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Articulo sobre comportamiento de paneles solares
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14º Congreso Nacional de Mecatronica Del 15 al 17 de Octubre 2015, Juriquilla, Qro.
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.
Análisis del Comportamiento de un Panel Solar a Través
de Scilab.
Guerrero Rodríguez Erick Damián, Ramiro Ramiro José.
Instituto Tecnológico Superior De Zacapoaxtla División de Ingeniería Mecatrónica
Carretera Acuaco-Zacapoaxtla, Km 8, Col. Totoltepec, Zacapoaxtla, Pue. Tel: (233) 31 75000.
[email protected], [email protected]
Resumen
Se realiza el análisis gráfico del
comportamiento de un panel solar, ubicado en
la parte superior del edificio de la unidad de
prácticas del Instituto Tecnológico Superior de
Zacapoaxtla, basándose en Software de código
abierto, es decir que no requiere de licencias
para su uso. Se realiza la captura de datos que
manda el panel solar con ayuda de una placa de
desarrollo Arduino, quien será la encargada de
recibir y mandar los datos hacia un ordenador
(In situ Sistema SCADA), para que
posteriormente este los almacene. La parte del
análisis gráfico del comportamiento del panel
solar, se determina en el Software Scilab, de
código abierto, quien es el encargado de tomar
el archivo con formato “.txt” creado por la PC
y se importa a su entorno de trabajo. De este
modo se argumenta el comportamiento del
panel a través de una gráfica, y así poder
interpretar la comparación entre el
comportamiento ideal, el comportamiento real,
y el comportamiento adquirido de nuestro panel
solar del voltaje en función del clima de la
región.
Palabras Clave: Panel Solar, Software Libre,
Análisis Grafico, Adquisición de Datos, Sistema
SCADA.
1. Introducción
Las energías renovables o alternativas son cordialmente fuentes para conseguir un ahorro energético y con estas obtener la llave para un futuro con energía más limpia, eficaz, seguro, autónomo y amigable con la naturaleza; ya que
esto permite contribuir con la reducción de uno de los tantos problemas que hay en el planeta como lo es el calentamiento global.
La fuente más abundante de energía renovable es el sol. La tierra es constantemente abastecida de ENERGIA SOLAR, que es usada por la plantas para crecer y desde hace algún tiempo por las personas para generar electricidad; entre muchos otros usos.
Para lograr convertir la energía solar en energía eléctrica, se ocupan las celdas solares, cuya producción de energía eléctrica depende directamente del nivel de captación de radiación solar que recibe, es por esto que surge la necesidad de encontrar la manera de poder monitorear las variables que recibimos del panel solar y así poder realizar un bosquejo de su comportamiento con respecto al tiempo, y en base a ello, poder compararlo con el clima respectivo de la región y así poder realizar una comparación entre la variable medida y variable real. Es por ello que para este caso, el análisis gráfico
es una manera muy eficiente de comprobar el
comportamiento de dicho panel y así poder
analizar de manera visual como es su
comportamiento y su variación en el tiempo, y
así mismo hacer un análisis en base a páginas
web de cómo es su respuesta ante la variación
climática.
2. Modelo Matemático del Panel Solar.
En este proyecto se utiliza un panel solar que tiene un voltaje circuito abierto de Vp = 20 Volts, para cargar una batería de Vb = 24 volts, por lo tanto usaremos un conversor de CD-CD,
o buck converter, que está conformado por un inductor L, y una resistencia RL. El circuito está mostrado en la figura 1 [7].
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Fig. 1. Circuito de Carga de Batería con el Panel
Solar.
En nuestro caso, queremos averiguar la
variación de voltaje con respecto del tiempo en
que se carga la batería, para esto, hacemos la
sumatoria de voltajes.
