Análisis e implementación de un sistema electrónico ... · 1.2.1.2 Conversor elevador operando...
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ANÁLISIS E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA ELECTRÓNICO PARA ALCANZAR EL
PUNTO MÁXIMO DE POTENCIA EN LOS
PANELES SOLARES DE LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA SALESIANA.
II
ANÁLISIS E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
ELECTRÓNICO PARA ALCANZAR EL PUNTO
MÁXIMO DE POTENCIA EN LOS PANELES SOLARES
DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA.
JOSÉ ANTONIO GONZÁLEZ ROMERO Egresado de la Carrera de Ingeniería Electrónica
Universidad Politécnica Salesiana
XAVIER ANDRES CÁRDENAS CARANGUI Egresado de la Carrera de Ingeniería Electrónica
Universidad Politécnica Salesiana
Dirigido por:
ING. XAVIER SERRANO GUERRERO. MSC. Ingeniero Electrónico
Docente de la Universidad Politécnica Salesiana
Facultad de Ingenierías
Carrera de Ingeniería Eléctrica.
III
DECLARACION DE AUTORIA
Nosotros, José Antonio González Romero con CI 0301836318 y Xavier Andrés
Cárdenas Carangui con CI 0301585816, por medio del presente documento certifico
que hemos leído la Política de Propiedad Intelectual de la Universidad Politécnica
Salesiana y estamos de acuerdo con su contenido, por lo que los derechos de propiedad
intelectual del presente trabajo de investigación quedan sujetos a lo dispuesto en la
Política.
Asimismo, autorizo a la Universidad Politécnica Salesiana para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio virtual,
de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación
Superior.
Cuenca, 20 de mayo del 2016
José Antonio González Romero Xavier Andrés Cárdenas Carangui
CI: 0301836318 CI: 0301585816
IV
CERTIFICACIÓN
En calidad de TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN “Análisis e
Implementación de un sistema electrónico para alcanzar el punto máximo de
potencia en los paneles solares de la Universidad Politécnica Salesiana”, elaborado
por José Antonio González Romero y Xavier Andrés Cárdenas Carangui, declaro y
certifico la aprobación del presente trabajo de titulación basándose en la supervisión y
revisión de su contenido.
Cuenca, 20 de mayo del 2016
Ing. Johnny Xavier Serrano Guerrero M.Sc.
DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
V
AGRADECIMIENTOS
Nuestro principal agradecimiento es a Dios por esta siempre con nosotros, a nuestros
padres que nos han brindado su ayuda y apoyo incondicional a través de los años
hasta conseguir nuestros logros, a nuestro tutor el Ing. Xavier Serrano que con sus
conocimientos, experiencia nos ha guiado por el camino correcto en la realización
de este trabajo de titulación, de igual manera al Ing. Freddy Campoverde por la ayuda
brindada. Y a todas las personas que de cierta manera nos ha colaborado en este
trabajo.
José Antonio González Romero Xavier Andrés Cárdenas Carangui
VI
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a toda mi familia en especial a mis padres y mi hermano por
todo el apoyo brindado a lo largo de todos estos años de estudio. También a todos
mis amigos que de una u otra manera me han ayudado para culminar esta meta.
José González Romero
Dedico este trabajo, a mis padres por haberme apoyado a lo largo de mi vida, por
brindarme su amor y gracias a todo su apoyo me han permitido llegar a este
momento tan importante dentó de mi formación profesional. A mi tía y hermana que
han sido pilares fundamentales para mi responsabilidad y deseos de superación,
brindándome su apoyo tanto en mi vida personal como en mi formación estudiantil.
Además a todos mis familiares que me han brindado consejos y apoyo en todo lo que
me propuesto y me han ayudado a salir adelante.
Y finalmente a todos los amigos que durante esta etapa académica nos hemos
brindado mutua ayuda para salir adelante ante las adversidades
Xavier Andrés Cárdenas Carangui
VII
INDICE GENERAL
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ............................................................................. 1
1.1 Sistemas de energía solar fotovoltaica ........................................................ 1
1.1.1 Sistemas Fotovoltaicos Autónomos. .................................................... 2
1.1.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica. ....................... 3
1.2 Seguidor del punto máximo de potencia ..................................................... 3
1.2.1 Conversores DC-DC ........................................................................... 4
1.2.1.1 Conversor reductor operando en el MPP ...................................... 5
1.2.1.2 Conversor elevador operando en el MPP...................................... 5
1.3 Algoritmos para el seguimiento del MPPT ................................................. 5
1.3.1 P&O [13] ............................................................................................ 5
1.3.2 Conductancia Incremental [14] ........................................................... 7
1.3.3 Mediante Control Difuso [15] ............................................................. 8
1.3.4 Mediante Redes Neuronales [16] ........................................................ 9
MODELAMIENTO DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO ...........................10
2.1 Modelo matemático de una Célula Solar Fotovoltaica ...............................10
2.1.1 Determinación de 𝑰𝑳 ..........................................................................11
2.1.2 Determinación de 𝑰𝒐 ..........................................................................12
2.1.3 Determinación de 𝑹𝒔 .........................................................................13
2.1.4 Determinación de a ............................................................................13
2.1.5 Modelo del panel solar .......................................................................14
2.2 Características del Panel Solar Fotovoltaico ..............................................15
2.3 Modelamiento del Panel Solar Fotovoltaico ..............................................16
DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA ................................................23
3.1 Estimación de la energía entregada por el panel ........................................23
3.2 Diseño del sistema ....................................................................................24
3.2.1 Subsistema de control ........................................................................25
3.2.1.1 Hardware ....................................................................................25
3.2.1.1.1 Microcontrolador .....................................................................26
3.2.1.1.2 Sensor de Voltaje .....................................................................27
3.2.1.1.3 Sensor de Corriente ..................................................................29
3.2.1.1.4 Mosfet driver ...........................................................................30
3.2.1.1.5 LCD ........................................................................................31
3.2.1.1.6 Interfaz Serial-USB..................................................................32
VIII
3.2.1.2 Software .....................................................................................32
3.2.2 Subsistema de potencia ......................................................................44
3.2.2.1 Conversor elevador (BOOST) [31] .............................................44
3.2.2.2 Dimensionamiento de los componentes ......................................47
3.2.2.2.1 Inductor ...................................................................................48
3.2.2.2.2 Transistor.................................................................................48
3.2.2.2.3 Capacitor .................................................................................49
3.2.2.2.4 Diodo.......................................................................................50
3.2.3 Simulaciones .....................................................................................51
3.2.3.1 Con R = 50Ω ..............................................................................53
3.2.3.2 Con R=20Ω ................................................................................57
3.3 Implementación del sistema ......................................................................61
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ....................................................................65
4.1 Pruebas del algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable ...................65
4.2.1 Punto de máxima potencia del panel fotovoltaico ...............................65
4.2.2 Algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable ..............................66
4.2 Pruebas con MPPT ...................................................................................68
4.3.1 Con R = 20Ω .....................................................................................68
4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia ...............................................68
4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia .....................................................71
4.3.2 Con R = 45Ω .....................................................................................73
4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia ...............................................73
4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia .....................................................76
4.3 Pruebas sin MPPT.....................................................................................79
4.3.1 Con R = 20Ω .....................................................................................79
4.3.2 Con R = 45Ω .....................................................................................80
4.4 Comparación de las pruebas con MPPT y sin MPPT .................................81
4.5 Presupuesto...............................................................................................83
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................85
5.1 Conclusiones ............................................................................................85
5.2 Recomendaciones y Trabajo futuro ...........................................................86
ANEXOS ................................................................................................................87
ANEXO I ............................................................................................................87
SOFTWARE DEL SISTEMA REALIZADO EN MPLAB C18 ..........................87
ANEXO II ......................................................................................................... 100
IX
SCRIPT EN MATLAB PARA LA ADQUISICIÓN DE DATOS ...................... 100
Bibliografía ........................................................................................................... 104
X
Índice de Figuras
Figura 1.1. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Figura 1.2. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico autónomo. . . . . . . . . . . .2
Figura 1.3. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red
eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Figura 1.4. Representación de punto máximo de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Figura 1.5. Modelo de un convertidor DC-DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Figura 1.6. Diseño de un convertidor Buck-Boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Figura 1.7. Diagrama de bloques del algoritmo P&O. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Figura 1.8. Diagrama de bloques del algoritmo CI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figura 1.9. Arquitectura de un controlador difuso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Figura 1.10. Arquitectura de una red neuronal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Figura 2.1. Modelo equivalente de una celda solar: (a) Modelo general, (b) Modelo
simplificado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Figura 2.2. Circuito equivalente de un panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Figura 2.3. Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Figura 2.4. Características Eléctricas del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 2.5. Datos Técnicos del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Figura 2.6. Coeficientes de Temperatura del Panel Solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . .16
Figura 2.7. Modelo en Simulink del panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Figura 2.8. Diagrama de bloques del panel solar fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura 2.9. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y
variación de irradiancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Figura 2.10. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con irradiancia constante y
variación de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Figura 2.11. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y
variación de irradiancia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Figura 2.12. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con radiación constante y variación
de la temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
Figura 3.1. Diagrama de bloques del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 3.2. Diagrama de bloques del Hardware del subsistema de Control. . . . . . . . 26
Figura 3.3. Diagrama de pines del PIC18F4620. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
XI
Figura 3.4. Sensor de voltaje a la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Figura 3.5. Sensor de corriente ACS712. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Figura 3.6. Conexión del sensor de corriente al microcontrolador. . . . . . . . . . . . . . .30
Figura 3.7. Circuito de excitación del Mosfet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Figura 3.8. Conexión del LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Figura 3.9. Interfaz Serial-USB con FT232RL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Figura 3.10. Diagrama de flujo del programa principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Figura 3.11. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración de periféricos del
PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Figura 3.12. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración la interrupción del
PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 3.13. Diagrama de flujo de la subrutina para la conversión Analógico/Digital. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Figura 3.14. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de voltaje. . . . . . . . . .38
Figura 3.15. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de corriente. . . . . . . . 38
Figura 3.16. Diagrama de flujo para la subrutina de envío de datos por el puerto serial.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Figura 3.17. Diagrama de flujo para la subrutina de recepción de datos por el puerto
serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Figura 3.18 Diagrama de flujo para la subrutina de interrupción de alta prioridad. . .41
Figura 3.19. Diagrama de flujo para la subrutina de MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Figura 3.20. Diagrama de flujo para la subrutina de actualización de variables. . . . .43
Figura 3.21. Conversor Elevador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura 3.22. a) Circuito equivalente con el interruptor cerrado, b) Circuito equivalente
con el interruptor abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Figura 3.23 Corriente en el inductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 3.24. Inductor de 1mH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 3.25. Encapsulado y distribución de pines del IRF 540N. . . . . . . . . . . . . . .49
Figura 3.26. Capacitor de 1000 uF - 200V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
XII
Figura 3.27. Diodo Schottky 30CPQ100 de International Rectifier. . . . . . . . . . . . .50
Figura 3.28. Simulación en Simulink de MATLAB®. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Figura 3.29. Valores de Irradiancia y Temperatura a utilizarse en la simulación. . . .52
Figura 3.30. Curvas Potencia-Voltaje del panel para distintas Irradiancias. . . . . . . .52
Figura 3.31. Potencia a la salida del Panel con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 3.32. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R =
50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura 3.33. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . .55
Figura 3.34. Voltaje y corriente a la salida del Conversor con R = 50Ω. . . . . . . . . . . 56
Figura 3.35. Ciclo de trabajo del PWM con R = 50Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 3.36. Potencia a la salida del Panel con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 3.37. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R =
20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Figura 3.38. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . .59
Figura 3.39. Voltaje y Corriente a la salida del conversor con R = 20Ω. . . . . . . . . . . 59
Figura 3.40. Ciclo de trabajo del PWM con R = 20Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 3.41. Sistema de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Figura 3.42. Sistema de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Figura 3.43. Circuito impreso del subsistema de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 3.44. Circuito impreso del subsistema de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura 3.45. Disposición de los pines de salida del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 3.46. Diagrama de conexión del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 4.1. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=650W/m^2. . .65
Figura 4.2. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=430W/m^2. . .66
Figura 4.3. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso fijo. . .67
Figura 4.4. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso variable.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Figura 4.5. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Figura 4.6. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . . .70
Figura 4.7. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Figura 4.8. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Figura 4.9. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . . .72
XIII
Figura 4.10. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Figura 4.11. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Figura 4.12. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . .75
Figura 4.13. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Figura 4.14. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
Figura 4.15. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. . . . . . . . . . . . . . .78
Figura 4.16. Ciclo de trabajo del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Figura 4.17. Voltaje, corriente y potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 4.18. Voltaje, corriente y potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 4.19. Potencia entregada por el panel con y sin MPPT, con variación de la carga.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
XIV
Índice de Tablas
Tabla 2.1. Características del Módulo SIMAX SM536-9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Tabla 3.1. Datos de Insolación Global en el Cantón Cuenca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Tabla 3.2 Valores de Corriente, Voltaje y Potencia del punto de máxima potencia a
distintas irradiancias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
Tabla 3.3 Valores de Corriente y Voltaje máximos a la entrada y salida del sistema. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Tabla 4.1. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia máximos a la salida del panel con
distintas irradiancias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Tabla 4.2. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. . . . . . . . . . 68
Tabla 4.3. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. . . . . . .69
Tabla 4.4. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. . . . . . . . . . 71
Tabla 4.5. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. . . . . . .72
Tabla 4.6. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. . . . . . . . . . 73
Tabla 4.7. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. . . . . . .74
Tabla 4.8. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. . . . . . . . . . 76
Tabla 4.9. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. . . . . . .77
Tabla 4.10. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . 79
Tabla 4.11. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. . . . . . . . . . . . . . . . 80
Tabla 4.12. Tabla comparativa con los valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la
carga con y sin MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Tabla 4.13. Tabla comparativa con los valores de la eficiencia del sistema con y sin
MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabla 4.14. Costos de implementación de sistema MPPT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
XV
Abreviaturas
FV Fotovoltaico
DC Corriente Continua
AC Corriente Alterna
PWM Modulación por ancho de pulso
MPPT Seguimiento del punto máximo de potencia
MPP Punto de máxima potencia
P&O Algoritmo de Perturbar y Observar
CI Algoritmo de Conductancia Incremental
G Irradiancia [𝑊/𝑚2]
STC Condiciones estándares de prueba con G = 1000 W
m2 y T = 25 C°
PMPP STC Potencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de
prueba
VMPP STC Voltaje en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de
prueba
IMPP STC Corriente en el punto de máxima potencia a condiciones estándares de
prueba
RMPP STC Resistencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándares
de prueba
VOC STC Voltaje de circuito abierto a condiciones estándares de prueba
ISC STC Corriente de cortocircuito a condiciones estándares de prueba
ADC Conversor Analógico/Digital
XVI
RESUMEN
Este proyecto presenta el diseño y la implementación de un sistema electrónico
enfocado en la búsqueda del punto máximo de potencia de un panel solar fotovoltaico.
Este documento se encuentra divido en cinco partes.
La primera sección está dedicada a una recopilación bibliográfica e informativa, dentro
de la misma se puede encontrar la introducción y el estado del arte que engloba todo
el proyecto, partiendo desde cómo se produce la energía fotovoltaica, aplicaciones,
sistemas para el seguimiento del punto máximo de potencia (MPPT, “Maximum
Power Point Tracking”), y los objetivos planteados para el cumplimiento del mismo.
En la segunda sección se realiza el modelamiento eléctrico de un panel solar, el mismo
que se lo simuló en Simulink® de Matlab® basándose en los datos característicos de
dicho panel que se obtuvieron de la hoja de datos del fabricante. Con estos datos se
simuló el comportamiento del panel solar en condiciones estándar “STC”,
comprobando así su correcto funcionamiento.
