrónico

enfocado en la búsqueda del punto máximo de potencia de un panel solar fotovoltaico.

Este documento se encuentra divido en cinco partes.

La primera sección está dedicada a una recopilación bibliográfica e informativa, dentro

de la misma se puede encontrar la introducción y el estado del arte que engloba todo

el proyecto, partiendo desde cómo se produce la energía fotovoltaica, aplicaciones,

sistemas para el seguimiento del punto máximo de potencia (MPPT, “Maximum

Power Point Tracking”), y los objetivos planteados para el cumplimiento del mismo.

En la segunda sección se realiza el modelamiento eléctrico de un panel solar, el mismo

que se lo simuló en Simulink® de Matlab® basándose en los datos característicos de

dicho panel que se obtuvieron de la hoja de datos del fabricante. Con estos datos se

simuló el comportamiento del panel solar en condiciones estándar “STC”,

comprobando así su correcto funcionamiento.

En la tercera sección se realiza el diseño de todo el sistema, no obstante se hace utiliza

el simulador Simulink® de Matlab® para probar el funcionamiento de la parte

electrónica y la etapa de control del sistema. Además se realizan los cálculos

necesarios para la implementación física del sistema, por ejemplo: transistores,

sensores, capacitores, inductores. De igual manera la etapa de control es programada

en un microcontrolador, en conjunto todos estos sistemas forman el sistema electrónico

necesario para el funcionamiento del MPPT. Además se encuentra el diseño de la placa

electrónica final.

En la cuarta sección se realizan las pruebas de funcionamiento del sistema, con

diferentes valores de irradiancia, temperatura y carga. Se realiza una comparación de

los valores de salida de sistema con los valores de máxima potencia.

Por último, la quinta sección está dedicada a exponer las conclusiones obtenidas en

realización del proyecto, además nombrar los trabajos futuros que pueden ser

realizados a partir de este proyecto.

XVII

ABSTRACT

This Project expose the design and implementation of a MPPT (Maximum Power Point

Tracking) system of a solar panel. This document is divided in five chapters.

In the first section is expose a bibliographic and informative recompilation about the

theory that involve this project, starting from how the photovoltaic energy works,

other application, Maximum Power Point Tracking Systems, and the objectives sets to

accomplish this project.

In the second section is shown the electrical modeling of a solar panel, the modeling

was simulated in Simulink® de Matlab®, we use the technical data from de solar panel

datasheet. With these data we can simulate the behavior of the solar panel under

standard conditions "STC" and verifying proper operation.

In the third section its expose the design and implementation of all the system, instead

we might use a simulator to test the proper function of the electronic stage and the

control stage of the system. Also the calculus of the physical implementation of the

system must be made, for example: transistors, sensors, capacitances, inductors. The

control stage is programing in a microcontroller, all this electronic system in conjunct

conform the MPPT (Maximum Power Point Tracking). It is detailed step by step each

stage of system, design, simulation and implementation. As well as the construction

of the electronic card (PCB).

In the fourth section are expose all the testing probes of the system, with different

values of temperature, load and irradiance. Then a comparison is made between the

output values of the system with the maximum power point values

The last section is developed to expose all the conclusions about the accomplishment

of the project, also to shown all the future works that can be make starting from

XVIII

ANTECEDENTES

En la actualidad el uso de energías renovables es una excelente alternativa para el

ahorro energético, principalmente la utilización de paneles solares fotovoltaicos. La

energía solar fotovoltaica aprovecha la irradiancia para generar energía eléctrica [1].

Con los cambios hechos en la matriz energética del Ecuador que impulsa el uso de

energías renovables [2], varias empresas en la actualidad están usando la energía

renovable para generar electricidad, un claro ejemplo son los nodos de

telecomunicaciones que aprovechan la radiación solar para cargar sus baterías o los

radares que utilizan paneles solares para generar electricidad.

En la universidad aunque existen proyectos de investigación con energías renovables

como la eólica o la misma solar fotovoltaica, no existen proyectos enfocados a sistemas

electrónicos para la búsqueda del punto máximo de potencia para paneles solares

fotovoltaicos [3].

La idea de implementar un sistema electrónico para alcanzar el punto máximo de

potencia tiene como objetivo utilizar eficientemente los paneles solares aprovechando

la máxima potencia que estos pueden dar mediante la implementación de algoritmos

para el seguimiento del punto de máxima potencia de un panel solar [4], [5].

XIX

INTRODUCCIÓN

Las energías renovables en el siglo XXI han brindado una forma de obtención de

electricidad a nivel mundial. Entre estas podemos recalcar la energía solar fotovoltaica.

Este tipo de energía es considerada actualmente una de las más económicas y

amigables con el medio ambiente.

A nivel mundial, los países desarrollados al incrementar la demanda de consumo

eléctrico se han visto en la necesidad de realizar cambios en sus matrices energéticas,

se han buscado de nuevas fuentes de generación de energía tratando evitar el impacto

ambiental a gran escala.

En los últimos años el Ecuador se ha visto envuelto en cambios de matriz energética,

no obstante no han sido de mucha consideración energías con buena funcionalidad

como la energía solar fotovoltaica, son pocas las instalaciones de este tipo que

podemos encontrar en nuestro país y sus aplicaciones son a pequeña escala [6].

Las ventajas que tiene la energía solar fotovoltaica frente a otros tipos de energías

renovables como la eólica por ejemplo son su facilidad de implementación, sus costos

más accesibles, la ausencia de ruido debido a que no tienen partes móviles y el poco

mantenimiento que necesitan. Sin embargo la eficiencia de los paneles solares

fotovoltaicos se encuentra entre un 12-20% y puede variar dependiendo de las

condiciones de irradiancia, temperatura y de la carga conectada, por lo que para

satisfacer las demandas requeridas sería necesario incrementar el número de paneles

fotovoltaicos elevando los costos y la viabilidad del sistema [7].

Para mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos, varios algoritmos han sido

desarrollados, entre los más comunes están el de Perturbar y Observar [13], el de

Conductancia Incremental [14], por Lógica Difusa [15] y por Redes Neuronales [16].

Cada uno de estos difiere en el algoritmo utilizado para el seguimiento, siendo el de

Perturbar y Observar el más utilizado por su simplicidad y eficiencia. Este trabajo

XX

presenta el diseño e implementación de un sistema de seguimiento del punto de

máxima potencia para paneles solares basado en el algoritmo P&O.

1

Capítulo I

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

1.1 Sistemas de energía solar fotovoltaica

Se conoce como tecnología solar fotovoltaica, aquella que usa conversión directa de

la irradiancia en electricidad. Este tipo de conversión se realiza a través de células

solares, gracias al efecto fotoeléctrico.

Este tipo de energía puede ser utilizada en un amplio rango de aplicaciones, donde sea

necesario generar electricidad. Se pueden satisfacer necesidades energéticas para

sistemas alejados de la red eléctrica o generar energía para inyectarla a red [8].

En función de su conexión a la red, estos sistemas son clasificados de la siguiente

manera:

- Sistemas Fotovoltaicos autónomos

- Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red

Los sistemas de energía solar fotovoltaica están formados por:

Generador Fotovoltaico: Dispositivo encargado de transformar la energía del

Sol en energía eléctrica, se encuentra formado por varios módulos

fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo, a su vez cada módulo

fotovoltaico está formado por varias células fotovoltaicas. Toda la energía que

sea producida por el generador FV puede ser acumulada en sistemas de

baterías, de este modo toda la energía almacenada durante el día o durante las

horas de mayor radicación solar puede ser utilizada en la noche [8] [9].

Reguladores de carga: Este elemento se encarga de proteger a las baterías

contra sobrecargas y descargas de corriente que podían afectar a la vida útil de

las baterías.

Inversores: Debido a que el generador FV produce corriente continua, los

inversores son utilizados para cambiar el voltaje de entrada de corriente

continua a una salida con corriente alterna para poder alimentar la red eléctrica.

2

Baterías: Son utilizadas como sistemas de almacenamiento de energía durante

periodos de generación y de consumo, permite el funcionamiento de las cargas

cuando el generador no puede entregar la potencia necesaria.

Figura 1.1. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico [8].

En el caso que los dispositivos trabajen con DC con un bajo voltaje, pueden ser

conectados directamente a las baterías para su utilización. Este tipo de sistemas son

más eficientes energéticamente.

Si los dispositivos trabajan con AC, estos consumen más energía en comparación a

dispositivos DC. Para la utilización de estos dispositivos es necesario un inversor.

1.1.1 Sistemas Fotovoltaicos Autónomos.

La energía eléctrica producida por los sistemas fotovoltaicos autónomos se utiliza para

cubrir una determinada demanda en lugares aislados de la red eléctrica. Estos sistemas

pueden operar en AC y DC [1].

Figura 1.2. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico autónomo [8].

3

1.1.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica.

Los sistemas fotovoltaicos conectados a red, tienen la capacidad de suministrar energía

a la red, son utilizados principalmente en dos principales áreas de funcionamiento [8]

[9].

Tejados de vivienda: Las instalaciones se encuentran localizadas en viviendas

o edificaciones ubicadas en el área urbana.

Plantas de generación de energía: Este sistemas funciona como una central de

generación de energía, toda la energía generada es alimentada a la red eléctrica.

Figura 1.3. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red eléctrica [8].

1.2 Seguidor del punto máximo de potencia

Los paneles solares poseen curvas características que representan su funcionamiento.

La potencia de un panel solar es el producto de tensión y corriente de salida. Existen

varios pares de salida durante este proceso, de todos estos pares existe solo uno donde

su producto es máximo. Este punto se conoce como el punto máximo de potencia

“MPP, Maximum Power Point”. Dicho valor se modifica continuamente puesto que

los paneles solares están expuestos a variables como la radiación y temperatura [10].

Figura 1.4. Representación de punto máximo de potencia [4].

4

Existen varias técnicas de seguimiento del MPP, todas son utilizadas para maximizar

la energía entregada por sistemas fotovoltaicos. El seguimiento del punto máximo de

potencia se realiza mediante la utilización de un convertidor DC-DC, el mismo que es

controlado mediante una señal PWM. La señal de ancho de pulso modulada modifica

la corriente de salida del panel, por lo tanto también su potencia. Existen varios

algoritmos de seguimiento, cada uno de estos algoritmos difieren uno del otro debido

a su complejidad, tiempos de respuesta, modalidades de programación, costos y

circuitería utilizada [10].

1.2.1 Conversores DC-DC

Para el correcto funcionamiento del seguimiento del punto máximo de potencia, se

utiliza un conversor DC-DC, el cual controla la corriente extraída de las celdas solares.

Existen diferentes conversores como: reductores, elevadores y conversores fusionados

de los dos anteriores. Los conversores almacenan temporalmente la energía y la cesión

de la misma en un periodo de tiempo, este periodo determinara la cantidad de energía

cedida a la carga [10].

Los convertidores DC-DC se pueden dividir en tres bloques:

Conmutación

La etapa de conmutación se encarga de dividir la señal de entrada según la frecuencia

y el ciclo de trabajo, la cual es dada al elemento conmutador.

Elemento de acumulación de energía.

Esta etapa está regida por la etapa de conmutación debido a que se determinara cuando

la energía será liberada hacia la carga.

Filtrado de la señal.

Figura 1.5. Modelo de un convertidor DC-DC [10].

5

1.2.1.1 Conversor reductor operando en el MPP

Este convertidor es utilizado cuando es necesaria una tensión de salida menor a la de

la entrada. El inconveniente que presenta ese tipo de convertidor es que no puede

realizar un óptimo seguimiento MPP a alta temperatura y alta radiación de entrada,

debido a varias condiciones ambientales este convertidor no brinda un óptimo

seguimiento.

1.2.1.2 Conversor elevador operando en el MPP

Este tipo de convertidor es utilizado cuando una salida de voltaje es mayor a la tensión

de entrada. De manera inversa al convertidor reductor, este tipo de convertidor no

puede operar a bajas temperaturas y baja radiación.

Para solucionar este inconveniente se utiliza una mezcla de estos dos convertidores

conocido como BUCK-BOOST. Este convertidor es capaz de realizar un óptimo

seguimiento independientemente de las oscilaciones que se puedan encontrar en

diferentes condiciones ambientales [11].

Figura 1.6. Diseño de un convertidor Buck-Boost [12].

1.3 Algoritmos para el seguimiento del MPPT

1.3.1 P&O [13]

El algoritmo de Perturbar y Observar (P&O) es un algoritmo de búsqueda del MPP

que se basa en perturbar el voltaje de salida del panel PV y observar la variación de

la potencia respecto al voltaje dP/dV. Si dP/dV>0 entonces el punto de operación se

encuentra al lado izquierdo del MPP y por lo tanto debe incrementarse el voltaje del

panel PV por medio del conversor DC-DC para moverse hacia el MPP. Si dP/dV<0

6

entonces el punto de operación se encuentra al lado derecho del MPP y por lo tanto se

debe reducir el voltaje de salida del panel PV. Este proceso se repite hasta que el MPP

es alcanzado. En la figura 7 se muestra el diagrama de bloques del algoritmo P&O.

P(k-1)= P(k)

P(k)= VxI

P(k)-P(k-1)==0

P(k)-P(k-1) > 0

V(k)–V(k-1)>0V(k)–V(k-1)>0

Increase VrefDecrease VrefIncrease VrefDecrease Vref

Update V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k)

YN

READ V, I

START

YNY N

Y

N

RETURN

Figura 1.7. Diagrama de bloques del algoritmo P&O [13].

