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INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS MONITOREADAS A TRAVÉS DE UN SISTEMA DE TELEMETRÍA Luis Enrique Narváez López Juan Francisco Méndez Pardo UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Facultad de Ingeniería Proyecto curricular de ingeniería electrónica Bogotá 2015 INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTA...

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INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS MONITOREADAS A TRAVÉS DE UN SISTEMA DE TELEMETRÍA

Luis Enrique Narváez López Juan Francisco Méndez Pardo

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Facultad de Ingeniería Proyecto curricular de ingeniería electrónica Bogotá 2015

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS MONITOREADAS A TRAVÉS DE UN SISTEMA DE TELEMETRÍA

Presentado por: Luis Enrique Narváez López Juan Francisco Méndez Pardo

Tesis presentada como requisito para obtener el título de INGENIERO ELECTRONICO INGENIERIA ELECTRONICA

Director del proyecto: Ing. Pablo Emilio Rozo Fuente de financiación: Suministros Hospitalarios S.A. Lugar de ejecución: San Joaquín, Cundinamarca

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Facultad de Ingeniería Proyecto curricular de ingeniería electrónica Bogotá 2015 2

Aprobada por el proyecto curricular de ingeniería electrónica, en cumplimiento con los requisitos exigidos para otorgar el título de:

Ingeniero electrónico

___________________________ Director del proyecto

___________________________ Revisor

___________________________ Revisor

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RESUMEN

Este proyecto plantea la instalación de un sistema fotovoltaico y la manera de monitorear las variables de dicho sistema en un computador, con el fin de estar al tanto del comportamiento de los paneles solares y de las baterías, y poder saber a través de métodos estadísticos que se encuentran funcionando de la manera adecuada; Se monitorean variables como el voltaje, la corriente, la temperatura entre otros. En caso de presentarse una falla en el sistema, se genera un aviso visual del lugar donde se encuentra el daño, para poder ser fácilmente arreglado, y contar con los materiales necesarios para ejecutar dicho mantenimiento, teniendo en cuenta que el lugar de la instalación puede ser o no bastante alejado de algún sitio urbano. Con este proyecto también se planea solucionar un problema económico y ecológico, invitando al autoconsumo, debido a que es posible aprovechar únicamente la energía producida por el sol, sin la necesidad de estar conectado a la red eléctrica, y de esta manera evitar el pago de costosos recibos de luz, dependiendo de la ubicación del lugar.

PALABRAS CLAVES Sistema fotovoltaico monitoreado, instalación de celdas solares, sistema de telemetría para paneles solares.

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CONTENIDO

RESUMEN .............................................................................................................. 4 CONTENIDO ........................................................................................................... 5 INDICE DE FIGURAS ............................................................................................. 7 INDICE DE TABLAS ............................................................................................... 8 1.

INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO ................................................ 9

2.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 10 2.1. Planteamiento del problema: ................................................................ 11

3.

OBJETIVOS................................................................................................... 12

4.

MARCO TEORICO ........................................................................................ 13 4.1. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ...................................................... 13 4.2.

EL MÓDULO FOTOVOLTAICO ........................................................ 15

4.3. CONVERTIDOR CC / AC ........................................................................ 16 4.4. TENDENCIA MUNDIAL DEL USO DE LA ENERGIA SOLAR ............... 16 4.5. LA RADIACIÓN EN COLOMBIA ............................................................. 21 4.6. RADIACIÓN EN LA ZONA A TRABAJAR .............................................. 25 4.7. METODOLOGÍA PROPUESTA ............................................................... 27 5.

DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO .......... 28 5.1. VARIABLES DE ESTUDIO ...................................................................... 28 5.2. PANEL SOLAR ....................................................................................... 29 5.3. CONTROL DE CARGA ........................................................................... 30 5.3.1.

BLOQUEO DE LA CORRIENTE INVERSA ......................................... 31

5.3.2.

PREVENCIÓN DE SOBRECARGA ..................................................... 31

5.3.3.

REGULADORES PWM Ó MPPT .......................................................... 32

5.4. BATERÍAS ............................................................................................... 34 5.5. INVERSOR .............................................................................................. 36 5.6. CABLEADO DE INTERCONEXIÓN ........................................................ 38 5.7. PRESUPUESTO ...................................................................................... 40 5

6.