En la tercera sección se realiza el diseño de todo el sistema, no obstante se hace utiliza
el simulador Simulink® de Matlab® para probar el funcionamiento de la parte
electrónica y la etapa de control del sistema. Además se realizan los cálculos
necesarios para la implementación física del sistema, por ejemplo: transistores,
sensores, capacitores, inductores. De igual manera la etapa de control es programada
en un microcontrolador, en conjunto todos estos sistemas forman el sistema electrónico
necesario para el funcionamiento del MPPT. Además se encuentra el diseño de la placa
electrónica final.
En la cuarta sección se realizan las pruebas de funcionamiento del sistema, con
diferentes valores de irradiancia, temperatura y carga. Se realiza una comparación de
los valores de salida de sistema con los valores de máxima potencia.
Por último, la quinta sección está dedicada a exponer las conclusiones obtenidas en
realización del proyecto, además nombrar los trabajos futuros que pueden ser
realizados a partir de este proyecto.
XVII
ABSTRACT
This Project expose the design and implementation of a MPPT (Maximum Power Point
Tracking) system of a solar panel. This document is divided in five chapters.
In the first section is expose a bibliographic and informative recompilation about the
theory that involve this project, starting from how the photovoltaic energy works,
other application, Maximum Power Point Tracking Systems, and the objectives sets to
accomplish this project.
In the second section is shown the electrical modeling of a solar panel, the modeling
was simulated in Simulink® de Matlab®, we use the technical data from de solar panel
datasheet. With these data we can simulate the behavior of the solar panel under
standard conditions "STC" and verifying proper operation.
In the third section its expose the design and implementation of all the system, instead
we might use a simulator to test the proper function of the electronic stage and the
control stage of the system. Also the calculus of the physical implementation of the
system must be made, for example: transistors, sensors, capacitances, inductors. The
control stage is programing in a microcontroller, all this electronic system in conjunct
conform the MPPT (Maximum Power Point Tracking). It is detailed step by step each
stage of system, design, simulation and implementation. As well as the construction
of the electronic card (PCB).
In the fourth section are expose all the testing probes of the system, with different
values of temperature, load and irradiance. Then a comparison is made between the
output values of the system with the maximum power point values
The last section is developed to expose all the conclusions about the accomplishment
of the project, also to shown all the future works that can be make starting from
XVIII
ANTECEDENTES
En la actualidad el uso de energías renovables es una excelente alternativa para el
ahorro energético, principalmente la utilización de paneles solares fotovoltaicos. La
energía solar fotovoltaica aprovecha la irradiancia para generar energía eléctrica [1].
Con los cambios hechos en la matriz energética del Ecuador que impulsa el uso de
energías renovables [2], varias empresas en la actualidad están usando la energía
renovable para generar electricidad, un claro ejemplo son los nodos de
telecomunicaciones que aprovechan la radiación solar para cargar sus baterías o los
radares que utilizan paneles solares para generar electricidad.
En la universidad aunque existen proyectos de investigación con energías renovables
como la eólica o la misma solar fotovoltaica, no existen proyectos enfocados a sistemas
electrónicos para la búsqueda del punto máximo de potencia para paneles solares
fotovoltaicos [3].
La idea de implementar un sistema electrónico para alcanzar el punto máximo de
potencia tiene como objetivo utilizar eficientemente los paneles solares aprovechando
la máxima potencia que estos pueden dar mediante la implementación de algoritmos
para el seguimiento del punto de máxima potencia de un panel solar [4], [5].
XIX
INTRODUCCIÓN
Las energías renovables en el siglo XXI han brindado una forma de obtención de
electricidad a nivel mundial. Entre estas podemos recalcar la energía solar fotovoltaica.
Este tipo de energía es considerada actualmente una de las más económicas y
amigables con el medio ambiente.
A nivel mundial, los países desarrollados al incrementar la demanda de consumo
eléctrico se han visto en la necesidad de realizar cambios en sus matrices energéticas,
se han buscado de nuevas fuentes de generación de energía tratando evitar el impacto
ambiental a gran escala.
En los últimos años el Ecuador se ha visto envuelto en cambios de matriz energética,
no obstante no han sido de mucha consideración energías con buena funcionalidad
como la energía solar fotovoltaica, son pocas las instalaciones de este tipo que
podemos encontrar en nuestro país y sus aplicaciones son a pequeña escala [6].
Las ventajas que tiene la energía solar fotovoltaica frente a otros tipos de energías
renovables como la eólica por ejemplo son su facilidad de implementación, sus costos
más accesibles, la ausencia de ruido debido a que no tienen partes móviles y el poco
mantenimiento que necesitan. Sin embargo la eficiencia de los paneles solares
fotovoltaicos se encuentra entre un 12-20% y puede variar dependiendo de las
condiciones de irradiancia, temperatura y de la carga conectada, por lo que para
satisfacer las demandas requeridas sería necesario incrementar el número de paneles
fotovoltaicos elevando los costos y la viabilidad del sistema [7].
Para mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos, varios algoritmos han sido
desarrollados, entre los más comunes están el de Perturbar y Observar [13], el de
Conductancia Incremental [14], por Lógica Difusa [15] y por Redes Neuronales [16].
Cada uno de estos difiere en el algoritmo utilizado para el seguimiento, siendo el de
Perturbar y Observar el más utilizado por su simplicidad y eficiencia. Este trabajo
XX
presenta el diseño e implementación de un sistema de seguimiento del punto de
máxima potencia para paneles solares basado en el algoritmo P&O.
1
Capítulo I
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
1.1 Sistemas de energía solar fotovoltaica
Se conoce como tecnología solar fotovoltaica, aquella que usa conversión directa de
la irradiancia en electricidad. Este tipo de conversión se realiza a través de células
solares, gracias al efecto fotoeléctrico.
Este tipo de energía puede ser utilizada en un amplio rango de aplicaciones, donde sea
necesario generar electricidad. Se pueden satisfacer necesidades energéticas para
sistemas alejados de la red eléctrica o generar energía para inyectarla a red [8].
En función de su conexión a la red, estos sistemas son clasificados de la siguiente
manera:
- Sistemas Fotovoltaicos autónomos
- Sistemas Fotovoltaicos conectados a la red
Los sistemas de energía solar fotovoltaica están formados por:
Generador Fotovoltaico: Dispositivo encargado de transformar la energía del
Sol en energía eléctrica, se encuentra formado por varios módulos
fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo, a su vez cada módulo
fotovoltaico está formado por varias células fotovoltaicas. Toda la energía que
sea producida por el generador FV puede ser acumulada en sistemas de
baterías, de este modo toda la energía almacenada durante el día o durante las
horas de mayor radicación solar puede ser utilizada en la noche [8] [9].
Reguladores de carga: Este elemento se encarga de proteger a las baterías
contra sobrecargas y descargas de corriente que podían afectar a la vida útil de
las baterías.
Inversores: Debido a que el generador FV produce corriente continua, los
inversores son utilizados para cambiar el voltaje de entrada de corriente
continua a una salida con corriente alterna para poder alimentar la red eléctrica.
2
Baterías: Son utilizadas como sistemas de almacenamiento de energía durante
periodos de generación y de consumo, permite el funcionamiento de las cargas
cuando el generador no puede entregar la potencia necesaria.
Figura 1.1. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico [8].
En el caso que los dispositivos trabajen con DC con un bajo voltaje, pueden ser
conectados directamente a las baterías para su utilización. Este tipo de sistemas son
más eficientes energéticamente.
Si los dispositivos trabajan con AC, estos consumen más energía en comparación a
dispositivos DC. Para la utilización de estos dispositivos es necesario un inversor.
1.1.1 Sistemas Fotovoltaicos Autónomos.
La energía eléctrica producida por los sistemas fotovoltaicos autónomos se utiliza para
cubrir una determinada demanda en lugares aislados de la red eléctrica. Estos sistemas
pueden operar en AC y DC [1].
Figura 1.2. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico autónomo [8].
3
1.1.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica.
Los sistemas fotovoltaicos conectados a red, tienen la capacidad de suministrar energía
a la red, son utilizados principalmente en dos principales áreas de funcionamiento [8]
[9].
Tejados de vivienda: Las instalaciones se encuentran localizadas en viviendas
o edificaciones ubicadas en el área urbana.
Plantas de generación de energía: Este sistemas funciona como una central de
generación de energía, toda la energía generada es alimentada a la red eléctrica.
Figura 1.3. Esquema básico de un sistema solar fotovoltaico conectado a la red eléctrica [8].
1.2 Seguidor del punto máximo de potencia
Los paneles solares poseen curvas características que representan su funcionamiento.
La potencia de un panel solar es el producto de tensión y corriente de salida. Existen
varios pares de salida durante este proceso, de todos estos pares existe solo uno donde
su producto es máximo. Este punto se conoce como el punto máximo de potencia
“MPP, Maximum Power Point”. Dicho valor se modifica continuamente puesto que
los paneles solares están expuestos a variables como la radiación y temperatura [10].
Figura 1.4. Representación de punto máximo de potencia [4].
4
Existen varias técnicas de seguimiento del MPP, todas son utilizadas para maximizar
la energía entregada por sistemas fotovoltaicos. El seguimiento del punto máximo de
potencia se realiza mediante la utilización de un convertidor DC-DC, el mismo que es
controlado mediante una señal PWM. La señal de ancho de pulso modulada modifica
la corriente de salida del panel, por lo tanto también su potencia. Existen varios
algoritmos de seguimiento, cada uno de estos algoritmos difieren uno del otro debido
a su complejidad, tiempos de respuesta, modalidades de programación, costos y
circuitería utilizada [10].
1.2.1 Conversores DC-DC
Para el correcto funcionamiento del seguimiento del punto máximo de potencia, se
utiliza un conversor DC-DC, el cual controla la corriente extraída de las celdas solares.
Existen diferentes conversores como: reductores, elevadores y conversores fusionados
de los dos anteriores. Los conversores almacenan temporalmente la energía y la cesión
de la misma en un periodo de tiempo, este periodo determinara la cantidad de energía
cedida a la carga [10].
Los convertidores DC-DC se pueden dividir en tres bloques:
Conmutación
La etapa de conmutación se encarga de dividir la señal de entrada según la frecuencia
y el ciclo de trabajo, la cual es dada al elemento conmutador.
Elemento de acumulación de energía.
Esta etapa está regida por la etapa de conmutación debido a que se determinara cuando
la energía será liberada hacia la carga.
Filtrado de la señal.
Figura 1.5. Modelo de un convertidor DC-DC [10].
5
1.2.1.1 Conversor reductor operando en el MPP
Este convertidor es utilizado cuando es necesaria una tensión de salida menor a la de
la entrada. El inconveniente que presenta ese tipo de convertidor es que no puede
realizar un óptimo seguimiento MPP a alta temperatura y alta radiación de entrada,
debido a varias condiciones ambientales este convertidor no brinda un óptimo
seguimiento.
1.2.1.2 Conversor elevador operando en el MPP
Este tipo de convertidor es utilizado cuando una salida de voltaje es mayor a la tensión
de entrada. De manera inversa al convertidor reductor, este tipo de convertidor no
puede operar a bajas temperaturas y baja radiación.
Para solucionar este inconveniente se utiliza una mezcla de estos dos convertidores
conocido como BUCK-BOOST. Este convertidor es capaz de realizar un óptimo
seguimiento independientemente de las oscilaciones que se puedan encontrar en
diferentes condiciones ambientales [11].
Figura 1.6. Diseño de un convertidor Buck-Boost [12].
1.3 Algoritmos para el seguimiento del MPPT
1.3.1 P&O [13]
El algoritmo de Perturbar y Observar (P&O) es un algoritmo de búsqueda del MPP
que se basa en perturbar el voltaje de salida del panel PV y observar la variación de
la potencia respecto al voltaje dP/dV. Si dP/dV>0 entonces el punto de operación se
encuentra al lado izquierdo del MPP y por lo tanto debe incrementarse el voltaje del
panel PV por medio del conversor DC-DC para moverse hacia el MPP. Si dP/dV<0
6
entonces el punto de operación se encuentra al lado derecho del MPP y por lo tanto se
debe reducir el voltaje de salida del panel PV. Este proceso se repite hasta que el MPP
es alcanzado. En la figura 7 se muestra el diagrama de bloques del algoritmo P&O.
P(k-1)= P(k)
P(k)= VxI
P(k)-P(k-1)==0
P(k)-P(k-1) > 0
V(k)–V(k-1)>0V(k)–V(k-1)>0
Increase VrefDecrease VrefIncrease VrefDecrease Vref
Update V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k)
YN
READ V, I
START
YNY N
Y
N
RETURN
Figura 1.7. Diagrama de bloques del algoritmo P&O [13].
Donde:
𝑃𝑘 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑃𝑘−1 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
𝑉𝑘 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙
𝑉𝑘−1 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟
𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑐 − 𝑑𝑐
El algoritmo inicia midiendo la potencia actual y comparándola con la potencia
anterior, si ambas son iguales significa que se ha alcanzado el MPP y no es necesario
variar el voltaje del conversor. Si la potencia actual es mayor que la potencia anterior
y el voltaje actual es mayor al voltaje anterior, debe incrementarse el voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓 para
7
alcanzar el MPP, caso contrario si el voltaje actual es menor al anterior, debe reducirse
el voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓 para alcanzar el MPP.
Si la potencia actual es menor a la anterior y el voltaje actual es mayor al anterior, debe
reducirse 𝑉𝑟𝑒𝑓 para alcanzar el MPP, caso contrario debe incrementarse 𝑉𝑟𝑒𝑓 .
1.3.2 Conductancia Incremental [14]
El método de conductancia incremental utiliza la curva Potencia-Voltaje del panel PV
y se basa en el hecho de que la pendiente de la curva es cero en el MPP, 𝐷𝑃
𝐷𝑉= 0.
El seguimiento del MPP se realiza comparando la conductancia instantánea I/V con la
conductancia incremental ∆𝐼
∆𝑉, en la figura 8 se muestra el algoritmo de conductancia
incremental.
ΔV=V(k)-V(k-1)
ΔI=I(k)-I(k-1)
ΔV=0
ΔI=0ΔI/ΔV = -I/V
D(k)=D(k-1)-Step
Decrease VrefDecrease Vref
Increase Vref
Update V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k)
READ V, I
START
N Y
ΔI/ΔV > -I/V ΔI > 0
Increase Vref
RETURN
Y
N
Y
N
YY
N N
Figura 1.8. Diagrama de bloques del algoritmo CI [14].
8
El MPP es alcanzado cuando ∆𝐼
∆𝑉= −
𝐼
𝑉
Si: ∆𝐼
∆𝑉> −
𝐼
𝑉 , el punto de operación está a la izquierda del MPP.
Si: ∆𝐼
∆𝑉< −
𝐼
𝑉 , el punto de operación está a la derecha del MPP.
1.3.3 Mediante Control Difuso [15]
Es un método dentro de la inteligencia artificial que permite trabajar con información
que no necesariamente es precisa, esta información maneja términos inexactos e
imprecisos simulando la manera en la cual el ser humano toma decisiones.
Un controlador difuso está conformado por tres partes: el controlador de fuzzificacion,
la interfaz de aprendizaje, donde se encuentran definidas las reglas y la defuzzificación
representada como la salida de todo el sistema (figura 9). El termino fuzzificacion
define una operación matemática que se encarga de convertir un valor tradicional
lógico, binario, decimal, en un valor o elemento difuso, este proceso se realiza en todo
momento, partiendo desde las entradas del sistema hacia la salida.
