Monitorización de sistemas fotovoltaicos aislados

8/18/2019 Monitorización de sistemas fotovoltaicos aislados

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SISTEMA DE MONITORIZACIÓN Y

ADQUISICIÓN DE DATOS PARA SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS

I NSTITUTO DE E NERGÍA SOLAR

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

JUNIO 2013


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ÍNDICE DE CONTENIDOS

CAPÍTULO 1.

INTRODUCCIÓN ............................................................................ 10

1.1 Motivaciones del proyecto ............................................................................... 12

1.2 Antecedentes .................................................................................................... 13

1.3

La energía solar fotovoltaica ............................................................................ 14

1.3.1

La energía solar fotovoltaica en zonas rurales aisladas ............................ 15

1.4 Monitorización de sistemas fotovoltaicos autónomos ..................................... 17

1.5 Telecentros ....................................................................................................... 19

1.6 Estructura del documento ................................................................................ 21

CAPÍTULO 2. PARÁMETROS A MONITORIZAR ............................................... 24

2.1

Estado actual de la monitorización de sistemas fotovoltaicos ......................... 26

2.2 Elementos diferenciados de un sistema fotovoltaico autónomo ...................... 27

2.2.1

Generador fotovoltaico ............................................................................. 28

2.2.2 Batería ....................................................................................................... 29

2.2.3 Controlador de carga ................................................................................ 31

2.2.4 Cargas ....................................................................................................... 32

2.3 Sistema fotovoltaico del proyecto .................................................................... 38

CAPÍTULO 3. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS ................................ 40

3.1 Inicialización en el tratamiento de medidas ..................................................... 42

3.2 Caracterización de los transductores. ............................................................... 44

3.2.1

Función de transferencia ........................................................................... 44

3.2.2 Sensibilidad .............................................................................................. 45

3.2.3 Selectividad .............................................................................................. 46

3.2.4

Linealidad ................................................................................................. 47


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3.2.5 Umbral de respuesta y resolución ............................................................. 48

3.2.6 Estabilidad, deriva y repetibilidad ............................................................ 48

CAPÍTULO 4.

SELECCIÓN DEL EQUIPAMIENTO PARA EL SISTEMA DE

ADQUISICIÓN DE DATOS ......................................................................................... 50

4.1

Selección de las diferentes partes .................................................................... 52

4.2 Sensores de medida .......................................................................................... 53

4.2.1 Sensor de irradiancia ................................................................................ 53

4.2.2 Sensor de temperatura .............................................................................. 60

4.2.3 Sensor de corriente ................................................................................... 66

4.2.4 Sistema de adaptación de la tensión de batería. ....................................... 73

4.3

Registradores de datos ..................................................................................... 74

4.3.1 Elección del registrador de datos .............................................................. 78

4.3.2 Comparativa de resolución de los valores obtenidos ............................... 80

4.4 Montaje y elección de todos los componentes ................................................. 83

4.4.1

Observaciones relativas al registrador de datos ........................................ 83

4.4.2

Observaciones relativas a los sensores y sus señales ............................... 84

4.5 Caja de aislamiento y disposición de elementos. ............................................. 88

4.6 Coste del sistema de adquisición de datos. ...................................................... 89

CAPÍTULO 5. SIMULACIÓN DEL FUNCIOMENTO DEL TELECENTRO ....... 92

5.1 Interés de la simulación ................................................................................... 94

5.2

Análisis de consumo ........................................................................................ 94

5.3 Creación del modelo ........................................................................................ 96

CAPÍTULO 6. DESARROLLO SOFTWARE ........................................................ 102

6.1 DESARROLLO SOFTWARE ...................................................................... 104

6.1.1 PROGRAMA DE TRATAMIENTO DE DATOS ................................. 104

6.1.2

DESARROLLO DE LA PÁGINA WEB ............................................... 112


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CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES .......................................................................... 119

7.1 CONCLUSIONES ......................................................................................... 121

CAPÍTULO 8.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................ 125

ANEXO I ...................................................................................................................... 132

GUÍA DE USO ......................................................................................................... 133

ANEXO II .................................................................................................................... 148

ESQUEMAS ELÉCTRICOS ................................................................................... 150


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Ventajas domésticas de la electricidad FV ..................................................... 16

Tabla 2.1 Parámetros principales de una instalación fotovoltaica ................................. 36

Tabla 2.2 Relación de sensores con la magnitud medida ............................................... 38

Tabla 4.1 Comparativa de sensores de irradiancia ......................................................... 57

Tabla 4.2 Características técnicas de la célula calibrada ................................................ 58

Tabla 4.3 Comparación de sensores de temperatura ...................................................... 63

Tabla 4.4 Comparación entre sensores de corriente ....................................................... 69

Tabla 4.5 Comparativa de registradores de datos comerciales ....................................... 77

Tabla 4.6 Comparativa de resolución de los registradores de datos utilizados. ............. 81

Tabla 4.7 Costes del sistema de adquisición de datos .................................................... 90

Tabla 5.1 Consumos de potencia en un telecentro tipo .................................................. 95

Tabla 5.2 Consumo de potencia nocturno en un telecentro ............................................ 96

Tabla 5.3 Instrucciones más usadas en Step 7 .............................................................. 100

Tabla 6.1 Parámetros y abreviaturas en el archivo diario definitivo ............................ 109


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Instituto de Energía Solar .............................................................................. 13

Figura 1.2 Aprender en comunidad, labor de un telecentro ........................................... 21

Figura 2.1 Sistema fotovoltaico autónomo ..................................................................... 27

Figura 2.2 Módulos fotovoltaicos ................................................................................... 28

Figura 2.3 Baterías .......................................................................................................... 30

Figura 2.4 Regulador SOLSUM ..................................................................................... 31

Figura 2.5 Sistema fotovoltaico autónomo completo ..................................................... 33

Figura 2.6 Parámetros a monitorizar .............................................................................. 37

Figura 3.1 Esquema de un transductor ........................................................................... 43

Figura 3.2 Función de transferencia ............................................................................... 45

Figura 3.3 Sensibilidad ................................................................................................... 46

Figura 3.4 Linealidad ...................................................................................................... 47

Figura 3.5 Combinación de ambas derivas ..................................................................... 49

Figura 4.1 Espectro solar ................................................................................................ 54

Figura 4.2 Diferentes células calibradas ......................................................................... 55

Figura 4.3 Respuesta al espectro solar de las diferentes tecnologías ............................. 56

Figura 4.4 Sensor de irradiancia elegido ........................................................................ 58

Figura 4.5 Corriente de cortocircuito de la célula calibrada........................................... 59

Figura 4.6 Problemas encontrados en la utilización del sensor de irradiancia ............... 60

Figura 4.7 Funcionamiento teórico de un termopar ....................................................... 61

Figura 4.8 Conexión del dispositivo LM35 .................................................................... 64

Figura 4.9 Adaptación del LM35 para ampliar su rango de medida .............................. 65

Figura 4.10 Resistencia shunt ......................................................................................... 67

Figura 4.11 Transformadores de corriente ..................................................................... 67


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Figura 4.12 Sensores de efecto hall ................................................................................ 68

Figura 4.13 Bobina Rogowski dentro de los cojinetes ................................................... 69

Figura 4.14 Variación de la resistencia de la manganina con la temperatura ................ 71

Figura 4.15 Utilización del shunt ................................................................................... 71

Figura 4.16 Relación registrador de datos Agilent - Omega .......................................... 82

Figura 4.17 Corriente del generador medida por ambos registradores de datos ............ 83

Figura 4.18 Circuito divisor de tensión .......................................................................... 85

Figura 4.19 Regulador de tensión 78XX ........................................................................ 86

Figura 4.20 Conexionado en el circuito del 78XX ......................................................... 87

Figura 4.21 Conexionado alternativo para el 78XX ....................................................... 88

Figura 5.1 Autómata SIMATIC S7 200 ......................................................................... 97

Figura 5.2 Modelo de funcionamiento de un autómata .................................................. 98

Figura 5.3 Interfaz gráfica del software.......................................................................... 99

Figura 5.4 Diferentes lenguajes de programación ........................................................ 100

Figura 6.1 Archivo original del programa Omega ....................................................... 106

Figura 6.2 Archivo diario definitivo después del tratamiento ...................................... 107

Figura 6.3 Sistema de carpetas en años, meses y los archivos definitivos diarios ....... 108

Figura 6.4 Ejemplo de archivo de datos diario definitivo ............................................ 110

Figura 6.5 Definición del tipo de separador para obtener una correcta separación de

parámetros .................................................................................................................... 110

Figura 6.6 Obtención de la gráfica mediante las columnas de fecha y G() .................. 111

Figura 6.7 Obtención de varias gráficas en una misma figura para comparación de

valores ........................................................................................................................... 112

Figura 6.8 Portada del portal web realizado ................................................................. 113

Figura 6.9 Calendario desplegable ............................................................................... 114

Figura 6.10 Ejemplo de descarga de archivo diario ..................................................... 114

Figura 6.11 Matriz de parámetros de la sección Gráficas ............................................ 115


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Figura 6.12 Gráfica que muestra la irradiancia mediante el portal web. ...................... 116

Figura 6.13 Sección de Ayuda del portal web .............................................................. 117

Figura 7.1 Monitorización de la irradiancia en días soleados y nublados. ................... 123


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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN


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INTRODUCCIÓN 12

1.1 Motivaciones del proyecto

Este proyecto crea una herramienta que facilita la monitorización y adquisición dedatos de los parámetros básicos de una instalación fotovoltaica. Se ha centrado en el

caso de instalaciones fotovoltaicas que tienen un acceso a Internet cercano,

especialmente en el caso de los telecentros, para poder acceder a los datos registrados de

manera remota.

