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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PRIVADA DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA MENCIÓN: AUTOMATIZACIÓN Y CONTROLES
SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO PARA EL ABASTECIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CENTRAL REPETIDORA DE EMPRESAS
ELÉCTRICAS CON RESPALDO DE PANELES SOLARES
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA MENCIÓN:
AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL
PRESENTADO POR: FUENMAYOR, RAMIRO SULBARAN, CARLOS OCANDO, ARTURO
ASESORADO POR: MSc. JOHANNA FERRER Dra. ELIZABETH PEREZ
MARACAIBO, NOVIEMBRE DE 2014
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SISTEMA DE CONTROL Y MONITOREO PARA EL ABASTECIMIENTO ENERGÉTICO DE UNA CENTRAL REPETIDORA DE EMPRESAS
ELÉCTRICAS CON RESPALDO DE PANELES SOLARES
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DEDICATORIA
Dedicamos esta tesis principalmente a Dios por darnos la oportunidad
de terminar una etapa más en nuestras vidas y concretamente a la
finalización de este trabajo especial de grado.
A nuestros padres que nos apoyaron en cada paso, dándonos la
oportunidad de cumplir nuestras metas y nos guiaron para ser las personas
que somos hoy.
A nuestros profesores y a nuestra universidad por brindarnos el
conocimiento que nos permitirán desenvolvernos en nuestro ámbito de
trabajo.
Finalmente dedicamos con aprecio este trabajo de investigación a
todos aquellos que nos apoyaron, colaboraron y permitieron el hecho de
convertirnos en profesionales.
LOS TESISTAS
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AGRADECIMIENTO
Para elaborar este trabajo especial de grado contamos con el apoyo
de muchas personas a las cuales le estamos enormemente agradecidos y
dejamos este espacio para dar las gracias por la ayuda que nos
proporcionaron.
A nuestros tutores. Johanna Ferrer y Elizabeth Pérez, quienes nos
guiaron y aportaron un espacio de su tiempo con la finalidad de lograr el éxito
de este proyecto.
A los profesionales Darwin Rodríguez y Andrés Amaya, quienes a
través de su apoyo y la impartición de conocimiento formaron parte
fundamental de la realización de esta investigación.
A Lcda. Blanca Vilchez por asesorarnos y por estar a nuestro lado en
la elaboración de este trabajo.
A todos nuestros profesores que nos guiaron paso a paso
enseñándonos todo lo necesario para ser profesionales competentes.
A todas aquellas personas que hicieron posible la realización de esta
tesis y principalmente a Dios por siempre estar a nuestro lado en cada
momento de nuestra vida.
Gracias.
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Fuenmayor Ramiro, Ocando Arturo, Sulbaran Carlos.Sistema de Control y Monitoreo para el Abastecimiento Energético de una Central Repetidora de Empresas Eléctricas con Respaldo de Paneles Solares. Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín. Facultad de Ingeniería. Escuela de Electrónica. Mención Automatización y Controles. Maracaibo, 2014.
RESUMEN
El objetivo principal de la presente investigación fue desarrollar un sistema de control y monitoreo para el abastecimiento energético de una central repetidora de empresas eléctricas con respaldo de paneles solares. La investigación fue clasificada como proyectiva, descriptiva y con un diseño de investigación de campo. La técnica utilizada para la recolección de datos es la entrevista no estructurada. Mediante la metodología de Savant (2004), Smith (2001) y Angulo (1999) dando origen a siete fases metodológicas con la finalidad de determinar los pasos a seguir para desarrollar un sistema de control y monitoreo de la central repetidora. En estas fases se define el problema, se establece los requerimientos, se definen las especificaciones, se realiza un esquema general de hardware, un ordinograma general, se adapta el hardware y el software y finalmente se construye el prototipo con sus respectivas pruebas finales. Al finalizar las 7 fases, se obtuvo como resultado el diseño funcional de control y monitoreo de un sistema de respaldo utilizando los paneles como un segundo ingreso de energía en una estación repetidora En conclusión, el uso de un sistema para el correcto control y monitoreo de un sistema de respaldo energético para una central repetidora con uso complementario de paneles solares es viable y su uso por ser a través de energía renovable y no contaminante proporciona una excelente opción para la optimización de los recursos en la empresa donde se aplique este proyecto. Palabras Claves: control, monitoreo, sistema de respaldo energético, paneles solares.
