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Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP Guía práctica ERNC Sistema fotovoltaico off Grid I. Presentación Un sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos eléctricos y electrónicos que aprovechan la energía del Sol y la convienten en energía eléctrica. Estos sistemas se basab en la capacidad que poseen las celdas fotovoltaicas de transformar la energía solar en energía eléctrica (DC). Mediante el uso de inversores es posible obtener luego la corriente alterna, la cual puede ser utilizada en hogares o también aportar energía a la red eléctrica. Existen sistemas fotovoltaicos denominados “Off Grid”, los cuales son aislados y no poseen la capacidad de entregar energía a la red pública; también existen los denominados sistemas “On Grid” que si cuentan con la posibilidad de entregar hacia la red pública la energía no requerida, obteniendo con ello descuentos del consumo general. La generación de enrgía eléctrica dependerá de las horas que el Sol brille sobre los paneles solares, del tipo y cantidad de los mismos existentes dentro de la instalación, la orientación que posean, inclinación, radiación solar que les llegue, calidad de la instalación y su potencia nominal. Esta actividad práctica permite un acercamiento a los componentes de un sistema fotovoltaico, la forma en la cual ocurre la generación de electricidad y las características a tener en cuenta. Actividades 1. Interconexión de los elementos que componen a un sistema fotovoltaico off grid. 2. Uso de la aplicación en línea denominada “Explorador Solar” 3. Mediciones de magnitudes eléctricas en un sistema fotovoltaico off grid. Aprendizajes esperados 1. Reconoce los componentes de un sistema fotovoltaico off grid. 2. Configura un sistema fotovoltaico off grid. 3. Comprueba el funcionamiento de un sistema fotovoltaico off grid. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 2 II Equipos e instrumentos utilizados • 2 Tester Digital. • 1 reóstato de 4 A o superior. • 1 osciloscopio. • 25 chicotes banana - banana. • Paneles fotovoltaicos • Baterías • Regulador de carga • Inversor DC/AC • Controlador MT50 • 1 PC con conexión a internet III Desarrollo práctico 1. Formar grupo de trabajo de 4 participantes. 2. Antes de proceder con el conexionado entre los diversos elementos que posee el sistema fotofoltaico, es necesario considerar una secuencia estricta para prevenir daños o deterioros en los componentes en la instalación. Los pasos a seguir se detallan a continuación: a. Interconectar Paneles fotovoltaicos b. Interconectar Baterías c. Conectar Banco de baterías al Inversor d. Conectar Banco de baterías al Regulador de carga e. Conectar Paneles fotovoltaicos al Regulador de carga f. Conectar Consumos al Inversor g. Interconectar Controlador MT50 a. Interconectar paneles fotovoltaicos ¡ ADVERTENCIA ¡ Los paneles fotovoltaicos como fuentes de energía pueden pueden producir descargas eléctricas peligrosas. Por ello, se recomienda utilizar guantes, dieléctricos, antiparras, herramientas aisladas. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 3 En la parte frontal de la maqueta existe una bornera de conexión positivo/negativo para cada panel fotovoltaico (FV), existiendo un total de cuatro de similares características (ver figura Nº1). Éstos poseen impreso en una lámina sus principales características eléctricas: potencia (50Wp), tensión en circuito abierto (22,6 V) y corriente máxima de cortocircuito (2,99 A). Antes de realizar las conexiones, proceda a obtener la curva de V, I (tensión - corriente) para cada uno de los paneles. Para ello conecte un reóstato a los terminales de un panel fotovoltaico, como se indica en la figura N°1, y proceda a medir la tensión y la corriente que proporciona el panel, conectando los respectivos instrumentos. Varíe el reóstato en nueve pasos, de acuerdo al valor óhmico que posea y realice medidas que permita realizar un gráfico con la mayor cantidad de puntos. Figura N°1: Mediciones de voltaje e intensidad para el conexionado entre un panel FV y un reóstato. ¡ ADVERTENCIA ¡ Antes De interconectar los paneles es importante medir las tensiones de estos en vacío (debe ser entre 19 y 22.6 voltios en los terminales, con cada panel expuesto al sol); esto verifica un correcto funcionamiento de los paneles . Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 4 Repita este procedimiento para cada uno de los paneles y complete las siguientes tablas con las mediciones obtenidas: Tabla de datos para panel FV 1: Mediciones para panel fotovoltaico 1 Secuencia de medidas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R (Ω) reóstato V (V) Panel FV I (A) Panel FV Tabla de datos para panel FV 2: Mediciones para panel fotovoltaico 2 Secuencia de medidas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R (Ω) reóstato V (V) Panel FV I (A) Panel FV Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 5 Tabla de datos para panel FV 3: Mediciones para panel fotovoltaico 3 Secuencia de medidas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R (Ω) reóstato V (V) Panel FV I (A) Panel FV Tabla de datos para panel FV 4: Mediciones para panel fotovoltaico 4 Secuencia de medidas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R (Ω) reóstato V (V) Panel FV I (A) Panel FV Precaución: La interconexión entre los paneles FV debe realizarse respetando las polaridades, recordando siempre utilizar los bornes de conexión, utilizando cable prefabricados con sus respectivos terminales banana color Rojo para polo positivo y Negro para polo negativo. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 6 Existen tres posibilidades de interconexión entre los paneles fotovoltaicos disponibles para esta experiencia, estas son: • Conexionado en paralelo entre 4 paneles fotovoltaicos. • Conexionado 2 arreglo en serie entre 2 paneles los cuales a su vez se conectan en paralelo. • Conexionado de 2 paneles en serie y 2 paneles en paralelo operando estos arreglos en forma independiente. Conexionado en paralelo entre 4 paneles fotovoltaicos Para una tensión de funcionamiento de 22,6 (VDC) los paneles deben conectarse en paralelo, tal como se indica en la figura N°2. El resultado es un aumento de la corriente que suministran los paneles.Figura N°2: Conexión de tipo paralela entre los cuatro paneles FV. Es primordial que, una vez instalados los paneles, estos queden direccionados hacia el NORTE para maximizar su generación, y con el ángulo de inclinación correspondiente, según la zona geográfica en que se instalen. En esta maqueta el ángulo es variable, por lo que, los alumnos pueden variar el ángulo de 0 – 90º y monitorear los cambios de las variables eléctricas. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 7 Conexionado 2 arreglo en serie entre 2 paneles los cuales a su vez se conectan en paralelo. Para una tensión de funcionamiento de 45,2 [VDC] los paneles deben conectarse en serie y paralelo, como se indica en la figura N°3 . Figura N°3: Arreglo de tipo serie entre dos paneles VF y conexionado en paralelo entre ambos arreglos fotovoltaicos. Conexionado de 2 paneles en serie y 2 paneles en paralelo operando estos arreglos en forma independiente. Para una tensión de funcionamiento de 22,6 y 45,2 [VDC] independientes, los paneles deben conectarse en serie y paralelo, como se indica en la figura N°4. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 8 Figura N°4: Arreglo de tipo paraleo entre dos paneles VF y conexionado en serie entre otros dos paneles VF. b. Interconexión de baterías ¡ ADVERTENCIA ¡ Las baterías ya se encuentran con carga, tener especial precaución de no realizar cortocircuitos entre los bornes o con tierra. Utilice herramientas aisladas y evite la presencia de objetos metálicos cerca de la batería. ¡ ADVERTENCIA ¡ La instalación de las baterías debe realizarse en sitios libres de humedad. Debe usarse guantes, zapatos y gafas protectoras cuando se las manipule. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 9 La interconexión de las baterías debe realizarse respetando las polaridades, utilizando cables fabricados disponibles en pañol. Las baterías son de 12 VDC y sus bornes se indican en la figura N° 5. Figura N° 5. Bornes para baterías del sistema intervenido. Para una tensión de funcionamiento de 12 VDC las baterías deben conectarse en paralelo tal como indica la figura N°6, (notar que los cables de salida del Banco de baterías provienen de baterías ubicadas en extremos opuestos): Figura N°6. Interconexión en paralelo entre las dos baterías del sistema intervenido. ¡ PELIGRO ¡ A medida que se interconectan baterías, más peligroso resulta un cortocircuito o contacto con ambos polos. Prever la posible conexión entre polos con medidas de seguridad. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 10 Para una tensión de funcionamiento de 24 VDC las baterías deben conectarse en serie (ver figura N°7). Figura N°7. Interconexión en serie entre las dos baterías del sistema intervenido. ¡ ADVERTENCIA ¡ En la configuración de 12 V los polos deben ser conectados en los extremos de manera tal que la descarga sea uniforme. De no ser así, las baterías conectados más cercanas a la carga se descargarán completamente, perdiendo la capacidad de ser recargadas. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 11 c. Conectar banco de baterías al inversor El Banco de baterías debe conectarse a la entrada DC del inversor (ver manual del inversor). Antes de conectar su(s) aparato(s) al inversor, compruebe siempre el consumo máximo de dicho(s) aparato(s). No conecte aparatos al inversor que necesiten más potencia que la nominal del inversor de manera continuada, 600VA. (Esto va a depender de las características del inversor) Para una correcta conexión del Banco de Baterías al Inversor, se debe conectar el terminal positivo (+) del banco de baterías a la entrada DC positiva del inversor. Luego conectar el terminal negativo (-) del banco (ubicado al extremo opuesto del positivo), a la entrada DC negativa del inversor. Utilice herramientas aisladas para evitar la posibilidad de cortocircuitos. La tensión de funcionamiento del sistema es 24 Vdc, de lo contrario el inversor no encenderá. ¡ ADVERTENCIA ! Las baterías se encuentran con carga, por lo que al ser conectadas , generarán un pequeño chispazo. Por dicho motivo, se debe conectar primero el extremo de los cables de conexión al inversor, y posteriormente, los otros extremos de los cables al banco de baterías, de manera tal que la descarga no afecte al equipo. ¡ ADVERTENCIA ! El inversor tiene protección interna de sobrecarga, cortocircuito y corriente residual. ¡ ADVERTENCIA ! La interconexión de los equipos debe realizarse respetando las polaridades, utilizando cables disponibles en pañol. ¡ Si se conectan los cables de la batería al revés se podría dañar el inversor ! Asegúrese de que el interruptor esté en posición OFF antes de conectar las baterías. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 12 Figura N°8. Conexionado entre el banco de baterías y el inversor del sistema intervenido. d. Conectar banco de baterías al regulador de carga El Regulador de carga posee 3 pares de bornes (+ -) de conexión: uno para baterías y otro para paneles solares fotovoltaicos (además de otro borne especial para consumos DC). Siempre se debe conectar el regulador primero al Banco de Baterías y después a los Paneles fotovoltaicos. ¡ ADVERTENCIA ! Las baterías se encuentran con cargar, por lo que al ser conectadas, generarán un pequeño chispazo. Por dicho motivo, se debe conectar primero el extremo de los cables de conexión al regulador, y posteriormente, los otros extremos de los cables al banco de baterías, de manera tal que la descarga no afecte al equipo. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 13 Figura N°9. Conexionado entre el banco de baterías y el regulador de carga del sistema intervenido. Conectar el terminal positivo (+) del regulador al terminal positivo (+) del Banco de baterías en 24Vdc Conectar el terminal negativo (-) del regulador al terminal negativo (-) del Banco de baterías. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 14 Regulador de carga solar EPSOLAR 30A 12/24V FiguraN°10. Regulador de carga del sistema intervenido. e. Conectar Paneles fotovoltaicos al Regulador de carga Una vez terminadas todas las conexiones previas, se conecta el arreglo fotovoltaico al Regulador de Carga. Se debe conectar según la polaridad indicada, en los bornes correspondientes. La tensión de funcionamiento requerida es de 45,2 [VDC]. Por tanto los paneles deben conectarse en serie y paralelo, como se indicó anteriormente en la figura N°3 . Es importante verificar que el regulador esté correctamente conectado al banco de baterías, antes de conectarlo al arreglo fotovoltaico. Conectar el terminal positivo (+) del regulador al terminal positivo (+) del arreglo fotovoltaico. Conectar el terminal negativo (-) del regulador al terminal negativo (-) del arreglo fotovoltaico. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 15 Figura N° 11. Bornes para conexión del arreglo fotovoltaico al regulador de carga de sistema intervenido. Figura N° 12. Conexionado entre el arreglo fotovoltaico y el regulador de carga. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 16 Cada regulador se encuentra programado para el funcionamiento de su sistema, para más información refiérase al respectivo manual. f. Conectar consumos al Inversor Los consumos deben conectarse en la Salida AC del inversor, mediante cables de sección 2,5 mm2 o mayor. La maqueta cuenta con un enchufe para conexión de carga AC. Asegúrese de que el switch de encendido esté en la posición “OFF” antes de realizar la conexión. Si conecta más de un aparato al inversor, junto con un computador, tenga en cuenta que si uno de los aparatos requiere una elevada corriente de arranque, podría provocar que su computador se reinicie al bajar súbitamente la tensión. La capacidad del inversor es de 600VA. Leer manual de fabricante. g. Interconectar Controlador MT50 (si su maqueta lo posee) El controlador MT50 es un dispositivo de monitoreo que sirve para monitorear en tiempo real las siguientes características: Generación solar, estado de carga de la baterías ,Estado de los consumos ,Niveles de tensión y corriente, Control de carga por timmer. Se conecta directamente al controlador por un Puerto RJ-45 de la siguiente manera: Figura N° 13. conexión a la red del controlador MT50. ¡ ADVERTENCIA ! Nunca conecte la salida del inversor a la red AC, como por ejemplo a un enchufe cercano. Esto dañara al inversor. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 17 3. Obtención de datos de energía solar El Ministerio de Energía de Chile pone a disposición de manera gratuita la herramienta en línea denominada “Explorador Solar” para realizar una evaluación preliminar del potencial energético aosociado al recurso solar sobre cualquier sitio o ubicación definido por el usuario, situación que no reemplaza las mediciones en terreno. Además de poder conocer el recurso solar en el país, el usuario encontrará herramientas para el cálculo de generación fotovoltaica, entre otras. Fig. 14. Ventana de inicio para la aplicación en línea denominada “Explorador Solar”. Uitlizando la opción “Calcular sistemas fotovoltaicos”, es posible acceder a un dimensionamiento de un sistema FV, obteniendo además reportes sobre ciclos diarios, mensuales y anuales para la generación fotovoltaica en el sitio seleccionado. Una vez ingresado a la opción “Calcular sistemas fotovoltaicos”, es necesario determinar una dirección, situación que entregará como resultado las coordenadas del sitio: latitud y longitud. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 18 Fig. 15. Cuadro de diálogo para buscar una ubicación o dirección dentro del “Explorador Solar. Fig. 16. Cuadro de diálogo para modelo de generación avanzado en el “Explorador Solar”, donde se ingresan datos asociados a los paneles fotovoltaicos y el arreglo a efectuar. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 19 A continuación, utilizando la opción “Generación Eléctrica Fotovoltaica”, y seleccionando el modelo de generación avanzado, es posible ingresar los datos para calcular luego el sistema FV. Los datos de los paneles fotovoltaicos se presentan desde las hojas de datos respectivas para el modelo ED50-5M de la marca ECODELTA: Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 20 Fig. 17. Datos característicos de los paneles fotovoltaicos utilizados en el trabajo práctico. Complementariamente, los principales datos requeridos para ingresar en el análisis son los siguientes: - Número total de paneles: 4 - Tipo de arreglo: fijo inclinado - Tipo de montaje: estructura aislada Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 21 4. Mediciones en el sistema solar fotovoltaico Mediante el uso de la aplicación en línea denominada “Explorador Solar, determine la inclinación apropiada para la máxima generación de los paneles fotovoltaicos de una ubicación en específico. Repita este procedimiento para una latitud de 20° inferior y luego con 30° superior al valor de inclinación determinado en el Explorador Solar para su ubicación seleccionada. Una vez que se tiene el sistema solar fotovoltaico off grid conectado con todos sus componentes proceda a realizar las siguientes mediciones: Inclinación inicial obtenida mediante el Explorador Solar Inclinación a -20° respecto de valor inicial obtenido Inclinación a + 30° respecto de valor inicial obtenido Medición PFV 1 PFV 2 PFV 3 PFV 4 PFV 1 PFV 2 PFV 3 PFV 4 PFV 1 PFV 2 PFV 3 PFV 4 Tensión generada por cada panel fotovoltaico Tensión en las baterías Tensión en la entrada del circuito inversor Tensión en la salida del circuito inversor Cubra uno de los paneles. Anote la tensión de entrada del regulador Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP 22 5. Conclusiones Redacte sus conclusiones a partir de los aprendizajes esperados propuestos al comienzo de la guía. Electricidad y Electrónica Electrónica Centro de Energía - INACAP23
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