El proyecto se centra en el estudio de los generadores fotovoltaicos que alimentan

dichos telecentros, debido al interés creciente de los mismos en los últimos años, como

parte de un plan de dotar a ciertas regiones aisladas del acceso a los medios decomunicación y la sociedad de la información global que favorezcan su propio

desarrollo ayudándose en este contexto de los beneficios que la energía solar

fotovoltaica les proporciona en zonas del planeta donde la red eléctrica no es accesible.

Es en estos casos donde el correcto funcionamiento de los generadores

fotovoltaicos ya instalados juega un papel fundamental en el desarrollo de nuevas y

mejores instalaciones de telecentros que funcionen a partir de energía solar fotovoltaica.

Por ello nace el interés de tener un procedimiento mediante el que se registran los datosde forma automática de un generador fotovoltaico determinado, así como se pueden

visualizar desde otros puntos para conocer el estado real de la instalación y poder

realizar un mantenimiento de manera más sencilla y eficiente. Igualmente el mayor

conocimiento acerca de los generadores que se monitorizan ayuda a estudiar los usos

que de la energía obtenida hacen realmente en el telecentro (mediante la observación de

los datos de los consumos), con lo que se puede realizar una mayor adecuación al

funcionamiento de los mismos, así como mejorar el diseño de instalaciones futuras.

La monitorización de los parámetros energéticos del telecentro es por tanto una

herramienta interesante para todas las partes involucradas en el proyecto, tanto

instaladores como usuarios finales, pues lo que para unos se traduce en un correcto y

también más sencillo mantenimiento de la instalación significa para otros un mejor

servicio e implicación por parte de la organización encargada del mantenimiento de

dicha instalación. Esto es una ventaja real debido a la imposibilidad de realizar un

mantenimiento como el que se puede ofrecer en otro tipo de emplazamientos másaccesibles.


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INTRODUCCIÓN 13

La distancia, y la remota localización de los telecentros hacia los que se orienta

este proyecto, hacen que su control desde el exterior (siempre que sea posible) agilice y

facilite las labores de mantenimiento.

1.2 Antecedentes

El Instituto de Energía Solar (IES en adelante) de la Universidad Politécnica de

Madrid, fue establecido el año 1979 a partir del Laboratorio de Semiconductores de la

ETSI de Telecomunicación, confirmándose más adelante como instituto universitario.

La finalidad de su ejecución es la de investigar acerca de la energía solar fotovoltaica y

los aspectos relacionados con la misma.

Figura 1.1 Instituto de Energía Solar

En el IES nacen diferentes ramas durante este tiempo que favorecen distintas

líneas de investigación. En 1984 se establece la dedicada a la rama de sistemas. Dentro

de este grupo se plantean actualmente diferentes estudios acerca de sistemas

fotovoltaicos tanto de tipo aislado como conectados a la red eléctrica. La utilidad de

este proyecto vendrá relacionada con las investigaciones de sistemas fotovoltaicos

autónomos, donde se plantea la necesidad de un mayor control de los mismos para

mejorar la gestión de las instalaciones tanto actuales como optimizar los diseños de las

que se hagan en adelante, al tener un mayor conocimiento de la utilización energética.

Dentro del IES se han realizado algunos sistemas de monitorización, donde la

estación meteorológica del proyecto Helios un claro ejemplo, tratándose dicho caso de

un estudio de laboratorio con medidas muy precisas lo que se aleja del objetivo de este

proyecto que trata de obtener resultados más generales. Otro de los ejemplos más

recientes es el caso del sistema de monitorización perteneciente a la casa solar


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INTRODUCCIÓN 14

participante en el concurso Solar Decathlon, apoyado en los inversores Sunny Boy,

fabricados por SMA. En este proyecto se intenta realizar un sistema de monitorización

totalmente independiente de los propios componentes del sistema. [Domínguez, 2004],[Novo, 2007].

1.3 La energía solar fotovoltaica

Tal y como indica la Real Academia de la Lengua Española, energía es la

“magnitud física que nos indica la capacidad para realizar un trabajo (medida en

Julios)”.

Aparte de consideraciones científicas más rigurosas, se puede ver la energía comoel motor de este mundo (calentando nuestras casas, iluminando calles, haciendo

funcionar nuestras industrias y transportes...). En los últimos años se ha producido una

deriva en cuanto a la conciencia social sobre el uso de dicha energía y se ha pasado de

ver el ratio de consumo energético como un marcador del alto desarrollo de la zona a un

indicador del derroche de energía. A su vez se ha dado un pensamiento que favorece

una voluntad mayor de hacer uso de energías menos contaminantes y siempre que sea

posible alimentadas por una fuerza renovable. Es aquí donde la energía solarfotovoltaica atrae gran interés.

Con energía solar fotovoltaica se entiende la obtenida directamente de la

conversión de la radiación solar en corriente eléctrica. Para ello se utilizan las

denominadas células solares a modo de transductor.

La energía solar fotovoltaica comenzó a utilizarse en aplicaciones terrestres hace

más de 3 décadas. En los últimos años ha derivado hacia dos tipos de sistemas

diferentes en su aplicación práctica. Por un lado existen centrales de generación

conectadas a la red eléctrica, mientras que por otro lado también hay electrificación

autónoma, sistemas en los que se centra este proyecto.

Los sistemas aislados se componen fundamentalmente de paneles fotovoltaicos

para captar la energía y un banco de baterías mediante el cual poder almacenarla. En

estos casos la energía fotovoltaica no se estudia meramente como negocio rentable sino

como una fuente energética necesaria e insustituible. En los sistemas fotovoltaicos

autónomos en países en vías de desarrollo la energía solar fotovoltaica pasa a ser una


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INTRODUCCIÓN 15

fuente de abastecimiento básica, al carecer de acceso a la red eléctrica. Es para estos

casos para los cuales la energía solar fotovoltaica parece más provechosa, debido a la

escasez de alternativas y a la voluntad de los proyectos llevados allí de unirse a la

preservación del medio que les rodea mediante la utilización de energías renovables.

Pero para poder desarrollar un sistema fotovoltaico autónomo, interesa conocer

una serie de datos, unos a priori para realizar un buen diseño (en cuanto a

emplazamiento, niveles de radiación, temperatura...) y otros a posteriori para ver su

correcto funcionamiento (generación de energía, consumos...). Es en estos datos a

posteriori donde los sistemas de monitorización tienen sentido, pues se obtienen y

registran todos los datos de la instalación, lo que ayuda a hacer un mantenimiento más

eficiente de la instalación estudiada, además de favorecer la mejora de los diseños

futuros con un conocimiento mayor de la utilización energética de los sistemas que ya

están en funcionamiento. En este proyecto hay que elegir los parámetros más adecuados

para poder realizar una correcta monitorización de los telecentros que son objetivo de

estudio, lo que se analiza en el capítulo 2.

1.3.1 La energía solar fotovoltaica en zonas rurales aisladas

En los últimos años se ha dado un avance muy significativo en la percepción de

la energía fotovoltaica como fuente básica para grandes zonas aisladas, como en la que

se desarrolla el caso general que se analiza en este proyecto. La necesidad de una fuente

de energía estable renovable abre a la fotovoltaica un campo de acción que hasta ahora

podría no parecer tan amplio.