Donde:

𝑃𝑘 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

𝑃𝑘−1 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝑉𝑘 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

𝑉𝑘−1 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟

𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑐 − 𝑑𝑐

El algoritmo inicia midiendo la potencia actual y comparándola con la potencia

anterior, si ambas son iguales significa que se ha alcanzado el MPP y no es necesario

variar el voltaje del conversor. Si la potencia actual es mayor que la potencia anterior

y el voltaje actual es mayor al voltaje anterior, debe incrementarse el voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓 para

7

alcanzar el MPP, caso contrario si el voltaje actual es menor al anterior, debe reducirse

el voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓 para alcanzar el MPP.

Si la potencia actual es menor a la anterior y el voltaje actual es mayor al anterior, debe

reducirse 𝑉𝑟𝑒𝑓 para alcanzar el MPP, caso contrario debe incrementarse 𝑉𝑟𝑒𝑓 .

1.3.2 Conductancia Incremental [14]

El método de conductancia incremental utiliza la curva Potencia-Voltaje del panel PV

y se basa en el hecho de que la pendiente de la curva es cero en el MPP, 𝐷𝑃

𝐷𝑉= 0.

El seguimiento del MPP se realiza comparando la conductancia instantánea I/V con la

conductancia incremental ∆𝐼

∆𝑉, en la figura 8 se muestra el algoritmo de conductancia

incremental.

ΔV=V(k)-V(k-1)

ΔI=I(k)-I(k-1)

ΔV=0

ΔI=0ΔI/ΔV = -I/V

D(k)=D(k-1)-Step

Decrease VrefDecrease Vref

Increase Vref

Update V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k)

READ V, I

START

N Y

ΔI/ΔV > -I/V ΔI > 0

Increase Vref

RETURN

Y

N

Y

N

YY

N N

Figura 1.8. Diagrama de bloques del algoritmo CI [14].

8

El MPP es alcanzado cuando ∆𝐼

∆𝑉= −

𝐼

𝑉

Si: ∆𝐼

∆𝑉> −

𝐼

𝑉 , el punto de operación está a la izquierda del MPP.

Si: ∆𝐼

∆𝑉< −

𝐼

𝑉 , el punto de operación está a la derecha del MPP.

1.3.3 Mediante Control Difuso [15]

Es un método dentro de la inteligencia artificial que permite trabajar con información

que no necesariamente es precisa, esta información maneja términos inexactos e

imprecisos simulando la manera en la cual el ser humano toma decisiones.

Un controlador difuso está conformado por tres partes: el controlador de fuzzificacion,

la interfaz de aprendizaje, donde se encuentran definidas las reglas y la defuzzificación

representada como la salida de todo el sistema (figura 9). El termino fuzzificacion

define una operación matemática que se encarga de convertir un valor tradicional

lógico, binario, decimal, en un valor o elemento difuso, este proceso se realiza en todo

momento, partiendo desde las entradas del sistema hacia la salida.

Al utilizar este sistema para MPPT, se debe utilizar variables de entrada aleatorias para

este tipo de controladores, las mismas son los cambios de tensión y corrientes

provenientes del panel fotovoltaico, dependiendo de la condiciones de temperatura y

radiación solar. El proceso de control y aprendizaje de este sistema se desarrolla en la

interfaz del mismo, en donde, todos los valores de entrada una vez que han pasado por

un proceso de fuzzificacion van a ser evaluados y comparados uno a otro para poder

obtener un valor óptimo de funcionamiento. La salida del sistema realiza un proceso

inverso a la entrada, llamado defuzzificacion, donde se convierten todos los valores

que fueron controlados y optimizados en la interfaz del sistema en el tipo de valor

inicial, las salidas de este controlador serán los valores de tensión y corrientes óptimos

para el funcionamiento del sistema [15].

Figura 1.9. Arquitectura de un controlador difuso [15].

9

1.3.4 Mediante Redes Neuronales [16]

En la última década, las redes neuronales se han desarrollado tanto en teoría como en

aplicación, esto ha despertado el interés de varios campos dentro de la ingeniería. Las

redes neuronales conforman un sistema de aprendizaje y procesamiento realizado de

manera automática, el cual está formado por varios parámetros de entrada, un sistema

central de procesos y una salida de sistema. Se han introducido redes neuronales en

aplicaciones hacia paneles solares debido a que permite tener varios parámetros de

entrada variables, como es el caso de la temperatura y la irradiancia, el proceso de

control se realiza de manera automática, comparando cada uno de los parámetros hasta

buscar la mejor salida de todo el sistema.

En el MPPT la utilización de una red neuronal tiene las ventajas de convertirse en un

sistema de diseño simple y robusto, no es necesario tener las condiciones físicas

definidas para el sistema fotovoltaico debido a que estos sistemas tienen la capacidad

de auto adaptación [16].

Figura 1.10. Arquitectura de una red neuronal [16].

10

Capítulo II

MODELAMIENTO DEL PANEL SOLAR

FOTOVOLTAICO

2.1 Modelo matemático de una Célula Solar Fotovoltaica

Una celda fotovoltaica convierte la radiación solar en corriente eléctrica por medio de

una unión P-N. El modelo más simple de una celda fotovoltaica consiste en una fuente

de corriente en paralelo con un diodo [17] [18] [19]. Para incrementar la precisión del

modelo y tener en cuenta las pérdidas, se añaden tanto una resistencia en paralelo 𝑅𝑠ℎ

y una resistencia en serie 𝑅𝑠, el modelo completo se muestra en la figura 2.1a, donde

se tienen en consideración ambas resistencias, sin embargo dado que la resistencia en

paralelo 𝑅𝑠ℎ puede ir desde las centenas de ohmios hasta los Kilo-ohmios, esta

resistencia se omite para el modelo simplificado de la figura 2.1b.

Figura 2.1. Modelo equivalente de una celda solar: (a) Modelo general, (b) Modelo

simplificado [20]

La corriente I se obtiene aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff (LCK) al circuito

de la figura 2.1b:

𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝒅 (2.1)

11

Donde:

𝐼𝐿: Fotocorriente generada por la celda.

𝐼𝑑: Corriente del diodo que es proporcional a la corriente de saturación, su valor está

dado por:

𝑰𝒅 = 𝑰𝟎[𝒆(𝑽+𝑰 𝑹𝒔

𝒂 ) − 𝟏]

(2.2)

Donde:

𝐼0: Corriente de fuga del diodo.

𝑉: Voltaje de salida.

𝐼: Corriente de carga.

𝑅𝑠: Resistencia en serie.

𝑎: Voltaje térmico.

Reemplazando (2) en (1), se tiene:

𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝟎[𝒆(𝑽+𝑰 𝑹𝒔

𝒂 ) − 𝟏]

(2.3)

De acuerdo con (3), los 4 parámetros a determinar son: 𝐼𝐿, 𝐼𝑜, 𝑅𝑠 y 𝑎.

2.1.1 Determinación de 𝑰𝑳

La fotocorriente 𝐼𝐿 generada por la celda depende de la radiación solar 𝐺, de la

temperatura y del coeficiente de temperatura:

𝑰𝑳 =𝑮

𝑮𝒓𝒆𝒇

(𝑰𝒔𝒄,𝒓𝒆𝒇 + 𝝁𝒔𝒄. ∆𝑻) (2.4)

Donde:

𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓: Corriente de cortocircuito para condiciones estándares de prueba (STC) con

𝐺 = 1000 𝑊

𝑚2 y 𝑇 = 25 °.

12

𝐺: Irradiancia en 𝑊

𝑚2.

𝐺𝑟𝑒𝑓: Irradiancia a STC 𝐺𝑟𝑒𝑓 = 1000 𝑊

𝑚2.

µ𝑠𝑐 : Coeficiente de temperatura para la corriente de corto-circuito.

𝛥𝑇: Variación de temperatura respecto a la temperatura de referencia. 𝛥𝑇 = 𝑇𝑐 −

𝑇𝑐𝑟𝑒𝑓.

𝑇𝑐 Es la temperatura de la celda y 𝑇𝑐𝑟𝑒𝑓 = 25° es la temperatura de referencia a STC.

De acuerdo con (4) se observa que a mayor temperatura y radiación solar llegue a la

celda, mayor será la corriente 𝐼𝐿 y la potencia generadas.

2.1.2 Determinación de 𝑰𝒐

La corriente de fuga del diodo 𝐼𝑜 es determinada por la siguiente ecuación:

𝑰𝒐 = 𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇 × (𝑻𝒄

𝑻𝒄𝒓𝒆𝒇)

𝟑

× 𝒆[(

𝒒 𝝐𝑮 𝑲 𝑨

)(𝟏

𝑻𝒄𝒓𝒆𝒇−

𝟏𝑻𝒄

)]

(2.5)

Donde:

𝜖𝐺: Energía de banda prohibida del material, para el silicio 𝜖𝐺 = 1.12 𝑒𝑉 [21].

𝐼𝑜,𝑟𝑒𝑓: Corriente inversa de saturación a STC, su valor viene dado por la siguiente

ecuación:

𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇 = 𝑰𝒔𝒄,𝒓𝒆𝒇 × 𝒆(

−𝑽𝒐𝒄,𝒓𝒆𝒇

𝒂)

(2.6)

Donde:

𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓: Corriente de cortocircuito a STC, su valor viene dado en la hoja de datos del

fabricante.

𝑉𝑜𝑐,𝑟𝑒𝑓: Voltaje de circuito abierto a STC, su valor viene dado en la hoja de datos del

fabricante.

13

2.1.3 Determinación de 𝑹𝒔

Tomando como referencia (3), se despeja el valor de 𝑅𝑠 con lo que se obtiene:

𝑹𝒔 =𝒂. 𝑳𝒏 (𝟏 +

𝑰𝑳 − 𝑰𝑰𝒐

) − 𝑽

𝑰

(2.7)

Para condiciones de prueba estándar y utilizando los valores de corriente 𝐼 y voltaje 𝑉

que den la potencia máxima, se tiene:

𝑹𝒔 =

𝒂. 𝑳𝒏 (𝟏 +𝑰𝑳,𝒓𝒆𝒇 − 𝑰𝒎𝒑𝒑

𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇) − 𝑽𝒎𝒑𝒑

𝑰𝒎𝒑𝒑

(2.8)

Donde:

𝐼𝐿,𝑟𝑒𝑓: Fotocorriente generada por la celda; a STC 𝐼𝐿,𝑟𝑒𝑓 = 𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓 .

𝐼𝑚𝑝𝑝: Corriente de en el punto máximo de potencia a STC.

𝑉𝑚𝑝𝑝: Voltaje en el punto máximo de potencia a STC.

2.1.4 Determinación de a

El valor del voltaje térmico del diodo está dado por:

𝒂 =𝑨. 𝒌. 𝑻𝒄

𝒒

(2.9)

El valor de “a” depende de:

A: Factor de idealidad del diodo, para el silicio mono cristalino 𝐴 = 1.2 [21].

k: Constante de Boltzmann 𝑘 = 1.381 × 10−23.

Tc: Temperatura de la celda en grados K.

q: Carga del electrón 𝑞 = 1.602 × 10−19𝐶.

A STC el valor del voltaje térmico es:

14

𝒂𝒓𝒆𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟎𝟖 (2.10)

2.1.5 Modelo del panel solar

Debido a la baja potencia que genera una celda fotovoltaica del orden de los 2-3 W,

estas deben ser conectadas en serie o en paralelo para producir la suficiente potencia

para su utilización [22]. El modelo equivalente para un panel solar con Ns celdas en

serie y Np celdas en paralelo se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2. Circuito equivalente de un panel solar fotovoltaico [23]

La ecuación (3) que describe el modelo simplificado para la corriente de una celda

solar, para arreglo de celdas (panel) se transforma en:

𝑰 = 𝑵𝒑. 𝑰𝑳 − 𝑵𝒑. 𝑰𝒐 (𝒆𝒙𝒑 (

𝑽𝒑𝒗𝑵𝒔 + 𝑹𝒔 ∗

𝑰𝒑𝒗𝑵𝒑

𝒂 ∗ 𝑵𝒔) − 𝟏)

(2.11)

15

2.2 Características del Panel Solar Fotovoltaico

El panel solar a utilizar es de marca SIMAX modelo SM536-90. En la figura 2.3 se

observa el panel, este consta de un array de 36 celdas distribuidas en 9 filas y 4

columnas.

Figura 2.3. Panel Solar fotovoltaico [24]

La potencia máxima que entrega el panel es de 90 W, el voltaje de máxima potencia

es de 17.4 V y la corriente de máxima potencia es de 5.11 A, en este punto la potencia

es de 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 89.93𝑊. En la figura 2.4 se observan las características

eléctricas al panel a condiciones estándar.

Figura 2.4. Características Eléctricas del Panel Solar fotovoltaico [24]

16

Los datos técnicos del panel se muestran en la figura 2.5, se puede observar que las

celdas solares son mono-cristalinas y que el número de celdas es de 36 entre las

características más destacables.

Figura 2.5. Datos Técnicos del Panel Solar fotovoltaico [24]

Los coeficientes de temperatura del panel se muestran en la figura 2.6, estos

coeficientes son de vital importancia en el modelamiento, debido a que afectan

directamente a la corriente generada por la celda.

Figura 2.6. Coeficientes de Temperatura del Panel Solar fotovoltaico [24]

2.3 Modelamiento del Panel Solar Fotovoltaico

El modelamiento del panel se realizó en Simulink, utilizando las ecuaciones descritas

en la sección 2.1. Los parámetros necesarios para el modelamiento se toman de la

sección 2.2, y se muestran en la tabla 2.1.