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Ramiro Fuenmayor, Ocando Arturo, Carlos Sulbaran. Control and Monitoring System for Energy Supply of Repeater Central Electricity Companies Backed Solar Panels. Private University Dr. Rafael BellosoChacin. Faculty of Engineering.School of Electronics. Mention Automation and Controls. Maracaibo, 2014.
ABSTRACT
The main objective of this research was to develop a monitoring and control system for energy supply from central repeater backup utilities with solar panels. The research was classified as projective, descriptive and design field research. The technique used for data collection is the unstructured interview. Using the methodology Savant (2004), Smith (2001) and Angulo (1999) giving rise to seven methodological phases in order to determinate the steps to develop a system for control and monitoring of central repeater. In these phases the problem is defined, the requirements are established specifications are defined, an overview of hardware, a general flow chart is performed, the hardware and software and finally adapts the prototype with their final tests are constructed. At the end of these 7 phases, was obtained as a result of functional design control and monitoring of a backup system using panels as a second income in a power relay station In conclusion, the use of a system for the proper control and monitoring a system of backup power to a repeater station with complimentary use of solar panels is feasible and its use to be through renewable and clean energy provides an excellent option for the optimization of resources in the company where the project is implemented.
Keywords: control, monitoring, backup power systems, solar panels.
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ÍNDICE GENERAL
Pág.
VEREDICTO………………………………………………………………….. iii
DEDICATORIA……………………………………………………………….. vi
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………. vii
RESUMEN……………………………………………………………………. viii
ABSTRACT…………………………………………………………………… ix
ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………... x
ÍNDICE DE CUADROS……………………………………………………… xii
ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………….. xiv
ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………… xvi
ÍNDICE DE GRÁFICOS……………………………………………………... xvii
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………….. 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA……………………………………………… 3
1.- DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN OBJETO DE ESTUDIO……… 4
1.1.- FORMULACIÓN DEL PROBLEMA…………………………….. 6
2.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN……………………………….. 6
2.1.- OBJETIVO GENERAL…………………………………………… 6
2.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………. 7
3.- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN…………………………... 7
4.- DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN……………………………. 10
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO…………………………………………. 11
1.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN…………………………. 12
2.- BASES TEÓRICAS……………………………………………………… 18
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2.1.- AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL…………………………….. 19
2.1.1.- PIRÁMIDE DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 20
2.2.- SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO…………………….. 22
2.2.1.- ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SISTEMA DE
CONTROL………………………………………………………………………
22
2.2.2.- TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL…………………. 23
2.3.- DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA……… 25
2.3.1.- CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA SCADA…….. 27
2.3.2.- VENTAJAS / BENEFICIOS DE UN SISTEMA SCADA 30
2.3.3.- COMPONENTES DE HARDWARE……………………. 31
2.3.3.1.- ORDENADORES REMOTOS O RTUS
(REMOTE TERMINAL UNIT) …………………………………………………
31
2.3.3.2.- INSTRUMENTOS DE CAMPO………………….. 32
2.3.4.- ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN
SOFTWARE SCADA…………………………………………………………..
33
2.4.- MICROCONTROLADORES……………………………………... 36
2.5.- ARDUINO………………………………………………………….. 37
2.6.- TCP / IP……………………………………………………………. 40
2.7.- EL SOL Y LA ENERGIA SOLAR………………………………... 42
2.8.- CELDA SOLARES………………………………………………... 47
2.8.1.- LA UNIÓN P-N……………………………………………... 48
2.8.2.- CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA CELDA SOLAR…... 49
2.8.3.- CURVAS V-I Y PARÁMETROS DE LA CELDA SOLAR 50
2.8.4.- EFECTOS DE LA RADIACIÓN Y LA TEMPERATURA
EN EL RENDIMIENTO DE LA CELDA SOLAR……………………………..