Un claro ejemplo es la Amazonía, donde por un lado la ausencia de vientos

estables hace que la energía eólica no aparezca como una opción importante; además, a

pesar de contar con el río y afluentes más importantes del mundo, las escasas

variaciones del terreno llevan a que la energía hidráulica tampoco sea utilizable más que

en pequeños puntos concretos. Con estas características especiales, aparece la

fotovoltaica como la fuente de energía ideal para apoyar planes de desarrollo de

electrificación rural, debido a las características óptimas de irradiancia de toda la zona.

Desde hace algunos años, en la mayoría de países latinoamericanos se han

establecido planes de desarrollo para incentivar el acceso al recurso de la electricidad

(“Luz para todos” en Brasil, PLABER en Bolivia, PNUD y Ministerio de Energía y


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INTRODUCCIÓN 16

Minas en Perú…) pero se debe avanzar aún más en la electrificación rural, con apoyo

desde todos los ámbitos. Así mismo, hay una serie de proyectos en dichos países para

apoyar la inclusión de las poblaciones en las tecnologías de la información y lacomunicación (en adelante TIC), pero en las zonas más alejadas de las ciudades se

necesita primero que los planes que incentiven la llegada de la electricidad a esos puntos

se hagan realidad.

En el caso concreto de la electricidad fotovoltaica, ha producido un gran

número de ventajas a la población receptora, siempre y cuando los programas se han

hecho con sentido común. Para ello se puede observar en la tabla Tabla 1.1 el resultado

de una encuesta realizada por la FAO en el año 2000 acerca de las ventajas que para loshabitantes de dichas regiones representa la energía solar fotovoltaica, donde destacan

especialmente las del ámbito de las mejoras en el trabajo y las posibilidades de disfrutar

del tiempo libre del que pueden ahora disponer. [FAO, 2000]

Trabajo/estudios/tareas escolares por la noche 79 %

Más posibilidades recreativas (TV/radio, lectura, etc.…) 77 %

Mejores condiciones de salud (refrigeración, ausencia de humo, no hay

peligro de incendios)

42 %

Tiempo libre, sobre todo para las mujeres 44 %

Más satisfacción/autoestima/actitud positiva 56 %

Mejoras domésticas que coinciden con la instalación 40 %

Otros,

a saber

Uso posible como fuente de energía para repelente de insectos 5 %

Eliminación del uso de baterías eléctricas

Tabla 1.1 Ventajas domésticas de la electricidad FV

Además, en los países donde se puede ejecutar el proyecto se desarrollan

diferentes programas a la vez que los de electrificación rural para extender las

tecnologías de acceso a medios de comunicación y la sociedad de la información global

entre toda la población. Es aquí donde tiene especial interés el caso de este análisis, en

la unión entre la energía fotovoltaica y las comunicaciones para promover el desarrollo

de las regiones más aisladas.


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INTRODUCCIÓN 17

Según el número de experiencias exitosas aumenta, incita a que se tenga cada vez

más en cuenta a la energía fotovoltaica y las comunicaciones como amparo para el

desarrollo de planes tanto educativos, sanitarios…como para apoyar el desarrollo

agrícola de una región o el ecoturismo. Las posibilidades son muchas y por eso es

importante que se involucre a las poblaciones receptoras dentro del propio proyecto para

hacer un estudio pertinente y eficaz acerca de lo realmente necesario para cada región e

importante para su población. En cada lugar la energía solar fotovoltaica puede tener

una aplicación y todas ellas igual de válidas. En este proyecto como ya se ha

introducido el análisis se centra en el caso de los telecentros.

1.4 Monitorización de sistemas fotovoltaicos autónomosEn los últimos años tiene cada vez mayor importancia el dotar a las instalaciones

fotovoltaicas de un mayor control por medios de sistemas de monitorización, bien en

forma directa en la propia instalación o bien de manera remota por medio de Internet.

Los principales problemas de este sector son la falta de madurez en el mercado de los

sistemas de adquisición de datos (SAD, en adelante) así como la falta de estandarización

en la monitorización.

Desde algunas organizaciones internacionales tales como la IEA (International

Energy Agency) o la IEC (International Electrotechnical Commission), se trabaja por

conseguir normalizar la monitorización de los sistemas fotovoltaicos autónomos, para

poder realizar un tratamiento de los datos de manera más eficiente, con la publicación

de recomendaciones acerca de cómo realizar los diseños más correctos posibles, lo que

promueve aumentos de calidad y fiabilidad de los sistemas. [IEA, 2003].

Como indica [Canmet, 1998] la problemática de monitorizar una instalaciónfotovoltaica no radica en una dificultad excesiva en el sistema de monitorización, sino

en el tratamiento y la difusión que se hace de los datos.

Lo primero que se debe analizar es la finalidad que tienen los datos que se

intentan obtener, pues el cometido de la monitorización puede orientarse hacia el

conocimiento de la producción energética simplemente, hacia la comprobación del

correcto funcionamiento de la instalación o hacia la obtención de información para

ajustar el diseño de producción y consumo de la instalación, así como mejorar el diseñode futuras instalaciones.


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INTRODUCCIÓN 18

Los sistemas de monitorización ofrecen por tanto multitud de información y datos

diferentes según la aplicación a la que vaya destinada, así como el grupo que va a ser

responsable de analizar toda la información suministrada por el sistema de adquisición:o Información básica de producción, modo orientado principalmente al usuario de

la instalación para conocer de manera rápida y simple su funcionamiento.

o Información más completa de control de la instalación, que ofrece a la vez datos

del consumo de la instalación así como de la producción. Se suele orientar para

el conocimiento tanto del instalador como del usuario, para poder realizar un

mantenimiento más sencillo y eficiente.

o

Información detallada de un sistema, orientado a la investigación para realizar

estudios de control de una instalación de la que se quieren conocer todos los

datos bajo diferentes situaciones.

La IEA da una serie de recomendaciones acerca de la utilización de sensores dentro

de un sistema de monitorización, lo que se impone como norma dentro del desarrollo de

este proyecto: [IEA, 2003].

o

Utilizar sensores que no afecten a la medida realizada.o Ajustar el sensor elegido a los rangos de medida y operación que vaya a

soportar.

o Añadir algo de redundancia.

o Indica además que cuanto más simple sean los sensores elegidos mejor es el

sistema diseñado, pues evitamos posibilidad de fallos y la necesidad de un

mantenimiento específico del sistema de adquisición de datos y monitorización.

Se ha avanzado por tanto en el estudio de sistemas de monitorización en el sector de

la energía solar fotovoltaica, tanto en el caso de sistemas autónomos como en el de los

sistemas conectados a red. Aún así es necesario que se establezcan protocolos reales y

normas aceptadas por todos, con lo que se consigan sistemas de adquisición de datos

más sencillos y con la ventaja de poder ser utilizados en cualquier instalación.


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INTRODUCCIÓN 19

1.5 Telecentros

Los telecentros tienen un papel crucial en el desarrollo de las tecnologías de la

información y comunicación en los países en vías de desarrollo. No se debe confundir lalabor de un telecentro con la de un cibercafé, pues no se pretende lo mismo en cada

sitio. Un telecentro es “un local compartido que provee acceso al público a tecnologías

de información y comunicaciones”, con el objetivo fundamental de contribuir a romper

algunas de las más importantes barreras que hoy detiene el desarrollo económico de

poblaciones marginadas. [IADB; 2001].

Mientras que la labor fundamental de un cibercafé es la de dotar del acceso a

Internet y utilización de ordenadores, en un telecentro se trata de que la población queno ha tenido acceso a las TIC tenga la opción de aprender de forma colectiva acerca del

uso de las nuevas tecnologías. Este acercamiento a la información se puede producir

para mejorar la calidad de vida de la comunidad, conocer más a fondo sus derechos,

hablar de su región, entablar relación con otras comunidades o bien aprender entre

todos. Lo que se busca es una mayor inclusión digital que produzca una fuerte

implicación social y desarrollo de la ciudadanía, con lo que provocar una mejora

general, personal, educacional y económica.

Según [IADB; 2001] las principales ventajas de un telecentro pueden venir por:

o Servicios gubernamentales de asistencia, siendo los más importantes el acceso a

programas educativos o sanitarios en línea.

o Programas de capacitación a distancia, siendo una de las principales ventajas de

estos telecentros en ambientes rurales, con una reducción de los costes por

traslados de personal en regiones aisladas.

o Información productiva (principalmente agropecuaria por tratarse de entornos

rurales), procedente bien de instituciones especializadas o de agrupaciones

semejantes en colaboración entre ambas comunidades. Igualmente permiten la

entrada bajo condiciones más favorables en los mercados de productos.

o Información adecuada acerca de opciones de financiación y apoyo para la

población, así como acerca de mercados de trabajo distantes o teletrabajo desde

su ubicación.