Al utilizar este sistema para MPPT, se debe utilizar variables de entrada aleatorias para
este tipo de controladores, las mismas son los cambios de tensión y corrientes
provenientes del panel fotovoltaico, dependiendo de la condiciones de temperatura y
radiación solar. El proceso de control y aprendizaje de este sistema se desarrolla en la
interfaz del mismo, en donde, todos los valores de entrada una vez que han pasado por
un proceso de fuzzificacion van a ser evaluados y comparados uno a otro para poder
obtener un valor óptimo de funcionamiento. La salida del sistema realiza un proceso
inverso a la entrada, llamado defuzzificacion, donde se convierten todos los valores
que fueron controlados y optimizados en la interfaz del sistema en el tipo de valor
inicial, las salidas de este controlador serán los valores de tensión y corrientes óptimos
para el funcionamiento del sistema [15].
Figura 1.9. Arquitectura de un controlador difuso [15].
9
1.3.4 Mediante Redes Neuronales [16]
En la última década, las redes neuronales se han desarrollado tanto en teoría como en
aplicación, esto ha despertado el interés de varios campos dentro de la ingeniería. Las
redes neuronales conforman un sistema de aprendizaje y procesamiento realizado de
manera automática, el cual está formado por varios parámetros de entrada, un sistema
central de procesos y una salida de sistema. Se han introducido redes neuronales en
aplicaciones hacia paneles solares debido a que permite tener varios parámetros de
entrada variables, como es el caso de la temperatura y la irradiancia, el proceso de
control se realiza de manera automática, comparando cada uno de los parámetros hasta
buscar la mejor salida de todo el sistema.
En el MPPT la utilización de una red neuronal tiene las ventajas de convertirse en un
sistema de diseño simple y robusto, no es necesario tener las condiciones físicas
definidas para el sistema fotovoltaico debido a que estos sistemas tienen la capacidad
de auto adaptación [16].
Figura 1.10. Arquitectura de una red neuronal [16].
10
Capítulo II
MODELAMIENTO DEL PANEL SOLAR
FOTOVOLTAICO
2.1 Modelo matemático de una Célula Solar Fotovoltaica
Una celda fotovoltaica convierte la radiación solar en corriente eléctrica por medio de
una unión P-N. El modelo más simple de una celda fotovoltaica consiste en una fuente
de corriente en paralelo con un diodo [17] [18] [19]. Para incrementar la precisión del
modelo y tener en cuenta las pérdidas, se añaden tanto una resistencia en paralelo 𝑅𝑠ℎ
y una resistencia en serie 𝑅𝑠, el modelo completo se muestra en la figura 2.1a, donde
se tienen en consideración ambas resistencias, sin embargo dado que la resistencia en
paralelo 𝑅𝑠ℎ puede ir desde las centenas de ohmios hasta los Kilo-ohmios, esta
resistencia se omite para el modelo simplificado de la figura 2.1b.
Figura 2.1. Modelo equivalente de una celda solar: (a) Modelo general, (b) Modelo
simplificado [20]
La corriente I se obtiene aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff (LCK) al circuito
de la figura 2.1b:
𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝒅 (2.1)
11
Donde:
𝐼𝐿: Fotocorriente generada por la celda.
𝐼𝑑: Corriente del diodo que es proporcional a la corriente de saturación, su valor está
dado por:
𝑰𝒅 = 𝑰𝟎[𝒆(𝑽+𝑰 𝑹𝒔
𝒂 ) − 𝟏]
(2.2)
Donde:
𝐼0: Corriente de fuga del diodo.
𝑉: Voltaje de salida.
𝐼: Corriente de carga.
𝑅𝑠: Resistencia en serie.
𝑎: Voltaje térmico.
Reemplazando (2) en (1), se tiene:
𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝟎[𝒆(𝑽+𝑰 𝑹𝒔
𝒂 ) − 𝟏]
(2.3)
De acuerdo con (3), los 4 parámetros a determinar son: 𝐼𝐿, 𝐼𝑜, 𝑅𝑠 y 𝑎.
2.1.1 Determinación de 𝑰𝑳
La fotocorriente 𝐼𝐿 generada por la celda depende de la radiación solar 𝐺, de la
temperatura y del coeficiente de temperatura:
𝑰𝑳 =𝑮
𝑮𝒓𝒆𝒇
(𝑰𝒔𝒄,𝒓𝒆𝒇 + 𝝁𝒔𝒄. ∆𝑻) (2.4)
Donde:
𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓: Corriente de cortocircuito para condiciones estándares de prueba (STC) con
𝐺 = 1000 𝑊
𝑚2 y 𝑇 = 25 °.
12
𝐺: Irradiancia en 𝑊
𝑚2.
𝐺𝑟𝑒𝑓: Irradiancia a STC 𝐺𝑟𝑒𝑓 = 1000 𝑊
𝑚2.
µ𝑠𝑐 : Coeficiente de temperatura para la corriente de corto-circuito.
𝛥𝑇: Variación de temperatura respecto a la temperatura de referencia. 𝛥𝑇 = 𝑇𝑐 −
𝑇𝑐𝑟𝑒𝑓.
𝑇𝑐 Es la temperatura de la celda y 𝑇𝑐𝑟𝑒𝑓 = 25° es la temperatura de referencia a STC.
De acuerdo con (4) se observa que a mayor temperatura y radiación solar llegue a la
celda, mayor será la corriente 𝐼𝐿 y la potencia generadas.
2.1.2 Determinación de 𝑰𝒐
La corriente de fuga del diodo 𝐼𝑜 es determinada por la siguiente ecuación:
𝑰𝒐 = 𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇 × (𝑻𝒄
𝑻𝒄𝒓𝒆𝒇)
𝟑
× 𝒆[(
𝒒 𝝐𝑮 𝑲 𝑨
)(𝟏
𝑻𝒄𝒓𝒆𝒇−
𝟏𝑻𝒄
)]
(2.5)
Donde:
𝜖𝐺: Energía de banda prohibida del material, para el silicio 𝜖𝐺 = 1.12 𝑒𝑉 [21].
𝐼𝑜,𝑟𝑒𝑓: Corriente inversa de saturación a STC, su valor viene dado por la siguiente
ecuación:
𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇 = 𝑰𝒔𝒄,𝒓𝒆𝒇 × 𝒆(
−𝑽𝒐𝒄,𝒓𝒆𝒇
𝒂)
(2.6)
Donde:
𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓: Corriente de cortocircuito a STC, su valor viene dado en la hoja de datos del
fabricante.
𝑉𝑜𝑐,𝑟𝑒𝑓: Voltaje de circuito abierto a STC, su valor viene dado en la hoja de datos del
fabricante.
13
2.1.3 Determinación de 𝑹𝒔
Tomando como referencia (3), se despeja el valor de 𝑅𝑠 con lo que se obtiene:
𝑹𝒔 =𝒂. 𝑳𝒏 (𝟏 +
𝑰𝑳 − 𝑰𝑰𝒐
) − 𝑽
𝑰
(2.7)
Para condiciones de prueba estándar y utilizando los valores de corriente 𝐼 y voltaje 𝑉
que den la potencia máxima, se tiene:
𝑹𝒔 =
𝒂. 𝑳𝒏 (𝟏 +𝑰𝑳,𝒓𝒆𝒇 − 𝑰𝒎𝒑𝒑
𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇) − 𝑽𝒎𝒑𝒑
𝑰𝒎𝒑𝒑
(2.8)
Donde:
𝐼𝐿,𝑟𝑒𝑓: Fotocorriente generada por la celda; a STC 𝐼𝐿,𝑟𝑒𝑓 = 𝐼𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑓 .
𝐼𝑚𝑝𝑝: Corriente de en el punto máximo de potencia a STC.
𝑉𝑚𝑝𝑝: Voltaje en el punto máximo de potencia a STC.
2.1.4 Determinación de a
El valor del voltaje térmico del diodo está dado por:
𝒂 =𝑨. 𝒌. 𝑻𝒄
𝒒
(2.9)
El valor de “a” depende de:
A: Factor de idealidad del diodo, para el silicio mono cristalino 𝐴 = 1.2 [21].
k: Constante de Boltzmann 𝑘 = 1.381 × 10−23.
Tc: Temperatura de la celda en grados K.
q: Carga del electrón 𝑞 = 1.602 × 10−19𝐶.
A STC el valor del voltaje térmico es:
14
𝒂𝒓𝒆𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟑𝟎𝟖 (2.10)
2.1.5 Modelo del panel solar
Debido a la baja potencia que genera una celda fotovoltaica del orden de los 2-3 W,
estas deben ser conectadas en serie o en paralelo para producir la suficiente potencia
para su utilización [22]. El modelo equivalente para un panel solar con Ns celdas en
serie y Np celdas en paralelo se muestra en la figura 2.2.
Figura 2.2. Circuito equivalente de un panel solar fotovoltaico [23]
La ecuación (3) que describe el modelo simplificado para la corriente de una celda
solar, para arreglo de celdas (panel) se transforma en:
𝑰 = 𝑵𝒑. 𝑰𝑳 − 𝑵𝒑. 𝑰𝒐 (𝒆𝒙𝒑 (
𝑽𝒑𝒗𝑵𝒔 + 𝑹𝒔 ∗
𝑰𝒑𝒗𝑵𝒑
𝒂 ∗ 𝑵𝒔) − 𝟏)
(2.11)
15
2.2 Características del Panel Solar Fotovoltaico
El panel solar a utilizar es de marca SIMAX modelo SM536-90. En la figura 2.3 se
observa el panel, este consta de un array de 36 celdas distribuidas en 9 filas y 4
columnas.
Figura 2.3. Panel Solar fotovoltaico [24]
La potencia máxima que entrega el panel es de 90 W, el voltaje de máxima potencia
es de 17.4 V y la corriente de máxima potencia es de 5.11 A, en este punto la potencia
es de 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 89.93𝑊. En la figura 2.4 se observan las características
eléctricas al panel a condiciones estándar.
Figura 2.4. Características Eléctricas del Panel Solar fotovoltaico [24]
16
Los datos técnicos del panel se muestran en la figura 2.5, se puede observar que las
celdas solares son mono-cristalinas y que el número de celdas es de 36 entre las
características más destacables.
Figura 2.5. Datos Técnicos del Panel Solar fotovoltaico [24]
Los coeficientes de temperatura del panel se muestran en la figura 2.6, estos
coeficientes son de vital importancia en el modelamiento, debido a que afectan
directamente a la corriente generada por la celda.
Figura 2.6. Coeficientes de Temperatura del Panel Solar fotovoltaico [24]
2.3 Modelamiento del Panel Solar Fotovoltaico
El modelamiento del panel se realizó en Simulink, utilizando las ecuaciones descritas
en la sección 2.1. Los parámetros necesarios para el modelamiento se toman de la
sección 2.2, y se muestran en la tabla 2.1.
17
Tabla 2.1. Características del Módulo SIMAX SM536-9 [24]
PARAMETROS VALORES
𝑷𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 90 W
𝑽𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 17.6 V
𝑰𝑴𝑷𝑷 𝑺𝑻𝑪 5.11 A
𝑽𝑶𝑪 𝑺𝑻𝑪 21.8 V
𝑰𝑺𝑪 𝑺𝑻𝑪 5.51 A
Coeficiente de Potencia 𝜶𝒌 -0.45 %/K
Coeficiente de Voltaje 𝜷𝒌 0.35 %/K
Coeficiente de Corriente 𝝋𝒌 0.065 %/K
𝑵 36
En el panel fotovoltaico existen 36 celdas. Es necesario calcular el número de celdas
que están en serie y en paralelo para aplicar esos valores al modelo descrito en la
sección 2.1. Utilizando el voltaje de circuito abierto del panel de Voc=21.8 y tomando
en cuenta que el voltaje de cada celda es aproximadamente de 0.6 V, el número de
celdas en serie es:
𝑽𝒐𝒄 = 𝑽𝒅 ∗ 𝑵𝒔 (2.12)
𝑰 = 𝑰𝑳 − 𝑰𝒅 (2.13)
Debido a que el número de celdas en serie es igual al número total de celdas del panel
fotovoltaico, se concluye que existe una sola rama en paralelo.
𝑵𝒑 = 𝟏 (2.14)
En la figura 2.7 se muestra el subsistema para el panel fotovoltaico, con los datos de
entrada de Radiación solar [G] y Temperatura en grados centígrados [T].
18
Figura 2.7. Modelo en Simulink del panel solar fotovoltaico [5]
El diagrama de bloques del subsistema se muestra en la figura 2.8. Este está formado
por dos sub-bloques principales: el de la corriente del diodo Id y el de la fotocorriente
IL, la corriente generada I se calcula en base a la ecuación (3). La resistencia Rs se
obtuvo con la ecuación (9), dando como resultado:
𝑹𝒔 =
𝟎. 𝟎𝟑𝟎𝟖. 𝑳𝒏 (𝟏 +𝟓. 𝟓𝟏 − 𝟓. 𝟏𝟏
𝑰𝒐,𝒓𝒆𝒇) − 𝟏𝟕. 𝟔
𝟓. 𝟏𝟏
(2.15)
𝑹𝒔 = 𝟎. 𝟐𝟓𝟐𝟕Ω (2.16)
19
Figura 2.8. Diagrama de bloques del panel solar fotovoltaico. Fuente: Los Autores
En las figuras 2.9 y 2.10 se muestran las curvas de voltaje-corriente del panel. En la
figura 2.9 se mantiene fija la temperatura y se varía la radiación solar, se observa que
a mayor radiación mayor es la corriente que entrega el módulo y por lo tanto mayor es
la potencia entregada.
En la figura 2.10 se mantiene fija la radiación solar y se varía la temperatura, se observa
que a mayor temperatura menor es el voltaje que entrega el módulo y por lo tanto
menor es la potencia entregada.
20
Figura 2.9. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y variación de
irradiancia. Fuente: Los Autores
Figura 2.10. Curva V-I del panel solar fotovoltaico con irradiancia constante y variación de
temperatura. Fuente: Los Autores
Las figuras 2.11 y 2.12 muestran las curvas potencia-voltaje del panel solar. En la
figura 2.11 se mantiene la temperatura constante y se varía la radiación solar. Se
observa que a mayor radiación, mayor es la potencia que entrega el panel. Además se
observa que el voltaje de máxima potencia se mantiene fijo.
0 5 10 15 20 250
1
2
3
4
5
6
7
Voltaje V
Corr
ien
te I
Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90
G=1000 [W/m2], T=25 C
G=1200 [W/m2], T=25 C
G=800 [W/m2], T=25 C
0 5 10 15 20 25 30 350
1
2
3
4
5
6
Voltaje V
Corr
ien
te I
Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90
G=1000 W/m2, T=25C
G=1000 W/m2, T=20C
G=1000 W/m2, T=35C
21
Figura 2.11. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con temperatura constante y variación
de irradiancia. Fuente: Los Autores
En la figura 2.12 se mantiene fija la radiación y se varía la temperatura. Se observa
que a mayor temperatura, menor es la potencia que entrega el panel. La variación de
temperatura produce una variación en el voltaje de salida y un desplazamiento del
punto de máxima potencia.
0 5 10 15 20 25 30 350
20
40
60
80
100
120Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90
Voltaje V
Pote
nci
a P
G=1000W/m2, T=25C
G=1200W/m2, T=25C
G=800W/m2, T=25C
22
Figura 2.12. Curva P-V del panel solar fotovoltaico con radiación constante y variación de
la temperatura. Fuente: Los Autores
En conclusión, la variación de irradiancia produce cambios en la corriente y
variaciones en la temperatura producen cambios en el voltaje.
0 5 10 15 20 25 30 350
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pote
nci
a P
Voltaje V
Módulo Fotovoltaico Simax SM536-90
W=1000 W/m2, T= 25 C
W=1000 W/m2, T= 20 C
W=1000 W/m2, T= 35 C
23
Capítulo III
DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA
3.1 Estimación de la energía entregada por el panel
La energía diaria máxima que puede entregar el panel se estima con los datos de
insolación global sobre el cantón Cuenca, estos se obtienen del Atlas solar del Ecuador
y se observan la tabla 3.1.