17

Tabla 2.1. Características del Módulo SIMAX SM536-9 [24]

PARAMETROS VALORES

𝑷𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 90 W

𝑽𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 17.6 V

𝑰𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 5.11 A

𝑽𝑶𝑪 𝑺𝑻𝑪 21.8 V

𝑰𝑺𝑪 𝑺𝑻𝑪 5.51 A

Coeficiente de Potencia 𝜶𝒌 -0.45 %/K

Coeficiente de Voltaje 𝜷𝒌 0.35 %/K

Coeficiente de Corriente 𝝋𝒌 0.065 %/K

𝑵 36

En el panel fotovoltaico existen 36 celdas. Es necesario calcular el número de celdas

que están en serie y en paralelo para aplicar esos valores al modelo descrito en la

sección 2.1. Utilizando el voltaje de circuito abierto del panel de Voc=21.8 y tomando

en cuenta que el voltaje de cada celda es aproximadamente de 0.6 V, el número de

celdas en serie es:

𝑽𝒐𝒄 = 𝑽𝒅 ∗ 𝑵𝒔 (2.12)

𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝒅 (2.13)

Debido a que el número de celdas en serie es igual al número total de celdas del panel

fotovoltaico, se concluye que existe una sola rama en paralelo.

𝑵𝒑 = 𝟏 (2.14)

En la figura 2.7 se muestra el subsistema para el panel fotovoltaico, con los datos de

entrada de Radiación solar [G] y Temperatura en grados centígrados [T].

18

Figura 2.7. Modelo en Simulink del panel solar fotovoltaico [5]

El diagrama de bloques del subsistema se muestra en la figura 2.8. Este está formado

por dos sub-bloques principales: el de la corriente del diodo Id y el de la fotocorriente

IL, la corriente generada I se calcula en base a la ecuación (3). La resistencia Rs se

obtuvo con la ecuación (9), dando como resultado:

𝑹𝒔 =

𝟎. 𝟎𝟑𝟎𝟖. 𝑳𝒏 (𝟏 +𝟓. 𝟓𝟏 − 𝟓. 𝟏𝟏

𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇) − 𝟏𝟕. 𝟔

𝟓. 𝟏𝟏

(2.15)

𝑹𝒔 = 𝟎. 𝟐𝟓𝟐𝟕Ω (2.16)

19

Figura 2.8. Diagrama de bloques del panel solar fotovoltaico. Fuente: Los Autores

En las figuras 2.9 y 2.10 se muestran las curvas de voltaje-corriente del panel. En la

figura 2.9 se mantiene fija la temperatura y se varía la radiación solar, se observa que

a mayor radiación mayor es la corriente que entrega el módulo y por lo tanto mayor es

la potencia entregada.

En la figura 2.10 se mantiene fija la radiación solar y se varía la temperatura, se observa

que a mayor temperatura menor es el voltaje que entrega el módulo y por lo tanto

menor es la potencia entregada.

20

Figura 2.9. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y variación de

irradiancia. Fuente: Los Autores

Figura 2.10. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con irradiancia constante y variación de

temperatura. Fuente: Los Autores

Las figuras 2.11 y 2.12 muestran las curvas potencia-voltaje del panel solar. En la

figura 2.11 se mantiene la temperatura constante y se varía la radiación solar. Se

observa que a mayor radiación, mayor es la potencia que entrega el panel. Además se

observa que el voltaje de máxima potencia se mantiene fijo.

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

5

6

7

Voltaje V

Corr

ien

te I

Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90

G=1000 [W/m2], T=25 C

G=1200 [W/m2], T=25 C

G=800 [W/m2], T=25 C

0 5 10 15 20 25 30 350

1

2

3

4

5

6

Voltaje V

Corr

ien

te I


G=1000 W/m2, T=25C

G=1000 W/m2, T=20C

G=1000 W/m2, T=35C

21

Figura 2.11. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y variación

de irradiancia. Fuente: Los Autores

En la figura 2.12 se mantiene fija la radiación y se varía la temperatura. Se observa

que a mayor temperatura, menor es la potencia que entrega el panel. La variación de

temperatura produce una variación en el voltaje de salida y un desplazamiento del

punto de máxima potencia.

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90

Voltaje V

Pote

nci

a P

G=1000W/m2, T=25C

G=1200W/m2, T=25C

G=800W/m2, T=25C

22

Figura 2.12. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con radiación constante y variación de

la temperatura. Fuente: Los Autores

En conclusión, la variación de irradiancia produce cambios en la corriente y

variaciones en la temperatura producen cambios en el voltaje.

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pote

nci

a P

Voltaje V


W=1000 W/m2, T= 25 C

W=1000 W/m2, T= 20 C

W=1000 W/m2, T= 35 C

23

Capítulo III

DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA

3.1 Estimación de la energía entregada por el panel

La energía diaria máxima que puede entregar el panel se estima con los datos de

insolación global sobre el cantón Cuenca, estos se obtienen del Atlas solar del Ecuador

y se observan la tabla 3.1.

Tabla 3.1. Datos de Insolación Global en el Cantón Cuenca [25]

INSOLACIÓN GLOBAL CUENCA (Wh/𝑚2/𝑑𝑖𝑎)

ENERO 4500

FEBRERO 4050

MARZO 4350

ABRIL 3900

MAYO 3900

JUNIO 3600

JULIO 3750

AGOSTO 3900

SEPTIEMBRE 4350

OCTUBRE 4650

NOVIEMBRE 4950

DICIEMBRE 4950

La energía entregada por el módulo fotovoltaico se calcula con la siguiente ecuación:

𝑬𝑻 = 𝑵𝑻 ∗ (𝑷𝒑 ∗ 𝑮𝒎𝜷 ∗ 𝑷𝑮)/𝟏𝟎𝟎𝟎 (3.1)

Donde:

𝐸𝑇: Energía entregada por el módulo fotovoltaico [kWh].

𝑁𝑇: Número de módulos fotovoltaicos.

24

𝑃𝑝: Potencia pico del módulo [W].

𝐺𝑚𝛽: Radiación global media diaria [kWh/m2]

𝑃𝐺: Factor global de pérdidas, de 0.65 a 0.9.

Tomando como datos de la tabla 3.1 para el peor de los casos y para el mejor de los

casos se tiene:

Con 𝐺𝑚𝛽 = 3600, 𝑃𝐺 = 0.8, 𝑃𝑝 = 90𝑊 y 𝑁𝑇 = 1.

𝑬𝑻𝒎𝒊𝒏 = 𝟏 ∗𝟎. 𝟖 ∗ 𝟑𝟔𝟎𝟎 ∗ 𝟗𝟎

𝟏𝟎𝟎𝟎

(3.2)

𝑬𝑻𝒎𝒊𝒏 = 𝟐𝟓𝟗. 𝟐 𝑾𝒉 (3.3)

Con 𝐺𝑚𝛽 = 4950, 𝑃𝐺 = 0.8, 𝑃𝑝 = 90𝑊 y 𝑁𝑇 = 1.

𝑬𝑻𝒎𝒂𝒙 = 𝟏 ∗𝟎. 𝟖 ∗ 𝟒𝟗𝟓𝟎 ∗ 𝟗𝟎

𝟏𝟎𝟎𝟎

(3.4)

𝑬𝑻𝒎𝒂𝒙 = 𝟑𝟓𝟔. 𝟒 𝑾𝒉 (3.5)

La corriente de cortocircuito 𝐼𝑠𝑐 es la máxima que entrega el panel y es proporcional a

los niveles de irradiancia, a mayor irradiancia mayor corriente generada. El voltaje de

circuito abierto 𝑉𝑜𝑐 varía de forma inversa a la temperatura del panel, a mayor

temperatura menor voltaje.

3.2 Diseño del sistema

El sistema de seguimiento de máxima potencia tiene como objetivo maximizar la

potencia entregada por el panel fotovoltaico y está formado por dos subsistemas, el de

control y el de potencia.

El subsistema de control tiene la función de mantener al sistema operando en el punto

de máxima potencia. El subsistema de potencia, formado por un conversor DC-DC,

25

eleva el voltaje de entrada con el fin de maximizar la potencia entregada por el panel.

En la figura 3.1 se observa el diagrama de bloques del sistema.

Figura 3.1. Diagrama de bloques del sistema. Fuente: Los Autores

3.2.1 Subsistema de control

El subsistema de control está formado de hardware y software. La parte del hardware

se encarga de acondicionar las señales de voltaje y corriente provenientes del panel,

generar la señal de PWM, visualizar los datos de voltaje corriente y potencia

instantánea del panel y enviar los datos de voltaje y corriente al computador por medio

del puerto serial.

El software procesa las señales provenientes del hardware y modifica el ciclo de

trabajo del PWM para mantener el sistema funcionando en el punto de máxima

potencia. En las siguientes secciones se detalla el hardware y software del subsistema

de control.

3.2.1.1 Hardware

El diagrama de bloques del hardware se observa en la figura 3.2, consta de un

microcontrolador, un sensor de voltaje y un sensor de corriente a la salida del panel,

una salida PWM hacia el Mosfet driver, la salida de datos para visualizar en el LCD y

de una interfaz Serial-USB para transmitir los datos al computador.

26

Figura 3.2. Diagrama de bloques del Hardware del subsistema de Control. Fuente: Los

Autores

3.2.1.1.1 Microcontrolador

El microcontrolador es el cerebro del subsistema de control, este se encarga de medir

la potencia de entrada por medio de los sensores de voltaje y corriente que ingresan en

los canales ADC, generar la señal PWM que mantenga al sistema en el MPP, visualizar

los datos en el LCD y enviar los datos al computador.

El microcontrolador a elegir, debe poseer los siguientes periféricos:

- 3 Canales ADC para los sensores de voltaje y corriente

- 1 Módulo PWM con resolución de 10 bits

- 6 salidas digitales para enviar los datos al LCD

- 2 salidas digitales para leds

- 1 Módulo EUSART para enviar los datos por el puerto serial al computador

- 1 Módulo TIMER para tomar adquirir los datos de voltaje y corriente cada 10

ms

El microcontrolador que cumple con todas estas características es el PIC18F4620, su

diagrama se observa en la figura 3.3.

27

Figura 3.3. Diagrama de pines del PIC18F4620 [26]

Este consta de:

- 1 Conversor analógico/digital (A/D) a 10 bits

- 13 Entradas analógicas

- 1 Módulo PWM a 10 bits

- 1 Módulo EUSART

- 24 salidas digitales

- 4 Módulos TIMER

3.2.1.1.2 Sensor de Voltaje

El sensor de voltaje consta de 2 resistencias en serie formando un divisor de voltaje y

de un filtro paso bajo RC con 𝑓𝑐 = 20𝐻𝑧 para filtrar el ruido provocado por la

conmutación del Mosfet, su circuito se muestra en la figura 3.4.

Figura 3.4. Sensor de voltaje a la salida del panel. Fuente: Los Autores

28

El sensor debe consumir la mínima potencia posible por lo que se han escogido

resistencias del orden de los kilo-Ohms, y debe dar un voltaje máximo de 5V a la

entrada del canal A/D. De acuerdo a estas consideraciones y tomando como referencia

el máximo voltaje a la salida del panel de 25V, el valor de R1 y R2 se calcula a

continuación:

𝑽𝑹𝟐 = 𝑽𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍 (𝑹𝟐

𝑹𝟏 + 𝑹𝟐)

(3.6)

Imponiendo un valor de R1=68KΩ, R2 resulta:

𝑹𝟐 =𝑽𝑹𝟐. 𝑹𝟏

𝑽𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍 − 𝑽𝑹𝟐

(3.7)

𝑹𝟐 =𝟓. 𝟔𝟖𝟎𝟎𝟎

𝟐𝟓 − 𝟓Ω

(3.8)

𝑹𝟐 = 𝟏𝟕 𝒌Ω (3.9)

El menor valor comercial que asegura que el voltaje 𝑉𝑅2 no sobrepase los 5V es de

15 𝐾Ω, por lo tanto:

𝑹𝟏 = 𝟔𝟖 𝒌Ω (3.10)

𝑹𝟐 = 𝟏𝟓 𝒌Ω (3.11)

Los valores de resistencia y condensador para el filtro paso bajo se calculan con la

siguiente ecuación:

𝒇𝒄 =𝟏

𝟐𝝅𝑹𝑪

(3.12)

Con 𝑓𝑐 = 20𝐻𝑧, 𝐶 = 22𝑢𝐹 y 𝑅 = 360Ω ≈ 330Ω

29

3.2.1.1.3 Sensor de Corriente

El sensor de corriente a utilizarse es el ACS712 de Allegro MicroSystems, consiste de

un sensor lineal de efecto Hall con un conductor de cobre entre sus terminales. El flujo

de corriente por el conductor de cobre genera un campo magnético que el sensor

convierte en un voltaje proporcional. En la figura 3.5 se muestra la estructura interna

del ACS712.

Figura 3.5. Sensor de corriente ACS712 [27]

El sensor de corriente viene en rangos de corriente de ±5 A, ±20 A, ±30 A, el sensor

escogido es el de ±30 A. La sensibilidad del sensor es de 66mV/A, esta se utiliza para

calcular la corriente que circula en función del voltaje de salida del sensor.

Con 𝐼𝑝 = 0, 𝑉𝑜 = 𝑉𝑐𝑐/2 y con 𝐼𝑝 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑜 = 4.48 𝑉; con estos valores máximos y

mínimos y con la sensibilidad del sensor, la corriente en función del voltaje es:

𝑰𝒑 =𝑽𝒐 − 𝟐. 𝟓

𝟎. 𝟎𝟔𝟔

(3.13)

La salida 𝑉𝑜 del sensor debe ir conectada a un filtro paso bajo RC con los valores

calculados para el sensor de voltaje, la salida del filtro se conecta a la entrada AN1 del

microcontrolador como se muestra en la figura 3.6.

30

Figura 3.6. Conexión del sensor de corriente al microcontrolador [27].