51
2.8.5.- EFICIENCIA Y PÉRDIDAS DE LA CELDA SOLAR…... 52
2.8.6.- TIPOS DE CELDAS SOLARES………………………… 54
2.8.7.- CONEXIÓN DE CELDAS SOLARES. EL MODULO
FOTOVOLTAICO. CONDICIONES ESTANDAR DE PRUEBA (STC)……
56
xii
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2.8.8.- EL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. TIPOS Y
COMPONENTES………………………………………………………………
60
2.8.9.- EL CONTROLADOR DE CARGA (REGULADOR)…… 64
2.8.10.- EL BANCO DE BATERIAS (ACUMULADORES)……. 65
2.8.11.- TIPOS DE BATERIAS………………………………… 66
2.8.12.- ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS DE LAS
BATERIAS………………………………………………………………………
70
3.- SISTEMA DE VARIABLES……………………………………………….. 71
3.1.- DEFINICION NOMINAL………………………………………….. 72
3.2.- DEFINICION CONCEPTUAL…………………………………… 72
3.3.- DEFINICION OPERACIONAL…………………………………. 72
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO………………………………… 74
1.- TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN……………………………... 75
2.- TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS….. 77
3.- METODOLOGÍA SELECCIONADA……………………………………... 78
4.- CUADRO Y CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Y RECURSOS….. 83
5.- HERRAMIENTAS Y MATERIALES UTILIZADOS……………………. 85
CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN………………… 86
1.- ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS……… 87
1.1.- DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA…………………………. 88
CONCLUSIONES……………………………………………………………… 130
RECOMENDACIONES……………………………………………………….. 134
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………… 135
ANEXOS………………………………………………………………………. 138
xiii
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INDICE DE CUADROS
CUADROS Pág.
1 Cuadro de Fases…………………………………………… 82
2 Cronograma de Actividades Específicas………………… 83
3 Características Eléctricas de los Paneles Solares
KYOCERA……………………………………………………..
94
xiv
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURAS Pág. 1 Correspondencia del modelo OSI con TCP/IP……………. 42
2 Horas Sol pico a lo largo de un día (referidas a una
temperatura y masa de aire específicos)……………………
45
3 Masa de Aire………………………………………………....... 46
4 Circuito equivalente de la Celda Solar……………………... 49
5 Características Tensión-Corriente de una Celda Solar….. 50
6 Curvas V-I para diferentes valores de radiación y
temperatura………………………………………………….....
52
7 Celdas de Silicio Monocristalino, Policristalino y Amorfo.. 55
8 Partes de la Celda Solar……………………………………… 56
9 Componentes del Módulo Solar Fotovoltaico……………… 58
10 Diagrama de un sistema conectado a la red………………. 61
11 Diagrama de un sistema autónomo conectado
directamente a la carga……………………………………….
62
12 Diagrama de un sistema autónomo (Stand-Alone)……….. 62
13 Diagrama de un sistema híbrido…………………………….. 63
14 Diagrama de un sistema completo …………………………. 63
15 Características de las Baterías Solar Ni-Cd……………….. 69
16 Esquematización gráfica de los bancos de baterías y su
correspondiente alimentación………………………………..
91
17 Características de corriente y voltaje a diferentes niveles
de radiación en paneles KYOCERA KD250GH-4FB2…….
95
18 Esquema gráfico de la disposición de los paneles
solares………………………………………………….…….....
104
19 Diagrama de Bloques funcional…………………………….. 105
20 Diagrama de flujo generalizado del Software en el
ARDUINO..................................................................................
109
xv
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21 Diagrama de flujo subproceso Servertask
ARDUINO…………………………………………………….…
110
22 Diagrama de flujo para la ejecución de comandos recibos
por TCP/IP…………………………………………………….
111
23 Diagrama de flujo para ciclo de encendido con
TIMER1………………………………………………………….
112
24 Diagrama de flujo para la utilización del sensor de
distancia ultrasónico (medición de nivel)…………………..
