Transcripción

1 Laboratorio Virtual de Placas Solares Fotovoltaicas Práctica 2. Estudio de la relación existente entre la energía generada y energía de la radiación solar. 1

2 Práctica 2. Estudio de la relación existente entre la energía generada y energía de la radiación solar Objetivo. El objetivo de esta práctica es estudiar el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicas en función de la radiación solar, cuando alimentan una carga constante que no coincide con el punto valor de la potencia máxima Elementos necesarios. Equipo solar fotovoltaico constituido por: 2 Paneles solares fotovoltaicos. 1 Simulador solar formado por lámparas solares. 1 Regulador del cargador de la batería. 1 Módulo de carga DC. 1 controlador electrónico para la interfaz Sensores de medida 1 ordenador con el software SACED y la aplicación EESFC instalado Tarjeta de adquisición de datos Práctica Virtual Para la creación de esta práctica virtual necesitamos una cámara fotográfica, una cámara de video, el equipo solar fotovoltaico constituido por todos los elementos descritos en el apartado anterior, y diversos software para la edición de video, de audio y de tratamiento de datos. Los programas informáticos utilizados han sido, el Camtasia 7.0 y el Windows movie maker para la creación de los vídeos, el Gold wave para la creación del audio, el Power Point para la creación de animaciones y el Excel para la representación y tratamiento de los resultados obtenidos en la práctica. El método operativo para la creación y diseño de esta práctica virtual es el siguiente: En primer lugar grabaremos en video con una cámara digital las acciones que realizamos sobre el hardware del equipo solar fotovoltaico que utilizamos para llevar a cabo esta práctica. Para ello, filmaremos cómo se conecta la alimentación trifásica y cómo se pone en funcionamiento la consola del controlador electrónico del dispositivo conectando los sensores de medida y accionando el botón de encendido de este controlador y del módulo de carga DC. De este modo, el alumno que visualiza la práctica en el laboratorio virtual, puede ver cómo son los controladores físicos del equipo de energía solar y cómo deben colocarse para el correcto funcionamiento de esta práctica. 2

3 En concreto, grabaremos cómo se desconectan las lámparas DC del módulo de carga que están colocadas en paralelo con el reóstato, colocamos el interruptor manual de las lámparas hacia abajo y el interruptor manual del reóstato hacia arriba. A continuación colocamos el selector de carga en la posición 2 a la vez que explicamos para que quede constancia en el video, que en esta posición, el reóstato y las lámparas se conectan directamente a la salida de los paneles solares. Por otro lado, giramos totalmente hacia la izquierda el reóstato para colocarlo en la posición de máxima resistencia. Imagen 1. Captura de las posiciones de los controles del módulo de carga en la práctica virtual 2 Imagen 2. Colocación del reostato de carga en la práctica virtual 2 Una vez encendido el equipo, procedemos al control de los controles digitales del software que controlan las placas solares fotovoltaicas. Para quedar constancia de los pasos que realizamos en el ordenador, abrimos el programa Camtasia 7.0 y procedemos a la grabación de la pantalla del ordenador y del audio para que queden registrados los comentarios acerca del procedimiento que seguimos en el desarrollo de esta práctica virtual. Ejecutaremos el software SACED y la aplicación EESFC pulsando el botón start situado en la zona superior izquierda de la interfaz. En ese momento se abre una ventana emergente donde pondremos el nombre del archivo con el cual quedarán registrados los datos recogidos en esta práctica. En la zona inferior derecha se encuentran los controles digitales. Para la correcta realización de esta práctica y dado que el objetivo es analizar el rendimiento de los paneles solares, conectaremos en primer lugar el panel solar 1 y desconectaremos el panel solar 2. Mantendremos ambos paneles solares conectados en paralelo. Desconectaremos la ventilación forzada mediante el controlador fans y elegiremos la opción before dc 3