3.2.1.1.4 Mosfet driver

El Mosfet es un dispositivo accionado por voltaje, para que entre en estado de

conducción el voltaje de compuerta debe ser mayor que el voltaje umbral y para

apagarlo el voltaje de compuerta debe ser menor que el voltaje umbral.

El valor del voltaje umbral depende del tipo de Mosfet y su valor viene en el datasheet

del dispositivo, este oscila entre los 5 V y 20 V por lo que la salida lógica del PWM

del microcontrolador no puede ir directamente conectada a la compuerta.

El circuito de excitación del Mosfet debe ser capaz de generar y absorber corrientes

rápidamente para conseguir una conmutación de alta velocidad, para conseguirlo se ha

escogido el driver IR2110 [28]. El circuito de excitación del Mosfet se muestra en la

figura 3.7.

31

Figura 3.7. Circuito de excitación del Mosfet [28].

3.2.1.1.5 LCD

Los valores de voltaje, corriente y potencia instantánea se visualizan en el módulo

LCD de 2x16, se utiliza el puerto D del microcontrolador para enviar las señales a

visualizar. La conexión del LCD con el microcontrolador se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8. Conexión del LCD. Fuente: Los Autores

32

3.2.1.1.6 Interfaz Serial-USB

Los datos de corriente, voltaje y PWM se envían al computador por medio del módulo

serial del pic. El circuito para el envío de los datos se muestra en la figura 3.9, este

consta del FT232RL que es un conversor de señales RS-232 a USB.

Figura 3.9. Interfaz Serial-USB con FT232RL [29].

3.2.1.2 Software

El software es el encargado de realizar el seguimiento del punto máximo de potencia

del panel, este se carga en el microcontrolador PIC 18F4620 y el diagrama de bloques

del programa principal se muestra en la figura 3.10.

33

INICIO

INICIALIZACIÓN DE VARIABLES

CONFIGURACIÓN DE PERIFÉRICOS

WHILE

FIN

CONFIGURACIÓN DE LA INTERRUPCION

ENVIO DE DATOS POR PUERTO SERIAL

VISUALIZACION DE VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA EN EL LCD

If (Envio_datos)

Y

N

Figura 3.10. Diagrama de flujo del programa principal. Fuente: Los Autores

El programa principal consta de 5 subrutinas divididas en 2 partes: en la primera parte

se define e inicializa las variables utilizadas en el programa principal, se configuran

los periféricos utilizados por el microcontrolador y por último se configura la

interrupción por desbordamiento del TIMER0; la segunda parte es en donde se

visualizan los datos en el LCD y se envían los datos al computador dependiendo de las

instrucciones dadas por el mismo.

34

La configuración de periféricos se muestra en la figura 3.11, el Puerto A se utiliza

como entradas analógicas para medir el voltaje y corriente del panel. El Puerto B se

utiliza como salida de los indicadores Led y el Puerto D se utiliza como salida de datos

al LCD.

El módulo ADC se configura a 10 bits, con los canales de AN0 para el voltaje AN1

para la corriente y AN2 para la referencia de la corriente.

El módulo PWM se configura para operar 𝑓 = 30𝑘𝐻𝑧 y a una resolución de 10 bits

con el fin de que el tamaño del paso sea lo más pequeño posible para disminuir el error

en estado estable.

El módulo EUSART se configura en modo asíncrono con una velocidad de 57600

baudios para transmitir los datos lo más rápido posible. El generador de baudios se

configura a 10 bits y alta velocidad.

CONFIGURACIÓN DE PERIFÉRICOS

PORTA COMO ENTRADA, PORTB COMO SALIDA, PORTD COMO SALIDA

CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO ADC, CANALES

AN0, AN1 Y AN2, CONVERSIÓN A 10 BITS

CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO PWM,

FRECUENCIA DE 20 KHZ, RESOLUCIÓN A 10 BITS

RETURN

CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO EUSART, VELOCIDAD DE TRANSMISION

DE 57600 BAUDIOS, MODO ASINCRONO, GENERADOR DE 16 BITS

Figura 3.11. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración de periféricos del PIC.

Fuente: Los Autores

35

En la figura 3.12 se muestra la configuración de la interrupción por desbordamiento

del TIMER0 y por recepción de datos en el puerto USART, ambas se configuran como

interrupciones de alta prioridad. El TIMER0 se configura con una resolución de 16

bits y con un prescaler de 2 para adquirir los datos de voltaje y corriente y para calcular

el ciclo útil con el algoritmo P&O cada 10 ms. Los registros TMR0H y TMR0L se

utilizan para cargar el valor del conteo del TIMER0 el cual se calcula con la siguiente

ecuación:

𝑵 =𝒕

𝒕𝒄𝒚 ∗ 𝒑𝒓𝒆

(3.14)

Donde 𝑁 es el número de ciclos necesarios para el desborde del TIMER0, 𝑡 es el

tiempo en el que se va a desbordar el TIMER0, 𝑡𝑐𝑦 es el ciclo de máquina y 𝑝𝑟𝑒 es el

valor del prescaler.

Con 𝑡 = 10𝑚𝑠, 𝑡𝑐𝑦 = 0.1𝑢𝑠 y 𝑝𝑟𝑒 = 2:

𝑵 = 𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎 (3.15)

Como el TIMER0 realiza el conteo de forma ascendente y debido a que comienza a

funcionar 2 ciclos de máquina después del desbordamiento el valor a cargarse en los

registros TMR0H y TMR0L es:

𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯: 𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯 = 𝟐𝟏𝟔 − 𝑵 + 𝟐 (3.16)

𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯: 𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯 = 𝟏𝟓𝟓𝟑𝟖 (3.17)

36

CONFIGURACIÓN DE LA

INTERRUPCION

HABILITAR LA INTERRUPCION POR DESBORDE EL TIMER0

CARGAR EL VALOR DE CONTEO EN LOS REGISTROS TMR0H

TMR0L

RETURN

SELECCIONAR LA RESOLUCION DEL CONTADOR Y EL VALOR DEL PRESCALER

BORRAR LAS BANDERAS DE INTERRUPCION DEL TIMER0 Y

RECEPCION POR PUERTO SERIAL

CONFIGURAR LA PRIORIDAD DE LA INTERRUPCION

Figura 3.12. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración la interrupción del PIC.

Fuente: Los Autores

37

CONVERSIÓN ANALÓGICO/DIGITAL

CONVERSIÓN EN PROCESO

RETURN CONVERSIÓN

INICIAR CONVERSIÓN

YN

Figura 3.13. Diagrama de flujo de la subrutina para la conversión Analógico/Digital.

Fuente: Los Autores

Las subrutinas para medir el voltaje y la corriente a la salida del panel se muestran en

las figuras 3.14 y 3.15, estas utilizan la subrutina para la conversión A/D de la figura

3.13.

La medición del voltaje comienza con la selección del canal AN0, se selecciona como

referencia GND, se realiza la conversión con la subrutina de la figura 3.13 y se retorna

el valor del voltaje medido.

Para la medición de corriente se selecciona el canal AN1, se cambia la referencia a

AN2 debido a que el sensor de corriente entrega un voltaje de entre 2.5V – 5V, se

realiza la adquisición con la subrutina de conversión y se retorna el valor de la corriente

medida.

38

MEDICIÓN DE VOLTAJE

SELECCIONA CANAL AN0

VOLTAJE=CONVERSIÓN

RETURN VOLTAJE

SELECCIONA LA REFERENCIA EN GND

Figura 3.14. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de voltaje. Fuente: Los

Autores

MEDICIÓN DE CORRIENTE

SELECCIONA CANAL AN1

CORRIENTE=CONVERSIÓN

RETURN CORRIENTE

SELECCIONA LA REFERENCIA EN EL CANAL AN2

Figura 3.15. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de corriente. Fuente: Los

Autores

39

Las subrutinas para el envío y recepción de datos por el puerto serial se muestran en

las figuras 3.16 y 3.17. La subrutina de recepción se utiliza para recibir la señal

proveniente del computador que indica que se envíen los datos de corriente, voltaje y

PWM. La subrutina de envío de datos comienza habilitando la transmisión, cargando

el byte a enviar en el registro TXREG y deshabilitando la transmisión. Por cada

variable a enviar se envían 2 bytes debido a que las resoluciones tanto del ADC como

del PWM son de 10 bits.

ENVIO DE DATOS POR PUERTO

SERIAL

HABILITAR LA TRANSMISIÓN

ENVIO EN PROGESO

DESHABILITAR LA TRANSMISIÓN

Y

N

RETURN

Figura 3.16. Diagrama de flujo para la subrutina de envío de datos por el puerto serial.

Fuente: Los Autores

40

RECEPCION DE DATOS POR

PUERTO SERIAL

DATO_RECIBIDO = RCREG

RETURN DATO_RECIBIDO

Figura 3.17. Diagrama de flujo para la subrutina de recepción de datos por el puerto serial.

Fuente: Los Autores

La subrutina de atención a la interrupción se muestra en la figura 3.18, esta comienza

desactivando todas las interrupciones y comparando las banderas de interrupción

activadas. Si la interrupción la provocó el desborde del TIMER0, se realizan las

mediciones de voltaje y corriente, se calcula el ciclo de trabajo del PWM con el

algoritmo P&O y se actualizan las variables. La subrutina finaliza cargando el valor

de conteo en los registros del TIMER0, borrando las banderas de interrupción y

habilitando todas las interrupciones.

41

INTERRUPCION DE ALTA PRIORIDAD

INTERRUPCIONPOR DESBORDE DEL

TIMER0

Y

MEDICIÓN DE VOLTAJE

MEDICIÓN DE CORRIENTE

ALGORITMO P&O, CONTROL DEL PWM

RETURN

HABILITAR LAS INTERRUPCIONES,

BORRAR LAS BANDERAS DE INTERRUPCION

DESHABILITAR LAS INTERRUPCIONES

CARGAR EL VALOR DE CONTEO EN LOS REGISTROS TMR0H

TMR0L

ACTUALIZAR LAS VARIABLES

N

Figura 3.18 Diagrama de flujo para la subrutina de interrupción de alta prioridad. Fuente:

Los Autores

42

Para el seguimiento del punto máximo de potencia, el algoritmo a implementar es el

de Perturbar y Observar (P&O) [13] debido su simplicidad, el diagrama de bloques del

algoritmo se muestra en la figura 3.19. Este inicia calculando la potencia actual 𝑃𝑘 y

la potencia anterior 𝑃𝑘−1 de acuerdo a los valores de voltaje y corriente medidos, se

calcula la variación de potencia ∆P y la variación de voltaje ΔV, si existe un aumento

de potencia y voltaje o si existe una disminución de potencia y voltaje, disminuye el

ciclo útil del PWM; por el contrario si aumenta la potencia y disminuye el voltaje o si

disminuye la potencia y aumenta el voltaje, aumenta el ciclo útil del PWM.

Debido a que el paso de la perturbación es fijo el sistema puede perder eficiencia o

converger lentamente dependiendo del valor escogido. Un tamaño pequeño del paso

genera seguimiento lento pero reduce el error en estado estable (pérdidas de potencia),

mientras que un mayor tamaño del paso produce un seguimiento más rápido pero un

mayor error en estado estable. Para solucionar este problema, varios algoritmos de

paso variable han sido desarrollados [30], entre los más conocidos están el método

para el algoritmo P&O, que calcula el tamaño del paso en función de la variación de

potencia ΔP [30] y el método para el algoritmo de CI en el que el paso depende de la

variación de la potencia respecto al voltaje ΔP/ΔV [30]. El método escogido es una

combinación entre el algoritmo P&O y el método de paso variable de CI, el tamaño

del paso se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:

𝒑𝒂𝒔𝒐𝒌 = 𝒑𝒂𝒔𝒐𝒌−𝟏 ± 𝑵 ∗𝚫𝑷

𝚫𝑽

(3.18)

Donde 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑘 es el tamaño del paso actual, 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑘−1 es el tamaño del paso anterior, 𝑁

es la constante proporcional, Δ𝑃 es la variación de la potencia y Δ𝑉 es la variación del

voltaje. La ecuación 3.18 permite mantener un tamaño pequeño del paso en

condiciones de estado estable e incrementar el tamaño del paso en condiciones de

estado transitorio.

43

ALGORITMO P&O, CONTROL DEL PWM

PK_1=PKPK= VOLTAJE*CORRIENTE

PK – PK_1 = 0

PK – PK_1 > 0

VK – VK_1 > 0VK – VK_1 > 0

pwm = pwm - pasopwm = pwm + pasopwm = pwm - pasopwm = pwm + paso

RETURN pwm

Y

YNNY

N

Y

N

Figura 3.19. Diagrama de flujo para la subrutina de MPPT. Fuente: Los Autores

La subrutina para actualizar las variables se muestra en la figura 3.20, ésta se utiliza

en la subrutina de interrupción para calcular la potencia actual y anterior y el voltaje

actual y anterior necesarios para la subrutina de MPPT.

ACTUALIZAR VARIABLES

PK_1 = PKPK = VOLTAJE * CORRIENTE

VK_1 = VKVK = VOLTAJE

IK_1 = IKIK = CORRIENTE

Figura 3.20. Diagrama de flujo para la subrutina de actualización de variables. Fuente: Los

Autores

44

3.2.2 Subsistema de potencia

3.2.2.1 Conversor elevador (BOOST) [31]

El sistema de potencia consta de un conversor DC-DC elevador (BOOST), que

proporciona un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada. El circuito del conversor

se muestra en la figura 3.21.

Figura 3.21. Conversor Elevador. Fuente: Los Autores

La topología del circuito cambia dependiendo de si el interruptor está abierto o cerrado.