Tabla 3.1. Datos de Insolación Global en el Cantón Cuenca [25]
INSOLACIÓN GLOBAL CUENCA (Wh/𝑚2/𝑑𝑖𝑎)
ENERO 4500
FEBRERO 4050
MARZO 4350
ABRIL 3900
MAYO 3900
JUNIO 3600
JULIO 3750
AGOSTO 3900
SEPTIEMBRE 4350
OCTUBRE 4650
NOVIEMBRE 4950
DICIEMBRE 4950
La energía entregada por el módulo fotovoltaico se calcula con la siguiente ecuación:
𝑬𝑻 = 𝑵𝑻 ∗ (𝑷𝒑 ∗ 𝑮𝒎𝜷 ∗ 𝑷𝑮)/𝟏𝟎𝟎𝟎 (3.1)
Donde:
𝐸𝑇: Energía entregada por el módulo fotovoltaico [kWh].
𝑁𝑇: Número de módulos fotovoltaicos.
24
𝑃𝑝: Potencia pico del módulo [W].
𝐺𝑚𝛽: Radiación global media diaria [kWh/m2]
𝑃𝐺: Factor global de pérdidas, de 0.65 a 0.9.
Tomando como datos de la tabla 3.1 para el peor de los casos y para el mejor de los
casos se tiene:
Con 𝐺𝑚𝛽 = 3600, 𝑃𝐺 = 0.8, 𝑃𝑝 = 90𝑊 y 𝑁𝑇 = 1.
𝑬𝑻𝒎𝒊𝒏 = 𝟏 ∗𝟎. 𝟖 ∗ 𝟑𝟔𝟎𝟎 ∗ 𝟗𝟎
𝟏𝟎𝟎𝟎
(3.2)
𝑬𝑻𝒎𝒊𝒏 = 𝟐𝟓𝟗. 𝟐 𝑾𝒉 (3.3)
Con 𝐺𝑚𝛽 = 4950, 𝑃𝐺 = 0.8, 𝑃𝑝 = 90𝑊 y 𝑁𝑇 = 1.
𝑬𝑻𝒎𝒂𝒙 = 𝟏 ∗𝟎. 𝟖 ∗ 𝟒𝟗𝟓𝟎 ∗ 𝟗𝟎
𝟏𝟎𝟎𝟎
(3.4)
𝑬𝑻𝒎𝒂𝒙 = 𝟑𝟓𝟔. 𝟒 𝑾𝒉 (3.5)
La corriente de cortocircuito 𝐼𝑠𝑐 es la máxima que entrega el panel y es proporcional a
los niveles de irradiancia, a mayor irradiancia mayor corriente generada. El voltaje de
circuito abierto 𝑉𝑜𝑐 varía de forma inversa a la temperatura del panel, a mayor
temperatura menor voltaje.
3.2 Diseño del sistema
El sistema de seguimiento de máxima potencia tiene como objetivo maximizar la
potencia entregada por el panel fotovoltaico y está formado por dos subsistemas, el de
control y el de potencia.
El subsistema de control tiene la función de mantener al sistema operando en el punto
de máxima potencia. El subsistema de potencia, formado por un conversor DC-DC,
25
eleva el voltaje de entrada con el fin de maximizar la potencia entregada por el panel.
En la figura 3.1 se observa el diagrama de bloques del sistema.
Figura 3.1. Diagrama de bloques del sistema. Fuente: Los Autores
3.2.1 Subsistema de control
El subsistema de control está formado de hardware y software. La parte del hardware
se encarga de acondicionar las señales de voltaje y corriente provenientes del panel,
generar la señal de PWM, visualizar los datos de voltaje corriente y potencia
instantánea del panel y enviar los datos de voltaje y corriente al computador por medio
del puerto serial.
El software procesa las señales provenientes del hardware y modifica el ciclo de
trabajo del PWM para mantener el sistema funcionando en el punto de máxima
potencia. En las siguientes secciones se detalla el hardware y software del subsistema
de control.
3.2.1.1 Hardware
El diagrama de bloques del hardware se observa en la figura 3.2, consta de un
microcontrolador, un sensor de voltaje y un sensor de corriente a la salida del panel,
una salida PWM hacia el Mosfet driver, la salida de datos para visualizar en el LCD y
de una interfaz Serial-USB para transmitir los datos al computador.
26
Figura 3.2. Diagrama de bloques del Hardware del subsistema de Control. Fuente: Los
Autores
3.2.1.1.1 Microcontrolador
El microcontrolador es el cerebro del subsistema de control, este se encarga de medir
la potencia de entrada por medio de los sensores de voltaje y corriente que ingresan en
los canales ADC, generar la señal PWM que mantenga al sistema en el MPP, visualizar
los datos en el LCD y enviar los datos al computador.
El microcontrolador a elegir, debe poseer los siguientes periféricos:
- 3 Canales ADC para los sensores de voltaje y corriente
- 1 Módulo PWM con resolución de 10 bits
- 6 salidas digitales para enviar los datos al LCD
- 2 salidas digitales para leds
- 1 Módulo EUSART para enviar los datos por el puerto serial al computador
- 1 Módulo TIMER para tomar adquirir los datos de voltaje y corriente cada 10
ms
El microcontrolador que cumple con todas estas características es el PIC18F4620, su
diagrama se observa en la figura 3.3.
27
Figura 3.3. Diagrama de pines del PIC18F4620 [26]
Este consta de:
- 1 Conversor analógico/digital (A/D) a 10 bits
- 13 Entradas analógicas
- 1 Módulo PWM a 10 bits
- 1 Módulo EUSART
- 24 salidas digitales
- 4 Módulos TIMER
3.2.1.1.2 Sensor de Voltaje
El sensor de voltaje consta de 2 resistencias en serie formando un divisor de voltaje y
de un filtro paso bajo RC con 𝑓𝑐 = 20𝐻𝑧 para filtrar el ruido provocado por la
conmutación del Mosfet, su circuito se muestra en la figura 3.4.
Figura 3.4. Sensor de voltaje a la salida del panel. Fuente: Los Autores
28
El sensor debe consumir la mínima potencia posible por lo que se han escogido
resistencias del orden de los kilo-Ohms, y debe dar un voltaje máximo de 5V a la
entrada del canal A/D. De acuerdo a estas consideraciones y tomando como referencia
el máximo voltaje a la salida del panel de 25V, el valor de R1 y R2 se calcula a
continuación:
𝑽𝑹𝟐 = 𝑽𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍 (𝑹𝟐
𝑹𝟏 + 𝑹𝟐)
(3.6)
Imponiendo un valor de R1=68KΩ, R2 resulta:
𝑹𝟐 =𝑽𝑹𝟐. 𝑹𝟏
𝑽𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍 − 𝑽𝑹𝟐
(3.7)
𝑹𝟐 =𝟓. 𝟔𝟖𝟎𝟎𝟎
𝟐𝟓 − 𝟓Ω
(3.8)
𝑹𝟐 = 𝟏𝟕 𝒌Ω (3.9)
El menor valor comercial que asegura que el voltaje 𝑉𝑅2 no sobrepase los 5V es de
15 𝐾Ω, por lo tanto:
𝑹𝟏 = 𝟔𝟖 𝒌Ω (3.10)
𝑹𝟐 = 𝟏𝟓 𝒌Ω (3.11)
Los valores de resistencia y condensador para el filtro paso bajo se calculan con la
siguiente ecuación:
𝒇𝒄 =𝟏
𝟐𝝅𝑹𝑪
(3.12)
Con 𝑓𝑐 = 20𝐻𝑧, 𝐶 = 22𝑢𝐹 y 𝑅 = 360Ω ≈ 330Ω
29
3.2.1.1.3 Sensor de Corriente
El sensor de corriente a utilizarse es el ACS712 de Allegro MicroSystems, consiste de
un sensor lineal de efecto Hall con un conductor de cobre entre sus terminales. El flujo
de corriente por el conductor de cobre genera un campo magnético que el sensor
convierte en un voltaje proporcional. En la figura 3.5 se muestra la estructura interna
del ACS712.
Figura 3.5. Sensor de corriente ACS712 [27]
El sensor de corriente viene en rangos de corriente de ±5 A, ±20 A, ±30 A, el sensor
escogido es el de ±30 A. La sensibilidad del sensor es de 66mV/A, esta se utiliza para
calcular la corriente que circula en función del voltaje de salida del sensor.
Con 𝐼𝑝 = 0, 𝑉𝑜 = 𝑉𝑐𝑐/2 y con 𝐼𝑝 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑜 = 4.48 𝑉; con estos valores máximos y
mínimos y con la sensibilidad del sensor, la corriente en función del voltaje es:
𝑰𝒑 =𝑽𝒐 − 𝟐. 𝟓
𝟎. 𝟎𝟔𝟔
(3.13)
La salida 𝑉𝑜 del sensor debe ir conectada a un filtro paso bajo RC con los valores
calculados para el sensor de voltaje, la salida del filtro se conecta a la entrada AN1 del
microcontrolador como se muestra en la figura 3.6.
30
Figura 3.6. Conexión del sensor de corriente al microcontrolador [27].
3.2.1.1.4 Mosfet driver
El Mosfet es un dispositivo accionado por voltaje, para que entre en estado de
conducción el voltaje de compuerta debe ser mayor que el voltaje umbral y para
apagarlo el voltaje de compuerta debe ser menor que el voltaje umbral.
El valor del voltaje umbral depende del tipo de Mosfet y su valor viene en el datasheet
del dispositivo, este oscila entre los 5 V y 20 V por lo que la salida lógica del PWM
del microcontrolador no puede ir directamente conectada a la compuerta.
El circuito de excitación del Mosfet debe ser capaz de generar y absorber corrientes
rápidamente para conseguir una conmutación de alta velocidad, para conseguirlo se ha
escogido el driver IR2110 [28]. El circuito de excitación del Mosfet se muestra en la
figura 3.7.
31
Figura 3.7. Circuito de excitación del Mosfet [28].
3.2.1.1.5 LCD
Los valores de voltaje, corriente y potencia instantánea se visualizan en el módulo
LCD de 2x16, se utiliza el puerto D del microcontrolador para enviar las señales a
visualizar. La conexión del LCD con el microcontrolador se muestra en la figura 3.8.
Figura 3.8. Conexión del LCD. Fuente: Los Autores
32
3.2.1.1.6 Interfaz Serial-USB
Los datos de corriente, voltaje y PWM se envían al computador por medio del módulo
serial del pic. El circuito para el envío de los datos se muestra en la figura 3.9, este
consta del FT232RL que es un conversor de señales RS-232 a USB.
Figura 3.9. Interfaz Serial-USB con FT232RL [29].
3.2.1.2 Software
El software es el encargado de realizar el seguimiento del punto máximo de potencia
del panel, este se carga en el microcontrolador PIC 18F4620 y el diagrama de bloques
del programa principal se muestra en la figura 3.10.
33
INICIO
INICIALIZACIÓN DE VARIABLES
CONFIGURACIÓN DE PERIFÉRICOS
WHILE
FIN
CONFIGURACIÓN DE LA INTERRUPCION
ENVIO DE DATOS POR PUERTO SERIAL
VISUALIZACION DE VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA EN EL LCD
If (Envio_datos)
Y
N
Figura 3.10. Diagrama de flujo del programa principal. Fuente: Los Autores
El programa principal consta de 5 subrutinas divididas en 2 partes: en la primera parte
se define e inicializa las variables utilizadas en el programa principal, se configuran
los periféricos utilizados por el microcontrolador y por último se configura la
interrupción por desbordamiento del TIMER0; la segunda parte es en donde se
visualizan los datos en el LCD y se envían los datos al computador dependiendo de las
instrucciones dadas por el mismo.
34
La configuración de periféricos se muestra en la figura 3.11, el Puerto A se utiliza
como entradas analógicas para medir el voltaje y corriente del panel. El Puerto B se
utiliza como salida de los indicadores Led y el Puerto D se utiliza como salida de datos
al LCD.
El módulo ADC se configura a 10 bits, con los canales de AN0 para el voltaje AN1
para la corriente y AN2 para la referencia de la corriente.
El módulo PWM se configura para operar 𝑓 = 30𝑘𝐻𝑧 y a una resolución de 10 bits
con el fin de que el tamaño del paso sea lo más pequeño posible para disminuir el error
en estado estable.
El módulo EUSART se configura en modo asíncrono con una velocidad de 57600
baudios para transmitir los datos lo más rápido posible. El generador de baudios se
configura a 10 bits y alta velocidad.
CONFIGURACIÓN DE PERIFÉRICOS
PORTA COMO ENTRADA, PORTB COMO SALIDA, PORTD COMO SALIDA
CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO ADC, CANALES
AN0, AN1 Y AN2, CONVERSIÓN A 10 BITS
CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO PWM,
FRECUENCIA DE 20 KHZ, RESOLUCIÓN A 10 BITS
RETURN
CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO EUSART, VELOCIDAD DE TRANSMISION
DE 57600 BAUDIOS, MODO ASINCRONO, GENERADOR DE 16 BITS
Figura 3.11. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración de periféricos del PIC.
Fuente: Los Autores
35
En la figura 3.12 se muestra la configuración de la interrupción por desbordamiento
del TIMER0 y por recepción de datos en el puerto USART, ambas se configuran como
interrupciones de alta prioridad. El TIMER0 se configura con una resolución de 16
bits y con un prescaler de 2 para adquirir los datos de voltaje y corriente y para calcular
el ciclo útil con el algoritmo P&O cada 10 ms. Los registros TMR0H y TMR0L se
utilizan para cargar el valor del conteo del TIMER0 el cual se calcula con la siguiente
ecuación:
𝑵 =𝒕
𝒕𝒄𝒚 ∗ 𝒑𝒓𝒆
(3.14)
Donde 𝑁 es el número de ciclos necesarios para el desborde del TIMER0, 𝑡 es el
tiempo en el que se va a desbordar el TIMER0, 𝑡𝑐𝑦 es el ciclo de máquina y 𝑝𝑟𝑒 es el
valor del prescaler.
Con 𝑡 = 10𝑚𝑠, 𝑡𝑐𝑦 = 0.1𝑢𝑠 y 𝑝𝑟𝑒 = 2:
𝑵 = 𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎 (3.15)
Como el TIMER0 realiza el conteo de forma ascendente y debido a que comienza a
funcionar 2 ciclos de máquina después del desbordamiento el valor a cargarse en los
registros TMR0H y TMR0L es:
𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯: 𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯 = 𝟐𝟏𝟔 − 𝑵 + 𝟐 (3.16)
𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯: 𝑻𝑴𝑹𝟎𝑯 = 𝟏𝟓𝟓𝟑𝟖 (3.17)
36
CONFIGURACIÓN DE LA
INTERRUPCION
HABILITAR LA INTERRUPCION POR DESBORDE EL TIMER0
CARGAR EL VALOR DE CONTEO EN LOS REGISTROS TMR0H
TMR0L
RETURN
SELECCIONAR LA RESOLUCION DEL CONTADOR Y EL VALOR DEL PRESCALER
BORRAR LAS BANDERAS DE INTERRUPCION DEL TIMER0 Y
RECEPCION POR PUERTO SERIAL
CONFIGURAR LA PRIORIDAD DE LA INTERRUPCION
Figura 3.12. Diagrama de flujo de la subrutina para la configuración la interrupción del PIC.
Fuente: Los Autores
37
CONVERSIÓN ANALÓGICO/DIGITAL
CONVERSIÓN EN PROCESO
RETURN CONVERSIÓN
INICIAR CONVERSIÓN
YN
Figura 3.13. Diagrama de flujo de la subrutina para la conversión Analógico/Digital.