��(�) − �� �(�)
��− �(�) ∗ �� + �� = 0 (1)
Despejando a Vb, para hallar el voltaje en la
batería:
�� = ��(�) − �(�) ∗ � − �� �(�)
�� (2)
Con la ecuación 2 ya definida,
procedemos a resolverla, optamos por ocupar la
transformada de Laplace para dar solución a
esta ecuación:
��(�) = ��(�) − �(�) ∗ � − � ∗ � ∗ �(�) (3)
Ajustando y acomodando términos:
��(�) = �(�) ∗ � +��(�)
����� (4)
Y, finalmente dando solución a la
ecuación, obtenemos de resultado una función
que describe el cambio de voltaje que recibe
nuestra batería.
�� = �(�) ∗ � + ��(�) ∗ ����
� (5)
Cabe mencionar que la ecuación 5, es
capaz de mostrar los cambios de voltaje que se
envían a nuestra batería, es por eso, que tanto el
voltaje como la corriente en la ecuación, están
con respecto del tiempo, es decir, que varía
proporcionalmente a la radiación fotoeléctrica
que recibe nuestro Panel.
Para tener un registro de voltajes que se
enviaban hacia la batería, se implemento un
sistema de control y monitoreo constante de
datos, en el que básicamente, una placa captura
los datos, y los envía hacia un ordenador, donde
posteriormente son analizados gráficamente
para poder ser comparados con el cambio
climático, y así obtener los valores respectivos
de envió hacia la pila, y saber en qué tiempo se
cargaría.
3. Adquisición y Procesamiento de
Señal.
En primera instancia, se comenzó por hacer
el programa para la adquisición de señal, para
esto, se utilizó un ordenador, con una placa de
desarrollo Arduino utilizada como esclavo para
la captura analógica de la señal enviada por el
panel solar. La figura 2, muestra el diagrama a
bloques del proyecto.
Fig. 2. Diagrama a Bloques del Programa
3.1 Sistema SCADA y elaboración de la
HMI.
Para la elaboración del sistema que lograra
capturar la señal de salida del Panel solar, se
implemento un circuito que redujera el voltaje
que nos arrojaba el panel [1], elaborado con un
arreglo de resistencias (Figura 3), ya que era
demasiado elevado para la entrada hacia la placa
Arduino, quien era la encargada de capturar y
enviar los datos hacia nuestro instrumento
virtual de medición.
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Fig. 3. Circuito de Acoplamiento de Señal
Con los datos ya muestreados
analógicamente, La PC los toma [6], y los
arregla para que pueda mostrarlos grafica y
numéricamente en pantalla (Figura 4), de
manera que los resultados vistos, fueran los
mismos que nos proporciona nuestro Panel
solar. Pero la PC, además de adquirir y controlar
nuestras muestras, se encarga de guardar todos
los datos que adquiere de la planta, al mismo
tiempo son exportados a un archivo ‘.xlsx’.
Cabe mencionar que este programa realizado, es
totalmente controlable, y ajustable a partir de su
programación [2], ya que se pueden modificar
los parámetros de ajuste de entrada y salida de
la señal, y también, de establecer fechas y
tiempos de inicio y de paro, así como también
poder ajustar la gráfica de salida que se muestra.
Fig. 4. Pantalla de Adquisición de la PC
4. Exportación e Importación hacia
Scilab.
Como ya se dijo antes, la PC es la
encargada de adquirir, procesar y controlar los
datos, sin embargo, quien se encarga de realizar
el análisis correspondiente y mostrar por medio
de gráficas dichos resultados, es el software
Scilab; un software de Código abierto, muy
similar a MatLab, con la misma potencia y las
mismas ventajas que MatLab no ofrece, en
cambio, Scilab no requiere de una licencia para
poder trabajar, ya que al no tener la restricción
del código fuente de los autores, hace más fácil
y versátil su uso.
Para comprobar su funcionamiento, así
como la denominación de software de código
abierto y un posible uso futuro, puede
descargarse Scilab directamente desde la página
del Software: http://www.scilab.org/.