En la figura 3.22 se muestran los 2 casos.

a)

45

b)

Figura 3.22. a) Circuito equivalente con el interruptor cerrado, b) Circuito equivalente con

el interruptor abierto. Fuente: Los Autores

Figura 3.23 Corriente en el inductor. Fuente: Los Autores

Análisis con el interruptor cerrado:

Cuando el interruptor está cerrado, el circuito toma la forma de la figura 3.22a. El

diodo se encuentra en polarización inversa y evita la circulación de corriente desde el

capacitor hacia el inductor.

El voltaje en el inductor es:

𝑽𝑳 = 𝑽𝒔 = 𝑳∆𝒊𝑳

∆𝒕

(3.19)

∆𝒊𝑳 =𝑽𝒔. ∆𝒕

𝑳

(3.20)

46

∆𝒊𝑳𝒄𝒆𝒓𝒓𝒂𝒅𝒐=

𝑽𝒔 . 𝑫𝑻

𝑳

(3.21)

La variación de corriente con el interruptor cerrado viene dada por la ecuación 3.3.

Análisis con el interruptor abierto:

Cuando el interruptor está abierto, el circuito toma la forma de la figura 3.22b. La

corriente almacenada en el inductor disminuye debido a que fluye hacia el capacitor y

hacia la carga. El voltaje en el inductor viene dado por:

𝑽𝑳 = 𝑽𝒔 − 𝑽𝒐 (3.22)

𝑳∆𝒊𝑳

∆𝒕= 𝑽𝒔 − 𝑽𝒐

(3.23)

∆𝒊𝑳𝒂𝒃𝒊𝒆𝒓𝒕𝒐=

(𝑽𝒔 − 𝑽𝒐). (𝟏 − 𝑫)𝑻

𝑳

(3.24)

En régimen permanente, la variación de corriente es constante, por lo tanto:

∆𝒊𝑳𝒄𝒆𝒓𝒓𝒂𝒅𝒐= −∆𝒊𝑳𝒂𝒃𝒊𝒆𝒓𝒕𝒐

(3.25)

𝑽𝒔. 𝑫𝑻

𝑳= −

(𝑽𝒔 − 𝑽𝒐). (𝟏 − 𝑫)𝑻

𝑳

(3.26)

𝑽𝒐 =𝑽𝒔

𝟏 − 𝑫

(3.27)

Para calcular la corriente media, se calcula la potencia media entregada a la carga

mediante la siguiente ecuación:

𝑷 =𝑽𝒐

𝟐

𝑹= 𝑽𝒔. 𝒊𝑳

(3.28)

𝒊𝑳 =𝟏

𝑹. 𝑽𝒔(

𝑽𝒔

𝟏 − 𝑫)

𝟐

(3.29)

𝒊𝑳 =𝑽𝒔

𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐

(3.30)

47

Las corrientes mínima y máxima vienen dadas por:

𝒊𝑳𝒎𝒊𝒏 = 𝒊𝑳 −∆𝒊𝑳

𝟐=

𝑽𝒔

𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐−

𝑽𝒔. 𝑫𝑻

𝟐𝑳

(3.31)

𝒊𝑳𝒎𝒂𝒙 = 𝒊𝑳 +∆𝒊𝑳

𝟐=

𝑽𝒔

𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐+

𝑽𝒔. 𝑫𝑻

𝟐𝑳

(3.32)

La condición para que el conversor trabaje en el modo de conducción es que la

corriente mínima sea mayor a cero.

𝑽𝒔

𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐−

𝑽𝒔. 𝑫𝑻

𝟐𝑳≥ 𝟎

(3.33)

𝑳 ≥𝑹. 𝑫. (𝟏 − 𝑫)𝟐

𝟐𝒇

(3.34)

Debido al valor limitado del capacitor, el voltaje de salida es rizado. La corriente que

fluye del capacitor es:

𝒊 = 𝑪∆𝑽

∆𝒕

(3.35)

𝑽𝒐

𝑹= 𝑪

∆𝑽

∆𝒕

(3.36)

∆𝑽 =𝑽𝒐. 𝑫

𝑪. 𝑹. 𝒇

(3.37)

𝑪 >𝑫

𝑹. 𝒇(∆𝑽𝒐/𝑽𝒐)

(3.38)

3.2.2.2 Dimensionamiento de los componentes

La selección de los componentes se hace en función de los valores máximos de

corriente y voltaje que deban soportar, de la condición para modo de conducción

continuo y de la frecuencia de trabajo del PWM. En las siguientes secciones se

describe la selección de cada uno de los componentes del conversor Boost.

48

3.2.2.2.1 Inductor

El valor mínimo se calcula con la ecuación 3.32 que asegura el funcionamiento en

modo de conducción continua, y su valor depende de la frecuencia, del ciclo de trabajo

y de la carga.

Con 𝑓 = 30𝐾𝐻𝑧, 𝐷 = 0.1, 𝑅 = 100Ω:

𝑳 ≥𝟏𝟎𝟎. 𝟎, 𝟏. (𝟏 − 𝟎, 𝟏)𝟐

𝟐(𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎) (3.39)

𝑳 ≥ 𝟏𝟑𝟓 𝒖𝑯 (3.40)

Para garantizar que el conversor opere en modo de conducción continua, el inductor

seleccionado tiene una inductancia de 1.1 mH, soporta una corriente de hasta 4 A y se

muestra en la figura 3.24.

Figura 3.24. Inductor de 1mH. Fuente: Los Autores

3.2.2.2.2 Transistor

Para la selección del transistor debe tenerse en cuenta el voltaje máximo y corriente

máxima que debe soportar, también deben tenerse en cuenta la resistencia interna del

dispositivo de modo que se reduzcan las pérdidas y aumente la eficiencia del

conversor; otro factor importante es la velocidad de conmutación debido a que se

trabaja a altas frecuencias se requiere un dispositivo en el que los tiempos de subida

𝑡𝑜𝑛 y bajada 𝑡𝑜𝑓𝑓 sean los más bajo posible para evitar pérdidas.

49

La corriente máxima que debe soportar el transistor es de 10 A y un voltaje máximo

de 25 V, la frecuencia de conmutación es de 30 kHz por lo que los tiempos de subida

y bajada deben ser del orden de los nanosegundos. El transistor a utilizar es un Mosfet

de canal N tipo incremental IRF540 N [32] que soporta un voltaje de hasta 100 V y

una corriente de hasta 33 A, el tiempo de subida es de 9 ns y el de bajada de 40 ns, su

resistencia interna 𝑅𝐷𝑆𝑜𝑛 es de 40 mΩ lo que reduce las pérdidas por conducción. En

la figura 3.25 se muestra su encapsulado y distribución de pines.

Figura 3.25. Encapsulado y distribución de pines del IRF 540N [32]

3.2.2.2.3 Capacitor

El capacitor es el elemento que proporciona el voltaje a la carga cuando el Mosfet se

encuentra en saturación. El valor del capacitor depende del rizado del voltaje de salida.

El voltaje máximo que debe soportar depende de los valores del voltaje de ingreso y

del ciclo de trabajo del PWM en el peor de los casos 𝐷 = 0.8 y 𝑉𝑠 = 18 𝑉, por lo tanto

el máximo voltaje de salida es:

𝑽𝒐 𝒎𝒂𝒙 =𝟑𝟎

𝟏 − 𝟎. 𝟖= 𝟏𝟓𝟎 𝑽

(3.41)

El mínimo valor de capacitancia se calcula con la ecuación 3.36 para un voltaje de rizo

del 5% y una resistencia para el peor de los casos de 2 Ω.

𝑪 >𝟎. 𝟖

𝟐 . 𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎(𝟎. 𝟎𝟓)

(3.42)

50

𝑪 > 𝟐𝟔𝟔 𝒖𝑭 (3.43)

Por lo tanto el capacitor a utilizar es uno de 1000 𝑢𝐹, 200 𝑉 y se muestra en la figura

3.26.

Figura 3.26. Capacitor de 1000 uF - 200V. Fuente: Los Autores

3.2.2.2.4 Diodo

El diodo a seleccionar debe ser lo suficientemente rápido para trabajar a la frecuencia

de 30 kHz, debe tener un 𝑡𝑟𝑟 (tiempo de recuperación inversa) lo más bajo posible para

evitar pérdidas por conmutación, debe soportar una corriente directa de 10 A. Un diodo

normal de unión P-N cumple con los valores de voltaje y corriente sin embargo no es

lo suficientemente rápido para altas frecuencias, el diodo ideal para estas aplicaciones

es un diodo Schottky apropiado para altas frecuencias y con 𝑡𝑟𝑟 muy bajo. El modelo

a utilizar es el 30CPQ100 de “International Rectifier” con ánodo común que soporta

una corriente directa de 30 A y un voltaje inverso de 100 V, su empaquetado se

muestra en la figura 3.27.

Figura 3.27. Diodo Schottky 30CPQ100 de International Rectifier [33]

51

3.2.3 Simulaciones

La simulación del sistema se realizó en Simulink de MATLAB®, en la figura 3.28 se

muestra el diagrama de bloques, esta consta del módulo fotovoltaico Simax SM-590,

el algoritmo P&O y el conversor Boost con los valores del inductor y capacitor

calculados.

Figura 3.28. Simulación en Simulink de MATLAB®. Fuente: Los Autores

La simulación presenta los resultados con los valores de irradiancia y temperatura que

se muestran en la figura 3.29 y con diferentes valores de carga (resistencia). En la

figura 3.30 se muestra la curva de Potencia-Voltaje del panel para las irradiancias de

𝐺 = 650𝑊

𝑚2 y 𝐺 = 430𝑊

𝑚2 y en la tabla 3.2 se muestran los valores de corriente y

voltaje del punto de máxima potencia.

52

Figura 3.29. Valores de Irradiancia y Temperatura a utilizarse en la simulación. Fuente:

Los Autores

Figura 3.30. Curvas Potencia-Voltaje del panel para distintas Irradiancias. Fuente: Los

Autores

Tabla 3.2 Valores de Corriente, Voltaje y Potencia del punto de máxima potencia a distintas

irradiancias. Fuente: Los Autores

IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]

650 59 17,7 3,32

430 39 17,6 2,2

53

3.2.3.1 Con R = 50Ω

Las figuras 3.31 a 3.35 muestran los resultados de la simulación del sistema con 𝑅 =

50 Ω.

Figura 3.31. Potencia a la salida del Panel con R = 50Ω. Fuente: Los Autores

La figura 3.31 muestra la potencia de salida del Panel, con distintos valores de

irradiancia y temperatura se observa que el sistema extrae la máxima potencia del

panel. Para 𝐺 = 650 𝑊/ 𝑚2 𝑃 = 59 𝑊 y para 𝐺 = 430 𝑊/ 𝑚2 𝑃 = 39 𝑊, estos

valores de potencia son cercanos a los de máxima potencia de la tabla 3.2.

54

Figura 3.32. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R = 50Ω.

Fuente: Los Autores

La figura 3.32 muestra los valores de potencia a la salida del conversor con y sin el

sistema de MPPT. Se observa que con el MPPT el sistema extrae la máxima potencia

del panel y sin el sistema la potencia extraída es 𝑃 = 9 𝑊. Al comparar la potencia a

la salida del conversor con MPPT con la potencia a la salida del panel se observa que

la potencia a la salida del conversor es menor, esto es debido a la eficiencia del

conversor que oscila entre el 80% - 90%, el 10% - 20% de potencia se pierde en los

elementos del conversor BOOST.

55

Figura 3.33. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 50Ω. Fuente: Los Autores

En la figura 3.33 se muestran las curvas de voltaje y corriente a la salida del panel, los

valores de voltaje y corriente son 𝑉 = 16.5 𝑉 𝐼 = 3.4 𝐴 𝐺 = 650 𝑊/𝑚2 y 𝑉 =

17 𝑉 𝐼 = 2.5 𝐴 𝐺 = 430 𝑊/𝑚2, al comparar estos con los valores de voltaje y

corriente de máxima potencia de la tabla 3.2 se observa que son aproximados y que el

panel opera en el punto de máxima potencia para una irradiancia y la temperatura

establecida.

56

Figura 3.34. Voltaje y corriente a la salida del Conversor con R = 50Ω. Fuente: Los

Autores

La figura 3.34 muestra las curvas de voltaje y corriente a la salida del conversor. Se

observa que el voltaje de salida del conversor es mayor al voltaje de salida del panel

de la figura 3.33, y que la corriente de salida del conversor es menor que la corriente

de salida del panel.

El ciclo de trabajo del PWM se muestra en la figura 3.35, se observa que varía entre

0.6 y 0.7 con los distintos valores de irradiancia para mantener al sistema operando en

el punto de máxima potencia.

57

Figura 3.35. Ciclo de trabajo del PWM con R = 50Ω. Fuente: Los Autores

3.2.3.2 Con R=20Ω

Las figuras 3.36 a 3.40 muestran los resultados de la simulación del sistema con 𝑅 =

20 Ω.

En la figura 3.36 se muestra la potencia a la salida del panel, se observa que los valores

de potencia se ajustan a los de máxima potencia de la tabla 3.2 aún con una carga

diferente.

La figura 3.37 muestra la potencia a la salida del conversor con y sin MPPT, sin MPPT

la potencia es 𝑃 = 20 𝑊, con MPPT los niveles de potencia alcanzan los máximos que

puede entregar el panel.

58

Figura 3.36. Potencia a la salida del Panel con R = 20Ω. Fuente: Los Autores

Figura 3.37. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R = 20Ω.