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INTRODUCCIÓN 20

o Colaboración entre diferentes comunidades para trabajar por sus causas comunes

(ya sean económicas o sociales). Igualmente se hace énfasis en la ventaja de la

proximidad virtual con amigos o parientes para dar apoyo técnico, material,social...

Se ve por tanto que la utilidad práctica que de cada telecentro se haga varía de una

comunidad a otra con la adecuación a las necesidades locales que han sido determinadas

dentro de los planes iniciales y fijadas en el análisis previo a la instalación del

telecentro. En todos ellos se intenta incentivar el trabajo colaborativo y el desarrollo de

contenidos propios. Se entiende que un telecentro es un potente instrumento que puede

permitir las mejoras vistas, pero es necesario para su éxito el formar parte de unaestrategia más amplia de desarrollo económico y rural.

El acercamiento del mundo digital a dichas comunidades puede modificar su forma

de vida en múltiples aspectos, desde la escuela y el trabajo, hasta los amigos y la

interacción con otras comunidades alejadas. Pero no quiere decir que el tener acceso a la

comunicación implique inmediatamente pasar a la toma de decisiones de aspectos

vitales para la agrupación, y son por los planes que cada telecentro lleve a su comunidad

lo que hará que realmente sea útil y ventajoso dicho telecentro para la poblaciónreceptora.

Algo básico y a tener en cuenta para el éxito del telecentro es la necesidad de incluir

a la comunidad en estos proyectos, pues al fin y al cabo dichos telecentros son para

ellos. En este proceso aparecen diferentes partes involucradas, ya que es necesario algún

coordinador/a así como educadores y técnicos. También hay que destacar el papel de los

capacitadores, gente de la comunidad que favorece la inclusión en el proyecto de nuevos

miembros. Así se ve en la figura Figura 1.2 como el trabajo colaborativo entre el

formador y los que aprenden a su alrededor es lo que diferencia un simple cibercafé de

un telecentro.


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INTRODUCCIÓN 21

Figura 1.2 Aprender en comunidad, labor de un telecentro

(http://www.tsfi.org/tsfispip/IMG/arton166.jpg)

Se ve por tanto que no se puede olvidar hacia quién van dirigidos los telecentros,

lo que hace que la implicación de la comunidad sea una de las bases a partir de las

cuales empiece a funcionar el proyecto. Sin personas que enseñen la labor del telecentro

no tendría sentido puesto que al final la gente no le prestaría atención. Igualmente

importante es hablar con los líderes locales tradicionales para que se involucren en el

proyecto y favorecer así la mejor acogida del mismo. Aunque en una primera fase se

inicie y gestione por gente que no pertenezca a la población local, se trata de que pase

cuanto antes a sus manos con un compromiso de sostenibilidad y gestión propia. Paraque este traspaso se produzca de la mejor manera es que los planes se lleven por medio

de asociaciones entre organizaciones de ambas partes que aseguren la transferencia de

tecnología, formación y el correcto mantenimiento de todo el proyecto.

1.6 Estructura del documento

La presente memoria se divide en 7 capítulos, de la manera que se detalla a

continuación:

http://www.tsfi.org/tsfispip/IMG/arton166.jpghttp://www.tsfi.org/tsfispip/IMG/arton166.jpghttp://www.tsfi.org/tsfispip/IMG/arton166.jpghttp://www.tsfi.org/tsfispip/IMG/arton166.jpg


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INTRODUCCIÓN 22

Capítulo 1: Introducción. Se realiza una breve explicación y análisis de los

objetivos de este proyecto.

Capítulo 2: Parámetros a monitorizar. En este apartado se toma la decisión delos parámetros que van a ser monitorizados por el sistema.

Capítulo 3: Conceptos básicos de medidas. Se hace un estudio de los parámetros

importantes en el funcionamiento de un transductor.

Capítulo 4: Selección del equipamiento para el sistema de adquisición de datos.

Apartado fundamental en el proyecto, se explica uno a uno todos los

componentes que forman el sistema de medidas, separado en una parte de

sensores y otra con el análisis de los registradores de datos. Se explica también

la integración de todos los aparatos en un armario, que hace más manejable el

sistema.

Capítulo 5: Simulación del funcionamiento de un telecentro. Se explica en esta

sección la manera en la que se ha simulado en el laboratorio el consumo

energético de un telecentro tipo.

Capítulo 6: Desarrollo Software. Tras la realización del sistema de medidas, se

realizan dos aplicaciones software diferentes. Una centrada en el tratamiento de

los datos y otra en la que se desarrolla el portal web que permite el acceso

remoto a los datos.

Capítulo 7: Conclusiones. Se explican los resultados obtenidos de la realización

de este proyecto.

Referencias bibliográficas

Anexos


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CAPÍTULO 2. PARÁMETROS A MONITORIZAR


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PARÁMETROS A MONITORIZAR 26

2.1 Estado actual de la monitorización de sistemas fotovoltaicos

Uno de los primeros aspectos que han de determinarse en el proyecto es la

elección de los parámetros adecuados para el sistema fotovoltaico, con una orientación

determinada al tipo de monitorización (como se ha explicado en el apartado 1.4) según

los parámetros que se decidan medir en este apartado. La intención de este proyecto es

dar información útil para el usuario, pero sobre todo para el técnico encargado del

mantenimiento o para gente profesional en este campo que pueda tomar estos datos

como útiles para su trabajo. Se decide por tanto que los resultados de la monitorización

se traduzcan primordialmente en información energética del funcionamiento del

telecentro.

En el mundo de la monitorización se ofrecen actualmente prestaciones y

desarrollos para todos los gustos (lo que implica igualmente un gran rango de precios)

basados en diferentes tecnologías. Por ello lo primero es realizar un completo estudio

acerca del sistema típico que se va a manejar en el proyecto y de los parámetros que se

pueden monitorizar, para más tarde decidir cuáles son relevantes para el proyecto, pues

aunque haya más medidas alrededor del sistema en desarrollo, se han elegido aquellas

que son estrictamente necesarias para alcanzar el objetivo del proyecto.

Estas condiciones son importantes limitaciones que se imponen en el proyecto

para poder orientarlo hacia qué tipo de sistemas de adquisición de datos se debe elegir.

Según el número de parámetros se necesitan más o menos canales, igual que con la

precisión (que puede variar en un gran rango), hace todo esto que el precio final del

sistema de adquisición de datos pueda variar mucho.

Debido a las limitaciones económicas de los propios telecentros así como elempeño hecho en la intención de que este proyecto sea herramienta de mejora para el

mantenimiento de las instalaciones, se ha dado importancia fundamental a los

parámetros básicos de interés en el telecentro.

El criterio económico para este proyecto ha sido el de realizar un sistema de

monitorización que no suponga un incremento mayor de un 5 – 10 % del precio de la

instalación fotovoltaica. Consideradas instalaciones de unos 2 KWp de potencia (se

considera un precio en la instalación de 15 €/Wp), se trata de buscar un sistema de


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monitorización que no suponga más de 1500 – 3000 Euros. A pesar de esto, la

instalación podría ser mayor sin problema alguno más que el de ajustar adecuadamente

los sensores de medida y el programa de tratamiento de datos.

2.2 Elementos diferenciados de un sistema fotovoltaico autónomo

A continuación se analizan las diferentes partes de un sistema fotovoltaico

autónomo típico, así como los parámetros más interesantes y necesarios para controlar

información acerca de su funcionamiento.

La instalación que se va a analizar en este proyecto se puede observar en la figura

Figura 2.1, donde se destacan los elementos principales:

Generador fotovoltaico, compuesto por los módulos fotovoltaicos.

Batería o banco de almacenamiento de energía.

Regulador o controlador de carga.

Por último la rama de las cargas propias del telecentro en cuestión que en este

proyecto se simulan mediante una serie de bombillas utilizadas como cargas DC

y AC, pues desconocemos qué tipos de cargas hay en cada telecentro. En esta

rama AC se sitúa el inversor, aspecto que se analiza en más detalle en la parte

de cargas por su especial interés.

Figura 2.1 Sistema fotovoltaico autónomo


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Estos componentes son los básicos de la instalación fotovoltaica a monitorizar,

sin entrar en detalles del tipo de cuestiones de seguridad, cableado o conexiones que son

también elementos indispensables de una instalación.

