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Práctica 5

ANÁLISIS DE COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO

1.- OBJETIVO a) Identificación de los distintos componentes presentes en una instalación autónoma para la producción

de electricidad mediante energía solar fotovoltaica b) Medida de algunos datos característicos de su funcionamiento. 2.- MATERIAL - 1 panel fotovoltaico - 1 acumulador estacionario de electricidad (batería) - 1 regulador de carga de la batería - Componentes eléctricos diversos (interruptores, fusibles, fichas de conexión, indicadores analógicos y

digitales,...) - 1 luminaria incandescente de corriente continua - 2 luminarias fluorescentes de corriente continua - 1 multímetro eléctrico digital - 1 metro - 1 inclinómetro - 1 piranómetro 3.- FUNDAMENTO Esta práctica nos acerca a la idea de que existe la posibilidad de llevar a cabo instalaciones fotovoltaicas que funcionen de manera completamente aislada de la red eléctrica convencional. De hecho, esta es una de las aplicaciones más conocidas y de mayor aceptación, pues resultan muy adecuadas para la electrificación de núcleos rurales o pequeñas instalaciones eléctricas en zonas abruptas o remotas a las que las compañías eléctricas no suelen dar cobertura. Estas instalaciones obedecen a un esquema elemental muy simple, y su particularidad principal es la necesidad de incorporar sistemas de almacenamiento energético para hacer frente a la eventualidad de un periodo extenso sin aportación solar o un incremento inesperado del consumo. Este almacenamiento eléctrico se lleva a cabo mediante baterías electroquímicas que funcionan a 12 o 24 V de corriente continua por lo que los dispositivos conectados deberán presentar ciertas particularidades a tener en cuenta como mayores secciones de conductores o mayores eficiencias. En esta práctica se va a llevar a cabo una aproximación experimental a los dispositivos y componentes que pueden intervenir en dichas instalaciones, con el fin de poder, en primer lugar, reconocer e identificar su estructura, y en segundo lugar, evaluar su funcionamiento en condiciones reales de operación. 4.- METODO EXPERIMENTAL 4.1.- Material Se cuenta con una instalación fotovoltaica que incluye los siguientes componentes, conectados de acuerdo al esquema de la Figura 1:

2

- Un panel fotovoltaico situado en la terraza del CITE II-A, 53 Wp acoplado a una estructura móvil que permite 3 inclinaciones sobre la horizontal (1)

- Un regulador de carga de la batería, Steca 20 A (2) - Un acumulador estacionario de electricidad (batería) TUDOR de 6 celdas, 345 Ah (3) - Un convertidor CC/CA de 300 W (4) - Una luminaria 220 VAC de 100 W (5) - Una luminaria incandescente de 25 W (6) y 2 fluorescentes de corriente continua (7-8), interruptores y

una toma de tensión de 12 V. - Indicadores analógicos de intensidad en consumos en CC (9) y tensión en batería (10) - Indicador digital de intensidad para consumo CA (11)

+

-

+

-

+

-

1

2

3

45

6 7 8

910

11

Figura 1: Esquema de la instalación fotovoltaica disponible en el laboratorio El instrumento de referencia para las diferentes medidas que se realizarán en la práctica es el regulador de carga de la batería, que presenta un display gráfico y un botón de selección de lectura (Figura 2) con le que pueden conmutarse las medidas indicadas en la Tabla 1.

Selector de lectura

Figura 2: Regulador incluyendo display y selector de lectura

3

Tabla 1: Indicadores del regulador STECA

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Notas sobre seguridad y utilización de equipos: • El manejo de baterías electroquímicas exige ciertas precauciones para evitar cortocircuitos entre

de algunos de sus polos (terminales). No se debe trabajar con elementos metálicos o conductores eléctricos que de forma accidental puedan poner en contacto terminales de alguna de las celdas de la batería y siempre que se vaya a realizar una medida de tensión en la misma, requerir la presencia del profesor.

• El electrolito de las baterías es disolución de ácido sulfúrico en agua, en caso de detectarse

pérdidas del mismo, notificar el hecho al profesor y evitar el contacto con las zonas húmedas.