Fuente: Los Autores

59

Figura 3.38. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 20Ω. Fuente: Los Autores

Figura 3.39. Voltaje y Corriente a la salida del conversor con R = 20Ω. Fuente: Los

Autores

60

Las figuras 3.38 y 3.39 muestran las curvas de voltaje y corriente a la salida del panel

y del conversor. A la salida del panel se observa que los valores de voltaje y corriente

son los mismos que los de la figura 3.31 con R = 50Ω por lo que es evidente que el

sistema alcanza el punto de máxima potencia. A la salida del conversor el voltaje es

menor que con la carga de 50Ω (figura 3.34) por lo que se concluye que a mayor

resistencia de carga mayor debe ser el voltaje de salida del conversor y mayor el ciclo

de trabajo el mismo que se muestra en la figura 3.40 y que oscila entre 0.4 y 0.55,

menor que cuando se tenía una carga de 50Ω (figura 3.35).

Figura 3.40. Ciclo de trabajo del PWM con R = 20Ω. Fuente: Los Autores

61

3.3 Implementación del sistema

La figura 3.41 muestra el sistema de potencia que consta de tres partes: el driver para

el disparo del Mosfet, el conversor Boost que toma el voltaje del panel, lo eleva y lo

entrega a la carga y los sensores de corriente y voltaje que van hacia la parte de control.

El sistema de control completo se muestra en la figura 3.42, en esta se observan todos

los elementos en la parte del hardware incluidos 2 leds indicadores de funcionamiento

y transmisión de datos.

Figura 3.41. Subsistema de Potencia. Fuente: Los Autores

62

Figura 3.42. Subsistema de Control. Fuente: Los Autores

63

En la figura 3.43 se muestra el circuito impreso del sistema de potencia, y en la figura

3.44 se muestra el circuito impreso de control. En la figura 3.45 se muestra la

disposición de los pines de salida y la figura 3.46 muestra el dispositivo final montado

en la carcasa.

Figura 3.43. Circuito impreso del subsistema de Potencia. Fuente: Los Autores

Figura 3.44. Circuito impreso del subsistema de Control. Fuente: Los Autores

Los valores máximos de voltaje y corriente a los que puede trabajar el sistema se

muestran en la tabla 3.3.

Tabla 3.3. Valores de Corriente y Voltaje máximos a la entrada y salida del sistema.

Fuente: Los Autores

PARÁMETRO ENTRADA SALIDA

Voltaje Max. 30 V 200 V

Corriente Max. 10 A 10A

64

Se debe considerar que para corrientes de ingreso mayores a 4A, se debe cambiar de

inductor.

Figura 3.45. Disposición de los pines de salida del sistema. Fuente: Los Autores

Figura 3.46. Dispositivo final montado en la carcasa. Fuente: Los Autores

65

Capítulo IV

PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

Se realizaron pruebas de funcionamiento del algoritmo P&O con paso fijo y con paso

variable, también se realizaron pruebas con diferentes valores de irradiancia,

temperatura y carga con y sin el sistema de MPPT. Se tomaron los datos de voltaje,

corriente, potencia a la salida del panel y a la salida del sistema y se compararon con

los valores de máxima potencia de la tabla 4.1.

4.1 Pruebas del algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable

4.2.1 Punto de máxima potencia del panel fotovoltaico

En las figuras 4.1 y 4.2 se muestran las curvas voltaje, corriente y potencia del panel

fotovoltaico para distintas irradiancias, se puede observar que la potencia tiene un

máximo para un voltaje y corriente dados que se muestran en la tabla 4.1. Las

mediciones se realizaron sin el sistema MPPT y variando la carga conectada al panel

Figura 4.1. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=650𝑊/𝑚2. Fuente:

Los Autores

66

Figura 4.2. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=430𝑊/𝑚2. Fuente:

Los Autores

La siguiente tabla muestra los valores del punto máximo de potencia para irradiancias

de 650𝑊/𝑚2 y 430𝑊/𝑚2 para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9.

Tabla 4.1. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia máximos a la salida del panel con

distintas irradiancias. Fuente: Los Autores


650 59 17 3,4

430 39 18 2,1

4.2.2 Algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable

Las figuras 4.3 y 4.4 muestran las formas de onda de voltaje, corriente y potencia a la

salida del panel con el algoritmo P&O a paso fijo y a paso variable.

En la figura 4.3 se observa que el tiempo de subida para el P&O con paso fijo es de

aproximadamente 7.5s el cual es un tiempo bastante grande si se compara con el

tiempo de subida del P&O con paso variable que es de aproximadamente 500ms

(figura 4.4).

67

El excesivo tiempo de subida del P&O con paso fijo ocasiona pérdidas de energía y

disminuye la eficiencia del sistema.

Figura 4.3. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso fijo. Fuente:

Los Autores

Figura 4.4. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso variable.

Fuente: Los Autores

68

4.2 Pruebas con MPPT

4.3.1 Con R = 20Ω

4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia

En la figura 4.5 se muestran las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del

panel y en la figura 4.6 a la salida del sistema. Las pruebas se realizaron con una

disminución en la irradiancia de 650 𝑊/𝑚2 a 430 𝑊/𝑚2 y con una temperatura de

26°C. Se observa que al disminuir la irradiancia el sistema se ajusta hasta alcanzar el


Tabla 4.2. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. Fuente: Los

Autores


650 60 16,5 3,6

430 40 17,6 2,3

La tabla 4.2 muestra los valores de potencia, voltaje y corriente a la salida del panel y

a distintas irradiancias, se observa que los valores son cercanos a los de máxima

potencia de la tabla 4.1.

Figura 4.5. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. Fuente: Los Autores

69

Tabla 4.3. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. Fuente: Los

Autores


650 51 34 1,5

430 36 28 1,3

La tabla 4.3 muestra los valores a la salida del conversor, se observa que la potencia

de salida es menor a la potencia entregada por el panel, esto se debe a las pérdidas en

el circuito de potencia; se observa también que el voltaje de salida es mayor al del

panel debido a la acción del conversor elevador, a mayor irradiancia mayor debe ser

el voltaje de salida para que el panel entregue la máxima potencia.

La eficiencia del conversor se calcula con la siguiente ecuación:

𝜼 =𝑷𝒔𝒂𝒍

𝑷𝒊𝒏

(4.1)

Para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2:

𝜼 = 𝟖𝟓% (4.2)


𝜼 = 𝟗𝟎% (4.3)

Se observa a partir de las ecuaciones 4.2 y 4.3 que la eficiencia del sistema disminuye

con el aumento de potencia debido a que se incrementan las pérdidas por conmutación

en el mosfet y en los elementos del conversor elevador.

70

Figura 4.6. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. Fuente: Los Autores

El ciclo de trabajo se muestra en la figura 4.7, se observa que el valor del ciclo

disminuye de 0.52 a 0.4 ante la disminución de la irradiancia para mantener al sistema

funcionando en el punto de máxima potencia. El valor del ciclo se mantiene al mínimo

para disminuir las pérdidas; en la figura 4.6 se observa que las pérdidas en estado

estable están alrededor de los 2W.

Figura 4.7. Ciclo de trabajo del sistema. Fuente: Los Autores

71

4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia

Las figuras 4.8 y 4.9 muestran las curvas de voltaje, corriente y potencia cuando se

aumenta la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2, las pruebas se realizaron con una

temperatura del panel de aproximadamente 40°C.

En la tabla 4.4 se muestran los valores a la salida del panel, se observa que el voltaje

y la potencia son menores que los de la tabla 4.2, esto se debe al incremento de la

temperatura del panel.


Autores


430 38 16,4 2,3

650 55,2 15,3 3,6

De las figuras 4.8 y 4.9 se observa que cuando se da un aumento de la irradiancia, el

sistema ajusta el ciclo de trabajo (figura 4.10) para mantener al panel operando en el



72

La tabla 4.5 muestra los valores a la salida del conversor, la eficiencia se muestra en

las ecuaciones 4.4 y 4.5; se observa que la eficiencia está por encima del 85%.


𝜼 = 𝟖𝟗% (4.4)


𝜼 = 𝟖𝟓% (4.5)


Autores


650 34 28 1,2

430 47 34 1,4


73

En la figura 4.10 se muestra el ciclo de trabajo, el cual aumenta de 0,43 a 0,57 con el

aumento de la irradiancia para mantener al panel operando en el punto de máxima

potencia.


4.3.2 Con R = 45Ω

4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia

En la figura 4.11 se observan las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del

panel y en la figura 4.12 se observan a la salida del conversor para una carga de 45Ω;

la temperatura del panel es de aproximadamente 35°C. Los datos de esta prueba se

tomaron con una disminución de la irradiancia de 650𝑊/𝑚2 a 430𝑊/𝑚2.

En la tabla 4.6 se muestran los valores a la salida del panel, para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 estos

se aproximan a los de máxima potencia de la tablas 3.3 y 4.1.


Autores


650 59 16,5 3,5

430 41 17,3 2,4

74


La eficiencia del conversor se calcula con los valores de las tablas 4.6 y 4.7.


𝜼 = 𝟖𝟒% (4.6)


𝜼 = 𝟗𝟎% (4.7)


Autores


650 50 50 1

430 37 42 0,9

75

De acuerdo con los valores de la tabla 4.7 la potencia de salida cuando 𝐺 = 650𝑊/𝑚2

es aproximada a la de la tabla 4.3 con R=20Ω, pero el voltaje es 16V mayor y la

corriente es 0.55 A menor, lo que indica que el sistema se ajusta ante variaciones en la

carga para mantener al panel operando a su máxima potencia.


En la figura 4.13 se muestra el ciclo de trabajo, las pérdidas en estado estable son de

alrededor de 2 W, también se observa que es mayor al de la figura 4.5 con R=20Ω; por

lo tanto a mayor resistencia de carga mayor debe ser el ciclo de trabajo y mayor el

voltaje para que el panel opere en el punto de máxima potencia.

76


4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia

La figura 4.14 muestra las curvas de voltaje, corriente y potencia con un aumento de

la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2 a una temperatura de 40°C.

Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.8, se observa que

son cercanos a los de la tabla 4.3 con R=20Ω y a los de la tabla 4.1 lo que indica que

el panel entrega la máxima potencia.


Autores


430 37 16,5 2,25

650 56 15,2 3,6

77


La figura 4.15 muestra las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del

conversor, estos valores se muestran en la tabla 4.9. Se observa que debido al aumento

de la resistencia de carga y para mantener al panel operando en el punto de máxima

potencia los voltajes tanto a 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 como a 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 son mayores y

las corrientes son menores que los datos de la tabla 4.5 con R=20Ω.


Autores


430 34 42 0,8

650 49 49 1

La eficiencia del conversor se muestra en las ecuaciones 4.8 y 4.9.


𝜼 = 𝟗𝟏% (4.8)

78


𝜼 = 𝟗𝟎% (4.9)


La curva del ciclo de trabajo se muestra en la figura 4.16, se observa que esta se ajusta

al incremento de la irradiancia para mantener al panel entregando la máxima potencia.

También se observa que el valor del ciclo de trabajo es mayor que el de la figura 4.10

debido al incremento en la resistencia de carga.

79


4.3 Pruebas sin MPPT

Las pruebas sin MPPT se realizaron con resistencias de carga de 20Ω y 45Ω y con el

incremento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.

4.3.1 Con R = 20Ω

En la figura 4.17 se observa las curvas de voltaje, corriente y potencia en la carga con

un aumento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.

Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.10, se observa un

ligero incremento en potencia cuando se incrementa la irradiancia a los 23s.

Tabla 4.10. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. Fuente: Los Autores


430 36 20 1,8

650 38 21 1,8

80

Figura 4.17. Voltaje, corriente y potencia en la carga. Fuente: Los Autores

4.3.2 Con R = 45Ω

En la figura 4.18 se observa las curvas de voltaje, corriente y potencia en la carga con

un aumento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.

Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.11, se observa un

ligero incremento en la potencia cuando se incrementa la irradiancia a los 15s, se

observa también una disminución de la potencia con respecto a la carga de 20Ω.

Tabla 4.11. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. Fuente: Los Autores


430 7,6 19 0,4

650 8 20 0,4

81

Figura 4.18. Voltaje, corriente y potencia en la carga. Fuente: Los Autores

4.4 Comparación de las pruebas con MPPT y sin MPPT

En la figura 4.19 se muestra la curva de la potencia entregada por el panel con variación

de la carga con el sistema MPPT y sin en sistema MPPT, las mediciones se realizaron

con una irradiancia constante de 𝐺 = 650𝑊/𝑚2. Se observa que sin el sistema MPPT,

la potencia varía desde un valor mínimo hasta el MPP de 58W y desde el MPP hasta

un valor mínimo otra vez. Con el sistema MPPT conectado, la potencia entregada por

el panel es la máxima y se mantiene constante ante variaciones de la carga. La

resistencia en el punto de máxima potencia es de R=5.4Ω lo que significa que solo a

este valor de resistencia el panel entrega la máxima potencia.

La tabla 4.12 muestra los valores de potencia con MPPT y sin MPPT. Se observa que

con 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 y con R=20Ω la potencia sin MPPT es 2 W que con MPPT debido

82

a que la temperatura del panel era menor. Con 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 la potencia con MPPT

es 1.23 veces mayor que sin MPPT.

Con R=45Ω se observa que la potencia con MPPT a 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 es 4.47 veces

mayor que sin MPPT y con 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 la potencia es 6.12 veces mayor.

Figura 4.19. Potencia entregada por el panel con y sin MPPT, con variación de la carga.

