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Revista Aporte Santiaguino
Aporte Santiaguino Journal
CONTENIDO Volumen 6 n° 2, julio- diciembre 2013
CONTENT Volume 6 n° 2, july - december 2013
ISSN 2070-836X
ARTÍCULOS ORIGINALES
Disefio y construcción de un equipo para seguimiento solar automático e implementación de un software de supervisión para un sistema móvil fotovoltaico [Design and construction of a solar tracking automatic equipment, and implementation of a monitoring software for mobile photovoltaic system]
24 Javier AlmeidaB., Roberto Gutiérrez G.,PaúlAyala T........................................................... 9 -
Modelo estadístico para predecir la calidad del agua de consumo humano en el ámbito rural del Callejón de Huaylas [Statistical model for predicting the water quality human consumption in rural area of Callejón deHuaylas] Fidel Aparicio R., Francisco Espinoza M, César Milla V., Esteban Reyes R .......................................................................................................................................................................... 25 - 34
Niveles de fertilización, mezclas de fertilizantes y métodos de aplicación en el cultivo de ajos Allium sativum l.cv. Barranquino, en distrito de Puerto Supe, Provincia de Barranca. [Fertilization levels, mixtures of fertilizers and application methods in the cultivation of garlic. Allium sativumL. Cv. Barranquino, Puerto Supe district, Barranca Province] Carlos laos 0.,Luis Laos T., DalmiraRoman Q.,MiguelRomán Q., CarlosLaos T. ... 35-46
Elaboración de una bebida fermentada a partir del fruto del Aguaymanto (Physalis Peruviana Linnaeus) producido en el Callejón de Huaylas, utilizando técnicas prefermentativas a baja temperatura [Elaboration of a fermented drink from the fruit ofthe aguaymanto (Physalis Peruviana Linnaeus) occurred in the Callejón de Huaylas, using techniques prefermentativas to lowtemperatura] Paula FalcónR., DanielReevesl., Rosario TarazonaM, JackelineMejíaB .. 47-55
Efecto del acondicionamiento de humedad y tiempo de moronado en la calidad fisico- química del morón de trigo (Triticum vulgare) analizado por la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) [Effect of moisture conditioning and moronado time in the physico- chemical quality morón wheat (Triticum vulgare) analyzed by Response Surface Methodology (RSM)] Norma Gama"aR., Ydania EspinozaB.,Rosario Tarazana M ........................................................................................................................................................................... 56 - 64
La crítica sociológica y la comprensión lectora detextos narrativos de la literatura oral en los estudiantes de la especialidad de comunicación, lingüística y literatura de la FCSEC de la UNASAM. [The sociological review and reading comprehension of narrative texts of oral literature in students of the specialty communication, linguistics and literature FCSEC of UNASAM] 65 _ 73 Vida!Guerrero T.,Macedonio Vil/afánB............................................................................... .
Caracterización de los sistemas agroforestales y sus bienes y servicios ambientales como estrategia de adaptación al cambio climático en el Callejón de Huaylas - Ancash, 2012 [Characterization of agroforestry systems and its goods and services as a strategy of adaptation to the climate changes in the Callejón de Huaylas- Ancash, 20 12] C. Prudencia Hidalgo C., Eladio Tuya C., Rafael Figueroa T., Judith Norabuena V............ 74 _ 82
El empleador jurídico - laboral: marcadores (Genéticos) de una reformulación funcional partiendo de la legislación Española [The labor legal employer: genetic labels of a functional reformulation erected from Spanish Law.] DavidLantarónB ................................................................................................................................... 83-94
Morosidad en el pago de impuesto predial, incide en la gestion económica de la Municipalidad Provincial de Barranca, 201O [Late payment of property taxes, affects the economic management of the Provincial Municipality of Barranca, 2010.] Zoila Lira C., José Ruiz V., Emiliano Gaitán C., Guillermo Peláez D.................................. g5 -101
Una experiencia pedagógica en la formación medioambiental del estudiante de arquitectura. [Apedagogical experience in the environmental formation ofthe architecture student] AymeéAlonso G., CarmenLeyvaF.......................................................................................... .