• El burbujeo propio de la sobrecarga y sobredescarga de las baterías lleva pérdidas de electrolito y gas. No acceder de forma directa a los vasos de la batería en estas circunstancias ni provocar focos térmicos (chispas, fumar,..)

• La manipulación de tomas de corriente, interruptores y otros componentes activos a la tensión de

red o la tensión de suministro en CC (12 V) debe realizarse con las precauciones debidas 4.2.- Procedimiento experimental 4.2.1.- Estudio del panel fotovoltaico, medida de irradiancia y producción del panel: En este apartado se evaluarán algunas características del panel de la instalación. En la terraza se medirán y se anotarán los siguientes parámetros: - Número de células del panel, N - Área de cada célula AC - Área total del panel AP - Relación de área efectiva N × AC / AP - Inclinación del panel con relación a la horizontal, (con el inclinómetro), β - Irradiancia incidente sobre la superficie del panel, GP, mediante medida directa con el piranómetro. La producción de energía por parte del panel en función de la energía solar incidente puede evaluarse mediante el siguiente procedimiento. • Determinación de la energía solar incidente, ESOL [Wh]: Con el solarímetro se realizarán diversas lecturas de radiación incidente sobre el panel GP registrándose simultáneamente la hora y minuto correspondientes. Estas lecturas se harán al menos una vez cada 10 minutos a lo largo de toda la práctica. Esta lecturas deben realizarse para las 3 inclinaciones disponibles del panel, β = 30º, 45º, 60º. A falta de otra capacidad de integración, la energía total recibida por el panel durante la realización de la práctica será:

ESOL [Wh] = AP × Σ GPj × ∆tj siendo ∆tj el intervalo de tiempo transcurrido entre dos lecturas consecutivas de GP • Determinación de la energía producida por el panel, EFV [Wh]: A cada registros de irradiancia GPj se puede asociar un determinado registro de ij(A) generada por el panel que puede obtenerse del indicador del regulador (4.2.3). Recoger este dato cada vez que se realice una determinación de GP. El valor total de energía generada por el panel se obtendrá a partir de la siguiente expresión1

1 tanto esta expresión como la anterior para ESOL serán tanto más exactas cuanto más corto sea el intervalo entre los registros

:

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EFV [Wh] = VFV × Σ ij × ∆tj donde VFV es la tensión en los módulos obtenidas de la lectura en el multímetro en los terminales correspondientes (Figura 3)

Figura 3: terminales de entrada-salida del regulador Es posible obtener este valor de una forma más directa a partir de la expresión:

EFV [Wh]= VFV × (Ah-FVfinales- Ah-FVinciciales) = VFV × ∆CFV en la que Ah-FV es la indicación en el regulador de carga en Ah producida por el panel (4.2.6) En el anexo se puede encontrar una tabla de registro tipo para estas determinaciones. 4.2.2.- Estudio de la operación del sistema de almacenamiento y los consumos en CC y CA • Comprobación de tensiones en la batería: Las operaciones para la comprobación del funcionamiento del sistema de acumulación de carga se harán al menos e 3 ocasiones durante el desarrollo de la práctica y consistirán en las lecturas de diferentes tensiones en los vasos y en el regulador, indicándose la circunstancia de operación coincidente con la lectura (trabajo en vacío, alimentación de la carga en CC, alimentación de la carga CA, alimentación de las carga CC+CA) Medir la tensión CC en cada una de las celdas del acumulador y la tensión total en el mismo. Para esto se utilizará un multímetro digital y habrá de respetarse la polaridad de los elementos. De acuerdo a la Figura 4, los puntos de medida serán 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12 y 1-12 (Esta operación deberá realizarse en presencia del profesor). Medir también la tensión disponible en el regulador VR (pulsar botón correspondiente). Usar la tabla modelo propuesta en el anexo

1

2

4

3

5 8 9 12

6 7 10 11

+ -

Figura 4: Medida de tensión en las diferentes celdas de la batería

• Estudio del consumo en corriente continua (CC) y corriente alterna (CA): En este apartado se evaluará el consumo de electricidad empleada en alimentar las luminarias y otros posibles componentes del circuito. Conectar una de las 3 luminarias disponibles. Transcurridos unos 30 segundos pulsar el selector del regulador hasta obtener la intensidad saliente a las bombillas. Dejar la luminaria encendida por un periodo mínimo de 5' (registrar este periodo de tiempo, ∆t) .

