RADIÓMETRO AUTÓNOMO PARA EL MONITOREO DEL RECURSO SOLAR

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1 RADIÓMETRO AUTÓNOMO PARA EL MONITOREO DEL RECURSO SOLAR Alberto Montoya Portugal- Ernesto Palo Tejada Alicia Puma Taco- Wilson Cabana Hancco - wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética

2 RADIÓMETRO AUTÓNOMO PARA EL MONITOREO DEL RECURSO SOLAR Primera edición digital Julio, 2011 Lima - Perú Alberto Montoya Portugal Ernesto Palo Tejada, Alicia Puma Taco Wilson Cabana Hancco PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0247 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El personal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, RADIÓMETRO AUTÓNOMO PARA EL MONITOREO DEL RECURSO SOLAR Alberto Montoya Portugal- almontoyap@hotmail.com Ernesto Palo Tejada -jpalot@unsa.edu.pe Alicia Puma Taco- alicia27_lili@hotmail.com Wilson Cabana Hancco - wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética Resumen. Desarrollo de un Radiómetro de celda cuyo propósito es la evaluación del recurso solar en situaciones en las que es necesario un monitoreo continuo y autónomo en condiciones geográficas complicadas. El instrumento desarrollado usa una celda de GaAs (arseniuro de galio) y está basado en tecnología de micro controladores, tiene un rango de 0 a 1500 W/m2 y una resolución de 1 W/m2, funciona con una pila de litio que le da una autonomía de 1 año, los parámetros de calibración, sincronización, tasa de muestreo, intervalo de integración, etc. son programables por conexión USB y a través de una PC. La respuesta del radiómetro se ha comparado y calibrado con un radiómetro marca Davis, obteniéndose una muy buena correlación. Se muestran resultados de pruebas realizadas con el radiómetro en un periodo de 48 horas en el edificio de la Escuela de Física de la Universidad Nacional de San Agustín- Arequipa Palabras clave: Radiómetro, Micro controlador, Calibración, Instrumentación. 1. Características y principio de operación El instrumento mide la potencia generada por una celda encapsulada de GaAs (arseniuro de galio), la radiación incidente en la celda atraviesa previamente un filtro que evita la radiación directa, la potencia producida por la celda esta relacionada con la radiación solar según la expresión. Figura 1. Fotografía del radiómetro La electrónica del instrumento mide la corriente que produce la celda cada t segundos, donde t es la tasa de muestreo del sistema y puede tomar valores entre 1s y 100 s, todos estos valores son almacenados temporalmente durante un intervalo a donde a es el intervalo de integración que puede tomar valores entre 1s y 9 horas. Se obtiene el valor medio de los datos almacenados temporalmente según la ecuación (1). i 1 p 1 p( t) dt a a (1) i 1 i a a i

