Laboratorio Virtual de Placas Solares Fotovoltaicas Práctica 3. Estudio del máximo rendimiento de los paneles solares.
Práctica 3. Estudio del máximo rendimiento de los paneles solares. 1.1.1. Objetivo. El objetivo de esta práctica es obtener el punto de máximo rendimiento o de potencia máxima de los paneles solares a diferentes niveles de intensidad de radiación solar. 1.1.2. 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 1.1.3. Práctica Virtual Para el diseño y la puesta a punto de esta práctica virtual necesitamos el equipo solar fotovoltaico controlado por ordenador descrito en el apartado anterior, una cámara digital de video, una cámara fotográfica y diversos programas informáticos para la captura y posterior tratamiento de las imágenes, el video y el audio para el montaje de la práctica virtual. Entre estos programas destacamos el uso del Windows Movie Maker, Camtasia 7.0, Microsoft Excel, Power Point y GoldWave. Puesto que el equipo solar fotovoltaico que utilizamos para simular la radiación solar que índice sobre dos paneles solares tiene tanto controladores físicos como controladores digitales, debemos grabar en diferentes formatos y de manera individual las acciones que llevamos a cabo en el laboratorio con el hardware y las acciones que realizamos en la interfaz del software que controla el equipo solar mencionado. De este modo, un alumno que visualice esta práctica a través de internet en nuestro laboratorio virtual, no perderá detalle de lo que debería realizar si estuviese físicamente presente en el laboratorio real de optoelectrónica. Para conseguir este fin, tomamos la cámara de video digital y grabamos cómo encendemos la consola del controlador electrónico del equipo, cómo se conectan a dicha consola los sensores de medida de temperatura, intensidad de corriente, voltaje e intensidad de radiación, cuyos campos se mostrarán posteriormente en la interfaz del software. 2
Laboratorio Virtual de Placas Solares Fotovoltaicas A continuación trabajaremos con el módulo de carga DC en el cual realizaremos los siguientes pasos: Colocamos la posición del reostato de carga en la máxima resistencia, para ello lo giramos totalmente hacia la izquierda y posteriormente ponemos el selector de carga en la posición 2. Explicamos en el video que con el selector de carga en esta posición, el reostato se conecta directamente al regulador de carga. Grabamos como desconectamos las lámparas DC que están conectadas a priori en paralelo con el reostato de carga accionando para ello el interruptor manual de las lámparas hacia abajo y el interruptor del reostato hacia arriba. s.e x n e une a. d n a o j i o or l a o a p n ru i g g / á / : P tp t h Imagen 1. Colocación de los controles del módulo de carga en la práctica virtual 3 El siguiente paso es manejar la interfaz y los controles digitales de la aplicación que controlan el simulador solar. Para que el alumno pueda visualizar esto, realizaremos las grabaciones de la pantalla del ordenador con el programa Camtasia 7.0 y grabaremos las explicaciones oportunas sobre el manejo de la aplicación con el programa de audio gold wave. Con el Camtasia abierto, ejecutaremos el software EESFC. Haremos un zoom en la parte inferior derecha para que el alumno visualice claramente la posición en la que colocamos los controladores digitales. En concreto, conectamos el panel solar 1 y desconectamos el panel solar 2 mediante los controles Panel 1 y Panel 2. Elegimos la opción de conectar ambos paneles solares en paralelo y desconectamos el sistema de ventilación forzada que se encuentra colocado físicamente entre las lámparas que simulan la radiación solar y los paneles solares. El controlador meas lo colocamos en la posición before dc controller a la vez que explicamos al alumno cómo con esta opción los sensores de medida DC y las cargas seleccionadas en el selector de cargas (en esta práctica virtual sería el reostato), se conectan directamente a la salida de los paneles solares antes del regulador de carga de baterías. 3 Grupo Orión. Universidad de Extremadura
Imagen 2. Captura de la correcta colocación de los controles digitales en la práctica 3 El siguiente paso es ejecutar la aplicación pulsando el botón start, en ese momento, se abre una ventana emergente que nos permite poner un nombre al archivo de datos que se va a generar durante el desarrollo de la práctica. Dado que el objetivo de esta práctica es obtener el punto de máximo rendimiento del panel solar con diferentes niveles de intensidad de radiación, comenzamos colocando el control Sun 1 en la posición de máximo y variamos gradualmente la posición del reostato de carga desde el 100% (posición inicial) hasta el 0% (posición de mínimo). Para que quede constancia de las acciones sobre la consola física del módulo de carga, tomamos de nuevo la cámara de video digital y grabamos los cambios de posición del reostato a la vez que nos vamos fijando en la información que nos proporcionan los sensores en la parte superior derecha de la interfaz. De este modo, el alumno puede observar simultáneamente las consecuencias que implican la variación de la resistencia de carga sobre la intensidad de corriente y sobre el voltaje. Se le ofrece al alumno la posibilidad de trazar las curvas características de intensidad voltaje para los paneles solares y a partir de ellas localizar cuál es el punto de máxima potencia. Para ello se calcula el valor de la potencia (producto del voltaje por la intensidad de corriente) para cada una de las posiciones del reostato de carga, mostrándole al alumno una gráfica que represente el valor de la potencia generada frente a la resistencia de carga. 4