La PC, captura, nos arroja y guarda los
datos en una hoja de cálculo (.xlsx) con tres
columnas o más, en este caso utilizamos: una
con la fecha de captura, otra con la hora exacta
de captura y la tercera columna que es que nos
interesa, nos muestra el valor del voltaje que
está emitiendo el Panel solar en tiempo real,
dicha hoja de cálculo, se guarda con una nueva
extensión (.txt delimitado por tabulación), este
nuevo archivo es el que se ocupa para importar
datos en la mayoría de Software especializado
para el análisis de datos experimentales, y en el
caso que respecta a nosotros, ocuparemos
Scilab. La figura 5, muestra un ejemplo de las
graficas realizadas con Scilab.
Fig. 5. Grafica hecha con Scilab
Una vez que se tiene este archivo,
simplemente se importa al entorno de Scilab
mediante comandos, y de la misma manera se
crea una variable que contenga estos datos, ya
que se tiene la variable, se crea una nueva donde
le indiquemos que columna deseamos ocupar de
este, y así es como tenemos nuestros dos
arreglos listos para graficar, uno con las
variables, y otro con los tiempos (Figura 6).
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Fig. 6. Código para importar y graficar datos en
Scilab.
Con lo que respecta a la grafica del clima
diario, se creó de igual manera un archivo para
exportar y poder tener otros dos arreglos con los
cuales graficar la temperatura guardada con
respecto al tiempo.
La aplicación ocupada para obtener estos
datos climáticos, es una llamada ‘Tiempo’, la
cual esta instalada por defecto en el Sistema
operativo Windows 8. Esta aplicación obtiene
todos estos valores de internet; directamente de
la página de BING, la cual es actualizada cada
hora.
5. Análisis de Resultados.
De acuerdo con la programación de nuestro
instrumento virtual, la placa de desarrollo
Arduino, realizaba una lectura de datos cada 5
minutos, que inicia diariamente alrededor de las
7 horas y que termina su muestreo las 20
horas, teniendo a diario una cantidad que oscila
entre 110 y 150 muestras de voltajes emitidos
por el panel solar. Con lo que su grafica de
comportamiento, es bastante fluida, y muestra
perfectamente el cambio de voltaje que estuvo
recibiendo durante el día.
Sin embargo las graficas que se realizaron
donde se grafica el cambio climático con
respecto del tiempo, son de cierta manera un
tanto menos fluidas, ya que la aplicación
ocupada para adquirir los cambios constantes de
temperatura, no es tan constante, es decir que
solo nos guarda un muestreo de temperatura
cada hora, y al compararlo (Figura 7 y 8), con la
que obtuvimos de Scilab, se puede apreciar la
relación Voltaje-Temperatura que tiene el panel
solar.
Fig. 7. Comparación de gráficos de Voltaje y de
Tiempo en día nublado.
Fig. 8. Comparación de gráficos de Voltaje y de
Tiempo en día Soleado
En la tabla 1 y 2, se muestra la
comparación entre voltaje y temperatura,
donde se puede apreciar la respuesta del panel
solar, ante dos situaciones climáticas comunes:
un día soleado y uno nublado; y en base a esto,
se puede sacar una relación entre el voltaje
arrojado por el panel, y la situación climática.
Hora Temperatura Voltaje
8 a.m. -- 12 p.m.
Ascenso de 14 ºC a 18 ºC
Ascenso de 16 V/DC a 21V/DC
12 p.m. – 2 p.m.
Constante de 18 ºC
Oscilación entre 20 V/DC y 21 V/DC
2 p.m. – 4 p.m.
Descenso de 18 ºC a 16 ºC
Descenso de 20V/DC a 18V/DC
4 p.m. – 7 p.m.
Constante de 16 ºC
Descenso de 19V/DC a 0 V/DC
7 p.m. en Adelante
Oscilación entre 15 ºC y 16 ºC
Constante de 0V/DC
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Tabla 1. Relación día Nublado.