Fuente: Los Autores

Tabla 4.12. Tabla comparativa con los valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga

con y sin MPPT. Fuente: Los Autores

IRRADIANCIA

G [𝑾/𝒎𝟐]

POTENCIA

[W]

CON MPPT,

R=20Ω

POTENCIA

[W]

SIN MPPT,

R=20Ω

POTENCIA

[W]

CON MPPT,

R=45Ω

POTENCIA

[W]

SIN MPPT,

R=45Ω

430 34 36 34 7,6

650 47 38 49 8

83

De la tabla 4.13 se observa que la eficiencia del sistema con MPPT se mantiene por

encima del 85%, mientras que sin MPPT la eficiencia varía entre 12% y 94%

dependiendo de la carga conectada y del punto de máxima potencia del panel.

Tabla 4.13. Tabla comparativa con los valores de la eficiencia del sistema con y sin MPPT.

Fuente: Los Autores

IRRADIANCIA

G [𝑾/𝒎𝟐]

EFICIENCIA

CON MPPT,

R=20Ω

EFICIENCIA

SIN MPPT,

R=20Ω

EFICIENCIA

CON MPPT,

R=45Ω

EFICIENCIA

SIN MPPT,

R=45Ω

430 89% 94% 90% 20%

650 85% 69% 91% 14%

4.5 Presupuesto

En la tabla 4.14 se muestran todos los elementos necesarios con su respectivo costo

unitario para la implementación del sistema.

84

Tabla 4.14. Costos de implementación de sistema MPPT. Fuente: Los Autores

COMPONENTE CANTIDAD PRECIO TOTAL [$]

CONDENSADORES 21 10.00

INDUCTOR (1Mh) 1 20.00

RESISTENCIAS 13 2.50

DIODO 1N4148 2 0.80

DIODO 1N4007 1 0.25

DIODO 30CPQ100 1 23.00

SENSOR ACS 712 1 15.00

DRIVER IR2110 1 10.00

LM2576T 1 7.00

FT232R 1 4.70

USB-B 1 0.75

MICROCONTROLAR

18F4620

1 12.00

OSCILADOR 10Mhz 1 0.75

MOSFET IRF540 N 1 2.50

LCD 16X2 1 7.50

COSTOS DEL CIRCUITO IMPRESO

IMPRESION PCB 55.00

MATERIALES PCB 5.00

CARCASA 10.00

TOTAL SISTEMA ELECTRONICO 186.75

85

Capítulo V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

Con el desarrollo del proyecto se pudo verificar la importancia de los sistemas para el

seguimiento del MPP, los cuales sirven para incrementar la eficiencia de un sistema

fotovoltaico al aprovechar la máxima potencia que estos pueden entregar.

Actualmente existen distintos sistemas para el seguimiento del MPP, los más

utilizados debido a su facilidad de implementación son el P&O y el CI. También se

encuentran los métodos de seguimiento por redes neuronales y por control difuso, el

problema con estos métodos es su dificultad de implementación y dado que

prácticamente no son más eficientes que los de P&O y CI estos últimos son los más

utilizados.

Debido al comportamiento no lineal de un panel fotovoltaico este no trabaja en el MPP

lo que da lugar a un desperdicio de potencia, para aprovechar la máxima potencia que

este puede dar el sistema implementado actúa como adaptador de impedancias

ajustando el voltaje de salida para que el panel trabaje en el MPP.

El script realizado en Matlab® permitió adquirir los datos de voltaje, corriente y PWM

a la salida del panel para observar el comportamiento del sistema ante variaciones en

la irradiancia y la carga.

Las pruebas realizadas muestran que cuando se utiliza el sistema de MPPT el panel

fotovoltaico trabaja en la cercanía del MPP aun cuando se den cambios en los valores

de irradiancia y en la carga. Cuando no se utiliza el sistema de MPPT el panel

fotovoltaico opera en distintos puntos sobre la curva P-V del panel fotovoltaico

dependiendo de la irradiancia y la carga.

Cuando se conecta el sistema de MPPT se observa que la eficiencia total (panel

fotovoltaico + MPPT) está sobre el 85%, mientras que cuando no se conecta el sistema

86

de MPPT la eficiencia varía entre 14% y 95% dependiendo de la carga conectada y de

la irradiancia.

El algoritmo de paso variable empleado para el seguimiento del MPP, el cual es un

híbrido entre el algoritmo P&O y el de CI demostró realizar un seguimiento más rápido

del MPP ante cambios en la irradiancia comparado con el algoritmo P&O de paso fijo

reduciendo las pérdidas de potencia.

5.2 Recomendaciones y Trabajo futuro

Como recomendación se debe tener en cuenta que la máxima corriente de entrada es

de 10A, dado que el inductor soporta hasta 4A, para corrientes superiores se debe

cambiar de inductor.

Dado que el conversor DC-DC utilizado es un conversor Boost, el sistema de

seguimiento no funciona para 𝑅𝐿𝑜𝑎𝑑 < 𝑅𝑚𝑝𝑝, para este caso se recomienda cambiar el

conversor Boost por un Buck-Boost.

También se debe asegurar de tener conectada una carga al sistema para evitar

acumulación de energía en el inductor y capacitores que pueden dañar el circuito de

potencia.

Como trabajo futuro se recomienda implementar un inversor DC-AC con capacidad

de conectarse a la red eléctrica.

Se puede también implementar un sistema de almacenamiento de energía mediante la

utilización de baterías cuando no exista irradiancia.

87

ANEXOS

ANEXO I

SOFTWARE DEL SISTEMA REALIZADO EN MPLAB C18

#include "p18f4620.h"

#include "math.h"

#include "delays.h"

#include "stdio.h"

#include "lcd_config.h"

// CONFIG1H

#pragma config OSC = HSPLL // Oscillator Selection bits (HS oscillator, PLL enabled (Clock

Frequency = 4 x FOSC1))

#pragma config FCMEN = OFF // Fail-Safe Clock Monitor Enable bit (Fail-Safe Clock Monitor

disabled)

#pragma config IESO = OFF // Internal/External Oscillator Switchover bit (Oscillator Switchover

mode disabled)

// CONFIG2L

#pragma config PWRT = OFF // Power-up Timer Enable bit (PWRT disabled)

#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Reset Enable bits (Brown-out Reset disabled in

hardware and software)

#pragma config BORV = 3 // Brown Out Reset Voltage bits (Minimum setting)

// CONFIG2H

#pragma config WDT = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled (control is placed on

the SWDTEN bit))

#pragma config WDTPS = 32768 // Watchdog Timer Postscale Select bits (1:32768)

// CONFIG3H

#pragma config CCP2MX = PORTC // CCP2 MUX bit (CCP2 input/output is multiplexed with RC1)

#pragma config PBADEN = OFF // PORTB A/D Enable bit (PORTB<4:0> pins are configured as

digital I/O on Reset)

#pragma config LPT1OSC = OFF // Low-Power Timer1 Oscillator Enable bit (Timer1 configured for

higher power operation)

#pragma config MCLRE = ON // MCLR Pin Enable bit (MCLR pin enabled; RE3 input pin disabled)

// CONFIG4L

88

#pragma config STVREN = ON // Stack Full/Underflow Reset Enable bit (Stack full/underflow will

cause Reset)

#pragma config LVP = ON // Single-Supply ICSP Enable bit (Single-Supply ICSP enabled)

#pragma config XINST = OFF // Extended Instruction Set Enable bit (Instruction set extension and

Indexed Addressing mode disabled (Legacy mode))

// CONFIG5L

#pragma config CP0 = OFF // Code Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not code-protected)

#pragma config CP1 = OFF // Code Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not code-protected)

#pragma config CP2 = OFF // Code Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not code-protected)

#pragma config CP3 = OFF // Code Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not code-protected)

// CONFIG5H

#pragma config CPB = OFF // Boot Block Code Protection bit (Boot block (000000-0007FFh) not

code-protected)

#pragma config CPD = OFF // Data EEPROM Code Protection bit (Data EEPROM not code-

protected)

// CONFIG6L

#pragma config WRT0 = OFF // Write Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not write-

protected)

#pragma config WRT1 = OFF // Write Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not write-

protected)

#pragma config WRT2 = OFF // Write Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not write-

protected)

#pragma config WRT3 = OFF // Write Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not write-

protected)

// CONFIG6H

#pragma config WRTC = OFF // Configuration Register Write Protection bit (Configuration registers

(300000-3000FFh) not write-protected)

#pragma config WRTB = OFF // Boot Block Write Protection bit (Boot Block (000000-0007FFh)

not write-protected)

#pragma config WRTD = OFF // Data EEPROM Write Protection bit (Data EEPROM not write-

protected)

// CONFIG7L

#pragma config EBTR0 = OFF // Table Read Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not protected

from table reads executed in other blocks)

89

#pragma config EBTR1 = OFF // Table Read Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not protected

from table reads executed in other blocks)

#pragma config EBTR2 = OFF // Table Read Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not

protected from table reads executed in other blocks)

#pragma config EBTR3 = OFF // Table Read Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not

protected from table reads executed in other blocks)

// CONFIG7H

#pragma config EBTRB = OFF // Boot Block Table Read Protection bit (Boot Block (000000-

0007FFh) not protected from table reads executed in other blocks)

//#define _XTAL_FREQ 40000000

//------------------------------------------------------------------------------

// Prototipo de procedimientos y funciones del programa principal. -

//------------------------------------------------------------------------------

void iConfiguracionPerifericos(void);

void iInicializacionVariables(void);

unsigned int mppt(float Pk, float Pk1, float Vk, float Vk1);

unsigned int ADC_Conv(void);

void iConfiguracionUsart(void);

void iTxUsartMain(unsigned int);

unsigned char iRecepcionUsart(void);

void DelayFor18TCY(void);

void DelayPORXLCD(void);

void DelayXLCD(void);

#pragma interrupt Interrupcion_Alta_Prioridad

#pragma code Interrupcion = 0x0008

void VectorInterrupcion(void)

_asm goto Interrupcion_Alta_Prioridad _endasm

#pragma code

//------------------------------------------------------------------------------

// Definicion de variables del programa principal. -

//------------------------------------------------------------------------------

float voltajeact, voltajeant , corriente, Pactual, Pant, deltaPotencia, deltavoltaje, ProdPV, conversion,

lcdciclo, abdeltavoltaje;

90

float dPdV, NN, DP1, DV1, deltapv, promedioV, promedioI, bitslsbadc;

unsigned char lcdciclo1, lcdciclo2, dato_recibido, envio_datos,

envio_caracter,voltaje_h,voltaje_l,corriente_h,corriente_l, pwm10bitsH, pwm10bitsL,dPdVH,dPdVL,

j, a1, b;

unsigned int lcdvoltaje1, lcdvoltaje2, corriente1, corriente2, lcdvoltaje3, corriente3,

voltajeint,corrienteint, voltajeserial, corrienteserial, adc10bits, dPdVint, paso, lcdpot1, lcdpot2, lcdpot3,

contador_lcd;

float V0, V1, V2, V3, V4, V5, I0, I1, I2, I3, I4, I5, porcentaje, sensibilidad, refp, cicloutil;

unsigned int Runo, Rdos, ciclo, pwm11;

//------------------------------------------------------------------------------

// Procedimiento que inicializa las variables -

//------------------------------------------------------------------------------

void iInicializacionVariables(void)

voltajeact=0;

voltajeant=0;

corriente=0;

Pactual=0;

Pant=0;

paso=3;

Runo=68000;

Rdos=15000;

pwm11=3;

ciclo=0;

deltaPotencia=0;

deltavoltaje=0;

cicloutil=0;

ProdPV = 0;

lcdvoltaje1=0;

corriente1=0;

lcdvoltaje2=0;

corriente2=0;

lcdvoltaje3 = 0;

corriente3=0;

lcdciclo=0,lcdciclo1=0, lcdciclo2=0;

V0=0 , V1=0, V2=0, V3=0, V4=0, V5=0;

dPdV = 0;

NN = 10;

voltajeint=0;

corrienteint=0;

91

promedioI=0;

bitslsbadc=0;

porcentaje=0.09775171065;

sensibilidad = 0.066;

refp = 3.20;

dato_recibido=0;

envio_datos=0;

envio_caracter ='E';

voltaje_h=0;

voltaje_l=0;

corriente_h=0;

corriente_l=0;

lcdpot1=0;

lcdpot2=0;

lcdpot3=0;

contador_lcd=0;

j=0;

a1 = 0;

b = 0;

//------------------------------------------------------------------------------

// Procedimiento que configura los distintos periféricos del PIC18F4620 -

//------------------------------------------------------------------------------

void iConfiguracionPerifericos(void)

RCONbits.SBOREN = 0;

PORTA=0x00;

TRISA=0b00001111;

PORTB=0x00;

TRISB=0x00;

PORTC=0x00;

TRISC=0b11000000;

PORTD=0x00;

TRISD=0x00;

// MODULO ADC

ADCON0=0b00000001;

ADCON1=0b00001011;

ADCON2=0b10100101;

92

// MODULO PWM

PR2=249;

CCP1CON=0b00001100;

T2CON=0b00000100;

CCPR1H=255;

CCPR1L=255;

CCP1CONbits.DC1B1=1;

CCP1CONbits.DC1B0=0;

//Configuracion de interrupcion

RCONbits.IPEN=1;

INTCON = 0b10100000; // Habilitadas las interrupciones por puerto serial, y por TIMER 0

INTCON2 = 0b10000100; // Habilita la interrupcion por flanco negativo en RB2(INT2)

INTCON3 = 0b10010000; // Habilitar INT2, Alta prioridad, INT2IF = 0

T0CON = 0b10000000; // Timer de 16 bits, pre=2

TMR0H = 60; //00111100

TMR0L = 178; //10110010 // 10 ms

IPR1bits.RCIP=1; //Alta prioridad

PIR1bits.RCIF=0; //Bandera a 0

PIE1bits.RCIE=1; //Habilitar la interrupción por recepción

//------------------------------------------------------------------------------

// Funcion que calcula el PWM para MPP -

//------------------------------------------------------------------------------

unsigned int mppt(float Pk, float Pk1, float Vk, float Vk1)

deltaPotencia = Pk - Pk1;

deltavoltaje = Vk - Vk1;