Impacto de la formación docente en educación intercultural bilingüe en la calidad educativa en el Callejón de Huaylas [Impact of teacher training in intercultural bilingual education in educational quality on Callejón de Huaylas] LauraNivin Vargas.,FélixJulca G .............................................................................................................. 102 -112
Algunos factores del slndrome depresivo en estudiantes de enfermería de la Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo [Factors of depressive syodrome in nursing students of the National University Santiago Antúnez Mayolo] Llermé Núñez Z., Bibiana León H ................................................................................ 113-119
Impacto de los efluentes de la industria pesquera en la calidad de las aguas costeras de Supe Puerto Barranca - Perú 201O [Impact of effiuent from the fishing industry on the quality of the coastal waters ofPuerto Supe-Barranca Perú2010] Hernán VerdeL., CarlosReyes P., Segundo Ponte V.,David Zavaleta V....•.....•..........•.....•... ··· 120-128
Contribución del aprovechamiento de los recursos mineros al marco económico de Cantabria (España). [Contribution ofthe benefit ofmineral resources in the economic framework of Cantabria(Spain)] Gema Fernández M, Rubén Pérez., Julio de Luis R .......................................................................... 129-137
6 Rev. Aporte Santiaguino 2013; 6(2): 5 a 6. ISSN 2070a836X
Recibido. 08/10/2013 Aceetado. 16/12/2013 ARTfCULO ORIGINAL
Diseño y construcción de un equipo para seguimiento solar automático e implementación de un software de supervisión para un
sistema móvil fotovoltaico
Design and construction of a solar tracking automatic equipment, and implementation of a monitoring software for mobile photovoltaic system
1Javier Almeida B'., 'Roberto Gutiérrez Gb., 1Paúl Aya la T".
RESUMEN El proyecto se basa en habilitar un sistema móvil fotovoltaico, el mismo que cuenta con 3 paneles solares que generan una potencia efectiva de 300W. Se diseftó y construyó un dispositivo de seguimiento solar automático con dos grados de libertad, implementando un software de supervisión el cual sirve para llevar un histórico, que permite obtener las curvas características de funcionamiento y operatividad de los parámetros que intervienen dentro del sistema solar fotovoltaico. Este proyecto aprovecha la energía producida por las células fotovoltaicas, transformando la energía solar en electricidad, que esutilizada en el consumo local y abastecimiento del propio sistema, volviéndose un equipo autónomo. Se implementaron circuitos conversores DC- DC que permiten obtener las curvas características y el correcto funcionamiento del seguidor. El sistema opera con el algoritmo perturbar y observar (Max.imum Power Point Tracking, MPPT) para el seguimiento del punto demáximapotencia del sistema fotovoltaico.
Palabras clave: Convertidor DC-DC,Algoritmo perturbar y observar (MPPT), Sistema móvil fotovoltaico, Curvas características.
ABSTRACT
The project is based on a mobile system enabling photovoltaic, the same has 3 solar panels that generate an e:ffective output of300W. We designed and built an automatic solar tracking device with two degrees of freedom, implementing a supervision software which is used to take a historical, giving operating characteristic curves and operability of the parameters involved in the solar photovoltaic system. This project uses the energy produced by photovoltaic cells transform solar energy into electricity, which isused for local consumption and supply ofthe system itself, becoming a self. Circuits were implemented DC-DC converters that allow to obtain the characteristic curves and the proper functioning of the follower. The system operates with disturbing and observe algorithm (Maximum Power Point Tracking, MPPT) for tracking the maximum power point ofthe photovoltaic system.
Key words: DC-DC converter, disturbing and observe algorithm (MPPT) photovoltaic system mobile, Characteristic curves.
'ESPE Universidad de las Fuerzas Annadas- Ecuador. 'Egresado de lngenierfa Mecatrónica. 'Ingeniero. Mecánico Msc. 'Ingeniero. Electrónica y Control Msc.
Rev. Aporte Santiaguino 2013; 6(2):9- 24 ISSN 2070-836X 9
INTRODUCCIÓN
q ( V
nS
P*RS ) nS
V I * RS
(1)
I nP [I L IS (e A*K *T
P=I*V
1) nS nP
RP
]
(2)
V P*RS V P * RS
nS V *nS
(3)
P nP *V [I L q(
IS (e
A*K *T
)
1) nS nP ] RP
( dP dV
)MPPT 0
(4)
Diseño y construcción J. Almeida
· ;; ==== ==
1!,11
lO 1' (V]60
Figura 4. Características 1-V y P-V de un panel fotovoltaico.
