I. RESULTADOS DE APRENDIZAJE. Implementar un SFV aislado con sus distintas protecciones eléctricas.

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1 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS COORDINACIÓN DE ELÉCTRICA Y MECÁNICA Ciclo I-16 (Fuentes De Energías Renovables) Guía de Laboratorio No. 4 Armado de conjunto fotovoltaico aislado para alimentación de cargas de baja potencia con valor constante I. RESULTADOS DE APRENDIZAJE Implementar un SFV aislado con sus distintas protecciones eléctricas. Analizar la respuesta de los distintos elementos de un sistema fotovoltaico aislado, panel, baterías, regulador, inversor bajo condiciones reales de operación. Verificar la señal de salida y frecuencia del inversor a utilizar. Verificar las caídas de tensión en puntos de interés del sistema a construir. II. INTRODUCCIÓN La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. Esta definición de la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene aspectos importantes sobre los cuales se puede profundizar. La energía solar se puede transformar de dos maneras: La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos. La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar fotovoltaica. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles solares fotovoltaicos. La energía solar fotovoltaica se utiliza para hacer funcionar lámparas eléctricas, para

2 iluminación o para hacer funcionar radios, televisores y otros electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional a continuación se muestra el esquema de una vivienda con un sistema autónomo común. Figura 1: Esquema de sistema fotovoltaico aislado. Un sistema fotovoltaico autónomo o aislado se compone de los siguientes subsistemas: Subsistema de captación: Es el generador fotovoltaico, compuesto por módulos o paneles fotovoltaicos. Convierte la radiación solar en energía eléctrica estos pueden conectarse en paralelo para obtener mayor corriente como se muestra en la figura o en serie para el aumento de tensión. Figura 2: Arreglo de paneles conectados en paralelo. Subsistema de almacenamiento: Debido a que la radiación solar es un recurso variable, en parte previsible (ciclo día-noche), en parte imprevisible (nubes, tormentas); se necesitan

3 equipos apropiados para almacenar la energía eléctrica cuando existe radiación y para utilizarla cuando se necesite. El almacenamiento de la energía eléctrica producida por los módulos fotovoltaicos se hace a través de las baterías. Estas baterías son construidas especialmente para sistemas fotovoltaicos (De descarga profunda). Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la instalación: Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o bajo consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares producen más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta energía que no se utiliza es almacenada en la batería. Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación solar. Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tantas lámparas o bombillas así como un televisor o radio, precisamente cuando la radiación solar es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía eléctrica que la batería ha almacenado durante el día. Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuada para la utilización de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que requieran de una corriente mayor que la que puede producir los paneles (aún en los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor eléctrico. Figura 3: Muestra los tres tipos de batería de ciclo profundo para aplicaciones de SFV.

4 Subsistema de regulación: Este es un dispositivo electrónico, que controla tanto el flujo de la corriente de carga proveniente de los módulos hacia la batería, como el flujo de la corriente de descarga que va desde la batería hacia las lámparas y demás aparatos que utilizan electricidad. Si la batería ya está cargada, el regulador interrumpe el paso de corriente de los módulos hacia ésta y si ella ha alcanzado su nivel máximo de descarga, el regulador interrumpe el paso de corriente desde la batería hacia las lámparas y demás cargas. Figura 4: Regulador de tensión. Subsistema de adaptación de corriente: Su función es Proveer adecuadamente energía eléctrica, esto no sólo significa hacerlo en forma eficiente y segura para la instalación y las personas; sino que, también significa proveer energía en la cantidad, calidad y tipo que se necesita. El tipo de la energía se refiere principalmente al comportamiento temporal de los valores de voltaje y corriente con los que se suministra esa energía. Algunos aparatos eléctricos, como lámparas, radios y televisores funcionan a 12 voltios (V) de corriente directa, y por lo tanto pueden ser energizados a través de una batería cuyo voltaje se mantiene relativamente constante alrededor de 12 V. Por otra parte, hay lámparas, radios y televisores que necesitan 120 V ó 110 V de corriente alterna para funcionar. Estos aparatos eléctricos se pueden adquirir en cualquier comercio pues 120 ó 110 son los voltajes con el que operan el 95% de los electrodomésticos en América Central, en los sistemas conectados a la red pública convencional. El voltaje en el tomacorriente, el cual tiene corriente alterna, fluctúa periódicamente a una razón de 60 ciclos por segundo, pero su valor efectivo es equivalente a 120 V.