2.2.1 Generador fotovoltaico

Se trata de la fuente suministradora de energía del sistema fotovoltaico,

compuesta por un grupo de módulos fotovoltaicos como los que se observan en la figura

Figura 2.2.

Figura 2.2 Módulos fotovoltaicos

Hay algunas características referidas al generador fotovoltaico (material de las

células, ángulo de incidencia…) no útiles para un sistema de adquisición de datos. Los

parámetros de interés son aquellos variables en el tiempo y que tienen una dependencia

clara respecto a algunas condiciones ambientales, con lo que poder comprobar si el

funcionamiento del generador fotovoltaico es el correcto. Los parámetros que interesan

en relación directa con el trabajo de los módulos fotovoltaicos son los siguientes:

o Irradiancia: Es la potencia incidente por unidad de superficie y se mide en W/m2.

Se suele utilizar la G como símbolo de la irradiancia global, la que se separa en

tres componentes diferenciadas: directa, difusa y albedo.


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o Temperatura de célula: Es el valor real al que se encuentra la célula.

Normalmente, para medir este parámetro se recurre al método de medida de la

tensión de circuito abierto de una célula de referencia. La manera en la queinfluye la temperatura en el comportamiento de la célula se puede ver en la

ecuación siguiente:

)25)(º(0023,0)( C T V V V cococ

o Temperatura ambiente: Es menos relevante obtener este valor que el de la

temperatura de célula, pero su método de medida es más sencillo. Mediante la

fórmula que aparece a continuación se puede obtener la temperatura de célula,

conociendo el parámetro TONC.

800

20)(º)/()(º)(º 2*

C TONC mW GC T C T ca

o Velocidad y dirección del viento: Afectan a la temperatura de operación y por

tanto también al rendimiento de los módulos.

o Corriente del generador: Es fundamental medir la corriente que el módulo

genera en todo momento para obtener los valores de producción de lainstalación. Se mide normalmente mediante una resistencia calibrada.

o Voltaje del generador: Es otro parámetro de importancia para determinar el valor

de potencia generada por nuestra central fotovoltaica, y se puede medir sin más

que un multímetro en bornes del módulo. También permite modelar el estado de

carga de la batería.

o Potencia generada: Este parámetro nos da el valor de la producción de potencia a

partir de todo el conjunto de módulos que haya instalado. Es uno de los

parámetros más generales de la instalación, en términos energéticos. Se calcula a

partir de los dos parámetros comentados anteriormente.

2.2.2 Batería

Es el sistema de acumulación de energía del sistema fotovoltaico. Es una pieza

clave del sistema para que un sistema fotovoltaico autónomo sea útil durante las 24

horas del día, ya que en caso contrario en los sistemas autónomos tendríamos energía


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únicamente en los períodos en los que hubiera una irradiancia superior a cero. Este

hecho lleva a que durante la noche o en los períodos en los cuales la energía generada

por los módulos fotovoltaicos no es suficiente, son las baterías las que suministran estaenergía.

La mayoría de baterías utilizadas en fotovoltaica son de plomo-ácido con una

cubierta de plástico para poder comprobar en cualquier momento de manera visual su

estado de degradación, tal y como se comprueba en la figura Figura 2.3.

Figura 2.3 Baterías

Debido a las reacciones electroquímicas que en las baterías se producen, la

complejidad acerca de algunas de las medidas es mucho mayor que en el caso de los

módulos; para algunos parámetros existe aún una cierta confusión y divergencia acerca

del método de medida a emplear.

Como hemos realizado en el caso de los módulos, se analiza a continuación las

características más importantes que se miden en relación con el funcionamiento de una batería:

o Voltaje de batería: Se trata de conocer en todo momento el voltaje que existe

entre bornes de la batería, valor que podemos medir mediante un multímetro. En

operación coincide este valor con el voltaje del generador salvo que se utilice un

seguidor del punto de máxima potencia.


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o Estado de carga o SOC: Se define como la cantidad de energía que hay en la

batería, con un rango que va desde el 0% (vacía) y el 100% (llena). La

complejidad de dicha medida impide tomarla como una medida directa.o Nivel y densidad de electrolito: Puede interesar para conocer el estado físico de

la batería. Tiene además relación con el estado de carga, pero la medida se torna

demasiado compleja (sensores demasiado precisos dentro del propio líquido o

sensores de nivel en la tapa).

o Corriente de batería: Se trata de medir la corriente que entra de los módulos a la

batería (generación) o la corriente que va desde batería hacia las cargas

(consumo). Esto se puede producir bien porque no haya irradiancia, o porque lamisma sea insuficiente para satisfacer la corriente pedida por las cargas, por lo

que en ese momento las baterías también entran en apoyo de los módulos.

2.2.3 Controlador de carga

Se trata de una pieza fundamental del sistema, no por su importancia en la

generación y acumulación de la energía como ya hemos visto los módulos y las baterías,

sino en la mejora de la gestión del sistema fotovoltaico.

Se trata de un dispositivo que controla el voltaje de la batería para conocer

cuando se encuentra demasiado cargada o descargada, para evitar en un caso u otro la

sobrecarga o sobredescarga, desconectando sin más los módulos o las cargas. Esto, que

parece tan simple y evidente, lleva consigo la prolongación de la vida útil de las baterías

de forma más que considerable. El controlador empleado en el sistema del proyecto es

el de la figura Figura 2.4.

Figura 2.4 Regulador SOLSUM


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Algunos de los parámetros que podemos conocer de un controlador de carga son:

o

Caídas de tensión entre bornes: Se trata de las diferencias de voltaje en las

diferentes ramas del regulador, así como las diferencias entre masas del propio

dispositivo.

o Medidas de tensión de corte: Análisis de las tensiones tanto de sobrecarga como

de sobredescarga, en las que el controlador de carga desconecta bien módulos

bien cargas para mejorar el estado y la vida útil de la batería.

2.2.4 Cargas

Se trata de la parte de servicio a los usuarios del sistema (ya que son las cargas

las que consumen la energía) aunque el usuario seamos nosotros. En los sistemas

fotovoltaicos aunque el voltaje de la batería sea de 12 Voltios, gracias a los inversores

de tensión directa en alterna se utilizan tanto cargas en continua como cargas en alterna.

El no haber entrado a diferenciar DC y AC en la rama de cargas viene por el interés de

analizar un poco más en detalle algunas características referidas a la instalación del

inversor.

Hay dos posibilidades diferentes acerca del conexionado del inversor en el

sistema por lo que se puede encontrar bien a partir de la batería bien a partir del

regulador como si fuera una carga más. El problema viene dado por los picos de

corriente que puede provocar dicho inversor, y que en principio pocos reguladores

pueden aguantar, por lo que se opta por conectar directamente a la batería (lo que viene

en contra de la propia misión del regulador que es la de gestionar el sistema y

desconectar las cargas cuando la batería llegue a la tensión de sobredescarga).[Muñoz,

2004].

En la figura Figura 2.5 se pueden ver los dos ejemplos que se pueden encontrar

acerca de la diferencia de la posición del inversor:


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Figura 2.5 Sistema fotovoltaico autónomo completo

En referencia a las cargas se pueden monitorizar multitud de parámetros según el

enfoque que se le quiera dar al sistema de control y la finalidad del mismo. Por ejemplo,

se puede obtener información desde la luminosidad generada por un sistema de

iluminación a la cantidad de agua bombeada en una instalación agrícola en la que

tengan mecanismos de extracción, por lo que aparece en este campo un abanico enorme.

Debido al carácter de las instalaciones objetivo de este proyecto y a que se

desconocen los equipos eléctricos que cada telecentro pueda tener (además de que cada

telecentro tiene unas instalaciones diferentes al resto) el proyecto se centra en el

conocimiento acerca del consumo que en cada momento tienen las cargas, parámetro de


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gran importancia para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Las características

más importantes para analizar en la rama de cargas son:

o

Corriente hacia cargas DC: Se trata de medir dicho parámetro para poderconocer el valor de la potencia que se consume en dicha rama, mediante alguno

de los transductores que se ven en los capítulos siguientes.

o Voltaje en la rama de cargas: A la salida del regulador se puede conocer el

voltaje con el que trabajan las cargas y el inversor, a pesar de que puedan existir

pequeñas caídas en el cableado. Otra solución es medir dicha tensión en las

propias cargas (es interesante conocer el parámetro de caída por el conexionado

pero no para la monitorización).

o Corriente hacia el inversor: Se trata de conocer tanto el consumo de la rama AC

(con el parámetro siguiente) como un valor de la eficiencia del inversor.

o Corriente por las cargas AC: Nos interesa para valorar el consumo de las cargas

que se encuentran en la rama de corriente alterna.

o Forma de onda: Se puede analizar tanto el tipo de forma (que en el caso de la red

eléctrica es senoidal) como las variaciones que pueda tener y su limpieza.o Nivel de tensión alterna: Se puede realizar una medida tanto del nivel

instantáneo como del valor pico a pico de la señal que en ese momento entrega

el inversor.