SISTEMA DE TELEMETRIA ......................................................................... 41 6.1. SELECCIÓN DE SENSORES ................................................................. 41 6.2. TELEMETRÍA .......................................................................................... 44 6.3. ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES .......................................... 44 6.4. MICROCONTROLADOR ......................................................................... 45 6.5. INTERFACE DE USUARIO: .................................................................... 49

7.

INSTALACION DEL SISTEMA SOLAR ........................................................ 50

8.

PROTOCOLO DE PRUEBAS DEL SISTEMA ............................................... 54

9.

ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................... 57

10.

CONCLUSIONES........................................................................................ 58

11.

CRONOGRAMA.......................................................................................... 32

12.

BIBLIOGRAFIA........................................................................................... 81

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INDICE DE FIGURAS Figura 1. Inversor cc/ac………………………………………………………… Figura 2. Instalaciones de Topaz Solar Farm………………………………. Figura 3. Instalaciones de California Valley Solar Ranch ……….……… Figura 4. Instalaciones de Agua Caliente Solar Project………………….. Figura 5. Instalaciones de Antelope Valley Solar Ranch………………… Figura 6. Distribución de la radiación solar global en el territorio colombiano, promedio diario en cal/cm²/día……………………………….. Figura 7. Mapa de radiación solar global en Colombia promedio multianual……………………………………………………………………….... Figura 8. Radiación solar global de la zona a trabajar…………………… Figura 9. Paneles solares instalados………………………………………... Figura 10. Baterías……………………………………………………………… Figura 11. Batería MTEK 205ah……………..……..…………………………. Figura 12. Inversor Samlex power 2000 w Sa-2000k……………………… Figura 13. Diagrama de conexión sensor SHT1X e imagen física del sensor…………………………………………………………………………… Figura 14. Sensor DS18B20 y Curva de error Vs temperatura de trabajo……………………………………………………………………………. Figura 15. Tarjeta sensor ACS714 y grafica de voltaje Vs corriente…………………………………………………………...……………... Figura 16. Tarjeta de programación Arduino Mega………..……………… Figura 17. Interface de usuario en Labview………………………………… Figura 18. Diagrama general de conexión sistema solar Figura 19. Conexión de sensor ACS714……………………………………. Figura 20. Conexión de sensores en las líneas en paralelo del arreglo de paneles………………………………………………………………………… Figura 21. Conexión de sensores de corriente ACS714 en cargas…… Figura 22. Sensor de corriente instalado con caja de protección………

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17 18 19 20 20 26 24 25 30 32 36 38 41 42 42 47 48 49 50

50 51 51

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica………. Tabla 2. Cuadro de cargas para el dimensionamiento del sistema solar………………………………………………………………………………... Tabla 3. Tabla comparativa de precios y potencias de diferentes marcas, tomadas de la tienda virtual………………………………………... Tabla 4. Potencias ac del sistema………………………………………........ Tabla 5. Cargas instaladas en el sistema…………………………………… Tabla 6. Comparación de las características de sensores de temperatura………………….................................................................. Tabla 7. Características técnicas del sensor en humedad relativa SHT1X………………………………………………………………………………

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16 30 30 38 40 41 53

1. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS MONITOREADAS A DISTANCIA

Investigador 1: Luis Enrique Narváez López C.C 1015418125 Correo electrónico: [email protected] Teléfono: 7790692 Dirección de correspondencia: cra 71 No. 58ª 60 sur int 26 apto 201 Nombre del Grupo de Investigación: Total de Investigadores (2) Línea de Investigación:

INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS MONITOREADAS A DISTANCIA

Investigador 2: Juan Francisco Méndez Pardo C.C 80040215 Correo electrónico: [email protected] Teléfono: 7026081 Dirección de correspondencia: cra 30 # 26-31 apto 402 bloque A Nombre del Grupo de Investigación: Total de Investigadores (2) Línea de Investigación:

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2. INTRODUCCIÓN

En Colombia son evidentes las dificultades en la zona rural para tener acceso a las infraestructuras de los servicios públicos necesarios para sus habitantes, así como los elevados costos de conexión debido al terreno en el que se encuentran. Los problemas en el servicio eléctrico son muy frecuentes en estas zonas por su intermitencia, además los costos cuando se tiene una aplicación comercial son considerables. Ya hace algunos años en Colombia se vienen desarrollando tecnologías para suministrar energía a la comunidad de forma locativa, es decir, que la planta generadora se encuentre en las mismas viviendas o en un punto muy cercano como por ejemplo las plantas generadoras a diesel o a gasolina, evitando ser afectados por los problemas externos al estar interconectados a la red eléctrica o más aún, cuando esta red ni siquiera se encuentra en el sector rural. También se han desarrollado tecnologías verdes para la generación de energía, que poseen versatilidad de instalación de forma personal o en una planta central, que distribuye energía eléctrica a cierta comunidad para la cual se ha destinado su uso. Algunas de estas soluciones son: la generación por energía solar fotovoltaica, generación eólica, mareomotriz, por biodigestores, solar, térmica, magnética, entre otras. Su valor principal es que no contaminan el medio ambiente, a diferencia de las plantas basadas en hidrocarburos anteriormente mencionadas. Estas tecnologías aún representan un costo significativo, tanto en los dispositivos propios que integran los sistemas, como en la mano de obra y su mantenimiento. Y es precisamente esta última parte donde se entra a trabajar con enfoque en los sistemas solares fotovoltaicos, desde la instalación, hasta el correcto y periódico mantenimiento de todo el sistema.

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2.1.

Planteamiento del problema:

Se busca desarrollar un sistema de generación de energía solar en un centro vacacional ubicado en la inspección municipal de San Joaquín en el departamento de Cundinamarca, el cual tiene problemas con la energía eléctrica, ya que el flujo eléctrico no es constante, por ende, el servicio es intermitente; sumado a estos inconvenientes técnicos, el pago de facturas es bastante costoso. Debido a que este lugar será destinado para la realización de un centro vacacional, existe la necesidad de contrarrestar estos problemas eléctricos para de esta manera poder brindar un servicio acorde a las necesidades que futuros huéspedes esperan del lugar. ¿Un sistema solar fotovoltaico solucionará la irregularidad de suplencia energética en el centro vacacional, de forma sostenible y reduciendo los costos fijos en cuanto al servicio? Inicialmente se hace necesario indagar acerca de los sistemas fotovoltaicos, pues es claro que a partir de la instalación de un sistema de este tipo es posible abastecer toda la finca de energía eléctrica autogenerada, dando no solamente beneficios monetarios a los propietarios, sino al aportar también con la conservación del medio ambiente usándose un método de generación eléctrica “verde” Además, si se pudiese medir el comportamiento de los dispositivos que conforman el sistema, se podría mantener un control preventivo de una falla en específico, para hacer el mantenimiento y con ello alargar la vida útil del sistema Para llevar a cabo este proyecto es importante hacer un buen dimensionamiento del sistema, ya que el consumo de potencia es considerable y según las exigencias de los propietarios, no solamente se abastecerán eléctricamente cargas luminosas (luces y bombillos). También se alimentará la motobomba encargada del correcto funcionamiento de la piscina del centro vacacional. Por ende se hará el estudio, diseño y dimensionamiento de la instalación de una planta solar con la capacidad deseada y un margen de protección (sobredimensionamiento) debido a pérdidas intrínsecas del sistema, que se explicará detalladamente en el transcurso del proyecto. Así mismo, se debe presentar de forma eficiente una manera de poder visualizar esta información proporcionada por el sistema, dado que no se cuenta con empleados que se encuentren pendientes del funcionamiento de las celdas fotovoltaicas o las baterías, aparte de no estar capacitados para hacerlo. Es por ello que la información debe presentarse de forma clara a través de un computador para que el propietario pueda visualizar desde algún lugar ubicado localmente dicho procesamiento de la información.

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3. OBJETIVOS

Objetivo General: Implementar una planta solar fotovoltaica con un sistema de telemetría para un centro vacacional ubicado en la inspección municipal de San Joaquín, en el departamento de Cundinamarca; efectuando el correspondiente diseño, dimensionamiento e instalación del sistema.

Objetivos específicos: 

Evaluar y analizar los requerimientos energéticos de la carga propia a alimentar, con ayuda del estudio de la irradancia especifica del lugar donde será instalado el sistema solar fotovoltaico.



Diseñar e implementar el sistema fotovoltaico que cumpla las condiciones de trabajo obtenidas de los requerimientos de funcionamiento del centro vacacional.