A. Algoritmo "Perturbary Observar (P&O)"
El algoritmo de perturbar y observar funciona bajo el siguiente criterio, si el voltaje de operación V, del arreglo fotovoltaico se perturba en cierta dirección y la potencia del mismo incrementa significa que el punto de operación se ha movido hacia el MPPT, por lo que el voltaje de operación deberá perturbarse en la misma dirección; de otra forma, si la potencia extraída del arreglo fotovoltaico disminuye, el punto de operación se ha movido en dirección opuesta de la ubicación del MPPT, por lo tanto deberá ser perturbado en dirección contraria a la que tenía (Graw, 1999).
En la Fig. 5 se muestra el diagrama de flujo del algoritmo P&O utilizado, donde la potencia medida (pact) es comparada con la potencia anterior (pant), esto determina si aplica la misma perturbación (pert es una variable binaria que indica la dirección de la perturbación) o se deberá invertir en el siguiente ciclo. La variable step representa el tamaño de la perturbación y pwm es el valor del ciclo útil utilizado.
Figura 5. Algoritmo perturbar y observar
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Diseño y construcción J. Almeida
B. Análisis Transitorio
Se utilizó un convertidor DC-DC para modificar lapotencia a la salida de lospaneles fotovoltaicos, Esta energíafu e almacenada en un banco de bateríasy se utilizópara elfuncionamiento del seguidor solar y un conversor DC-A C.
SEPIC, (Single Ended Primary Inductor Converter) se ha manejado esta topología porque el voltaje de salida puede ser más alto o más bajo que la entrada, además la salida no es invertida como en el caso de la topología éuk.
br p;ll\CJ r:
Figura 6. Circuito equivalente de Thevenin de un panel solar conectado a un conversor.
D ..
Figura 7. Diseño del conversor sepic El circuito Sepic (Fig.7) funciona en modo de corriente del inductor discontinuo (DICM) o el modo de tensión del condensador (DCVM). Este tipo de convertidor tiene la particularidad que la resistencia de entrada es proporcional a la conmutación de frecuencia. Por lo tanto, mediante el ajuste del ciclo de trabajo del interruptor principal, se puede hacer que la resistencia de entrada del convertidor sea igual a la salida, obteniendo una salida equivalente a la del panel. Esto asegura la máxima transferencia de potencia. En la Fig.6 el convertidor que está conectado al panel solar es un SEPIC de 120W que ha operado en DICM o DCVM (Muhammad,2007 y Sera,2006) Este circuito, se analizó entre los dos estados de conducción del transistor Mosfet (IRFB52N15D) , en estado encendido y estado apagado. Para eso, se tuvo en cuenta el ciclo útil de trabajo de la señal PWM que fue usada para disparar el transistor en los diferentes modos de conducción.
Estado del Mosfet apagado (DT < t < T)
El siguiente paso fue analizar cuando el transistor está apagado, obteniendo el circuito que se muestra en la Fig.9. Durante este momento, las corrientes a través de los inductores L¡ y L2 actuaron como fuentes de corriente, obligando al diodo a polarizarse en forma directa.
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Diseño y construcción J. Almeida
-
f
Figura 8. Sepic transistor apagado
v..