Por lo que con todo lo dicho ya se puede realizar una valoración de qué parámetros

son los más interesantes para el proyecto y cuáles no. En la tabla Tabla 2.1 se hace una

valoración donde se analiza la importancia de la medida con su complejidad, para poder

elegir los más convenientes. Lo más importante será su valoración acerca de si la

medida tiene sentido o no en un sistema como el de este proyecto o si se trata de

medidas demasiado complejas como las propias de un laboratorio de investigación,

útiles para otras aplicaciones.


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Parámetro\

Característica

Nivel de

interés

Complejidad

de la medida

Comentarios

Irradiancia Alto Media Se trata de uno de los parámetros

más importantes de la instalación

porque determina la producción

energética de la misma.

Temperatura

ambiente

Medio Baja Obtendremos la relación de

potencia generada por medio de

este valor.

Temperatura de

célula

Alto Medio-alto Su complejidad hace que se aproxime este

valor mediante el valor de la temperatura

ambiente.

Velocidad del

viento

Medio-

bajo

Medio-alto Su relación con la temperatura lo hace

interesante para justificar Tc en función de

Ta.

Voltaje de módulo Medio-

alto

Bajo Supondremos la de la tensión de batería del

regulador, por ser la misma cuando el

regulador está funcionando.

Corriente de

módulo

Medio-

alto

Medio-bajo Parámetro necesario para poder

conocer la potencia generada por la

instalación fotovoltaica.

Tensión de batería Medio-

alto

Bajo Parámetro necesario para conocer

datos acerca de su funcionamiento,

así como estimar su mantenimientoy prevenir fallos.

Estado de carga Medio-

alto

Alto Una medida demasiado compleja para

introducirla en el sistema de adquisición de

datos.

Nivel de electrolito Medio-

bajo

Alto Medida demasiado compleja para la

orientación del proyecto.

Corriente de Medio- Medio-bajo

Parámetro necesario para conocer


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batería alto la potencia entregada/obtenida

por/de la batería.

Caídas de tensión Medio Medio-bajo Interesante para investigación ovisualización directa.

Medidas de

tensión de corte

Medio Medio Medida constante y por lo tanto de poca

utilidad para un sistema de monitorización

y seguimiento.

Corriente cargas

DC

Alto Medio-bajo Parámetro necesario para conocer

la potencia consumida en la cargas

conectadas en la rama DC.

Corriente hacia

inversor

Medio-

alto

Medio-bajo Parámetro necesario para conocer

la potencia que circula por la rama

del inversor, y poder realizar una

estimación de la eficiencia del

inversor.

Corriente cargas

AC

Alto Alta Parámetro necesario para conocer

la potencia consumida en la cargas

conectadas en la rama AC.

Tensión en cargas Alto Bajo Supondremos la de la tensión de batería del

regulador.

Forma de onda Medio Alta Necesidad de dispositivos demasiado

complejos para realizar medidas sobre AC.

Nivel de tensión en

alterna

Medio Alta Necesidad de dispositivos demasiado

complejos para realizar medidas sobre AC.Tabla 2.1 Parámetros principales de una instalación fotovoltaica


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Una vez elegidas las medidas que se van a monitorizar, indicadas en la fFigura

2.6, se muestra cómo funcionaría el sistema de adquisición de datos completo. De los

sensores se pasa la información al registrador de datos, el cual se comunica con elordenador del telecentro que funciona como servidor y guarda archivos diarios con toda

la información obtenida.

En el capítulo 4 se analizan los criterios de selección de los sensores con los que

se van a realizar las medidas escogidas.

Figura 2.6 Parámetros a monitorizar


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En la tabla Tabla 2.2 se detalla la relación entre los sensores y la magnitud que

cada uno de ellos mide, así como su notación a partir de este momento para el resto del

documento.

Sensor elegido Magnitud medida

Sensor 1 Medida de la corriente del generador IPV

Sensor 2 Medida de la corriente de las cargas DC IDC

Sensor 3 Medida de la corriente del inversor Iinv

Sensor 4 Medida de la corriente de las cargas AC IAC

Sensor 5 Medida de la corriente de la batería Ibat

Sensor 6 Medida de la tensión de la batería Vbat

Sensor 7 Medida de la irradiancia G

Sensor 8 Medida de la temperatura ambiente T amb

Tabla 2.2 Relación de sensores con la magnitud medida

2.3 Sistema fotovoltaico del proyecto

Para el desarrollo del proyecto se realiza una instalación fotovoltaica autónoma

completa en el IES, similar a la que se analizaría en el caso de un telecentro, pero a

menor escala.

Los dos módulos fotovoltaicos (conectados en paralelo) se hallan en el torreón

de la azotea, sobre una estructura metálica en la que se disponen con un ángulo sobre el plano horizontal de 30º. Sus conexiones llegan al laboratorio de sistemas donde se

encuentran el resto de equipos de la instalación. En el laboratorio se dispone de una

batería de 140 Ah, un regulador y el sistema de cargas tanto DC como AC, este último

con el correspondiente inversor. Las cargas se simulan mediante bombillas que se

conmutan por medio de un autómata programable y un conjunto de relés.


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CAPÍTULO 3. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS


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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 42

3.1 Inicialización en el tratamiento de medidas

Antes de decidir qué sensores van a ser utilizados para realizar las medidas que se

han determinado necesarias para el proyecto en el capítulo 2 conviene realizar un

estudio previo y básico de los cuidados y conocimientos necesarios sobre

instrumentación electrónica que se han de tener en cuenta al realizar las medidas con un

sistema de adquisición de datos.[INEL, 2006], [Domínguez, 2004].

En primer lugar es preciso entender lo que significa la palabra medida, para lo

cual es la definición dada por Finkelstein la que mejor lo expresa:

“La medida es el proceso empírico y objetivo mediante el que se asignan

números a las propiedades de los objetos o sucesos del mundo real, de

forma que las relaciones entre los números describen las relaciones

entre las propiedades de los objetos o sucesos.”

Otro de los aspectos importantes de las medidas es diferenciar entre los dos tipos de

magnitudes existentes, por su diferente modo de definición:

o Intensivas: Son las que mediante la acumulación de dos objetos con el mismo

valor de una determinada magnitud, se obtiene otro objeto de mismo valor de

magnitud (idempotencia). Ejemplos de magnitud intensiva son la temperatura y

la presión.

o Extensivas: Aquellas en las que al acumular dos objetos nos daría el resultado de

sumar sus magnitudes. Ejemplos típicos de magnitud extensiva son la longitud o

el volumen.

Lo siguiente que se necesita conocer es la necesidad de utilizar un transductor para poder realizar la medida requerida, y en su forma más amplia un instrumento

electrónico. Un transductor es el dispositivo que transforma la magnitud de interés (de

cualquier tipo de naturaleza) en una magnitud eléctrica más fácil de manejar. Un

ejemplo de transductor es la célula solar, la cual ofrece en su salida una corriente

proporcional a la irradiancia incidente sobre la misma (con dependencia de otros

parámetros). Esta señal puede ser utilizable directamente para una medida. Si no es así

puede ser necesario añadir al transductor los siguientes elementos:


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o Acondicionador de señal: Nos ayuda a transformar la señal eléctrica del

transductor en una utilizable por el sistema de medida.

o

Fuente de energía: Determinados procesos pueden requerir de una alimentaciónexterna al propio sistema.

En la figura Figura 3.1 se observa el esquema de funcionamiento de un transductor

típico.

Figura 3.1 Esquema de un transductor

Con las señales obtenidas del transductor se podría ofrecer ya algún tipo deinformación en ese momento, por medio de algún tipo de display o similares. Siendo en

este proyecto el sistema de monitorización el que registrará los datos no se considera

necesario agregar al transductor un sistema de visualización.

