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ENERGÍA SOLAR UNA FUENTE DE ORO. S. Manrique1, M. De Leon1, A. Urbano2, Y. Matsumoto2, J. Granados3 y J. Mota3 Dirección de contacto 1
Formación Básica Disciplinaria Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Ticomán Av. Ticomán No. 600, Col. San José Ticomán, C.P. 07340, Del. Gustavo A. Madero 57296000 ext.56001 smanrique@ipn.mx, mans24mx@yahoo.com.mx 2 Departamento de Ing. Eléctrica. Sección de Electrónica del Estado Sólido CINVESTAV-IPN Av.IPN N°2508 C.P. 07300 México D.F. Tel 57386000 3 Unidad Azcapozalco Av. San Pablo N° 180 Col. Reynosa–Tamaulipas C.P. 02200Mexico D.F. Tel 57244560 Fax 57235940
Abstract The variation of the solar energy we can note during the day, so it is not the same radiation that is in the morning to noon, another important factor is the cloud which causes a variation in radiation solar. On the other hand if you want to maximize the energy from the sun for any application, such as to run a water pump in this case a device is required to obtain maximum solar energy. This article shows the operation of device maximum power point, applied to an array of solar panels for water pumping. The device is designed to couple the current and voltage variations due to atmospheric changes which cause a change in solar radiation. This arrangement also uses a capacitor when the Photovoltaic energy is low. Additionally, for pumping water, switched elements are used (switches), which have a low power of about 2% of dissipation which makes the circuit very efficient in the order of 98%. This electronic circuit is relatively cheap compared to the energy gained from the solar modules, when it comes to attach to the maximum power point. The pump used is ¾ HP (power) at 90 volts direct current, uses two arrays of 5 solar panels connected in parallel and each panel consists of 7 modules connected in series. Keywords: solar energy, maximum power, solar panels, water pumping.
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ENERGÍA SOLAR UNA FUENTE DE ORO. Resumen La variación de la energía solar la podemos notar en el transcurso del día, por lo que no es la misma radiación que se tiene en las mañanas que al medio día, otro factor importante es el de las nubes el cual provoca una variación en la radiación solar. Por otro lado si se quiere aprovechar al máximo la energía que proviene del sol para cualquier aplicación, como por ejemplo para hacer funcionar una bomba de agua, en este caso se requiere un dispositivo que obtenga la máxima energía solar. El presente artículo muestra el funcionamiento de un dispositivo de punto de potencia máxima, aplicado a un arreglo de módulos solares para bombeo de agua. El dispositivo está diseñado para acoplar las variaciones de corriente y voltaje, debido a los cambios atmosféricos los cuales provocan un cambio en la radiación solar. Asimismo éste utilizar un arreglo de capacitores cuando la energía fotovoltaica es baja. Adicionalmente, para el bombeo de agua, se emplean elementos conmutados (interruptores), los cuales poseen una potencia baja del orden de 2% de disipación por lo que hace al circuito muy eficiente del orden del 98%. Este circuito electrónico es relativamente barato comparado con la energía ganada de los módulos solares, cuando se trata de acoplar al punto de máxima potencia. La bomba a emplear es de ¾ de HP (potencia) a 90 volts de corriente directa, emplea dos arreglos de 5 paneles solares conectados en paralelo y cada panel está constituido por 7 módulos conectados en serie. Palabras clave: Diagnóstico, educación, felicidad, tristeza, violencia
Introducción En nuestro país existen regiones donde el abastecimiento de la energía eléctrica es muy caro y no existe [1], y por ello se debe buscar fuentes alternas que cubran esta necesidad [2,3], el trabajo que a continuación se presenta es una aplicación del uso de una fuente alterna de energía. El empleo de celdas solares, y un dispositivo que aprovecha la máxima energía de los módulos para echar andar una bomba de agua, pueden ser empleados para riego en comunidades rurales (ecoaldeas) o para cualquier sistema fotovoltaico autónomo [4]. La finalidad del dispositivo (circuito) seguidor del punto de potencia máxima, es la de sustraer la máxima potencia que pueda producir la fuente fotovoltaica, para aplicarlo a un sistema de bombeo de agua [5]. Debido a que el motor presenta una baja impedancia (baja corriente y voltaje), no se aprovecha toda la energía del arreglo fotovoltaico [4], por lo que es necesario optimizar toda la energía que el arreglo fotovoltaico pueda dar. Este proceso se logra a expensas de cargar una serie de capacitores los cuales proporcionan un poco de mayor voltaje y corriente, desplazando al punto de potencia máxima [6,7]. La figura 1, muestra la respuesta del arreglo fotovoltaico, la hipérbola de potencia constante y finalmente se observa el desplazamiento de la potencia ganada [5,4].
