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Laboratorio Virtual de Placas Solares Fotovoltaicas

1 Grupo Orión. Universidad de Extremadura


Práctica 2.

Estudio de la relación existente entre la energía generada y energía de la radiación solar.

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Práctica 2. Estudio de la relación existente entre la energía generada y energía de la radiación solar.

1.1.1. 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.

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 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.

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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

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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

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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

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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

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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 http://grupoorion.unex.es 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”

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Imagen 9. Captura del video de la práctica virtual 2

1.1.4. Desarrollo de la práctica

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 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 con

la siguiente pantalla.

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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 9‐11.

1.1.5. 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

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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/m2, temperatura ambiente de 20oC 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.

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Ecuación 1. Cálculo del rendimiento del panel solar 1

11

1

Ecuación 2. Cálculo del rendimiento del panel solar 2

22

2

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

η1f=P1_máx/Wr_máx

Ecuación 4. Rendimiento de conversión fotovoltaica del panel 2

η2f=P2_máx/Wr_máx

1.1.6. Notas

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