6 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Este dato se guarda en memoria según el valor que tome m, donde m es la tasa de grabación de datos y puede tomar valores desde 1s a 9 horas. 2. El Hardware Desarrollada alrededor del microcontrolador 12F675 cuyo consumo en operación es de apenas 100 A. La base de tiempo es un cristal de 4Mhz con un error máximo de 10 ppm entre -20 y 70 ºC. El instrumento Incorpora una memoria EEPROM que a una tasa de registro de un dato por hora, puede almacenar 4 años de datos. El Radiómetro es alimentado con una batería de Litio de 3 voltios CR2 DURACELL ULTRA. La autonomía máxima es de un año aunque esta depende de la tasa de muestreo y la frecuencia de grabado de datos. Pero en el peor de los casos, esto es, a una tasa de muestreo de1s, se garantiza una autonomía de 1 mes. Características físicas del Radiómetro o o o o o Altura: 111,0 mm. Diámetro interno : 25,38 mm Diámetro externo de la base: 90,60 mm. Tres tornillos de nivelación Nivel de burbuja (ojo de pollo) 3. El software El radiómetro puede ser conectado a un computador por una conexión USB, y se puede interactuar con el sistema a través de una serie de comandos enviados como cadenas de caracteres ASCII desde la computadora. Cualquier Programa de computadora capas de enviar y recibir cadenas de caracteres ASCII por un puerto puede ser usado, por ejemplo el Hyper Terminal de Windows. Figura Modos de operación El radiómetro puede trabajar en dos modos. Los cuales se configura enviando los comandos c o w Modo de operación captura: este modo de operación esta activo por defecto e indica que el instrumento envía los datos directo al PC sin guardarlos en memoria Modo de operación Escritura: este modo de operación se activa cuando se envía el comando w, indica que el instrumento guardara los datos tomados en memoria. Comandos de configuración a Comando que configura el intervalo de integración, puede tomar valores desde 1 s hasta 9 horas m comando que configura la tasa de grabado de datos en la memoria, puede tomar valores desde 1 s hasta 9 horas t Comando que configura la tasa de muestreo y puede tomar valores entre 1 y 100 s e Comando que indica cuanto tiempo esperara el instrumento antes de empezar a registrar los datos y puede tomar valores desde 1s a 9 horas h Comando que configura la hora, también inicia la operación en uno de los dos modos de operación. f Configura la fecha L Configura la latitud G Configura la longitud d Configura el numero de identificación r Comando para descargar la memoria b Comando para borrar la memoria s Muestra la configuración actual del sistema. N Muestra el estado de la memoria

7 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Figura 2: Configuración del radiómetro 4. Calibración y comparación Se estudio el desempeño del radiómetro comparándolo con el radiómetro de celda instalado en una estación Davis, la estación Davis se encuentra en el edificio de la escuela de Física UNSA Arequipa. El radiómetro se instalo a 10 cm. del radiómetro de la estación Davis y a la misma altura. Tanto el radiómetro Davis como el radiómetro-unsa se programaron para empezar a registrar los datos a las 6 AM. Del día y a una tasa de muestreo de 1 dato por minuto. Previamente se sincronizaron los relojes de ambos radiómetros. La medición se realizo durante 13 horas y los resultados se muestran en la figura 3. 1,0 Davis u radiometro Radiometro 0,5 0,0 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 Tiempo (hh:mm) Figura 3: respuesta del radiómetro Davis y radiómetro Unsa (curva normalizada) En la figura 3. se muestra los resultados tanto del radiómetro Unsa y del radiómetro Davis se observa una alta correlación tanto en los datos de potencia como en la sincronización del tiempo. De la grafica podemos concluir que estos instrumentos son comparables.

8 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, uradiometro (W/m2) Rariometro DAVIS (W/m2) Figura 4.: Comparación del radiómetro Davis con el radiómetro Unsa Esto es posible por la flexibilidad de la configuración del radiómetro Unsa, pues este puede ser programado con una configuración idéntica al radiómetro Davis. Se grafico la respuesta del radiómetro en función de la Respuesta del radiómetro Davis, los resultados se muestran en la figura 4, un ajuste de mínimos cuadrados de esta relación se muestra en la ecuación 2: I( ur) I( Rd ) El ajuste muestra un offset del radiómetro de: 0.44( W / m ) (2) La figura 5. Muestra la respuesta del radiómetro Davis y el radiómetro Unsa para intensidades que van de 2 2 0( W / m ) a 1000( W / m ) el 0.95 % de valor real., para intensidades altas se observa una desviación que es como máximo uradiometro Radiometro Davis (W/m2) Intensidad de Radiacion (W/m2) Figura 5.: Linealidad del radiómetro Unsa y del radiómetro Davis Se realizaron pruebas con el radiómetro durante 49 horas en el edificio de la Escuela de Física de la Universidad nacional de San Agustín- Arequipa, los resultados se muestran en la figura 6