Desarrollo La obtención de la energía eléctrica por medio de paneles fotovoltaicos, se basa en la conversión directa de la radiación solar a energía eléctrica limpia [1], sin producir algún efecto dañino al medio ambiente, no contamina a diferencia de las fuentes energéticas convencionales (derivados del petróleo) [8], no utiliza partes móviles o ciclos termodinámicos alguno. SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO (FV) Un sistema solar fotovoltaico es un sistema eléctrico que básicamente está integrado de tres elementos, el arreglo fotovoltaico, la carga que se desea energizar, y un arreglo de baterías como almacenador de la energía del sistema [4,5]. Para el caso de bombeo de agua no siempre se utiliza baterías [6], ya que se almacena energía en los
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capacitores en forma de energía potencial. El diagrama simplificado de un sistema solar fotovoltaico se ilustra en la figura 1. Donde se muestra la topología simplificada del circuito seguidor del punto de potencia máxima, el arreglo de capacitores, la etapa de la electrónica y el circuito utilizado (MOSFET) [9,10], este último es utilizado como conmutador, su tarea es la de efectuar la activación del motor cada vez que detecte que los capacitores estén cargados y proporcione una energía extra, a la energía que está mandando el arreglo fotovoltaico y de esta manera obtener la potencia máxima del arreglo fotovoltaico que se refiere a los puntos IL y VL de la figura 2.
Figura 1: Diagrama simplificado del sistema de bombeo, celdas solares, capacitores, electrónica carga y MOSFET.
Figura 2: Se observa la hipérbola de potencia constante, el punto de máxima potencia y su desplazamiento.
Fase experimental. Para conocer la potencia a la cual trabaja la bomba es necesario saber la corriente y el voltaje, y para esto es indispensable utilizar un osciloscopio, el cual aplica un método indirecto con el que podemos saber la corriente máxima en la carga y en el arreglo de capacitores. En los capacitores se observa la señal de la corriente que los módulos fotovoltaicos proporcionan y la corriente que los capacitores ceden cuando se encuentra en carga máxima, para obtener la potencia máxima de los módulos fotovoltaicos cuando está trabajando la bomba [11].
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Los valores de corriente y voltaje son observados en el osciloscopio en función de los picos generados en la descarga de los capacitores y por un tiempo de no conducción que es el tiempo en el cual los capacitores son cargados nuevamente. Para el voltaje en la carga se observan tres segmentos de recta, la primera línea vista en la señal del osciloscopio, es la descarga de los capacitores y después llegan a cero y de aquí se vuelven a subir el voltaje, la cual se interpreta como la señal generada en el motor, la cual fluye en paralelo por el diodo. La primera etapa vista en el osciloscopio es cuando cede su potencia de los capacitores y es sumada a la potencia de los módulos solares, luego llega a cero y posteriormente sube el voltaje (generado por el motor); las dos etapas finales ocurren cuando los capacitores están siendo cargados nuevamente como se muestra en la figura 3.
Figura 3: Se observa la carga y descarga de los capacitores, cargas descarga y llega a cero.
Una vez realizadas las pruebas y toma de lecturas de los datos de corriente y voltaje, se procede a realizar los cálculos necesarios y para ello se utiliza la siguiente ecuación [9,10]. (1) Donde: = Corriente promedio, = Frecuencia del circuito MPPT, = Corriente máxima, = Tiempo de conducción, = Tiempo. En la primera columna, se indica el voltaje del MPPT para la primer señal, que es el caso del acople directo al arreglo fotovoltaico (la bomba se conecta directo a las celdas solares); es decir sin el circuito MPPT. Para los renglones siguientes es el punto donde se ajusta el punto de operación (79, 85, 90 y 95 volts), la siguiente columna es la corriente de módulos para los cuatro casos, la tercera columna es la corriente RMS calculada de la ecuación (1), la cuarta columna es la presión de columna de agua generada por la bomba, la quinta columna es el voltaje RMS, la sexta pertenece al periodo y tiempo, la séptima corresponde a la potencia de los módulos, potencia media y potencia RMS, la octava es la radiación incidente y la ultima es el volumen de agua bombeada tabla 1.A. }Tabla 1: Datos de corriente, voltaje, presión, radiación, gasto y potencia.