113
25 Software ARDUION IDE versión 1.0.5……………………... 115
26 Placa ARDUINO Mega 2560………………………………… 116
27 Sensor ultrasonido hc-sr04………………………………….. 117
28 Tangue de gasoil……………………………………………… 117
29 Planta de gasoil……………………………………………….. 118
30 Sensor NO Invasivo de Corriente…………………………… 119
31 Circuito de arranque y parada de la planta………………… 119
32 Motor de Arranque……………………………………………. 120
33 Conexión UPS………………………………………………… 121
34 Sistema de transferencia…………………………………….. 122
35 Circuito de sistema de transferencia………………………. 122
36 Conexión serie entre las baterías…………………………… 124
37 Paneles Solares (prototipo)………………………………….. 125
38 Circuito Regulador de Voltaje y Corriente…………………. 125
39 Router D-LINK (sistema de comunicación)……………….. 126
40 Visualización y control……………………………………….. 128
xvi
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ÍNDICE DE TABLAS
TABLAS Pág.
1 Especificaciones de los distintos modelos de ARDUINO.. 39
2 Tabla de Consumo…………………………………………... 96
xvii
xvii
ÍNDICE DE GRÁFICOS
GRÁFICOS Pág.
1 Pirámide de la Automatización………………………… 20
2 Elementos que conforman un Sistema de Control…... 23
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INTRODUCCIÓN
Aunque en el pasado podía considerarse que el único objetivo del control
de procesos consistía en mantener una operación del sistema, actualmente las
industrias se enfrentan a un mercado cambiante y difícil de predecir. El constante
crecimiento en las empresas ha resultado en una incesante necesidad de poder
controlar con mayor eficiencia todos sus procesos de manera diligente.
Actualmente los sistemas de monitoreo y control en la industria de
procesos, deben satisfacer criterios económicos, asociados con el mantenimiento
de las variables de proceso en sus parámetros de control, maximizando los
criterios de seguridad y de medio ambiente. Las empresas requieren mejorar el
control de sus unidades mediante la instrumentación necesaria y adecuada,
permitiendo en conjunto, minimizar costos de instrumentación, cableado e
implementación, con el objetivo de incrementar la calidad y confiabilidad.
Los sistemas de respaldo energético en la actualidad son frecuentemente
utilizados para darle mayor confiabilidad al tiempo de trabajo de un proceso y más
aún cuando este se lleva a cabo en lugares donde el servicio eléctrico es incierto,
es por eso que el uso de banco de baterías, sistemas de transferencia de carga y
generadores eléctricos, se utilizan en conjunto para generar la energía necesaria
en el lugar que se necesite.
En este trabajo se plantea el diseño de un sistema de control y monitoreo
para el abastecimiento energético de una central repetidora de empresas
eléctricas con respaldo de paneles solares, esto con el fin de obtener un mayor
desempeño y optimizar la durabilidad en cuanto a la operación de dicha
2
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demanda. El uso de paneles solares va fuertemente ligado a la necesidad del uso
de una energía limpia, renovable y de esta manera no depender solo de la
energía producida por combustible fósil.
El presente trabajo de investigación está desarrollado por cuatro
capítulos los cuales proporcionan una guía para la elaboración de dicho trabajo;
en el primer capítulo se presenta El Problema en el cual se desarrolla la
descripción de la situación objeto de estudio, la formulación del problema, los
objetivos de la investigación tanto general como específicos y la delimitación de
la investigación.
El segundo capítulo muestra el Marco Teórico presentando los
antecedentes de la investigación los cuales se consultaron por su relación con el
tema tratado, además se desarrollan las bases teóricas que fundamentan el
tema desarrollado, esto para permitir el conocimiento teórico del tema. El tercer
capítulo se define como Marco Metodológico en el cual se plantean las fases
que permitieron satisfacer los objetivos de la investigación, además se define el
tipo y diseño de la investigación.
En el cuarto capítulo llamado Resultados de la Investigación se
desarrollan las fases planteadas en el tercer capítulo las cuales permitieron
diseñar un sistema de control y monitoreo para el abastecimiento energético de
una central repetidora de empresas eléctricas con respaldo de paneles solares.
Finalmente, en base a los resultados obtenidos se presentan las respectivas
conclusiones y recomendaciones que brinda la investigación.
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