4 controller, explicando en el video el porqué de esta elección. A continuación regulamos el nivel de intensidad de radiación del panel solar 1 y colocamos el control sun 1 en la posición de máximo. Imagen 3. Captura de las posiciones que deben tener los controles digitales de la interfaz para el desarrollo de la práctica 2 Al colocar el control Sun 1 en la posición de máximo, se encienden las lámparas solares ultravioleta que iluminan dicho panel solar. Para que el alumno que use el laboratorio virtual pueda percibir este hecho, tomamos de nuevo la cámara de video y grabamos cómo se encienden los paneles solares. Imagen 4. Captura de la selección de la máxima intensidad en el panel solar y encendido simultaneo de las lámparas en la práctica virtual 2 A continuación grabamos cómo se mueve el reostato de carga en el módulo de carga DC a la posición del 50% a la vez que captamos en la interfaz cómo varía la información que proporcionan en ese caso los sensores de intensidad DC1 y del potencial DC2. Una vez que se 4

5 estabilice la intensidad de radiación que está recibiendo el panel solar 1, pedimos al alumno que anote en una tabla como la que le mostramos los valores de los sensores DC1, DC2 y SRL. Para focalizar la atención del alumno en estos valores, realizamos un zoom en la parte superior derecha de la interfaz donde se encuentran los campos de los sensores conectados al equipo. En el archivo de video que generamos añadimos secuencias de títulos sobre los videos y diferentes pistas de audio con los comentarios necesarios para que el alumno pueda entender cómo se ha llevado a cabo esta parte de la práctica. Imagen 5. Captura de los campos de los sensores en la interfaz de la práctica 2 El siguiente paso es disminuir la intensidad de radiación de modo que podamos obtener unos diez puntos entre el valor máximo y el valor mínimo. Cada vez que disminuimos este control, grabamos con la cámara de video como varían las condiciones de iluminación del panel solar para que el alumno virtual pueda observar cómo el control digital acciona los controles de las lámparas ultravioleta. Para cada diferente nivel de intensidad de radiación esperamos un cierto tiempo para que se estabilice frente al tiempo este valor antes de anotar de nuevo los valores de los sensores. Si el alumno estuviese en el laboratorio real, debería completar una tabla de datos; para que el alumno del laboratorio virtual pueda hacerlo del mismo modo, se ha creado una presentación con el programa Power Point que ha sido trasformada a una animación de video para integrarla en la práctica virtual. De este modo, el alumno es capaz de visualizar cómo se va completando la tabla de datos en función de los valores que se van obteniendo en la práctica. Una vez completada la tabla de datos, pedimos al alumno que trace la gráfica de potencia frente a intensidad de radiación. Para ello le explicamos cómo se calcula la potencia generada en función de los datos de intensidad y voltaje que se han obtenido para cada valor de iluminación y le mostramos un ejemplo de cómo quedaría la gráfica de la energía generada conforma a la radiación para cada panel solar. Para ello realizamos la gráfica con el programa 5

6 Excel y añadimos la animación al archivo de video de la práctica virtual. En esta animación incluimos una explicación teórica sobre cómo puede obtenerse el valor de potencia máxima en las curvas características de intensidad voltaje de los paneles solares. De este modo, el alumno puede relacionar los contenidos de esta práctica virtual 2 con los contenidos de la práctica virtual 1. Sin embrago, para que estas prácticas sean autosuficientes y el alumno que las visualice no necesite ver el laboratorio completo para la realización individual de cada práctica, añadimos una breve explicación teórica de los parámetros característicos de las células solares en esta segunda práctica. Imagen 6. Animación de la tabla de datos de la práctica virtual 2 Imagen 7. Animación incluida en la práctica 2 sobre las curvas características de los paneles solares A partir de los resultados que se obtienen se indica al alumno cómo debe calcular el rendimiento del panel solar 1 a una radiación máxima y a carga constante. Así como la forma en la que puede calcular el rendimiento máximo de la conversión fotovoltaica. Para ello le facilitamos en el video las características físicas y eléctricas de los paneles solares que suministra el fabricante de los mismos. A continuación repetimos el procedimiento descrito para el panel solar 2. Una vez concluido este nuevo proceso, pedimos al alumno que compare los resultados obtenidos con ambos 6