La tensión en las terminales del inductor L2 es igual a
v OPP = -Vo = L2 di = L2
!:l.iL2
(5) dt (1- D)T
Recordando que la tensión media en un inductor es igual a cero durante un ciclo en régimen permanente , se halló la tensión del inductor en el estado encendido (que es el mismo del condensador e,) en términos de alguna tensión más conocida del circuito:
_ 1(DT ( 1-D)T )
v = o = - f v oN + f v ow T o DT
1 (DT ( 1-D)T ) = - f vcl- f vo
T o DT
= DVcl -(1-D)Vo => Vcl = (1- )Vo
(6)
Una vez obtenido el voltaje en el condensador en términos de tensiones más conocidas, se encontró el valor de la tensión en el inductor L¡ , recordando que la tensión de un condensador no puede cambiar de manera abrupta. Por medio de la ley de conservación de energía aplicada en la primera malla, la ecuación resultante es:
(1-D) _ _ Vo - V¡+VL¡OPP + Vo + Vo - O => VL¡OPP - V¡ -- (7)
D D
Y al recordar que la tensión media de un inductor es cero durante un ciclo en régimen permanente, llegamos a la expresión:
_ 1 (DT ( 1-D)T )
VL¡ = o = - VL¡ON + f VL¡OPP T o DT
1(DT ( 1-D)T V )
= - f V¡+ f V¡ -_9_ T o DT D
= DV¡+(1 - D{V¡ - ) = o
(8)
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Diseño y construcción J. Almeida
1
1 L2
L
1
I
L
L
Vc1 VI y VL OFF V0
iQ 0
VD 0
iD iL i
L1
I I 1
L1 L2
PI P0 VI I I V0 I0 VI I L V0 I0
I V0 I0
1 VI
DI0
(1D)
(12)
iL1 MAX
i
I L1
I
i
L1 2
i L1
DI0
(1D)
DI0
VI DT
2L1
VI DT
L1
(13)
L1 MIN L1 2 (1D) 2L1
iL1 MIN
0 I
1
i
L1
2
DI0
(1D) 2
VI DT
2L1 (14) L1MIN
VI (1D)
V0 (1D)
2I0 fS 2DI0 fS
Diseño y construcción J. Almeida
. lli _ V¡DT Ú2 2
0
. 1
Donde fs es la frecuencia de conmutación del transistor. Claramente se ve que para calcular esta inductancia mínima, se debe considerar la carga que entregue el mínimo valor de corriente de salida sin llegar al caso extremo de circuito abierto, así como el valor de ciclo útil quepueda ser crítico.
El siguiente valor a calcular es el inductor L2 , el cual debió asegurar que también trabaje en modo corriente continua por simplicidad del circuito. Se procedió a calcular primero el valor medio de corriente sobre el mismo. Si durante el ciclo de encendido, la corriente sobre L2 es la misma del condensador C1 pero en sentido inverso, es decir i = -ic
1 , y en estado de apagado, la corriente es
igual a i =iD - ic , donde además la corriente en el diodo es igual a iD = ic +10 como se ve a la 1 2
salida del circuito de la Fig.9. Al recordar que la corriente promedio a través de un condensador es igual a cero, fue fácil llegar a deducir que la corriente promedio del inductor L2 es igual a la corriente promedio de la carga, en otras palabras 1 = 1 • Por lo que los valores máximo y mínimo de la corriente fueron:
tl' lL2
1 V¡DT l !fAX= +--= 0+--
Úl ' 2 2L 2
(15)
l MIN = 1 --- = lo
Al efectuar el mismo procedimiento para L¡ ,la corriente mínima se igualo a cero para calcular el valor mínimo del inductor L2 :
L = Vo(l - D) = RL(l -D) 2fslo 2fs
(16)
Donde LR es la carga de salida que secolocó a la salida del convertidor. La forma deonda decorrientes y tensiones de todos los elementos se observa en la Fig. 9.
Figura 9. Formas de onda
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C1
C1 L1
C1 L1
Q i
L1MIN (1D)T (1D)TiL1
2
(1D)T i iL1
(1D)TI L
L1MIN 2
I0 D fS
Q C1V0 C1
C2 C2
C2 Q V0
V0 D V0 Rf S
Diseí\o y construcción J.Alrneida
RESULTADOS
Seutilizó elprograma Simulink deMatlab para realizar la simulación del convertidor en cuestión.
>.WT
po toer¡rui
PV p7o0l
Figura 10. Sistema fotovoltaico con control MPPT
Figura 11. Circuito conversor SEPIC
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Dhell.o y comtrucd6n J.Aimeida
F:igara 14.1mplemmtación del conva110r DC-DC Sepic
ControlMPPT Para laimpli!Dleii!aci6n delcontrol sehizo por Hpa:rado delaelllpe depotencia, elcir:cuitopermite la activación de los moefet. media te eluso del illtegrado tlp2SO, por otro lado, se tiene una pantalla gréficaT.FT HY32D3.2"dondesel11Ue811:8nlu<:mVUdefimcionamicntodelpaneJ.úm1omvoltaje, coirien!:eypotencia.. En elcin:uito depotenciadill convemor setimeunsemor deco:rrimrteACS7lS- 20 quo contime un cir:cuito deacondicianamimto entregando una sftlaldeO MaSMcaptadapor elmicrocontrolador AVR. elmismo quecontiene elcontrol delapantalla.