Fuente: Los Autores
Las subrutinas para medir el voltaje y la corriente a la salida del panel se muestran en
las figuras 3.14 y 3.15, estas utilizan la subrutina para la conversión A/D de la figura
3.13.
La medición del voltaje comienza con la selección del canal AN0, se selecciona como
referencia GND, se realiza la conversión con la subrutina de la figura 3.13 y se retorna
el valor del voltaje medido.
Para la medición de corriente se selecciona el canal AN1, se cambia la referencia a
AN2 debido a que el sensor de corriente entrega un voltaje de entre 2.5V – 5V, se
realiza la adquisición con la subrutina de conversión y se retorna el valor de la corriente
medida.
38
MEDICIÓN DE VOLTAJE
SELECCIONA CANAL AN0
VOLTAJE=CONVERSIÓN
RETURN VOLTAJE
SELECCIONA LA REFERENCIA EN GND
Figura 3.14. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de voltaje. Fuente: Los
Autores
MEDICIÓN DE CORRIENTE
SELECCIONA CANAL AN1
CORRIENTE=CONVERSIÓN
RETURN CORRIENTE
SELECCIONA LA REFERENCIA EN EL CANAL AN2
Figura 3.15. Diagrama de flujo para la subrutina de medición de corriente. Fuente: Los
Autores
39
Las subrutinas para el envío y recepción de datos por el puerto serial se muestran en
las figuras 3.16 y 3.17. La subrutina de recepción se utiliza para recibir la señal
proveniente del computador que indica que se envíen los datos de corriente, voltaje y
PWM. La subrutina de envío de datos comienza habilitando la transmisión, cargando
el byte a enviar en el registro TXREG y deshabilitando la transmisión. Por cada
variable a enviar se envían 2 bytes debido a que las resoluciones tanto del ADC como
del PWM son de 10 bits.
ENVIO DE DATOS POR PUERTO
SERIAL
HABILITAR LA TRANSMISIÓN
ENVIO EN PROGESO
DESHABILITAR LA TRANSMISIÓN
Y
N
RETURN
Figura 3.16. Diagrama de flujo para la subrutina de envío de datos por el puerto serial.
Fuente: Los Autores
40
RECEPCION DE DATOS POR
PUERTO SERIAL
DATO_RECIBIDO = RCREG
RETURN DATO_RECIBIDO
Figura 3.17. Diagrama de flujo para la subrutina de recepción de datos por el puerto serial.
Fuente: Los Autores
La subrutina de atención a la interrupción se muestra en la figura 3.18, esta comienza
desactivando todas las interrupciones y comparando las banderas de interrupción
activadas. Si la interrupción la provocó el desborde del TIMER0, se realizan las
mediciones de voltaje y corriente, se calcula el ciclo de trabajo del PWM con el
algoritmo P&O y se actualizan las variables. La subrutina finaliza cargando el valor
de conteo en los registros del TIMER0, borrando las banderas de interrupción y
habilitando todas las interrupciones.
41
INTERRUPCION DE ALTA PRIORIDAD
INTERRUPCIONPOR DESBORDE DEL
TIMER0
Y
MEDICIÓN DE VOLTAJE
MEDICIÓN DE CORRIENTE
ALGORITMO P&O, CONTROL DEL PWM
RETURN
HABILITAR LAS INTERRUPCIONES,
BORRAR LAS BANDERAS DE INTERRUPCION
DESHABILITAR LAS INTERRUPCIONES
CARGAR EL VALOR DE CONTEO EN LOS REGISTROS TMR0H
TMR0L
ACTUALIZAR LAS VARIABLES
N
Figura 3.18 Diagrama de flujo para la subrutina de interrupción de alta prioridad. Fuente:
Los Autores
42
Para el seguimiento del punto máximo de potencia, el algoritmo a implementar es el
de Perturbar y Observar (P&O) [13] debido su simplicidad, el diagrama de bloques del
algoritmo se muestra en la figura 3.19. Este inicia calculando la potencia actual 𝑃𝑘 y
la potencia anterior 𝑃𝑘−1 de acuerdo a los valores de voltaje y corriente medidos, se
calcula la variación de potencia ∆P y la variación de voltaje ΔV, si existe un aumento
de potencia y voltaje o si existe una disminución de potencia y voltaje, disminuye el
ciclo útil del PWM; por el contrario si aumenta la potencia y disminuye el voltaje o si
disminuye la potencia y aumenta el voltaje, aumenta el ciclo útil del PWM.
Debido a que el paso de la perturbación es fijo el sistema puede perder eficiencia o
converger lentamente dependiendo del valor escogido. Un tamaño pequeño del paso
genera seguimiento lento pero reduce el error en estado estable (pérdidas de potencia),
mientras que un mayor tamaño del paso produce un seguimiento más rápido pero un
mayor error en estado estable. Para solucionar este problema, varios algoritmos de
paso variable han sido desarrollados [30], entre los más conocidos están el método
para el algoritmo P&O, que calcula el tamaño del paso en función de la variación de
potencia ΔP [30] y el método para el algoritmo de CI en el que el paso depende de la
variación de la potencia respecto al voltaje ΔP/ΔV [30]. El método escogido es una
combinación entre el algoritmo P&O y el método de paso variable de CI, el tamaño
del paso se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación:
𝒑𝒂𝒔𝒐𝒌 = 𝒑𝒂𝒔𝒐𝒌−𝟏 ± 𝑵 ∗𝚫𝑷
𝚫𝑽
(3.18)
Donde 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑘 es el tamaño del paso actual, 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑘−1 es el tamaño del paso anterior, 𝑁
es la constante proporcional, Δ𝑃 es la variación de la potencia y Δ𝑉 es la variación del
voltaje. La ecuación 3.18 permite mantener un tamaño pequeño del paso en
condiciones de estado estable e incrementar el tamaño del paso en condiciones de
estado transitorio.
43
ALGORITMO P&O, CONTROL DEL PWM
PK_1=PKPK= VOLTAJE*CORRIENTE
PK – PK_1 = 0
PK – PK_1 > 0
VK – VK_1 > 0VK – VK_1 > 0
pwm = pwm - pasopwm = pwm + pasopwm = pwm - pasopwm = pwm + paso
RETURN pwm
Y
YNNY
N
Y
N
Figura 3.19. Diagrama de flujo para la subrutina de MPPT. Fuente: Los Autores
La subrutina para actualizar las variables se muestra en la figura 3.20, ésta se utiliza
en la subrutina de interrupción para calcular la potencia actual y anterior y el voltaje
actual y anterior necesarios para la subrutina de MPPT.
ACTUALIZAR VARIABLES
PK_1 = PKPK = VOLTAJE * CORRIENTE
VK_1 = VKVK = VOLTAJE
IK_1 = IKIK = CORRIENTE
Figura 3.20. Diagrama de flujo para la subrutina de actualización de variables. Fuente: Los
Autores
44
3.2.2 Subsistema de potencia
3.2.2.1 Conversor elevador (BOOST) [31]
El sistema de potencia consta de un conversor DC-DC elevador (BOOST), que
proporciona un voltaje de salida mayor al voltaje de entrada. El circuito del conversor
se muestra en la figura 3.21.
Figura 3.21. Conversor Elevador. Fuente: Los Autores
La topología del circuito cambia dependiendo de si el interruptor está abierto o cerrado.
En la figura 3.22 se muestran los 2 casos.
a)
45
b)
Figura 3.22. a) Circuito equivalente con el interruptor cerrado, b) Circuito equivalente con
el interruptor abierto. Fuente: Los Autores
Figura 3.23 Corriente en el inductor. Fuente: Los Autores
Análisis con el interruptor cerrado:
Cuando el interruptor está cerrado, el circuito toma la forma de la figura 3.22a. El
diodo se encuentra en polarización inversa y evita la circulación de corriente desde el
capacitor hacia el inductor.
El voltaje en el inductor es:
𝑽𝑳 = 𝑽𝒔 = 𝑳∆𝒊𝑳
∆𝒕
(3.19)
∆𝒊𝑳 =𝑽𝒔. ∆𝒕
𝑳
(3.20)
46
∆𝒊𝑳𝒄𝒆𝒓𝒓𝒂𝒅𝒐=
𝑽𝒔 . 𝑫𝑻
𝑳
(3.21)
La variación de corriente con el interruptor cerrado viene dada por la ecuación 3.3.
Análisis con el interruptor abierto:
Cuando el interruptor está abierto, el circuito toma la forma de la figura 3.22b. La
corriente almacenada en el inductor disminuye debido a que fluye hacia el capacitor y
hacia la carga. El voltaje en el inductor viene dado por:
𝑽𝑳 = 𝑽𝒔 − 𝑽𝒐 (3.22)
𝑳∆𝒊𝑳
∆𝒕= 𝑽𝒔 − 𝑽𝒐
(3.23)
∆𝒊𝑳𝒂𝒃𝒊𝒆𝒓𝒕𝒐=
(𝑽𝒔 − 𝑽𝒐). (𝟏 − 𝑫)𝑻
𝑳
(3.24)
En régimen permanente, la variación de corriente es constante, por lo tanto:
∆𝒊𝑳𝒄𝒆𝒓𝒓𝒂𝒅𝒐= −∆𝒊𝑳𝒂𝒃𝒊𝒆𝒓𝒕𝒐
(3.25)
𝑽𝒔. 𝑫𝑻
𝑳= −
(𝑽𝒔 − 𝑽𝒐). (𝟏 − 𝑫)𝑻
𝑳
(3.26)
𝑽𝒐 =𝑽𝒔
𝟏 − 𝑫
(3.27)
Para calcular la corriente media, se calcula la potencia media entregada a la carga
mediante la siguiente ecuación:
𝑷 =𝑽𝒐
𝟐
𝑹= 𝑽𝒔. 𝒊𝑳
(3.28)
𝒊𝑳 =𝟏
𝑹. 𝑽𝒔(
𝑽𝒔
𝟏 − 𝑫)
𝟐
(3.29)
𝒊𝑳 =𝑽𝒔
𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐
(3.30)
47
Las corrientes mínima y máxima vienen dadas por:
𝒊𝑳𝒎𝒊𝒏 = 𝒊𝑳 −∆𝒊𝑳
𝟐=
𝑽𝒔
𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐−
𝑽𝒔. 𝑫𝑻
𝟐𝑳
(3.31)
𝒊𝑳𝒎𝒂𝒙 = 𝒊𝑳 +∆𝒊𝑳
𝟐=
𝑽𝒔
𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐+
𝑽𝒔. 𝑫𝑻
𝟐𝑳
(3.32)
La condición para que el conversor trabaje en el modo de conducción es que la
corriente mínima sea mayor a cero.
𝑽𝒔
𝑹. (𝟏 − 𝑫)𝟐−
𝑽𝒔. 𝑫𝑻
𝟐𝑳≥ 𝟎
(3.33)
𝑳 ≥𝑹. 𝑫. (𝟏 − 𝑫)𝟐
𝟐𝒇
(3.34)
Debido al valor limitado del capacitor, el voltaje de salida es rizado. La corriente que
fluye del capacitor es:
𝒊 = 𝑪∆𝑽
∆𝒕
(3.35)
𝑽𝒐
𝑹= 𝑪
∆𝑽
∆𝒕
(3.36)
∆𝑽 =𝑽𝒐. 𝑫
𝑪. 𝑹. 𝒇
(3.37)
𝑪 >𝑫
𝑹. 𝒇(∆𝑽𝒐/𝑽𝒐)
(3.38)
3.2.2.2 Dimensionamiento de los componentes
La selección de los componentes se hace en función de los valores máximos de
corriente y voltaje que deban soportar, de la condición para modo de conducción
continuo y de la frecuencia de trabajo del PWM. En las siguientes secciones se
describe la selección de cada uno de los componentes del conversor Boost.
48
3.2.2.2.1 Inductor
El valor mínimo se calcula con la ecuación 3.32 que asegura el funcionamiento en
modo de conducción continua, y su valor depende de la frecuencia, del ciclo de trabajo
y de la carga.
Con 𝑓 = 30𝐾𝐻𝑧, 𝐷 = 0.1, 𝑅 = 100Ω:
𝑳 ≥𝟏𝟎𝟎. 𝟎, 𝟏. (𝟏 − 𝟎, 𝟏)𝟐
𝟐(𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎) (3.39)
𝑳 ≥ 𝟏𝟑𝟓 𝒖𝑯 (3.40)
Para garantizar que el conversor opere en modo de conducción continua, el inductor
seleccionado tiene una inductancia de 1.1 mH, soporta una corriente de hasta 4 A y se
muestra en la figura 3.24.
Figura 3.24. Inductor de 1mH. Fuente: Los Autores
3.2.2.2.2 Transistor
Para la selección del transistor debe tenerse en cuenta el voltaje máximo y corriente
máxima que debe soportar, también deben tenerse en cuenta la resistencia interna del
dispositivo de modo que se reduzcan las pérdidas y aumente la eficiencia del
conversor; otro factor importante es la velocidad de conmutación debido a que se
trabaja a altas frecuencias se requiere un dispositivo en el que los tiempos de subida
𝑡𝑜𝑛 y bajada 𝑡𝑜𝑓𝑓 sean los más bajo posible para evitar pérdidas.
49
La corriente máxima que debe soportar el transistor es de 10 A y un voltaje máximo
de 25 V, la frecuencia de conmutación es de 30 kHz por lo que los tiempos de subida
y bajada deben ser del orden de los nanosegundos. El transistor a utilizar es un Mosfet
de canal N tipo incremental IRF540 N [32] que soporta un voltaje de hasta 100 V y
una corriente de hasta 33 A, el tiempo de subida es de 9 ns y el de bajada de 40 ns, su
resistencia interna 𝑅𝐷𝑆𝑜𝑛 es de 40 mΩ lo que reduce las pérdidas por conducción. En
la figura 3.25 se muestra su encapsulado y distribución de pines.
Figura 3.25. Encapsulado y distribución de pines del IRF 540N [32]
3.2.2.2.3 Capacitor
El capacitor es el elemento que proporciona el voltaje a la carga cuando el Mosfet se
encuentra en saturación. El valor del capacitor depende del rizado del voltaje de salida.
El voltaje máximo que debe soportar depende de los valores del voltaje de ingreso y
del ciclo de trabajo del PWM en el peor de los casos 𝐷 = 0.8 y 𝑉𝑠 = 18 𝑉, por lo tanto
el máximo voltaje de salida es:
𝑽𝒐 𝒎𝒂𝒙 =𝟑𝟎
𝟏 − 𝟎. 𝟖= 𝟏𝟓𝟎 𝑽
(3.41)
El mínimo valor de capacitancia se calcula con la ecuación 3.36 para un voltaje de rizo
del 5% y una resistencia para el peor de los casos de 2 Ω.
𝑪 >𝟎. 𝟖
𝟐 . 𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎(𝟎. 𝟎𝟓)
(3.42)
50
𝑪 > 𝟐𝟔𝟔 𝒖𝑭 (3.43)
Por lo tanto el capacitor a utilizar es uno de 1000 𝑢𝐹, 200 𝑉 y se muestra en la figura
3.26.
Figura 3.26. Capacitor de 1000 uF - 200V. Fuente: Los Autores
3.2.2.2.4 Diodo
El diodo a seleccionar debe ser lo suficientemente rápido para trabajar a la frecuencia
de 30 kHz, debe tener un 𝑡𝑟𝑟 (tiempo de recuperación inversa) lo más bajo posible para
evitar pérdidas por conmutación, debe soportar una corriente directa de 10 A. Un diodo
normal de unión P-N cumple con los valores de voltaje y corriente sin embargo no es
lo suficientemente rápido para altas frecuencias, el diodo ideal para estas aplicaciones
es un diodo Schottky apropiado para altas frecuencias y con 𝑡𝑟𝑟 muy bajo. El modelo
a utilizar es el 30CPQ100 de “International Rectifier” con ánodo común que soporta
una corriente directa de 30 A y un voltaje inverso de 100 V, su empaquetado se
muestra en la figura 3.27.