9 IV Conferencia Latino Americana de Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano de Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, Radiasion (W/m2) Tiempo (Min) Figura 6.: Datos de radiación solar de 3 días tomados con el radiómetro. Conclusiones De los resultados se observa una buena correlación en los datos del radiómetro con el de la estación Davis El radiómetro Unsa es un instrumento portátil de fácil instalación y con autonomía en el registro de datos y energía de alimentación. Las pruebas realizadas han mostrado que el radiómetro Unsa es un instrumento versátil de bajo costo y comparable con instrumentos comerciales equivalentes. La versatilidad del instrumento y su bajo costo son adecuadas para distribuirlas en una región y realizar mapeos de radiación solar Falta realizar pruebas de permeabilidad del instrumento para climas con alta precipitación pluvial REFERENCIAS Bird, R. (1984) A simple solar spectral model for direct normal an d diffuse horizontal Irradiance, Solar Energy 32, Carr, A. and Pryor L. (2004) A comparison of the performance of different PV module types in temperate climates, Solar Energy 76, Chivelet, N. M. (2000) Estudios de la influencia de la reflexión, el ángulo de incidencia y la distribución espectral de la radiación solar en los generadores fotovoltaicos. 1ª edición, pp Editorial Ciemat. España. Durisch W. Struss O. Robert K. (2000) Efficiency of selected photovoltaic modules under varying climatic conditions. WREC 2000 Brighton UK. Hoyos, D; Montero, M; Bárcena1, H; Cadena, C; Farfán, R (2006). Sistema de medida automatizado y de bajo costo para caracterización de módulos fotovoltaicos. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol a Instituto Argentino de Normalización (1998). IRAM Módulos fotovoltaicos. Características eléctricas en condiciones normalizadas. Photovoltaic modules. Method for determining current-voltage characteristics. International Electrotechnical Commission (1993) -IEC ( ) Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval. King D.L., Kratochvil J.A., Boyson W.E., and Bower W.I. (1998) Field experience with a new performance characterization procedure for photovoltaic arrays. 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 6-10 July 1998, Vienna, Austria.

10 CONTENIDO 1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 3. CONFIGURACION EXPERIMENTAL 4. RESULTADOS 5. CONCLUSIONES

11 1. INTRODUCCION Spectral range (50% points) nm Sensitivity (µ V / W m²) 4-6 Response Time (95 %) 12 seconds Zero offset temperature change (5 K / hr) ± 2 W/m² Zero offset thermal radiation (200 W /m²) ± 7 W/m² Directional error (at 80 with 1000 W/m² beam) ± 10 W/m² Non-linearity( W/m²) ± 0.6 % Non-stability (change / year) ± 0.5 % Temperature depedency of sensitivity ± 1 % (-10 to + 40 C) Tilt response (at 1000 W/m²) ± 0.2 %

12 Operating Temperature to +150 F (-40 to +65 C) Storage Temperature to +158 F (-45 to +70 C) Transducer Silicon photodiode Spectral Response (10% points) to 1100 nanometers Cosine Response Percent of Reading. ±3% (0 to ±70 incident angle); ±10% (±70 to ±85 incident angle) Percent of Full Scale. ±2% (0 to ±90 )

13 2. OBJETIVOS Desarrollo de un Radiómetro de celda cuyo propósito es la evaluación del recurso solar en situaciones en las que es necesario un monitoreo continuo y autónomo en condiciones geográficas complicadas.

14 3. CONFIGURACION EXPERIMENTAL Características físicas del Radiómetro Altura: 111,0 mm. Diámetro interno : 25,38 mm Diámetro externo de la base: 90,60 mm. Tres tornillos de nivelación Nivel de burbuja (ojo de pollo)

15 principio de operación Las características como densidad de Corriente-Voltaje con un mecanismo de transporte de corriente simple puede ser representada de la forma:

16 principio de operación La electrónica del instrumento mide la corriente que produce la celda cada t segundos, donde t es la tasa de muestreo del sistema y puede tomar valores entre 1s y 100 s, todos estos valores son almacenados temporalmente durante un intervalo a donde a es el intervalo de integración que puede tomar valores entre 1s y 9 horas. Se obtiene el valor medio de los datos almacenados temporalmente según la ecuación. Este dato se guarda en memoria según el valor que tome m, donde m es la tasa de grabación de datos y puede tomar valores desde 1s a 9 horas. p a i 1 1 a i a i 1 a i p( t) dt