5 Los módulos fotovoltaicos proveen corriente directa a 12 ó 24 Voltios por lo que se requiere de un componente adicional, el inversor, que transforme, a través de dispositivos electrónicos, la corriente directa a 12 V de la batería en corriente alterna a 120 V. La señal obtenida de salida del inversor puede ser senoidal pura, cuadrada y onda cuadrada modificada mostrada a continuación. Figura 5: Señales de salidas producidas para distintos tipos de inversores. A continuación se muestra el inversor a utilizar en la práctica, este es de 750W de potencia de salida y soporta hasta un máximo de 1000W Figura 6A: Inversor Fotovoltaico de 750W, 12VDC/120VAC. III. MATERIALES Y EQUIPO Cantidad Descripción 3 Módulos solares de distinta potencia

6 (Kyosera, silicon solar pv, AEE solar) 2 Multímetros 1 Amperímetro de gancho 1 Osciloscopio 1 Brújula 1 Termómetro 1 Pirómetro fotovoltaico 2 Una resistencia variable de potencia 2 Focos ahorrativos de 10w 1 Trasportador 1 Inversor de 500W. 12VDC/120VAC 1 Regulador. 1 Baterías 12V. 2 Focos ahorradores de 11W (carga DC). 1 Televisor/radio (carga AC). 1 Tomacorrientes 1 Cable de poder y de conexión V. PROCEDIMIENTO Paso 1: toma de datos de las principales características de paneles, regulador, Inversor y acumulador. Sis.Gen FV Modelo PFV Gen FV Pmax [W] Vpmax [V] Ipmax [A] Voc Isc [V] [A] Tabla1. SFV

7 Configuración:. Sis. Acumulador Bateria Sis Acumulador V nominal Capacidad [V] [AH] % de descarga maxima Configuración: Tabla 2. Acumulador REGULADOR Modelo: Tensión Nomimal Tensión Max entrad: I max de entrada a panel I max de acumulador. I max de carga [V] [V] [A] [A] [A] Tabla 3. Regulador. Inversor Modelo: Pmax Tensión nom de entrada I max de entrada [W] [V] [A] Tensión nominal de salida [V] I max de salida [A] Tabla 4. Inversor. Paso 2. Arme el circuito de la figura siguiente. Para ello deberá colocar los paneles a 15 con orientación al sur.

8 Figura P: Sistema fotovoltaico aislado a construir es el laboratorio. Paso 2: Se verificara el funcionamiento del sistema y comprobara los siguientes parámetros en los puntos 1 y 2. Parámetros (sin Carga) V [V] I[A] Tensión de circuito abierto del arreglo de paneles. Tensión de entrada al regulador procedente del panel. Corriente de entrada al regulador procedente del panel Corriente de salida del regulador a la batería. Voltaje de entrada a la batería. Estado de carga y descarga de la batería mediante la siguiente tabla P6 Tabla 5. Parámetros conectados SOC [%] DOD [%] Batería de 12 V

9 Tabla P6: SOC y DOD para baterías de 12V. Paso 3: Con el circuito ya armado se conectara algunos elementos (Focos ahorradores) de consumo de DC punto 3 de la figura P y se determinara: Parámetros (Con Carga DC) V [V] I[A] Voltaje de la batería. Estado de carga y descarga de la batería Corriente de entrada al regulador procedente del panel. Corriente de salida del regulador a la batería. Corriente de salida de la batería. Voltaje entrada a los elementos de consumo. Caída de tensión entre el regulador y los elementos de consumo. Tabla 6. Carga DC Paso 4: Desconectar las cargas DC del paso anterior y realizar las conexiones de los puntos 4 y 5 de la figura P para el elemento de consuma AC (TV/Radio) y determinar: Parámetros (Con AC) V [V] I[A] Voltaje de la batería. Estado de carga y descarga de la batería (Ver tabla P1). Corriente de entrada al regulador procedente del panel. Corriente de salida del regulador a la batería. Corriente de salida de la batería. Verificar la señal de salida del inverso mediante un Osciloscopio (Capturar imagen) y tomar medida del nivel de tensión y frecuencia. Si posee un Osciloscopio Voltaje entrada a los elementos de consumo. Caída de tensión entre el regulador y los elementos de consumo. Tabla 7. Carga AC