Figura 15.Placa de control y pantalla gráfica
Mo11klje Comp/IIW Se observa en laFig. 16, el montaje en 811 totalidad del controlador, elite posee Ul1a pllll1alla para visualizar el compoilmnieuto de las wrvas, adicional se almacenan en una tarjeta Sd carel lacual enttegaunr:egistrodelosdatos,poseeunsisbm!.adeMguimientomanual,implemenúldomedia:nteun joyB1i.ck el que nos pennite selecx:ionar el movimiento y que eje es el que va a movei&e, esto se visualiza e.o.elLcd 16x2
F1pra 16. Sistema adquisidor y control
Diseño y construcción J.Almeida
DISCUSIÓN
En los últimos años se ha presentado la alternativa a un problema que nos afecta a todos, que es la generación de energía mediante componentes fósiles, ésta ha llevado a utilizar fuentes de energía más limpias y que no contaminen el medio ambiente, los sistemas fotovoltaicos se presentan como una alternativa a un tiempo prolongado, se estima que en la actualidad se han instalado en todo el mundo más de 1OOGW de potencia fotovoltaica. Los paneles solares actualmente poseen una eficiencia entre el 15% y el20%, con ayuda de un sistema de seguimiento solar, estos porcentajes suben en un 10% a un 25%, dependiendo la eficiencia del sistema. El problema se presenta, cuando requerimos que nuestro sistema sea autónomo, ya que el consumo propio del seguidor, reduce la eficiencia, en uns cantidad pequeña, pero que se vuelve considerable a lo largo del dia. Existen varias investigaciones actuales, que apuntan al sistema de captación de energla mediante nuevos métodos, basados en el seguidor solar, que pretenden captar el mayor tiempo posible la energía solar, aumentando su eficiencia a un 45%. Los sistemas de conversión de voltaje DC-DC, son útiles a pesar de las pérdidas producidas por los elementos electrónicos que manejan, la eficiencia en este caso del circuito conversor SEPIC es de un 80%, que podría mejorar, en nuestro caso esto se presenta por las limitaciones de la electrónica implementada en este sistema, si utilizamos sistemas más veloces y costosos la eficiencia aumentarla, pero eso demandaría una inversión más elevada. El análisis en un simulador como Matlab, nos permite tener una idea de cómo el sistema varia desde un punto de vista ideal o casi ideal, esta es una guia importante ya que nos anticipa cómo será el comportamiento de nuestro sistema. El sistema de almacensmiento y supervisión de los datos, nos permite en conjunto con el seguidor móvil, tener un equipo didáctico capaz de otorgamos datos en diferentes lugares
del país, lo que serviría para estimar zonas donde la producción energética es superior.
CONCLUSIONES
!.El voltaje y corriente de salida del
convertidor está en función de la variación del ciclo de trabajo de la señal que conmuta los transistores y sólo de ese valor, de tal forma que para D < 0.5 se comporta como reductor y para D > 0.5 se comporta como elevador. Este comportamiento es una ventaja, ya que elpanel es uns fuente variable de energía, y cuando existe uns caída de tensión se regula la salida, para que el sistema no exija más energía de la que puede entregar el panel y en cambio se alimente de las baterias.
2. Una ventaja de utilizar el control MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia}, es que este varia en función de los parámetros de funcionamiento del panel, otorgando una eficiencia mayor al sistema y disminuyendo las pérdidas.
3.Una desventaja del circuito Sepic es su eficiencia, ya que varia entre el 70% y 90%, esto básicamente es por los elementos de trabajo y por el período de conmutación del sistema.
4. EI tener un sistema de posicionamiento manual, permite observar la variación de la potencia entregada en el panel solar, a uns determinada hora y ubicación, a diferencia de un sistema estático.
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Correspondencia:
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