Figura 3.27. Diodo Schottky 30CPQ100 de International Rectifier [33]
51
3.2.3 Simulaciones
La simulación del sistema se realizó en Simulink de MATLAB®, en la figura 3.28 se
muestra el diagrama de bloques, esta consta del módulo fotovoltaico Simax SM-590,
el algoritmo P&O y el conversor Boost con los valores del inductor y capacitor
calculados.
Figura 3.28. Simulación en Simulink de MATLAB®. Fuente: Los Autores
La simulación presenta los resultados con los valores de irradiancia y temperatura que
se muestran en la figura 3.29 y con diferentes valores de carga (resistencia). En la
figura 3.30 se muestra la curva de Potencia-Voltaje del panel para las irradiancias de
𝐺 = 650𝑊
𝑚2 y 𝐺 = 430𝑊
𝑚2 y en la tabla 3.2 se muestran los valores de corriente y
voltaje del punto de máxima potencia.
52
Figura 3.29. Valores de Irradiancia y Temperatura a utilizarse en la simulación. Fuente:
Los Autores
Figura 3.30. Curvas Potencia-Voltaje del panel para distintas Irradiancias. Fuente: Los
Autores
Tabla 3.2 Valores de Corriente, Voltaje y Potencia del punto de máxima potencia a distintas
irradiancias. Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 59 17,7 3,32
430 39 17,6 2,2
53
3.2.3.1 Con R = 50Ω
Las figuras 3.31 a 3.35 muestran los resultados de la simulación del sistema con 𝑅 =
50 Ω.
Figura 3.31. Potencia a la salida del Panel con R = 50Ω. Fuente: Los Autores
La figura 3.31 muestra la potencia de salida del Panel, con distintos valores de
irradiancia y temperatura se observa que el sistema extrae la máxima potencia del
panel. Para 𝐺 = 650 𝑊/ 𝑚2 𝑃 = 59 𝑊 y para 𝐺 = 430 𝑊/ 𝑚2 𝑃 = 39 𝑊, estos
valores de potencia son cercanos a los de máxima potencia de la tabla 3.2.
54
Figura 3.32. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R = 50Ω.
Fuente: Los Autores
La figura 3.32 muestra los valores de potencia a la salida del conversor con y sin el
sistema de MPPT. Se observa que con el MPPT el sistema extrae la máxima potencia
del panel y sin el sistema la potencia extraída es 𝑃 = 9 𝑊. Al comparar la potencia a
la salida del conversor con MPPT con la potencia a la salida del panel se observa que
la potencia a la salida del conversor es menor, esto es debido a la eficiencia del
conversor que oscila entre el 80% - 90%, el 10% - 20% de potencia se pierde en los
elementos del conversor BOOST.
55
Figura 3.33. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 50Ω. Fuente: Los Autores
En la figura 3.33 se muestran las curvas de voltaje y corriente a la salida del panel, los
valores de voltaje y corriente son 𝑉 = 16.5 𝑉 𝐼 = 3.4 𝐴 𝐺 = 650 𝑊/𝑚2 y 𝑉 =
17 𝑉 𝐼 = 2.5 𝐴 𝐺 = 430 𝑊/𝑚2, al comparar estos con los valores de voltaje y
corriente de máxima potencia de la tabla 3.2 se observa que son aproximados y que el
panel opera en el punto de máxima potencia para una irradiancia y la temperatura
establecida.
56
Figura 3.34. Voltaje y corriente a la salida del Conversor con R = 50Ω. Fuente: Los
Autores
La figura 3.34 muestra las curvas de voltaje y corriente a la salida del conversor. Se
observa que el voltaje de salida del conversor es mayor al voltaje de salida del panel
de la figura 3.33, y que la corriente de salida del conversor es menor que la corriente
de salida del panel.
El ciclo de trabajo del PWM se muestra en la figura 3.35, se observa que varía entre
0.6 y 0.7 con los distintos valores de irradiancia para mantener al sistema operando en
el punto de máxima potencia.
57
Figura 3.35. Ciclo de trabajo del PWM con R = 50Ω. Fuente: Los Autores
3.2.3.2 Con R=20Ω
Las figuras 3.36 a 3.40 muestran los resultados de la simulación del sistema con 𝑅 =
20 Ω.
En la figura 3.36 se muestra la potencia a la salida del panel, se observa que los valores
de potencia se ajustan a los de máxima potencia de la tabla 3.2 aún con una carga
diferente.
La figura 3.37 muestra la potencia a la salida del conversor con y sin MPPT, sin MPPT
la potencia es 𝑃 = 20 𝑊, con MPPT los niveles de potencia alcanzan los máximos que
puede entregar el panel.
58
Figura 3.36. Potencia a la salida del Panel con R = 20Ω. Fuente: Los Autores
Figura 3.37. Potencia a la salida del conversor con y sin el sistema de MPPT, con R = 20Ω.
Fuente: Los Autores
59
Figura 3.38. Voltaje y Corriente a la salida del panel con R = 20Ω. Fuente: Los Autores
Figura 3.39. Voltaje y Corriente a la salida del conversor con R = 20Ω. Fuente: Los
Autores
60
Las figuras 3.38 y 3.39 muestran las curvas de voltaje y corriente a la salida del panel
y del conversor. A la salida del panel se observa que los valores de voltaje y corriente
son los mismos que los de la figura 3.31 con R = 50Ω por lo que es evidente que el
sistema alcanza el punto de máxima potencia. A la salida del conversor el voltaje es
menor que con la carga de 50Ω (figura 3.34) por lo que se concluye que a mayor
resistencia de carga mayor debe ser el voltaje de salida del conversor y mayor el ciclo
de trabajo el mismo que se muestra en la figura 3.40 y que oscila entre 0.4 y 0.55,
menor que cuando se tenía una carga de 50Ω (figura 3.35).
Figura 3.40. Ciclo de trabajo del PWM con R = 20Ω. Fuente: Los Autores
61
3.3 Implementación del sistema
La figura 3.41 muestra el sistema de potencia que consta de tres partes: el driver para
el disparo del Mosfet, el conversor Boost que toma el voltaje del panel, lo eleva y lo
entrega a la carga y los sensores de corriente y voltaje que van hacia la parte de control.
El sistema de control completo se muestra en la figura 3.42, en esta se observan todos
los elementos en la parte del hardware incluidos 2 leds indicadores de funcionamiento
y transmisión de datos.
Figura 3.41. Subsistema de Potencia. Fuente: Los Autores
62
Figura 3.42. Subsistema de Control. Fuente: Los Autores
63
En la figura 3.43 se muestra el circuito impreso del sistema de potencia, y en la figura
3.44 se muestra el circuito impreso de control. En la figura 3.45 se muestra la
disposición de los pines de salida y la figura 3.46 muestra el dispositivo final montado
en la carcasa.
Figura 3.43. Circuito impreso del subsistema de Potencia. Fuente: Los Autores
Figura 3.44. Circuito impreso del subsistema de Control. Fuente: Los Autores
Los valores máximos de voltaje y corriente a los que puede trabajar el sistema se
muestran en la tabla 3.3.
Tabla 3.3. Valores de Corriente y Voltaje máximos a la entrada y salida del sistema.
Fuente: Los Autores
PARÁMETRO ENTRADA SALIDA
Voltaje Max. 30 V 200 V
Corriente Max. 10 A 10A
64
Se debe considerar que para corrientes de ingreso mayores a 4A, se debe cambiar de
inductor.
Figura 3.45. Disposición de los pines de salida del sistema. Fuente: Los Autores
Figura 3.46. Dispositivo final montado en la carcasa. Fuente: Los Autores
65
Capítulo IV
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Se realizaron pruebas de funcionamiento del algoritmo P&O con paso fijo y con paso
variable, también se realizaron pruebas con diferentes valores de irradiancia,
temperatura y carga con y sin el sistema de MPPT. Se tomaron los datos de voltaje,
corriente, potencia a la salida del panel y a la salida del sistema y se compararon con
los valores de máxima potencia de la tabla 4.1.
4.1 Pruebas del algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable
4.2.1 Punto de máxima potencia del panel fotovoltaico
En las figuras 4.1 y 4.2 se muestran las curvas voltaje, corriente y potencia del panel
fotovoltaico para distintas irradiancias, se puede observar que la potencia tiene un
máximo para un voltaje y corriente dados que se muestran en la tabla 4.1. Las
mediciones se realizaron sin el sistema MPPT y variando la carga conectada al panel
Figura 4.1. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=650𝑊/𝑚2. Fuente:
Los Autores
66
Figura 4.2. MPP para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9 con G=430𝑊/𝑚2. Fuente:
Los Autores
La siguiente tabla muestra los valores del punto máximo de potencia para irradiancias
de 650𝑊/𝑚2 y 430𝑊/𝑚2 para el panel fotovoltaico SIMAX SM536-9.
Tabla 4.1. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia máximos a la salida del panel con
distintas irradiancias. Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 59 17 3,4
430 39 18 2,1
4.2.2 Algoritmo P&O con paso fijo y con paso variable
Las figuras 4.3 y 4.4 muestran las formas de onda de voltaje, corriente y potencia a la
salida del panel con el algoritmo P&O a paso fijo y a paso variable.
En la figura 4.3 se observa que el tiempo de subida para el P&O con paso fijo es de
aproximadamente 7.5s el cual es un tiempo bastante grande si se compara con el
tiempo de subida del P&O con paso variable que es de aproximadamente 500ms
(figura 4.4).
67
El excesivo tiempo de subida del P&O con paso fijo ocasiona pérdidas de energía y
disminuye la eficiencia del sistema.
Figura 4.3. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso fijo. Fuente:
Los Autores
Figura 4.4. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel con P&O de paso variable.
Fuente: Los Autores
68
4.2 Pruebas con MPPT
4.3.1 Con R = 20Ω
4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia
En la figura 4.5 se muestran las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del
panel y en la figura 4.6 a la salida del sistema. Las pruebas se realizaron con una
disminución en la irradiancia de 650 𝑊/𝑚2 a 430 𝑊/𝑚2 y con una temperatura de
26°C. Se observa que al disminuir la irradiancia el sistema se ajusta hasta alcanzar el
punto de máxima potencia.
Tabla 4.2. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 60 16,5 3,6
430 40 17,6 2,3
La tabla 4.2 muestra los valores de potencia, voltaje y corriente a la salida del panel y
a distintas irradiancias, se observa que los valores son cercanos a los de máxima
potencia de la tabla 4.1.
Figura 4.5. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. Fuente: Los Autores
69
Tabla 4.3. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 51 34 1,5
430 36 28 1,3
La tabla 4.3 muestra los valores a la salida del conversor, se observa que la potencia
de salida es menor a la potencia entregada por el panel, esto se debe a las pérdidas en
el circuito de potencia; se observa también que el voltaje de salida es mayor al del
panel debido a la acción del conversor elevador, a mayor irradiancia mayor debe ser
el voltaje de salida para que el panel entregue la máxima potencia.
La eficiencia del conversor se calcula con la siguiente ecuación:
𝜼 =𝑷𝒔𝒂𝒍
𝑷𝒊𝒏
(4.1)
Para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟖𝟓% (4.2)
Para 𝐺 = 430𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟗𝟎% (4.3)
Se observa a partir de las ecuaciones 4.2 y 4.3 que la eficiencia del sistema disminuye
con el aumento de potencia debido a que se incrementan las pérdidas por conmutación
en el mosfet y en los elementos del conversor elevador.
70
Figura 4.6. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. Fuente: Los Autores
El ciclo de trabajo se muestra en la figura 4.7, se observa que el valor del ciclo
disminuye de 0.52 a 0.4 ante la disminución de la irradiancia para mantener al sistema
funcionando en el punto de máxima potencia. El valor del ciclo se mantiene al mínimo
para disminuir las pérdidas; en la figura 4.6 se observa que las pérdidas en estado
estable están alrededor de los 2W.
Figura 4.7. Ciclo de trabajo del sistema. Fuente: Los Autores
71
4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia
Las figuras 4.8 y 4.9 muestran las curvas de voltaje, corriente y potencia cuando se
aumenta la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2, las pruebas se realizaron con una
temperatura del panel de aproximadamente 40°C.
En la tabla 4.4 se muestran los valores a la salida del panel, se observa que el voltaje
y la potencia son menores que los de la tabla 4.2, esto se debe al incremento de la
temperatura del panel.
Tabla 4.4. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
430 38 16,4 2,3
650 55,2 15,3 3,6
De las figuras 4.8 y 4.9 se observa que cuando se da un aumento de la irradiancia, el
sistema ajusta el ciclo de trabajo (figura 4.10) para mantener al panel operando en el
punto de máxima potencia.
Figura 4.8. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. Fuente: Los Autores
72
La tabla 4.5 muestra los valores a la salida del conversor, la eficiencia se muestra en
las ecuaciones 4.4 y 4.5; se observa que la eficiencia está por encima del 85%.
Para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟖𝟗% (4.4)
Para 𝐺 = 430𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟖𝟓% (4.5)
Tabla 4.5. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 34 28 1,2
430 47 34 1,4
Figura 4.9. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. Fuente: Los Autores
73
En la figura 4.10 se muestra el ciclo de trabajo, el cual aumenta de 0,43 a 0,57 con el
aumento de la irradiancia para mantener al panel operando en el punto de máxima
potencia.
Figura 4.10. Ciclo de trabajo del sistema. Fuente: Los Autores
4.3.2 Con R = 45Ω
4.2.2.1 Con disminución de la irradiancia
En la figura 4.11 se observan las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del
panel y en la figura 4.12 se observan a la salida del conversor para una carga de 45Ω;
la temperatura del panel es de aproximadamente 35°C. Los datos de esta prueba se
tomaron con una disminución de la irradiancia de 650𝑊/𝑚2 a 430𝑊/𝑚2.
En la tabla 4.6 se muestran los valores a la salida del panel, para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 estos
se aproximan a los de máxima potencia de la tablas 3.3 y 4.1.
Tabla 4.6. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 59 16,5 3,5
430 41 17,3 2,4
74
Figura 4.11. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. Fuente: Los Autores
La eficiencia del conversor se calcula con los valores de las tablas 4.6 y 4.7.
Para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟖𝟒% (4.6)
Para 𝐺 = 430𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟗𝟎% (4.7)
Tabla 4.7. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
650 50 50 1
430 37 42 0,9
75
De acuerdo con los valores de la tabla 4.7 la potencia de salida cuando 𝐺 = 650𝑊/𝑚2
es aproximada a la de la tabla 4.3 con R=20Ω, pero el voltaje es 16V mayor y la
corriente es 0.55 A menor, lo que indica que el sistema se ajusta ante variaciones en la
carga para mantener al panel operando a su máxima potencia.
Figura 4.12. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. Fuente: Los Autores
En la figura 4.13 se muestra el ciclo de trabajo, las pérdidas en estado estable son de
alrededor de 2 W, también se observa que es mayor al de la figura 4.5 con R=20Ω; por
lo tanto a mayor resistencia de carga mayor debe ser el ciclo de trabajo y mayor el
voltaje para que el panel opere en el punto de máxima potencia.
76
Figura 4.13. Ciclo de trabajo del sistema. Fuente: Los Autores
4.2.2.2 Con aumento de la irradiancia
La figura 4.14 muestra las curvas de voltaje, corriente y potencia con un aumento de
la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2 a una temperatura de 40°C.
Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.8, se observa que
son cercanos a los de la tabla 4.3 con R=20Ω y a los de la tabla 4.1 lo que indica que
el panel entrega la máxima potencia.
