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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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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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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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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 27
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 28
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 29
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 30
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 31
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 32
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 33
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 34
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 35
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 36
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 37
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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PARÁMETROS A MONITORIZAR 38
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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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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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 43
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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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 46
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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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 47
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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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 48
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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CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MEDIDAS 49
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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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