6

Repetir esta operación con el resto de las luminarias así como con combinaciones de las mismas. La potencia eléctrica se obtendrá de multiplicar la intensidad correspondiente por la tensión en el circuito medida en el regulador en cada caso. En el caso de la carga en corriente alterna a través del inversor, la lectura de corriente aplicada se realizará en el indicado digital incluido en el panel de la instalación.

Eel [Wh] = VR × Σ ij (k) × ∆tj (k) + 220 × iCA × ∆tCA VR es la tensión de alimentación de las cargas en continua leída en el regulador ij (k) es la intensidad para la luminaria k y ∆tj (k) su tiempo de encendido. iCA y ∆tCA se corresponden con la carga en tensión alterna. En el caso del consumo en corriente continua debe cumplirse:

Eel -CC [Wh] = VR × Σ ij (k) × ∆tj (k) ≈ VR × (Ah-elfinales- Ah-elinciciales) = VFV × ∆Cel Donde Ah-el es la indicación de descarga acumulada de la batería (4.2.7) 5.- TRATAMIENTO DE DATOS Con todos los resultados obtenidos anteriormente elaborar una memoria de funcionamiento de la instalación que contenga al menos: 1) Enumeración de sus componentes identificados. 2) Resumen de las condiciones climatológicas durante la realización de las pruebas. 3) Resultados de las pruebas realizadas deben contener entre otros, los siguientes cálculos:

i) Tablas de registros experimentales y comentarios sobre los mismos. ii) Carga producida por el panel durante la práctica (regulador) CFV [Ah] = Ah-FVfinales- Ah-

FVinciciales iii) Carga consumida durante la práctica (regulador) Cel [Ah] = Ahfinales- Ahinciciales iv) Balance de carga, ∆C [Ah] = CFV - Cel v) Electricidad producida por el panel durante la práctica, EFV [Wh] vi) Electricidad consumida por las cargas durante la práctica, Eel [Wh] vii) Eficiencia del panel, , ε = EFV / ESOL

4) Calcular la autonomía del sistema en las condiciones de realización de la práctica suponiendo que la batería tiene una capacidad de 345Ah y que puede utilizarse hasta un 70% de dicha carga.

5) Conclusiones y observaciones en cuanto al funcionamiento general de la instalación

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ANEXO:

MODELOS DE TABLA PARA

ADQUISICIÓN DE DATOS

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Estudio del panel fotovoltaico, medida de irradiancia y producción del panel:

Número de células del panel, N

Área de cada célula, AC cm2

Área total del panel, AP cm2

Relación de área efectiva N × AC / AP

β [ º ] j hh:mm ∆tj

[min] GPj

[Wm-2] ij [A]

Cj [Ah]

VFV [V]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

∆CFV = Ah

Energía solar incidente, ESOL [Wh] = AP × Σ GPj × ∆tj Wh

Energía producida por le panel, EFV [Wh] = VFV × Σ ij × ∆tj Wh

9

Eficiencia de conversión del panel, ε = EFV / ESOL

Comprobación de tensiones de la batería:

Determinación 1 Determinación 2 Determinación 3

Estado:

Estado: Estado:

V(1-2)

V(3-4)

V(5-6)

V(7-8)

V(9-10)

V(11-12)

V(1-12)

VR

Estudio del consumo en corriente continua (CC) y corriente alterna (CA):

i [A]

∆t [min]

VR [V]

Eel [Wh] i × VR × ∆t

Luminaria CC-1

Luminaria CC-2

Luminaria CC-3

Lum. CC 1+2

Lum. CC 1+2+3

Luminaria CA 220

10

Ahfinales-Ahiniciales = ΣEel [Wh]=