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Los resultados de mayor importancia se presentan en la tabla 1.A, los cuales pertenecen a la eficiencia del circuito instantánea e integrada en un periodo de conducción de 10 minutos, en donde la eficiencia global del sistema es la que incluye la eficiencia de la bomba, los módulos fotovoltaicos y el circuito MPPT en relación a la radiación incidente en 13.7 m2 de superficie en el arreglo [11].
Interpretación de datos. Comparando las eficiencias del circuito, junto con el agua bombeada y respecto al acople directo que es el caso de 79 volts, se encontraron las siguientes diferencias. En acople directo se MPPT Im IRMS P VRMS Vsal P Irrad G bombea 0.42 m3 Amp 3 3 (cma) (vols) (watts) W / m2 (m ) (m = metros 79 6.3 0 6.60 0 79 502.4 954 0.42 cúbicos) con una radiación de 954 85 6.4 6.8 6.8 74.8 81 PM=548.2 951 0.47 W/m2 (W/m2 = Pm=454.3 watts por metro 90
6.1
6.6
6.5
82.7
79
95
6.0
4.75
6.6
69.6
78.8
Prms=508.8 PM=549.9 Pm=377.17 Prms=545.9 PM=576.6 Pm=156.3 Prms=330.6
919
0.40
949
0.53
cuadrado), para el caso de 85 V (V = volts) usando el MPPT se bombea 0.47 m3 de agua con una radiación de 951 W/m2. Se bombea 14% más que en el caso de acople directo casi con la misma radiación. Para el caso de 90V con MPPT se bombea 0.40 m3 con una radiación de 919 W/m2 se bombea un 5% menos que el acople directo (dato inicial) y una radiación menor. En 95V con MPPT se bombea 0.53 m3 de agua, con una radiación de 949 W/m2 con un 20% más de agua bombeada respecto a la acople directo y con una radiación menor que al acople directo. En la figura 4 se puede observar las eficiencias del circuito, para el caso de 95 V donde se ha bombeado mayor volumen de agua, el circuito tiene una menor eficiencia del orden de 57%, sin embargo en 90 V en donde se a bombeado el menor volumen de agua, se tienen una mayor eficiencia del circuito del orden de 99% respecto al de 85 V, se considera un caso intermedio. Este comportamiento se debe al tiempo de conducción en un periodo, por lo que
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se interpreta la potencia requerida para alcanzar el punto de potencia máxima o la potencia requerida para que trabaje en un punto optimo. Por ello es que se tiene una menor eficiencia en 95 V con el MPPT ya que se encuentra cerca del punto de máxima potencia por lo que se requiere poca potencia para alcanzar dicho punto. Para el caso de 90 V con el MPPT la radiación ha bajado y nos encontramos por debajo del punto de máxima potencia, por lo que se requiere una mayor potencia. Mientras más eficiente sea el circuito mayor potencia estará cediendo el circuito por medio de los capacitores para alcanzar el punto de máxima potencia. Y mientras más cerca del punto de máxima potencia por la radiación incidente el circuito será menos eficiente [11].
Figura 4: Eficiencia del circuito, a bajo voltaje la eficiencia del circuito es mayor y a mayor radiación una baja eficiencia.
Conclusiones. La necesidad de buscar fuentes alternas de energía no convencionales y en consecuencia su optimización ha dado como resultado el desarrollo de interfaces electrónicas como el seguidor de punto de máxima potencia al cual es expuesto en el presente artículo, con las siguientes conclusiones. El circuito seguidor de punto de potencia máxima puede ser empleado para cualquier sistema fotovoltaico existente, o en algún proyecto nuevo que requiera paneles solares, para el caso de una baja radiación el cual implica un baja corriente y voltaje, el circuito se acopla a la máxima potencia generada por los módulos solares que es cuando mejor opera el circuito. El costo del circuito es relativamente barato comparándolo con la potencia ganada de los módulos fotovoltaicos, dicha potencia transformada a energía representa un mayor aprovechamiento. Otra ventaja del circuito es que puede ser empleado en carga de batería automotriz dentro de cualquier sistema solar autónomo, obteniendo una mayor potencia y de esta manera aumentar la eficiencia en la transferencia de energía. El circuito empleado en este trabajo se basa en utilizar interruptores electrónicos conmutados de baja disipación y como consecuencia se logra aumentar la eficiencia hasta de 98%. La ganancia mayor en potencia es cuando se encuentra a baja radiación, debido a bruma o nubosidades ya que es cuando el sistema se desacopla más y el circuito funciona mejor.
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