Tabla 4.8. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del panel. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
430 37 16,5 2,25
650 56 15,2 3,6
77
Figura 4.14. Voltaje, corriente y potencia la salida del panel. Fuente: Los Autores
La figura 4.15 muestra las curvas de voltaje, corriente y potencia a la salida del
conversor, estos valores se muestran en la tabla 4.9. Se observa que debido al aumento
de la resistencia de carga y para mantener al panel operando en el punto de máxima
potencia los voltajes tanto a 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 como a 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 son mayores y
las corrientes son menores que los datos de la tabla 4.5 con R=20Ω.
Tabla 4.9. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia a la salida del conversor. Fuente: Los
Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
430 34 42 0,8
650 49 49 1
La eficiencia del conversor se muestra en las ecuaciones 4.8 y 4.9.
Para 𝐺 = 430𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟗𝟏% (4.8)
78
Para 𝐺 = 650𝑊/𝑚2:
𝜼 = 𝟗𝟎% (4.9)
Figura 4.15. Voltaje, corriente y potencia a la salida del conversor. Fuente: Los Autores
La curva del ciclo de trabajo se muestra en la figura 4.16, se observa que esta se ajusta
al incremento de la irradiancia para mantener al panel entregando la máxima potencia.
También se observa que el valor del ciclo de trabajo es mayor que el de la figura 4.10
debido al incremento en la resistencia de carga.
79
Figura 4.16. Ciclo de trabajo del sistema. Fuente: Los Autores
4.3 Pruebas sin MPPT
Las pruebas sin MPPT se realizaron con resistencias de carga de 20Ω y 45Ω y con el
incremento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.
4.3.1 Con R = 20Ω
En la figura 4.17 se observa las curvas de voltaje, corriente y potencia en la carga con
un aumento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.
Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.10, se observa un
ligero incremento en potencia cuando se incrementa la irradiancia a los 23s.
Tabla 4.10. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
430 36 20 1,8
650 38 21 1,8
80
Figura 4.17. Voltaje, corriente y potencia en la carga. Fuente: Los Autores
4.3.2 Con R = 45Ω
En la figura 4.18 se observa las curvas de voltaje, corriente y potencia en la carga con
un aumento de la irradiancia de 430𝑊/𝑚2 a 650𝑊/𝑚2.
Los valores medidos a la salida del panel se muestran en la tabla 4.11, se observa un
ligero incremento en la potencia cuando se incrementa la irradiancia a los 15s, se
observa también una disminución de la potencia con respecto a la carga de 20Ω.
Tabla 4.11. Valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga. Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA G [𝑾/𝒎𝟐] POTENCIA [W] VOLTAJE [V] CORRIENTE [A]
430 7,6 19 0,4
650 8 20 0,4
81
Figura 4.18. Voltaje, corriente y potencia en la carga. Fuente: Los Autores
4.4 Comparación de las pruebas con MPPT y sin MPPT
En la figura 4.19 se muestra la curva de la potencia entregada por el panel con variación
de la carga con el sistema MPPT y sin en sistema MPPT, las mediciones se realizaron
con una irradiancia constante de 𝐺 = 650𝑊/𝑚2. Se observa que sin el sistema MPPT,
la potencia varía desde un valor mínimo hasta el MPP de 58W y desde el MPP hasta
un valor mínimo otra vez. Con el sistema MPPT conectado, la potencia entregada por
el panel es la máxima y se mantiene constante ante variaciones de la carga. La
resistencia en el punto de máxima potencia es de R=5.4Ω lo que significa que solo a
este valor de resistencia el panel entrega la máxima potencia.
La tabla 4.12 muestra los valores de potencia con MPPT y sin MPPT. Se observa que
con 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 y con R=20Ω la potencia sin MPPT es 2 W que con MPPT debido
82
a que la temperatura del panel era menor. Con 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 la potencia con MPPT
es 1.23 veces mayor que sin MPPT.
Con R=45Ω se observa que la potencia con MPPT a 𝐺 = 430𝑊/𝑚2 es 4.47 veces
mayor que sin MPPT y con 𝐺 = 650𝑊/𝑚2 la potencia es 6.12 veces mayor.
Figura 4.19. Potencia entregada por el panel con y sin MPPT, con variación de la carga.
Fuente: Los Autores
Tabla 4.12. Tabla comparativa con los valores de Corriente, Voltaje y Potencia en la carga
con y sin MPPT. Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA
G [𝑾/𝒎𝟐]
POTENCIA
[W]
CON MPPT,
R=20Ω
POTENCIA
[W]
SIN MPPT,
R=20Ω
POTENCIA
[W]
CON MPPT,
R=45Ω
POTENCIA
[W]
SIN MPPT,
R=45Ω
430 34 36 34 7,6
650 47 38 49 8
83
De la tabla 4.13 se observa que la eficiencia del sistema con MPPT se mantiene por
encima del 85%, mientras que sin MPPT la eficiencia varía entre 12% y 94%
dependiendo de la carga conectada y del punto de máxima potencia del panel.
Tabla 4.13. Tabla comparativa con los valores de la eficiencia del sistema con y sin MPPT.
Fuente: Los Autores
IRRADIANCIA
G [𝑾/𝒎𝟐]
EFICIENCIA
CON MPPT,
R=20Ω
EFICIENCIA
SIN MPPT,
R=20Ω
EFICIENCIA
CON MPPT,
R=45Ω
EFICIENCIA
SIN MPPT,
R=45Ω
430 89% 94% 90% 20%
650 85% 69% 91% 14%
4.5 Presupuesto
En la tabla 4.14 se muestran todos los elementos necesarios con su respectivo costo
unitario para la implementación del sistema.
84
Tabla 4.14. Costos de implementación de sistema MPPT. Fuente: Los Autores
COMPONENTE CANTIDAD PRECIO TOTAL [$]
CONDENSADORES 21 10.00
INDUCTOR (1Mh) 1 20.00
RESISTENCIAS 13 2.50
DIODO 1N4148 2 0.80
DIODO 1N4007 1 0.25
DIODO 30CPQ100 1 23.00
SENSOR ACS 712 1 15.00
DRIVER IR2110 1 10.00
LM2576T 1 7.00
FT232R 1 4.70
USB-B 1 0.75
MICROCONTROLAR
18F4620
1 12.00
OSCILADOR 10Mhz 1 0.75
MOSFET IRF540 N 1 2.50
LCD 16X2 1 7.50
COSTOS DEL CIRCUITO IMPRESO
IMPRESION PCB 55.00
MATERIALES PCB 5.00
CARCASA 10.00
TOTAL SISTEMA ELECTRONICO 186.75
85
Capítulo V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Con el desarrollo del proyecto se pudo verificar la importancia de los sistemas para el
seguimiento del MPP, los cuales sirven para incrementar la eficiencia de un sistema
fotovoltaico al aprovechar la máxima potencia que estos pueden entregar.
Actualmente existen distintos sistemas para el seguimiento del MPP, los más
utilizados debido a su facilidad de implementación son el P&O y el CI. También se
encuentran los métodos de seguimiento por redes neuronales y por control difuso, el
problema con estos métodos es su dificultad de implementación y dado que
prácticamente no son más eficientes que los de P&O y CI estos últimos son los más
utilizados.
Debido al comportamiento no lineal de un panel fotovoltaico este no trabaja en el MPP
lo que da lugar a un desperdicio de potencia, para aprovechar la máxima potencia que
este puede dar el sistema implementado actúa como adaptador de impedancias
ajustando el voltaje de salida para que el panel trabaje en el MPP.
El script realizado en Matlab® permitió adquirir los datos de voltaje, corriente y PWM
a la salida del panel para observar el comportamiento del sistema ante variaciones en
la irradiancia y la carga.
Las pruebas realizadas muestran que cuando se utiliza el sistema de MPPT el panel
fotovoltaico trabaja en la cercanía del MPP aun cuando se den cambios en los valores
de irradiancia y en la carga. Cuando no se utiliza el sistema de MPPT el panel
fotovoltaico opera en distintos puntos sobre la curva P-V del panel fotovoltaico
dependiendo de la irradiancia y la carga.
Cuando se conecta el sistema de MPPT se observa que la eficiencia total (panel
fotovoltaico + MPPT) está sobre el 85%, mientras que cuando no se conecta el sistema
86
de MPPT la eficiencia varía entre 14% y 95% dependiendo de la carga conectada y de
la irradiancia.
El algoritmo de paso variable empleado para el seguimiento del MPP, el cual es un
híbrido entre el algoritmo P&O y el de CI demostró realizar un seguimiento más rápido
del MPP ante cambios en la irradiancia comparado con el algoritmo P&O de paso fijo
reduciendo las pérdidas de potencia.
5.2 Recomendaciones y Trabajo futuro
Como recomendación se debe tener en cuenta que la máxima corriente de entrada es
de 10A, dado que el inductor soporta hasta 4A, para corrientes superiores se debe
cambiar de inductor.
Dado que el conversor DC-DC utilizado es un conversor Boost, el sistema de
seguimiento no funciona para 𝑅𝐿𝑜𝑎𝑑 < 𝑅𝑚𝑝𝑝, para este caso se recomienda cambiar el
conversor Boost por un Buck-Boost.
También se debe asegurar de tener conectada una carga al sistema para evitar
acumulación de energía en el inductor y capacitores que pueden dañar el circuito de
potencia.
Como trabajo futuro se recomienda implementar un inversor DC-AC con capacidad
de conectarse a la red eléctrica.
Se puede también implementar un sistema de almacenamiento de energía mediante la
utilización de baterías cuando no exista irradiancia.
87
ANEXOS
ANEXO I
SOFTWARE DEL SISTEMA REALIZADO EN MPLAB C18
#include "p18f4620.h"
#include "math.h"
#include "delays.h"
#include "stdio.h"
#include "lcd_config.h"
// CONFIG1H
#pragma config OSC = HSPLL // Oscillator Selection bits (HS oscillator, PLL enabled (Clock
Frequency = 4 x FOSC1))
#pragma config FCMEN = OFF // Fail-Safe Clock Monitor Enable bit (Fail-Safe Clock Monitor
disabled)
#pragma config IESO = OFF // Internal/External Oscillator Switchover bit (Oscillator Switchover
mode disabled)
// CONFIG2L
#pragma config PWRT = OFF // Power-up Timer Enable bit (PWRT disabled)
#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Reset Enable bits (Brown-out Reset disabled in
hardware and software)
#pragma config BORV = 3 // Brown Out Reset Voltage bits (Minimum setting)
// CONFIG2H
#pragma config WDT = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled (control is placed on
the SWDTEN bit))
#pragma config WDTPS = 32768 // Watchdog Timer Postscale Select bits (1:32768)
// CONFIG3H
#pragma config CCP2MX = PORTC // CCP2 MUX bit (CCP2 input/output is multiplexed with RC1)
#pragma config PBADEN = OFF // PORTB A/D Enable bit (PORTB<4:0> pins are configured as
digital I/O on Reset)
#pragma config LPT1OSC = OFF // Low-Power Timer1 Oscillator Enable bit (Timer1 configured for
higher power operation)
#pragma config MCLRE = ON // MCLR Pin Enable bit (MCLR pin enabled; RE3 input pin disabled)
// CONFIG4L
88
#pragma config STVREN = ON // Stack Full/Underflow Reset Enable bit (Stack full/underflow will
cause Reset)
#pragma config LVP = ON // Single-Supply ICSP Enable bit (Single-Supply ICSP enabled)
#pragma config XINST = OFF // Extended Instruction Set Enable bit (Instruction set extension and
Indexed Addressing mode disabled (Legacy mode))
// CONFIG5L
#pragma config CP0 = OFF // Code Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not code-protected)
#pragma config CP1 = OFF // Code Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not code-protected)
#pragma config CP2 = OFF // Code Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not code-protected)
#pragma config CP3 = OFF // Code Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not code-protected)
// CONFIG5H
#pragma config CPB = OFF // Boot Block Code Protection bit (Boot block (000000-0007FFh) not
code-protected)
#pragma config CPD = OFF // Data EEPROM Code Protection bit (Data EEPROM not code-
protected)
// CONFIG6L
#pragma config WRT0 = OFF // Write Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not write-
protected)
#pragma config WRT1 = OFF // Write Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not write-
protected)
#pragma config WRT2 = OFF // Write Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not write-
protected)
#pragma config WRT3 = OFF // Write Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not write-
protected)
// CONFIG6H
#pragma config WRTC = OFF // Configuration Register Write Protection bit (Configuration registers
(300000-3000FFh) not write-protected)
#pragma config WRTB = OFF // Boot Block Write Protection bit (Boot Block (000000-0007FFh)
not write-protected)
#pragma config WRTD = OFF // Data EEPROM Write Protection bit (Data EEPROM not write-
protected)
// CONFIG7L
#pragma config EBTR0 = OFF // Table Read Protection bit (Block 0 (000800-003FFFh) not protected
from table reads executed in other blocks)
89
#pragma config EBTR1 = OFF // Table Read Protection bit (Block 1 (004000-007FFFh) not protected
from table reads executed in other blocks)
#pragma config EBTR2 = OFF // Table Read Protection bit (Block 2 (008000-00BFFFh) not
protected from table reads executed in other blocks)
#pragma config EBTR3 = OFF // Table Read Protection bit (Block 3 (00C000-00FFFFh) not
protected from table reads executed in other blocks)
// CONFIG7H
#pragma config EBTRB = OFF // Boot Block Table Read Protection bit (Boot Block (000000-
0007FFh) not protected from table reads executed in other blocks)
//#define _XTAL_FREQ 40000000
//------------------------------------------------------------------------------
// Prototipo de procedimientos y funciones del programa principal. -
//------------------------------------------------------------------------------
void iConfiguracionPerifericos(void);
void iInicializacionVariables(void);
unsigned int mppt(float Pk, float Pk1, float Vk, float Vk1);
unsigned int ADC_Conv(void);
void iConfiguracionUsart(void);
void iTxUsartMain(unsigned int);
unsigned char iRecepcionUsart(void);
void DelayFor18TCY(void);