ProdPV = deltaPotencia*deltavoltaje;

if (deltavoltaje > 0)

abdeltavoltaje = deltavoltaje;

else

abdeltavoltaje = -1*deltavoltaje;

93

if (abdeltavoltaje < 0.11)

dPdV = 0;

else

dPdV = fabs(deltaPotencia/deltavoltaje);

if (dPdV > 3)

paso = NN*dPdV;

else

paso = 3;

if (ProdPV > 0)

pwm11 = pwm11 - paso;

else

pwm11 = pwm11 + paso;

if (pwm11 <= 3) //SATURACION del PWM a 0.1

pwm11 = 3; //SATURACION del PWM a 0.1

if (pwm11 > 900) //SATURACION del PWM a 0.75

pwm11 = 900; //SATURACION del PWM a 0.75

return pwm11;

//------------------------------------------------------------------------------

// Funcion que realiza le conversion del valor adquirido en ADC1 -

// Valor de la conversion entre 0 - 1023

//------------------------------------------------------------------------------

94

unsigned int ADC_Conv(void)

ADCON0bits.GO_DONE=1;

while(ADCON0bits.GO_DONE==1)

Nop();

_asm nop _endasm

return ((256*ADRESH)+(ADRESL));

//------------------------------------------------------------------------------

// Configuración del módulo usart para modo master asíncrono. -

//------------------------------------------------------------------------------

void iConfiguracionUsart(void)

RCSTA = 0b10010000;

TXSTA = 0b00000100;

TRISCbits.RC6 = 1;

TRISCbits.RC7 = 1;

BAUDCON = 0b00001000;

SPBRGH = 0;

SPBRG = 172;

//------------------------------------------------------------------------------

// Transmisión de datos desde el microcontrolador Pic 18F452 hacia el PC. -

//------------------------------------------------------------------------------

void iTxUsartMain(unsigned int datotransmisionmaster)

TXSTAbits.TXEN=1; //transmisión habilitada

TXREG=datotransmisionmaster;

while(!TXSTAbits.TRMT)

continue;

TXSTAbits.TXEN=0; //transmisión deshabilitada

//------------------------------------------------------------------------------

// Recepción de datos desde el PC (interrupción alta prioridad). -

//------------------------------------------------------------------------------

unsigned char iRecepcionUsart(void)

static unsigned char datoretornar;

if(RCSTAbits.OERR)

RCSTAbits.CREN=0;

_asm

95

nop

nop

nop

_endasm

RCSTAbits.CREN=1;

datoretornar=RCREG;

return datoretornar;

//=======================================================================

// DEFINICIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE INTERRUPCION DE ALTA PRIORIDAD.

//=======================================================================

void Interrupcion_Alta_Prioridad(void)

INTCONbits.GIEH=0; //Deshablitar las

interrupciones

if((INTCONbits.TMR0IF) && (INTCONbits.TMR0IE)&& (INTCON2bits.TMR0IP))

INTCONbits.TMR0IE=0;

//..............................................................................

ADCON1=0b00001011; // Referencia VDD, +5 -- 0 V

ADCON0=(0b11000011&ADCON0)|(0b00111100&0b00000000); //

Selecciona el canal AN0

if(TMR2<125)

a1 = 230;

b = 240;

if(TMR2>=125)

a1 = 4;

b = 10;

while((TMR2 <= a1)||(TMR2 >= b)||(j <= 10))

j=j+1;

j=0;

promedioV=ADC_Conv();

V5=V4;

V4=V3;

V3=V2;

96

V2=V1;

V1=V0;

V0=(float)((81*promedioV)/3069);

voltajeact=(float)(((V0+V1+V2+V3+V4+V5)/6)+0.8);

ADCON1=0b00111011; // Referencia AN2, +5 -- +2.5 V

ADCON0=(0b11000011&ADCON0)|(0b00111100&0b00000100); //

Selecciona el canal AN1

if(TMR2<125)

a1 = 230;

b = 240;

if(TMR2>=125)

a1 = 4;

b = 10;

while((TMR2 <= a1)||(TMR2 >= b)||(j <= 10))

j=j+1;

j=0;

promedioI = ADC_Conv();

I5=I4;

I4=I3;

I3=I2;

I2=I1;

I1=I0;

I0=((((refp-2.5)*promedioI)/1024))/sensibilidad;

corriente=(float)(I0+I1+I2+I3+I4+I5)/6;

Pactual=voltajeact*corriente;

ciclo=(int)(mppt(Pactual, Pant, voltajeact, voltajeant));

CCPR1L=(unsigned char)(ciclo/4);

bitslsbadc=(ciclo-(4*CCPR1L));

CCP1CONbits.DC1B0=bitslsbadc;

CCP1CONbits.DC1B1=(unsigned char)(bitslsbadc/2);

adc10bits=(unsigned

int)((4*CCPR1L)+((2*CCP1CONbits.DC1B1)+CCP1CONbits.DC1B0));

cicloutil=(float)((porcentaje*ciclo));

// Actualizar las variables

Pant=Pactual;

voltajeant = voltajeact;

97

contador_lcd = 1;

//..............................................................................

INTCONbits.TMR0IF=0;

INTCONbits.TMR0IE=1;

TMR0H = 60;

TMR0L = 178;

INTCONbits.GIEH=1;

//------------------------------------------------------------------------------

// Progragama Principal Main -

//------------------------------------------------------------------------------

void main()

Delay10KTCYx(100);

iInicializacionVariables();

iConfiguracionPerifericos();

iConfiguracionUsart();

PIE1bits.RCIE=0;

iLcdInicializacion();

Delay10KTCYx(50);

iLcdPutchMain('V'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('L'),iLcdPutchMain('T');

iLcdGotoMain(5);

iLcdPutchMain('C'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('R'),iLcdPutchMain('R');

iLcdGotoMain(10);

iLcdPutchMain('P'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('T');

iLcdGotoMain(14);

iLcdPutchMain('C'),iLcdPutchMain('U');

while(1)

voltajeserial = (unsigned int)((3069*voltajeact)/83);

voltaje_h = (unsigned char)(voltajeserial/256);

voltaje_l = (unsigned char)(voltajeserial);

corrienteserial = (unsigned int)((corriente*67.518)/2.5);

corriente_h = (unsigned char)(corrienteserial/256);

corriente_l = (unsigned char)(corrienteserial);

pwm10bitsH=(unsigned char)(ciclo/256);

pwm10bitsL=(unsigned char)(ciclo);

98

if (contador_lcd==1)

lcdvoltaje1=(unsigned int)(voltajeact/100);

iLcdGotoMain(64);

iLcdPutchMain(48+lcdvoltaje1);

lcdvoltaje2=(unsigned int)(((voltajeact/10) - (10*lcdvoltaje1)));

iLcdGotoMain(65);


lcdvoltaje3=(unsigned int)(voltajeact - (100*lcdvoltaje1 + 10*lcdvoltaje2));

iLcdGotoMain(66);


corriente1=(unsigned int)(corriente/10);

iLcdGotoMain(69);

iLcdPutchMain(48+corriente1);

corriente2=(unsigned int)(((corriente) - (10*corriente1)));

iLcdGotoMain(70);


iLcdGotoMain(71);

iLcdPutchMain(46);

corriente3=(unsigned int)(10*(corriente - (10*corriente1 + corriente2)));

iLcdGotoMain(72);


lcdpot1=(unsigned int)(Pactual/100);

iLcdGotoMain(74);

iLcdPutchMain(48+lcdpot1);

lcdpot2=(unsigned int)(((Pactual/10) - (10*lcdpot1)));

iLcdGotoMain(75);


lcdpot3=(unsigned int)(Pactual - (100*lcdpot1 + 10*lcdpot2));

iLcdGotoMain(76);


lcdciclo=cicloutil;

lcdciclo1 = (unsigned char)(lcdciclo/10);

iLcdGotoMain(78);

iLcdPutchMain(48+lcdciclo1);

lcdciclo2 = (unsigned char)(lcdciclo - (lcdciclo1*10));

iLcdGotoMain(79);

iLcdPutchMain(48+lcdciclo2);

contador_lcd=0;

if(PIR1bits.RCIF)

99

dato_recibido = iRecepcionUsart();

PIR1bits.RCIF=0;

if (dato_recibido=='3')

iTxUsartMain(envio_caracter);

dato_recibido=0;

Delay10KTCYx(10);

dPdVint=(unsigned int)(dPdV);

dPdVH=(unsigned char)(dPdVint/256);

dPdVL=(unsigned char)(dPdVint);


iTxUsartMain(voltaje_h);

iTxUsartMain(voltaje_l);

iTxUsartMain(corriente_h);

iTxUsartMain(corriente_l);

iTxUsartMain(pwm10bitsH);

iTxUsartMain(pwm10bitsL);

PORTBbits.RB1=1;


PORTBbits.RB1=0;

dato_recibido='2';

PORTBbits.RB0=0;

PORTBbits.RB1=!PORTBbits.RB1;

Delay10KTCYx(10);

100

ANEXO II

SCRIPT EN MATLAB PARA LA ADQUISICIÓN DE DATOS

delete(instrfindall);

clc

clear all

close all

%% ADQUISICION POR PUERTO SERIAL

muestras = 1200; %32sec, 2400

t=1:1:muestras;

contador=1;

adquisicion_datos=zeros(muestras,1);

inicio = 0;

delete(instrfind('port' , 'COM3'));

valorADC=0;

% CREAR UN OBJETO

SerPIC = serial('COM3');

SerPIC.BaudRate = 57600;

SerPIC.DataBits = 8;

SerPIC.Parity = 'none';

SerPIC.StopBits = 1;

SerPIC.FlowControl = 'none';

% ADQUIRIR DATOS

fopen(SerPIC);

fprintf(SerPIC,'%s','3');

while inicio ~= 'E'

inicio = fscanf(SerPIC, '%s', 1)

end

if (inicio=='E')


while contador<=muestras

valorADC=fread(SerPIC ,1);

adquisicion_datos(contador,1)=valorADC;

contador=contador+1;

101

end

end


pause(1)


% CERRAR EL PUERTO

fclose(SerPIC);

delete(SerPIC)

clear SerPIC

%% ADQUISICION DE VOLTAJE

contador=1;

i=1;

muestras_voltaje=floor(muestras*1/3)

adc_voltaje_panel=zeros(muestras_voltaje,1);

while contador<muestras

adc_voltaje_panel(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);


i=i+2;

end

voltaje_panel=zeros(muestras_voltaje/2,1);

j=1;

k=1;

while j<(muestras_voltaje/2)

voltaje_panel(j,1)=83*((256*adc_voltaje_panel(k,1))+adc_voltaje_panel(k+1,1))/3069;

j=j+1;

k=k+2;

end

tv=0:1:(muestras_voltaje-1)/2;

figure

plot(tv,voltaje_panel)

grid on

title('Voltaje Panel')

%% ADQUISICION DE CORRIENTE

102

contador=3;

i=1;

muestras_corriente=floor(muestras*1/3)

adc_corriente_panel=zeros(muestras_corriente,1);


adc_corriente_panel(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);


i=i+2;

end

corriente_panel=zeros(muestras_corriente/2,1);

j=1;

k=1;

while j<(muestras_corriente/2)

corriente_panel(j,1)=(2.5*((256*adc_corriente_panel(k,1))+adc_corriente_panel(k+1,1))/67.5

18);

j=j+1;

k=k+2;

end

tc=0:1:(muestras_corriente-1)/2;

figure

plot(tc,corriente_panel)

grid on

title('Corriente Panel')

%% ADQUISICION DE PWM

contador=5;

i=1;

muestras_pwm=floor(muestras*1/3)

pwm_char=zeros(muestras_pwm,1);


pwm_char(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);


i=i+2;

end

103

pwm_panel=zeros(muestras_pwm/2,1);

j=1;

k=1;

while j<(muestras_pwm/2)

pwm_panel(j,1)=((256*pwm_char(k,1))+pwm_char(k+1,1))/1023;

%pwm_panel(j,1)=((256*pwm_char(k,1))+pwm_char(k+1,1));

j=j+1;

k=k+2;

end

tpw=0:1:((muestras_pwm/2)-1);

figure

plot(tpw,pwm_panel)

grid on

title('PWM Panel')

potencia = (voltaje_panel.*corriente_panel);

figure

plot(tpw,potencia)

grid on

104

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[26] Datasheet del PIC 18F4620 de Microchip, disponible en

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39626e.pdf

[27] Datasheet del sensor de corriente ACS712 de Allegro MicroSystems, disponible

en http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-

Datasheet.ashx.

[28] Datasheet del driver IR2110 de International Rectifier, disponible en

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.

[29] Datasheet del FT232RL de FTDI CHIP, disponible en

http://www.ftdichip.com/Support/Documents/DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf.

[30] Mohamed Amine Abdourraziq, Mohammed Ouassaid, Mohamed Maaroufi.

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Complex Systems (WCCS), 2014 Second World Conference on.

[31] Daniel W Hart. “Electrónica de Potencia”. PEARSON EDUCATION S.A.

Madrid, 2001.

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[32] Datasheet del IRF540N de International Rectifier, disponible en

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf.

[33] Datasheet del 30CPQ100 de International Rectifier, disponible en

http://lib.chipdip.ru/196/doc000196871.pdf

Análisis e implementación de un sistema electrónico ... · 1.2.1.2 Conversor elevador operando...

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