Tabla 2. Relación día Nublado
6. Conclusiones
Como se puede apreciar en las tablas
anteriores, existe diferencia entre los dos días,
en un día nublado, el panel se mantiene
oscilante entre una captura de 14 a 18V/DC, con
una temperatura oscilante entre 15 y 18ºC;
mientras que en un día soleado, se puede
percibir un voltaje de 20 y 21 V/DC, a
temperaturas de 18 a 20 ºC.
Aunque también hay que tomar en cuenta el
tiempo, ya que en el transcurso de 12 del
mediodía a las 3 de la tarde, es cuando se
registra la máxima adquisición de voltaje,
aunque no siempre la temperatura más alta. Este
parámetro es demasiado importante para nuestra
investigación, ya que con esto podemos
determinar que la energía que obtenemos no
depende de la temperatura, sino de las
condiciones del clima, si es que este es soleado,
nublado, lluvioso. Para esto debemos analizar
más detalladamente para poder dar una
explicación certera sobre el comportamiento del
voltaje adquirido por la celda, la temperatura y
el clima, obteniendo los datos de al menos dos
años para realizar una comparación entre estas
variables (Dicha investigación se inició en
Enero de 2014 y se siguen obteniendo y
analizando datos).
Con base a esto, se puede seguir con la
siguiente fase del proyecto, que es el control de
un seguidor solar, para poder obtener el máximo
provecho de un panel solar y de la radiación
solar, adquiriendo todo el día un voltaje
constante, y tratando de que siempre sea el
máximo. Y sobre todo por la región en la que
nos encontramos, en la cual el 70% del año se
encuentra nublado o con lluvias y con esta
investigación podemos determinar si es apto
implementar este tipo de energías en nuestro
entorno.
Referencias
[1] Boylestand Robet, L y Nashely, L.:
“Electronica, teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos”, Editorial Prentice Hall, 1995.
[2] Holguín Londoño G. y Pérez Londoño S.:
“Curso Básico de LabView 6i”, Universidad
Tecnológica de Pereira, 2002.
[3] “Lenguaje de Programación en Scilab”,
Ceduvirt 2005.
[4] Pereda Soto I.: “Celdas Fotovoltaicas en
Generación Distribuida”, Tesis, Pontificia
Universidad Autónoma de Chile, 2005
[5] Lammardo A. y Baritto M.: “Modelo matemático del comportamiento térmico de un colector solar de placas planas inclinadas para calentamiento de aire”, Revista de Ingeniería UC, Vol. 7, 2010.
[6] Ruiz Gutiérrez J.: “Utilización de LabView para la Visualización y Control de la Plataforma Open Hardware Arduino”, Creative Commons Attribution 3.0, 2012.
[7] Dr.Aliaga Zegarra A.: “Modelamiento y
Simulación de un Cargador de Batería para un
Seguidor de Máxima Transferencia de
Potencia”, XIX Simposio Peruano de Energía
Hora Temperatura Voltaje
8 a.m. -- 12 p.m.
Ascenso de 12 ºC a 19 ºC
Ascenso de 20 V/DC a 21V/DC
12 p.m. – 3 p.m.
Ascenso de 19 ºC a 20 ºC
Oscilación entre 20 V/DC y 21 V/DC
3 p.m. – 7 p.m.
Descenso de 20 ºC a 18 ºC
Descenso de 20V/DC a 18V/DC
7 p.m. – 8 p.m.
Descenso de 18 ºC a 17 ºC
Descenso de 18V/DC a 0V/DC
7 p.m. en Adelante
Oscilación entre 17 ºC y 16 ºC
Constante de 0V/DC
14º Congreso Nacional de Mecatronica Del 15 al 17 de Octubre 2015, Juriquilla, Qro.
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.
Solar y del Ambiente (XIX- SPES), Puno, 12 -
17.11.2012.