Imagen 3. Ejemplo de animación gráfica introducida en el video de la práctica 3 Con esta animación se pretende que el alumno se de cuenta de que el valor de la máxima potencia se produce en ambos paneles solares para una posición del reostato de carga en torno al 50%. Imagen 4. Captura de la práctica virtual 3 en la que se fija el valor de la resistencia de carga Con la posición de la resistencia de carga fija, nos centramos en el nivel de la intensidad de radiación y realizamos disminuciones relativamente proporcionales del controlador Sun 1 de modo que podamos obtener unos 10 puntos intermedios entre los valores de máximo y de mínimo. Para que el alumno que visualice esta práctica no pierda detalle de lo que está ocurriendo en el simulador solar, grabaremos cómo varían las condiciones de iluminación de las lámparas solares ultravioleta que iluminan el panel solar 1 a la vez que hacemos un zoom en la información que proporcionan los sensores de medida para que el alumno pueda anotar estos datos. Ambos videos los integraremos en la misma pantalla mediante un picture and picture para mostrar de forma completa lo que ocurre en el laboratorio real. 5
A continuación grabaremos el mismo procedimiento para el panel solar 2, comenzamos en este caso explicando al alumno cómo debe desconectar el panel 1 y cómo debe conectar en la posición de máxima intensidad de radiación el panel 2. Imagen 5. Combinación entre el hardware y el software en un mismo video en la práctica 3 Una vez que concluimos la toma de datos, facilitamos al alumno una tabla de Excel para que complete los datos y calcule el valor de la potencia en función de la radiación solar que ilumina los paneles. Con esta tabla realizamos una animación en Power Point que grabaremos con el Camtasia y la añadimos al archivo de video para el montaje global de la práctica. A continuación mostramos al alumno cómo se traza la curva de potencia máxima frente a la radiación colar para cada panel. Y le explicamos cómo calcular el factor de forma con la máxima radiación solar utilizando los datos de tensión de circuito abierto y de intensidad de cortocircuito. Le pedimos que compare estos valores del factor de forma obtenido con los valores que se obtendrían a partir de los parámetros de los paneles solares proporcionados por el fabricante. 6
Imagen 6. Animación de la tabla de resultados para la práctica virtual 3 Imagen 7. Factor de forma Imagen 8. Ejemplo de cálculo del factor de forma. Animación de la práctica virtual 3 En último lugar, planteamos al alumno una serie de preguntas abiertas para que pueda reflexionar sobre el porqué de los resultados obtenidos. Una vez añadidas estas preguntas como texto a los vídeos, todos los archivos que hemos generado, tanto imágenes como gráficos, videos, audios y animaciones los llevaremos al programa de edición de video Camtasia 7.0 para realizar el montaje de esta práctica virtual. Esto nos permite añadir títulos 7
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 del máximo rendimiento de los paneles solares 1.1.4. Desarrollo de la práctica Imagen 9. Captura de la práctica virtual 3 Para la realización de esta práctica lleva a cabo los siguientes pasos: 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 2. 4. 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 el siguiente diagrama. 8
Imagen 10. Posiciones de los controles digitales de la interfaz en la práctica 2 7. Pulse "START" para comenzar a utilizar la aplicación EESFC. 8. Conecte el PANEL 1 y desconecte el PANEL 2.Mantenga los paneles solares conectados en paralelo. 9. Sitúe al máximo el control SUN 1 para obtener la máxima radiación. 10. Varíe gradualmente la posición del reóstato de carga desde 100% a 0%, buscando el punto aproximado donde se obtiene el valor de potencia (producto del valor del voltaje por la intensidad) más alto (o si lo prefiere, trace previamente la curva i v y determine el punto máximo a partir de ella). Anote los valores medidos por 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, deberá llevar cabo la misma práctica y repetir los pasos 9 11. 1.1.5. Resultados y tablas. Exprese los resultados en la siguiente tabla con la posición del reóstato de carga entre el 40 y el 50%. Tabla 1. Tabla de resultados de la práctica 3 PANEL SOLAR 1 PANEL SOLAR 2 SUN 1 Y SENSOR SENSOR Potencia SENSOR SENSOR SENSOR SENSOR Potencia 9
SUN 2 DC1 DC2 (W) SRL DC1 DC2 SRL (W) I (A) V(V) Wr (W/m 2 ) I (A) V(V) Wr (W/m 2 ) Máximo 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Mínimo Off Trace la gráfica Potencia máxima frente a intensidad de radiación solar (Pmáx Wr, máximo rendimiento de potencia) de acuerdo con la radiación o curva de máximo rendimiento (η máx ) para cada panel solar. Determine la tensión de circuito abierto Voc y la intensidad de cortocircuito Isc del panel solar (puede tomar estos valores de los obtenidos en la primera práctica). Con estos dos valores determine el Factor Forma de cada panel con máxima radiación solar. Ecuación 1. Factor de forma FF=Pmáx/(Isc x Voc) Compare este valor con el factor de forma obtenido a partir de los parámetros de los paneles solares proporcionados por el fabricante. 10
Imagen 11. Características eléctricas proporcionadas por el fabricante del panel solar 1.1.6. Notas 11
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