17 El Hardware Desarrollada alrededor del microcontrolador 12F675 cuyo consumo en operación es de apenas 100. La base de tiempo es un cristal de 4Mhz con un error máximo de 10 ppm entre -20 y 70 ºC. El instrumento Incorpora una memoria EEPROM que a una tasa de registro de un dato por hora, puede almacenar 4 años de datos. El Radiómetro es alimentado con una batería de Litio de 3 voltios CR2 DURACELL ULTRA. La autonomía máxima es de un año aunque esta depende de la tasa de muestreo y la frecuencia de grabado de datos. Pero en el peor de los casos, esto es, a una tasa de muestreo de1s, se garantiza una autonomía de 1 mes.

18 El software El radiómetro puede ser conectado a un computador por una conexión USB, y se puede interactuar con el sistema a través de una serie de comandos enviados como cadenas de caracteres ASCII desde la computadora. Cualquier Programa de computadora capas de enviar y recibir cadenas de caracteres ASCII por un puerto puede ser usado, por ejemplo el Hyper Terminal de Windows. El radiómetro puede trabajar en dos modos. Los cuales se configura enviando los comandos c o w Modo de operación captura: este modo de operación esta activo por defecto e indica que el instrumento envía los datos directo al PC sin guardarlos en memoria Modo de operación Escritura: este modo de operación se activa cuando se envía el comando w, indica que el instrumento guardara los datos tomados en memoria.

19 Configuración del radiómetro Comandos de configuración a m t e h f L G d r b s N configura el intervalo de integración, puede tomar valores desde 1 s hasta 9 horas configura la tasa de grabado de datos en la memoria, puede tomar valores desde 1 s hasta 9 horas configura la tasa de muestreo y puede tomar valores entre 1 y 100 s indica cuanto tiempo esperara el instrumento antes de empezar a registrar los datos y puede tomar valores desde 1s a 9 horas configura la hora, también inicia la operación en uno de los dos modos de operación. Configura la fecha Configura la latitud Configura la longitud Configura el numero de identificación Comando para descargar la memoria Comando para borrar la memoria Muestra la configuración actual del sistema. Muestra el estado de la memoria

20 4. RESULTADOS respuesta del radiómetro Davis y radiómetro Unsa (curva normalizada) 1,0 Davis u radiometro Radiometro 0,5 0,0 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 Tiempo (hh:mm)

21 4. RESULTADOS Comparación del radiómetro Davis con el radiómetro Unsa uradiometro (W/m2) Rariometro DAVIS (W/m2)

22 4. RESULTADOS Linealidad del radiómetro Unsa y del radiómetro Davis uradiometro Radiometro Davis (W/m2) Intensidad de Radiacion (W/m2) I( ur) I( Rd) El ajuste muestra un offset del radiómetro de: 0.44( W / m )

23 4. RESULTADOS Datos de radiación solar de los radiómetros Unsa y Davis durante 8 días Intensida W/m Tiempo(min)

24 5. CONCLUSIONES De los resultados se observa una buena correlación en los datos del radiómetro con el de la estación Davis El radiómetro Unsa es un instrumento portátil de fácil instalación y con autonomía en el registro de datos y energía de alimentación. Las pruebas realizadas han mostrado que el radiómetro Unsa es un instrumento versátil de bajo costo y comparable con instrumentos comerciales equivalentes. La versatilidad del instrumento y su bajo costo son adecuadas para distribuirlas en una región y realizar mapeos de radiación solar Falta realizar pruebas de permeabilidad del instrumento para climas con alta precipitación pluvial

25 GRACIAS POR SU ATENCION Alberto Montoya Portugal- Ernesto Palo Tejada Alicia Puma Taco- Wilson Cabana Hancco - wil10000@hotmail.com Universidad Nacional de San Agustín, Departamento de Física, Centro de Energías Renovables y Eficiencia Energética

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