Es necesario también atender a la definición de error. Se dice error a la diferencia

que existe entre la magnitud medida y la magnitud real. El error es una característica

inherente a toda medida. Se diferencia en los sistemas de medida entre dos tipos de

error, según su naturaleza. Así existen los errores sistemáticos y los errores aleatorios,tal y como se explica a continuación:

o Error aleatorio: Sus causas son impredecibles y no pueden predecirse sus

alteraciones sobre la señal, ni siquiera teóricamente. Un ejemplo puede ser el

ruido térmico que genera el propio material con que está construido un

instrumento. Como no se puede eliminar, se aplican tratamientos estadísticos

para mejorar las medidas.


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o Error sistemático. Se trata de errores deterministas, repetitivos e identificables.

Debido a ser identificables se puede reducir su incidencia sobre las medidas.

Entre los errores sistemáticos se diferencian el de exactitud y el de precisión:

o Error sistemático de exactitud: referido a la diferencia constante entre los

valores real y medido por el aparato.

o Error sistemático de precisión: dado por el propio aparato de medida una

vez no puede diferenciar dos valores muy próximos entre sí.

3.2 Caracterización de los transductores.

Uno de los aspectos más importantes es tener conocimiento acerca de los

parámetros que dan cuenta del funcionamiento del transductor. Se aplican dichos

parámetros para la elección del transductor que mejor se adecúe a cada una de las

medidas, con las particularidades de los mismos en el régimen estático.

Nos referimos con régimen estático cuando la magnitud a medir se mantiene

constante a lo largo del tiempo, o es de lenta variación (frecuencia inferior a uno o dosHz). En el sistema del proyecto los parámetros se analizan en régimen estático o cuasi

estático, ya que de no ser así no podríamos realizar la toma de datos cada minuto o

cinco minutos, pues sería imposible determinar el valor real si la variación es más

rápida que la adquisición de datos.

3.2.1 Función de transferencia

Se trata del modelo matemático que relaciona la señal de salida (SS) deltransductor con el estímulo de entrada (EE) que provoca la variación de dicha salida.

Como ya se ha visto en la definición de transductores, dicha entrada puede ser de

cualquier naturaleza, por lo que es el transductor el encargado de convertirla en algún

tipo de señal eléctrica.

Esta relación puede ser de todo tipo de complejidad, así como puede venir

referida por medio de relaciones analíticas (obtenidas de la pura teoría del

funcionamiento del transductor), tablas o gráficas como la que se observa en la Figura3.2.


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Figura 3.2 Función de transferencia

3.2.2 Sensibilidad

La sensibilidad de un transductor es la relación entre la variación de la señal de

salida con respecto a la variación del estímulo de entrada que produjo dicha variación:

EE

SS S

Lo interesante de este parámetro es hacer dichas variaciones del estímulo de

entrada tan pequeñas como se pueda, con lo que se obtiene información acerca de la

pendiente de la tangente de la función de transferencia, como ocurre en la figura Figura

3.3.

En los casos en que la función de transferencia no es lineal, no se puede hablar

de la sensibilidad en todo el rango y se da en función de una banda o un punto de

interés. También puede aparecer un valor de sensibilidad único para toda la banda (que

caracterizaría al comportamiento de la recta ideal definida por los valores extremos del

transductor).


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Figura 3.3 Sensibilidad

3.2.3 Selectividad

Esta característica define la capacidad del transductor de responder tan solo a la

magnitud que se pretende medir. La variación de la señal de salida con otra magnitud

que no sea la deseada se considera como sensibilidad parásita:

p

p

p EE

SS S

Bajo este término se define la selectividad como la relación entre la sensibilidad

de la magnitud deseada respecto a la sensibilidad parásita.

p

m

S

S Sel

Se desarrolla esta selectividad como función parásita haciendo tender a cero la

variación de ambas magnitudes:

p

p

m

m

dEE

dSS

dEE dSS

Sel

En el ámbito del proyecto lo más común será que aparezcan dichassensibilidades parásitas respecto a la temperatura, humedad y ciertas condiciones


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atmosféricas que pueden variar de una manera más o menos grande en la ubicación de

la instalación.

3.2.4 Linealidad

Se trata de la diferencia entre la función de transferencia más sencilla (e ideal) y

la función de transferencia real. Esta característica ideal (que sería una recta entre los

extremos de sus estímulos) no tiene por qué ser igual al caso de la real. Se define por

tanto la linealidad como la desviación existente entre el funcionamiento real y la recta

ideal, como se observa en la figura Figura 3.4.

Figura 3.4 Linealidad

Queda por tanto la linealidad como:

maxriti

EE EE Linealidad

donde EEti caracteriza el valor real y EEri el valor ideal.

Se ha definido aquí la linealidad respecto a la recta ideal, por ser lo más común,

pero según el caso concreto y la magnitud medida puede interesar más referenciarlo a

otras rectas que vengan más al caso (lo que habría que indicar). Igualmente, es común

encontrar la linealidad referida en tanto por ciento sobre el fondo de escala.


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3.2.5 Umbral de respuesta y resolución

La resolución del transductor se refiere a la mínima variación de la señal de

salida detectable, manteniendo una variación en el estímulo de entrada de manera

continua.

Con umbral de respuesta es la variación del estímulo de entrada capaz de

provocar una variación en la señal de salida detectable.

3.2.6 Estabilidad, deriva y repetibilidad

Estos parámetros son interesantes debido a su estudio temporal del transductor,

pues es muy importante la utilización de elementos que no varíen su comportamiento

con el paso del tiempo

En primer lugar con estabilidad se refiere a la capacidad que posee el transductor

de mantener su función de transferencia invariable a lo largo del tiempo. Variaciones en

la composición misma del transductor pueden hacer que la medida que antes se daba por

buena deba ser corregida. Con esto queda claro la importancia del correcto calibrado de

los sensores.

La deriva es una variación en la señal de salida mientras se ha mantenido el

estímulo de entrada sin variar (como ya se ha comentado antes podemos encontrarnos

con derivas de temperatura). Podemos encontrar dos definiciones diferente de la deriva

(con diferente solución):

Deriva de cero: Se trata de un desplazamiento paralelo de la función de

transferencia, lo que podemos corregir simplemente con un offset.

Deriva de sensibilidad: Se produce una variación de la forma de la función detransferencia, lo cual es más difícil de corregir.

El efecto de la combinación de ambas derivas lo podemos observar en la figura Figura

3.5.


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Figura 3.5 Combinación de ambas derivas

Por último es también importante conocer la repetibilidad, parámetro que nos

dice que bajo un mismo estímulo de entrada y con las mismas condiciones de contorno,

el transductor dará la misma señal de salida.

Son por tanto parámetros del transductor que vendrán dados en períodos de

tiempo largos, pues no tiene sentido hablar de la estabilidad en un día sino en meses o

años haciendo la misma medida.


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CAPÍTULO 4. SELECCIÓN DEL EQUIPAMIENTO PARA

EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS


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SELECCIÓN DEL EQUIPAMIENTO PARA EL SAD 52

4.1 Selección de las diferentes partes

En este capítulo se describe la elección de los componentes que forman parte del

sistema de medidas, formado tanto por los sensores como por el propio registrador de

datos que es la base del sistema de adquisición de datos.

En la elección de estos componentes tiene importancia qué tipo de monitorización

se desea realizar en este proyecto, como se ve en el apartado 1.4, además de tener en

cuenta que la orientación hacia proyectos de desarrollo impone una serie de limitaciones

importantes (precio, acceso a los componentes, etc..). Debido a todo esto, se busca un

instrumental que sea accesible y asequible para todos los telecentros que pudieran enalgún momento utilizar este sistema. Esta imposición hace que no interesen demasiado

algunos productos que a pesar de su considerable buen funcionamiento, al ser aún

demasiado experimentales fueran luego demasiado difíciles de encontrar. Se ha de

pensar no solo en el momento de instalar el sistema sino también en algún posible fallo

de sensores o similares, y ver cómo de fácil es reponer dicho componente. Esto es

debido a que si al haber elegido un elemento por su coste no se ha tenido en cuenta la

facilidad para que lo encuentren en la localidad donde se ubica el sistema o alrededores,

puede ocurrir que la aparición de una avería sencilla de solucionar aquí, les haga tener el

sistema parado más tiempo del necesario.

Por tanto, y sin olvidar nunca el objetivo y fin de este sistema, se hacen unas

consideraciones generales para los dispositivos que se van a utilizar. Es debido a esto

que uno de los límites vendrá dado por el precio (siempre que se aseguren unas

prestaciones adecuadas) para poder decidir por un determinado sensor. No significa que

por ello se elija el más barato sin mirar nada más pues han de ser a su vez sencillos yfiables, así como ya se ha remarcado que sea fácil de obtener en el país donde se vaya a

instalar el sistema. Además todos los sensores deben tener sus parámetros técnicos en

correspondencia con las medidas que van a soportar, tanto los rangos de la medida que

deben realizar como sus rangos de operación, especialmente la situación ambiental del

lugar donde se encuentra instalado el sistema (para evitar posibles derivas de la medida

debido a la temperatura, humedad…).