10 Paso 5: Conectar todas las cargas DC y AC y determinar: Parámetros (Con AC) V [V] I[A] Voltaje de la batería. Estado de carga y descarga de la batería (Ver tabla P1). Corriente de entrada al regulador procedente del panel. Corriente de salida del regulador a la batería. Corriente de salida de la batería. Voltaje entrada a los elementos de consumo DC y AC. Caída de tensión entre el regulador y los elementos de consumo DC y AC. Tabla 8. Carga AC-DC V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 1) Qué concluye de la señal de salida del inversor obtenida mediante el Osciloscopio, anexe la imagen obtenida como la clasifica como senoidal pura, onda cuadrada o una Cuadrada modificada Explique? 2) Por qué al tomar las medidas de corriente de entrada y salida en la batería son diferentes. Explique? 3) Al conectar la carga AC (TV), cual podría ser la causa del fenómeno de líneas horizontales en la pantalla de este. Explique? 4) Con los siguientes datos Tabla P4A y P4B, realice una propuesta de diseño, presentando calculo correspondiente y hojas técnicas de los elementos que constituyen el SFA con características similares presentadas a continuación: Eficiencia de la Batería: 95 % Eficiencia del inversor: 90 % Máxima profundidad de descarga: 60 % Nº de días de autonomía: 2 Tensión Nominal de la Batería: 24 V

11 Cargas DC: Tabla P4A: Descripción de equipo DC. Cargas AC: Tabla P4B: Descripción de equipo AC. 5) De qué depende realizar la conexión del SFV aislado como se muestra en la figura o existe algún error en la conexión explique detalladamente?*

12 Figura 4: Sistema Fotovoltaico Aislado. VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA 1. Qué funciones de cumplir un dispositivo regulador de tensión en un SFV? 2. Un inversor para un SFV, deberá de convertir una tensión DC en AC y este generalmente incorpora un circuito de desconexión por falta de carga y deberá estar protegido contra algunos desperfectos que ocurren en sus terminales de salida y de entrada. Mencione cuales son algunos de estos desperfectos? 3. Algunas de las características de funcionamiento que definen a un inversor de DC/AC son? 4. La figura P6A muestra las curvas de potencias máximas en función del tiempo que puede suministrar dicha potencia. De los tres modelos de inversores Cuasisenoidales comerciales. El modelo de la curva superior es de una potencia nominal de 2400W y los otros dos de 1500W. y la figura P6B muestra el Rendimiento Vrs Potencia. Qué puede mencionar acerca de la potencia máxima alcanzada para los tres

13 modelos (Fig. P6A)? Por qué es tan limitado este tiempo (Fig. P6A)? Qué puede mencionar acerca de la eficiencia de los tres inversores al analizar las tres curvas (Fig. P6B)? Figura P6A: Muestra las curvas de potencia máximas para tres inversores del mismo fabricante teniendo únicamente cargas puramente resistivas. Figura P6B: Curvas de Rendimiento Vrs Potencia de los tres modelos de inversores bajo cargas resistivas. 5. De la Figura P7 se muestra un proceso de carga de la batería plomo acido de electrolito liquido del cual se deduce que ante un valor elevado de caída de tensión en el cableado de la batería, por una instalación a excesiva distancia o un cableado no suficientemente grueso, la protección frente a sobrecarga se va a aplicar en un umbral inferior al que debería y el regulador vería una tensión superior a la que en realidad tiene la batería ( V RB > V B ). Qué problemas podría presentar una batería si lo mencionado anteriormente sucede dentro de un tiempo razonable sin darle solución al problema? Donde: V RB = Voltaje del regulador de bateria. V B = Voltaje de la bateria. I B = Corriente circulante.

14 Figura P7: Esquema eléctrico Regulador-Batería en proceso de carga. 6. Qué es la Regulación por modulación de ancho de pulso (PWM) en un regulador de carga? 7. Cuál es la diferencia fundamental entre un sistema DC y AC esquematice los dos casos y explique? VII. BIBLIOGRAFÍA -Moro Vallina, Miguel Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Paraninfo. España. 3 ejemplares Enriquez, Gilberto. El ABC de las instalaciones eletrica en sistemas eólicos y fotovoltaicos. Limusa, 2011