7 paneles solares mostrándoles algunas de las gráficas experimentales donde se representan los datos de ambos paneles. Comentamos en el vídeo las conclusiones más relevantes de esta práctica virtual para que el alumno tenga una visión completa de todo el desarrollo de la misma.. Imagen 8. Energía generada conforme a la radiación para ambos paneles solares Por último, a modo de evaluación, plantearemos en la práctica virtual una serie de preguntas abiertas para que el alumno pueda reflexionar sobre el porqué de los resultados obtenidos y comparar por ejemplo, las curvas experimentales obtenidas con los valores proporcionados por el fabricante de los paneles solares. Todos los archivos de audio, video, imágenes, animaciones y gráficas que hemos generado, los llevaremos al programa de edición de video Camtasia 7.0 para realizar el montaje de esta práctica virtual. Esto nos permite añadir títulos de crédito, resaltar con textos los momentos en los que queremos llamar la atención del alumno y realizar el montaje final de la película. Esta práctica virtual elaborada se encuentra disponible en dos formatos digitales, un archivo Windows media video y un archivo m4v especial para su visualización a través de internet en dispositivos móviles como un iphone o ipod. Ambos formatos se encuentran disponibles en la página web de nuestro grupo de investigación siguiendo el enlace Laboratorio virtual de placas solares fotovoltaicas y pulsando en Estudio de la relación existente entre la energía generada y la energía de la radiación solar 7

8 Desarrollo de la práctica Imagen 9. Captura del video de la práctica virtual 2 Para desarrollar correctamente la práctica 2 siga la siguiente secuencia: 1. Ejecute el software SACED y la aplicación EESFC. 2. Compruebe que la posición del reóstato de carga DC está al máximo de resistencia (Girado totalmente hacia la izquierda). 3. Coloque el selector de carga DC en la posición Desconecte las lámparas DC que estén conectadas en paralelo con el reóstato (Interruptor manual hacia abajo). 5. Conecte la alimentación trifásica y ponga en funcionamiento la interface después de comprobar que todos los sensores están conectados correctamente. 6. Compruebe que la posición inicial de los controles digitales y analógicos se corresponde con la siguiente pantalla. 8

9 Imagen 10. Posición de los controles digitales para el comienzo de la práctica 2 7. Pulse "START" para comenzar con la aplicación EESFC. 8. Cambie la posición del reóstato de carga al 50 % aproximadamente. 9. Conecte el PANEL 1 y desconecte el PANEL 2.Mantenga los paneles solares conectados en paralelo. 10. Sitúe el control SUN 1 en la posición de máximo para obtener la máxima radiación. Anote los valores que muestran los sensores de intensidad DC 1, tensión DC 2 y radiación SRL. 11. Repita el punto 10 con una disminución relativamente proporcional del control SUN 1, de tal manera que se puedan obtener 10 puntos de medida entre los valores máximos y mínimos de radiación solar. Para obtener los parámetros del PANEL 2, debe llevar a cabo la misma práctica repitiendo los pasos Resultados y tablas. Exprese los resultados conforme a la siguiente tabla (recuerde que la posición del reóstato de carga está en torno al 50%) Tabla 1. Tabla de resultados de la práctica 2 PANEL SOLAR 1 PANEL SOLAR 2 SUN 1 Y SUN 2 SENSOR DC1 I (A) SENSOR DC2 V(V) SENSOR SRL Wr (W/m2) SENSOR DC1 I (A) SENSOR DC2 V(V) SENSOR SRL Wr (W/m2) Máximo 9

10 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Mínimo Off Trace la gráfica P Wr (Energía generada conforme a la radiación) para cada panel solar. Si los parámetros de los paneles solares proporcionados por el fabricante están tomados con las siguientes condiciones: radiación de 0,8KW/m 2, temperatura ambiente de 20 o C y velocidad del viento de 1 m/s, los parámetros serán los siguientes: Imagen 11. Características eléctricas y físicas suministradas por los fabricantes de los paneles solares A partir de los resultados que obtenga, determine el rendimiento de ambos paneles del equipo EESFC a una radiación máxima y carga constante. 10

11 Ecuación 1. Cálculo del rendimiento del panel solar Ecuación 2. Cálculo del rendimiento del panel solar Determine el máximo rendimiento de la conversión fotovoltaica en ambos paneles, teniendo en cuenta sus dimensiones. Ecuación 3. Rendimiento de conversión fotovoltaica del panel 1 η 1f =P1_máx/Wr_máx Notas Ecuación 4. Rendimiento de conversión fotovoltaica del panel 2 η 2f =P2_máx/Wr_máx 11

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