Escoger una serie de sensores que sean adecuados para la adquisición de medidas analógicas eléctricas de los dispositivos que componen el sistema fotovoltaico como lo son las baterías, paneles solares, cableado y carga.



Realizar una interface basada en software libre, que visualice el acondicionamiento de las señales obtenidas, la conversión análogo-digital, digitalización de datos y procesamiento de los mismos, que sea amigable para los usuarios al momento de acceder a la información suministrada por el sistema.



Realizar un estudio del enlace de comunicaciones en la zona rural donde se implementará el proyecto.

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4. MARCO TEORICO

4.1.

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar es un recurso de generación inagotable que posee el planeta, pues de una u otra manera proviene solo de la radiación solar, motivo por el cual la disponibilidad de este recurso no depende del consumo que se tenga del mismo, por ello puede obtenerse un gran beneficio al ser transformada de manera adecuada. La energía solar puede ser aprovechada de varias formas: ·Energía solar pasiva: Aprovecha de forma directa la energía solar, sin transformarla en otro tipo de energía por medios mecánicos. ·Energía solar térmica: Se utiliza para convertir la radiación solar en calor, lo cual es aprovechado para calentar agua a baja temperatura para uso sanitario y calefacción. ·Energía solar fotovoltaica: Se produce a partir de la radiación solar directa mediante placas de semiconductores que son alteradas por dicha interacción. ·Energía solar termoeléctrica: Se genera la electricidad por medio de un ciclo termodinámico convencional al calentar a alta temperatura un fluido (llamado aceite térmico). ·Energía solar hibrida: Se trata de la combinación de la energía solar con otro tipo de energía. ·Energía eólica solar: Es un método que utiliza la radiación solar para calentar el aire qué sube por una chimenea el cual es aprovechado por medio de generadores de energía.

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Al centrarse un poco más en el tema específico de estudio, se mostrara en la siguiente tabla algunas ventajas y desventajas que presenta el sistema.

Tabla 1. Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Libertad: Quien hace uso de este tipo de sistema puede auto-abastecerse empleando recursos energéticos propios, “Se puede tener la sensación única de poder iluminar la casa en la noche, mirar TV, escuchar música, utilizar electrodomésticos y herramientas sabiendo que no tendrá que pagar la energía que está consumiendo” [01]

Elementos estrictamente necesarios: Al implementar una instalación de este tipo, se requiere necesariamente de una fuente de almacenamiento, la cual será una batería, un control de carga y el elemento captor de la radiación solar (celdas solares fotovoltaicas).

Sin cortes de energía: Este sistema no se ve interrumpido por eventualidades o cortes en los sistemas locales de distribución, así como tampoco existirán cortes de energía por falta de pagos ante los agentes reguladores locales; debido a que el flujo de energía es constante, pues se consume el recurso que ha sido previamente almacenado en las baterías.

Radiación variante: La radiación solar no es constante a lo largo de todo el día o del año, por lo cual habrán corrientes altas y bajas que llegaran al sistema; debido a ello es necesario un “control de carga” para cuidar el sistema de picos que se presenten en la corriente por exceso de radiación.

Ahorro monetario: Al efectuar una instalación solar se obtienen beneficios económicos importantes. Por ejemplo: “Una instalación mixta (instalación solar y convencional), trabajando en forma simultánea tendrá un ahorro aproximado del 60% en la factura del proveedor de electricidad. Si se habla de una instalación 100% solar el ahorro será del 100%, o sea no tendremos que pagar absolutamente nada por la energía utilizada” [01].

Inversión inicial: La inversión inicial para los elementos necesarios para dicha instalación es bastante elevado por el gran beneficio que trae para las personas, ya que para poder reemplazar la energía eléctrica se requieren de varios paneles, además son necesarios los inversores para poder conectar a tomas nuestros electrodomésticos que funcionan con corriente AC, varias baterías entre otros elementos necesarios e importantes.

Durabilidad: Se puede recuperar la inversión a largo plazo, aproximadamente a 10 años, los paneles solares y baterías tienen aproximadamente un durabilidad de 30 a 50 años.

Rendimiento: Un sistema solar fotovoltaico puede tener hasta un 70% u 80% respecto a la energía eléctrica utilizada comúnmente [02].

Ecológico:

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Al usarse una energía totalmente limpia y renovable se colabora con el cuidado del medio ambiente.

4.2.

...