Por otra parte, es importante indicar la necesidad de utilizar componentesaltamente probados, es decir, requerir del menor número de componentes novedosos en


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el sistema con lo que la repetibilidad y comprensión del montaje sean las más altas

posibles.

Tras esta introducción se analizan todos los sensores necesarios para realizar lasmedidas planteadas en el capítulo 2, mediante la elección del sensor más apropiado para

cada parámetro. En primer lugar se analizan las diferentes tecnologías que permiten

realizar la medida en cada caso para que tras realizar un análisis tanto de costes como de

prestaciones se pueda elegir el más conveniente. Como ya se ha indicado, con estudiar

los costes se quiere decir que con unas prestaciones adecuadas al proyecto, no se

buscarán características extra que no sean necesarias, para no encarecer el producto.

Con todo lo dicho, se eligen en los siguientes apartados los transductoresapropiados para cada una de las medidas.

4.2 Sensores de medida

Para los parámetros indicados en la tabla Tabla 2.2 ¡Error! No se encuentra el

origen de la referencia.se requiere en cada uno de ellos un transductor que nos ofrezca

una medida en una magnitud eléctrica compatible con el registrador de datos.

Como se entiende del capítulo 3, influyen muchas cosas a la hora de determinar la

elección de un transductor u otro. Aún así, la limitación del precio por intentar obtener

un producto final por debajo de las barreras impuestas al inicio del proyecto es

importante.

Además, se analiza como cuestión importante la necesidad de una alimentación

externa o algún circuito de control para obtener un funcionamiento correcto del

transductor, pues es en conjunto lo que da la medida de la magnitud que se quiere

obtener.

4.2.1 Sensor de irradiancia

La medida de la irradiancia es un objetivo fundamental en este proyecto. Por

esto se trata de obtener el valor más preciso posible, debido al interés particular de

dicho dato para la utilización en el diseño de futuras instalaciones en la misma zona y


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para comprobar el correcto funcionamiento del generador del telecentro que dispone del

sistema de adquisición de datos.

Para medir la irradiancia existen en el mercado multitud de dispositivoscatalogados como sensor o transductor de dicha magnitud física. Las diferencias

fundamentales que aparecen entre sensores es su comportamiento frente a la radiación

solar, siendo capaz de absorber unas determinadas longitudes de onda y por tanto mayor

o menor anchura del espectro. Esto hace que la energía recibida sea diferente en uno u

otro sensor. En la figura Figura 4.1 se observa la radiación solar antes de atravesar la

atmósfera y también la que llega al nivel del mar. [Barnsley, 2004]

Fuente: [Barnsley, 2004]

Figura 4.1 Espectro solar

Existen dos tecnologías diferenciadas fundamentales para la utilización en

transductores de medida de la radiación solar. Sus características más importantes se

exponen a continuación. [Domínguez, 2007]

o Térmicos: El transductor de este tipo de aparatos de medida se basa en una

termopila, la cual a partir de la temperatura que mide da una lectura en

milivoltios proporcional a la radiación solar (se trata por tanto de una respuesta

lenta). Su principal ventaja es ser sensible a toda la radiación solar. Estos


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dispositivos van encapsulados bajo una semiesfera de cristal de cuarzo, lo que da

una respuesta angular idealmente plana pero que queda limitada a las longitudes

de onda absorbidas por el cuarzo (300 nm – 2800 nm).o Fotovoltaicos: Estos dispositivos se basan en la tecnología del Silicio (en

adelante Si), lo que implica una limitación en las longitudes de onda que puede

absorber, en el margen de 400 a 1100 nm. La respuesta puede adaptarse a

cambios en el nivel de radiación de manera más rápida que las termopilas. Una

de sus ventajas es la obtención de una señal más robusta frente a los

transductores térmicos.

Aún con los puntos anteriores como las diferencias básicas entre las dos tecnologías,se pueden encontrar diferentes tipos de sensores basados en termopila o en el silicio.

Dentro de la tecnología del silicio las variaciones pueden venir por el material

elegido en el proceso de fabricación (amorfo, monocristalino o policristalino) o por la

disposición de la célula para equipararse más al comportamiento térmico del módulo

fotovoltaico. Estas diferencias las se pueden observar en la figura Figura 4.2, en el caso

a) el ejemplo más básico de célula calibrada mientras que el caso b) tiene un

funcionamiento más similar al del panel utilizado (en cuanto a corrección en la

temperatura de célula).

Figura 4.2 Diferentes células calibradas

a) Célula solar calibrada simple b) Célula solar calibrada


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Otro de los aspectos a analizar es el del encapsulamiento, el cual además de

tener que aislar correctamente de la intemperie puede provocar que la respuesta no sea

completamente igual a la del módulo.Además de células calibradas existen para medir la radiación solar los

denominados piranómetros. Son transductores basados en termopilas y por tanto de

diferente tecnología tal y como se ha descrito antes. En este caso, al estar cubierto por

una semiesfera de cuarzo da una respuesta angular plana y tiene una mayor absorción en

las horas más distantes del mediodía, frente a la célula que por la mañana y por la tarde

no es capaz de recoger estos valores de irradiancia.

Una combinación entre ambas tecnologías son los piranómetros basados entecnología fotovoltaica, los cuales tienen debajo de la semiesfera de cuarzo un

transductor de Si. Esta solución trata de adaptar a la tecnología del Si las ventajas de

una respuesta plana. En la figura Figura 4.3 se pueden ver las diferencias de respuesta al

espectro solar.

Extraída y adaptada de: [Li-Cor, 2008]

Figura 4.3 Respuesta al espectro solar de las diferentes tecnologías


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Lo indicado en los párrafos anteriores se resume en la tabla Tabla 4.1, donde se

detalla la comparativa con lo que poder elegir cuál será el transductor finalmente

incluido en el sistema de adquisición de datos para medir la irradiancia.

Célula

calibrada

a)

Célula

calibrada b)

Piranómetro

basado en

tecnología del Si

Piranómetro

basado en

termopila

Precio del sensor Medio-bajo Medio Medio Alto

Longitudes de

onda absorbidas

(nm)

400-1100 400-1100 400-1100 300-2800

Respuesta angular Dependiente

de la célula

Dependiente

de la célula

Tipo coseno o

lambertiana

Tipo coseno o

lambertiana

Robustez de laseñal

Alta Alta Alta Baja

Tabla 4.1 Comparativa de sensores de irradiancia

Como indica [IEEE1526, 2003] el sensor de irradiancia debe ser capaz de medir

al menos hasta 1500 W/m2 con una resolución mínima de 1 W/m2. Las

recomendaciones de error indican que sea menor de un 5%, lo cual será realizado

mediante la prueba frente a una célula de calibración conocida. Cumplen por tanto todos

ellos con estas características mínimas de funcionamiento. Al ser el comportamiento de

la célula calibrada similar a los módulos que en el proyecto se van a utilizar, se decide la

utilización de la célula calibrada b) para la medida de irradiancia.

En la tabla Tabla 4.2 se detalla toda la información de la célula utilizada que se

observa en la Figura 4.4.


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Figura 4.4 Sensor de irradiancia elegido

Material de fabricación de la célula Si monocristalino

Encapsulamiento Vidrio-tedlar

Área de célula 10,4 x 10,4 (cm2)

Corriente de cortocircuito

(Isc*: condiciones estándar)

3,27 A

Sensibilidad shunt 4 A – 150 mV

Tabla 4.2 Características técnicas de la célula calibrada

Puesto que la célula se utiliza para medir la irradiancia sobre el plano de

incidencia en el que se encuentran los módulos de la instalación se debe colocar de

manera que reciba la radiación con el mismo ángulo. Para ello se fijará siempre que sea

posible al mismo soporte de los módulos. Es importante tener un fácil acceso a la célula

(como a los módulos) para cualquier problema que pueda tener que solventarse o

simplemente efectuar tareas de mantenimiento.

El método de medida recomendado para conocer el valor de la irradiancia es elde la corriente de cortocircuito como se puede ver en [IES, 2004]. Se basa en la relación


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lineal que existe entre la corriente de cortocircuito y la irradianc

Monitorización de sistemas fotovoltaicos aislados

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