void DelayPORXLCD(void);
void DelayXLCD(void);
#pragma interrupt Interrupcion_Alta_Prioridad
#pragma code Interrupcion = 0x0008
void VectorInterrupcion(void)
_asm goto Interrupcion_Alta_Prioridad _endasm
#pragma code
//------------------------------------------------------------------------------
// Definicion de variables del programa principal. -
//------------------------------------------------------------------------------
float voltajeact, voltajeant , corriente, Pactual, Pant, deltaPotencia, deltavoltaje, ProdPV, conversion,
lcdciclo, abdeltavoltaje;
90
float dPdV, NN, DP1, DV1, deltapv, promedioV, promedioI, bitslsbadc;
unsigned char lcdciclo1, lcdciclo2, dato_recibido, envio_datos,
envio_caracter,voltaje_h,voltaje_l,corriente_h,corriente_l, pwm10bitsH, pwm10bitsL,dPdVH,dPdVL,
j, a1, b;
unsigned int lcdvoltaje1, lcdvoltaje2, corriente1, corriente2, lcdvoltaje3, corriente3,
voltajeint,corrienteint, voltajeserial, corrienteserial, adc10bits, dPdVint, paso, lcdpot1, lcdpot2, lcdpot3,
contador_lcd;
float V0, V1, V2, V3, V4, V5, I0, I1, I2, I3, I4, I5, porcentaje, sensibilidad, refp, cicloutil;
unsigned int Runo, Rdos, ciclo, pwm11;
//------------------------------------------------------------------------------
// Procedimiento que inicializa las variables -
//------------------------------------------------------------------------------
void iInicializacionVariables(void)
voltajeact=0;
voltajeant=0;
corriente=0;
Pactual=0;
Pant=0;
paso=3;
Runo=68000;
Rdos=15000;
pwm11=3;
ciclo=0;
deltaPotencia=0;
deltavoltaje=0;
cicloutil=0;
ProdPV = 0;
lcdvoltaje1=0;
corriente1=0;
lcdvoltaje2=0;
corriente2=0;
lcdvoltaje3 = 0;
corriente3=0;
lcdciclo=0,lcdciclo1=0, lcdciclo2=0;
V0=0 , V1=0, V2=0, V3=0, V4=0, V5=0;
dPdV = 0;
NN = 10;
voltajeint=0;
corrienteint=0;
91
promedioI=0;
bitslsbadc=0;
porcentaje=0.09775171065;
sensibilidad = 0.066;
refp = 3.20;
dato_recibido=0;
envio_datos=0;
envio_caracter ='E';
voltaje_h=0;
voltaje_l=0;
corriente_h=0;
corriente_l=0;
lcdpot1=0;
lcdpot2=0;
lcdpot3=0;
contador_lcd=0;
j=0;
a1 = 0;
b = 0;
//------------------------------------------------------------------------------
// Procedimiento que configura los distintos periféricos del PIC18F4620 -
//------------------------------------------------------------------------------
void iConfiguracionPerifericos(void)
RCONbits.SBOREN = 0;
PORTA=0x00;
TRISA=0b00001111;
PORTB=0x00;
TRISB=0x00;
PORTC=0x00;
TRISC=0b11000000;
PORTD=0x00;
TRISD=0x00;
// MODULO ADC
ADCON0=0b00000001;
ADCON1=0b00001011;
ADCON2=0b10100101;
92
// MODULO PWM
PR2=249;
CCP1CON=0b00001100;
T2CON=0b00000100;
CCPR1H=255;
CCPR1L=255;
CCP1CONbits.DC1B1=1;
CCP1CONbits.DC1B0=0;
//Configuracion de interrupcion
RCONbits.IPEN=1;
INTCON = 0b10100000; // Habilitadas las interrupciones por puerto serial, y por TIMER 0
INTCON2 = 0b10000100; // Habilita la interrupcion por flanco negativo en RB2(INT2)
INTCON3 = 0b10010000; // Habilitar INT2, Alta prioridad, INT2IF = 0
T0CON = 0b10000000; // Timer de 16 bits, pre=2
TMR0H = 60; //00111100
TMR0L = 178; //10110010 // 10 ms
IPR1bits.RCIP=1; //Alta prioridad
PIR1bits.RCIF=0; //Bandera a 0
PIE1bits.RCIE=1; //Habilitar la interrupción por recepción
//------------------------------------------------------------------------------
// Funcion que calcula el PWM para MPP -
//------------------------------------------------------------------------------
unsigned int mppt(float Pk, float Pk1, float Vk, float Vk1)
deltaPotencia = Pk - Pk1;
deltavoltaje = Vk - Vk1;
ProdPV = deltaPotencia*deltavoltaje;
if (deltavoltaje > 0)
abdeltavoltaje = deltavoltaje;
else
abdeltavoltaje = -1*deltavoltaje;
93
if (abdeltavoltaje < 0.11)
dPdV = 0;
else
dPdV = fabs(deltaPotencia/deltavoltaje);
if (dPdV > 3)
paso = NN*dPdV;
else
paso = 3;
if (ProdPV > 0)
pwm11 = pwm11 - paso;
else
pwm11 = pwm11 + paso;
if (pwm11 <= 3) //SATURACION del PWM a 0.1
pwm11 = 3; //SATURACION del PWM a 0.1
if (pwm11 > 900) //SATURACION del PWM a 0.75
pwm11 = 900; //SATURACION del PWM a 0.75
return pwm11;
//------------------------------------------------------------------------------
// Funcion que realiza le conversion del valor adquirido en ADC1 -
// Valor de la conversion entre 0 - 1023
//------------------------------------------------------------------------------
94
unsigned int ADC_Conv(void)
ADCON0bits.GO_DONE=1;
while(ADCON0bits.GO_DONE==1)
Nop();
_asm nop _endasm
return ((256*ADRESH)+(ADRESL));
//------------------------------------------------------------------------------
// Configuración del módulo usart para modo master asíncrono. -
//------------------------------------------------------------------------------
void iConfiguracionUsart(void)
RCSTA = 0b10010000;
TXSTA = 0b00000100;
TRISCbits.RC6 = 1;
TRISCbits.RC7 = 1;
BAUDCON = 0b00001000;
SPBRGH = 0;
SPBRG = 172;
//------------------------------------------------------------------------------
// Transmisión de datos desde el microcontrolador Pic 18F452 hacia el PC. -
//------------------------------------------------------------------------------
void iTxUsartMain(unsigned int datotransmisionmaster)
TXSTAbits.TXEN=1; //transmisión habilitada
TXREG=datotransmisionmaster;
while(!TXSTAbits.TRMT)
continue;
TXSTAbits.TXEN=0; //transmisión deshabilitada
//------------------------------------------------------------------------------
// Recepción de datos desde el PC (interrupción alta prioridad). -
//------------------------------------------------------------------------------
unsigned char iRecepcionUsart(void)
static unsigned char datoretornar;
if(RCSTAbits.OERR)
RCSTAbits.CREN=0;
_asm
95
nop
nop
nop
_endasm
RCSTAbits.CREN=1;
datoretornar=RCREG;
return datoretornar;
//=======================================================================
// DEFINICIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE INTERRUPCION DE ALTA PRIORIDAD.
//=======================================================================
void Interrupcion_Alta_Prioridad(void)
INTCONbits.GIEH=0; //Deshablitar las
interrupciones
if((INTCONbits.TMR0IF) && (INTCONbits.TMR0IE)&& (INTCON2bits.TMR0IP))
INTCONbits.TMR0IE=0;
//..............................................................................
ADCON1=0b00001011; // Referencia VDD, +5 -- 0 V
ADCON0=(0b11000011&ADCON0)|(0b00111100&0b00000000); //
Selecciona el canal AN0
if(TMR2<125)
a1 = 230;
b = 240;
if(TMR2>=125)
a1 = 4;
b = 10;
while((TMR2 <= a1)||(TMR2 >= b)||(j <= 10))
j=j+1;
j=0;
promedioV=ADC_Conv();
V5=V4;
V4=V3;
V3=V2;
96
V2=V1;
V1=V0;
V0=(float)((81*promedioV)/3069);
voltajeact=(float)(((V0+V1+V2+V3+V4+V5)/6)+0.8);
ADCON1=0b00111011; // Referencia AN2, +5 -- +2.5 V
ADCON0=(0b11000011&ADCON0)|(0b00111100&0b00000100); //
Selecciona el canal AN1
if(TMR2<125)
a1 = 230;
b = 240;
if(TMR2>=125)
a1 = 4;
b = 10;
while((TMR2 <= a1)||(TMR2 >= b)||(j <= 10))
j=j+1;
j=0;
promedioI = ADC_Conv();
I5=I4;
I4=I3;
I3=I2;
I2=I1;
I1=I0;
I0=((((refp-2.5)*promedioI)/1024))/sensibilidad;
corriente=(float)(I0+I1+I2+I3+I4+I5)/6;
Pactual=voltajeact*corriente;
ciclo=(int)(mppt(Pactual, Pant, voltajeact, voltajeant));
CCPR1L=(unsigned char)(ciclo/4);
bitslsbadc=(ciclo-(4*CCPR1L));
CCP1CONbits.DC1B0=bitslsbadc;
CCP1CONbits.DC1B1=(unsigned char)(bitslsbadc/2);
adc10bits=(unsigned
int)((4*CCPR1L)+((2*CCP1CONbits.DC1B1)+CCP1CONbits.DC1B0));
cicloutil=(float)((porcentaje*ciclo));
// Actualizar las variables
Pant=Pactual;
voltajeant = voltajeact;
97
contador_lcd = 1;
//..............................................................................
INTCONbits.TMR0IF=0;
INTCONbits.TMR0IE=1;
TMR0H = 60;
TMR0L = 178;
INTCONbits.GIEH=1;
//------------------------------------------------------------------------------
// Progragama Principal Main -
//------------------------------------------------------------------------------
void main()
Delay10KTCYx(100);
iInicializacionVariables();
iConfiguracionPerifericos();
iConfiguracionUsart();
PIE1bits.RCIE=0;
iLcdInicializacion();
Delay10KTCYx(50);
iLcdPutchMain('V'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('L'),iLcdPutchMain('T');
iLcdGotoMain(5);
iLcdPutchMain('C'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('R'),iLcdPutchMain('R');
iLcdGotoMain(10);
iLcdPutchMain('P'),iLcdPutchMain('O'),iLcdPutchMain('T');
iLcdGotoMain(14);
iLcdPutchMain('C'),iLcdPutchMain('U');
while(1)
voltajeserial = (unsigned int)((3069*voltajeact)/83);
voltaje_h = (unsigned char)(voltajeserial/256);
voltaje_l = (unsigned char)(voltajeserial);
corrienteserial = (unsigned int)((corriente*67.518)/2.5);
corriente_h = (unsigned char)(corrienteserial/256);
corriente_l = (unsigned char)(corrienteserial);
pwm10bitsH=(unsigned char)(ciclo/256);
pwm10bitsL=(unsigned char)(ciclo);
98
if (contador_lcd==1)
lcdvoltaje1=(unsigned int)(voltajeact/100);
iLcdGotoMain(64);
iLcdPutchMain(48+lcdvoltaje1);
lcdvoltaje2=(unsigned int)(((voltajeact/10) - (10*lcdvoltaje1)));
iLcdGotoMain(65);
iLcdPutchMain(48+lcdvoltaje2);
lcdvoltaje3=(unsigned int)(voltajeact - (100*lcdvoltaje1 + 10*lcdvoltaje2));
iLcdGotoMain(66);
iLcdPutchMain(48+lcdvoltaje3);
corriente1=(unsigned int)(corriente/10);
iLcdGotoMain(69);
iLcdPutchMain(48+corriente1);
corriente2=(unsigned int)(((corriente) - (10*corriente1)));
iLcdGotoMain(70);
iLcdPutchMain(48+corriente2);
iLcdGotoMain(71);
iLcdPutchMain(46);
corriente3=(unsigned int)(10*(corriente - (10*corriente1 + corriente2)));
iLcdGotoMain(72);
iLcdPutchMain(48+corriente3);
lcdpot1=(unsigned int)(Pactual/100);
iLcdGotoMain(74);
iLcdPutchMain(48+lcdpot1);
lcdpot2=(unsigned int)(((Pactual/10) - (10*lcdpot1)));
iLcdGotoMain(75);
iLcdPutchMain(48+lcdpot2);
lcdpot3=(unsigned int)(Pactual - (100*lcdpot1 + 10*lcdpot2));
iLcdGotoMain(76);
iLcdPutchMain(48+lcdpot3);
lcdciclo=cicloutil;
lcdciclo1 = (unsigned char)(lcdciclo/10);
iLcdGotoMain(78);
iLcdPutchMain(48+lcdciclo1);
lcdciclo2 = (unsigned char)(lcdciclo - (lcdciclo1*10));
iLcdGotoMain(79);
iLcdPutchMain(48+lcdciclo2);
contador_lcd=0;
if(PIR1bits.RCIF)
99
dato_recibido = iRecepcionUsart();
PIR1bits.RCIF=0;
if (dato_recibido=='3')
iTxUsartMain(envio_caracter);
dato_recibido=0;
Delay10KTCYx(10);
dPdVint=(unsigned int)(dPdV);
dPdVH=(unsigned char)(dPdVint/256);
dPdVL=(unsigned char)(dPdVint);
if (dato_recibido=='1')
iTxUsartMain(voltaje_h);
iTxUsartMain(voltaje_l);
iTxUsartMain(corriente_h);
iTxUsartMain(corriente_l);
iTxUsartMain(pwm10bitsH);
iTxUsartMain(pwm10bitsL);
PORTBbits.RB1=1;
if (dato_recibido=='0')
PORTBbits.RB1=0;
dato_recibido='2';
PORTBbits.RB0=0;
PORTBbits.RB1=!PORTBbits.RB1;
Delay10KTCYx(10);
100
ANEXO II
SCRIPT EN MATLAB PARA LA ADQUISICIÓN DE DATOS
delete(instrfindall);
clc
clear all
close all
%% ADQUISICION POR PUERTO SERIAL
muestras = 1200; %32sec, 2400
t=1:1:muestras;
contador=1;
adquisicion_datos=zeros(muestras,1);
inicio = 0;
delete(instrfind('port' , 'COM3'));
valorADC=0;
% CREAR UN OBJETO
SerPIC = serial('COM3');
SerPIC.BaudRate = 57600;
SerPIC.DataBits = 8;
SerPIC.Parity = 'none';
SerPIC.StopBits = 1;
SerPIC.FlowControl = 'none';
% ADQUIRIR DATOS
fopen(SerPIC);
fprintf(SerPIC,'%s','3');
while inicio ~= 'E'
inicio = fscanf(SerPIC, '%s', 1)
end
if (inicio=='E')
fprintf(SerPIC,'%s','1');
while contador<=muestras
valorADC=fread(SerPIC ,1);
adquisicion_datos(contador,1)=valorADC;
contador=contador+1;
101
end
end
fprintf(SerPIC,'%s','0');
pause(1)
fprintf(SerPIC,'%s','0');
% CERRAR EL PUERTO
fclose(SerPIC);
delete(SerPIC)
clear SerPIC
%% ADQUISICION DE VOLTAJE
contador=1;
i=1;
muestras_voltaje=floor(muestras*1/3)
adc_voltaje_panel=zeros(muestras_voltaje,1);
while contador<muestras
adc_voltaje_panel(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);
contador=contador+6;
i=i+2;
end
voltaje_panel=zeros(muestras_voltaje/2,1);
j=1;
k=1;
while j<(muestras_voltaje/2)
voltaje_panel(j,1)=83*((256*adc_voltaje_panel(k,1))+adc_voltaje_panel(k+1,1))/3069;
j=j+1;
k=k+2;
end
tv=0:1:(muestras_voltaje-1)/2;
figure
plot(tv,voltaje_panel)
grid on
title('Voltaje Panel')
%% ADQUISICION DE CORRIENTE
102
contador=3;
i=1;
muestras_corriente=floor(muestras*1/3)
adc_corriente_panel=zeros(muestras_corriente,1);
while contador<muestras
adc_corriente_panel(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);
contador=contador+6;
i=i+2;
end
corriente_panel=zeros(muestras_corriente/2,1);
j=1;
k=1;
while j<(muestras_corriente/2)
corriente_panel(j,1)=(2.5*((256*adc_corriente_panel(k,1))+adc_corriente_panel(k+1,1))/67.5
18);
j=j+1;
k=k+2;
end
tc=0:1:(muestras_corriente-1)/2;
figure
plot(tc,corriente_panel)
grid on
title('Corriente Panel')
%% ADQUISICION DE PWM
contador=5;
i=1;
muestras_pwm=floor(muestras*1/3)
pwm_char=zeros(muestras_pwm,1);
while contador<muestras
pwm_char(i:i+1,1)= adquisicion_datos(contador:contador+1,1);
contador=contador+6;
i=i+2;
end
103
pwm_panel=zeros(muestras_pwm/2,1);
j=1;
k=1;
while j<(muestras_pwm/2)
pwm_panel(j,1)=((256*pwm_char(k,1))+pwm_char(k+1,1))/1023;
%pwm_panel(j,1)=((256*pwm_char(k,1))+pwm_char(k+1,1));
j=j+1;
k=k+2;
end
tpw=0:1:((muestras_pwm/2)-1);
figure
plot(tpw,pwm_panel)
grid on
title('PWM Panel')
potencia = (voltaje_panel.*corriente_panel);
figure
plot(tpw,potencia)
grid on
104
Bibliografía
[1] Joshua Pearce, "Photovoltaics - A Path to Sustainable Futures", Futures 34 (7),
663-674, 2002
[2] “Sectores estratégicos para el buen vivir”, disponible en:
http://www.sectoresestrategicos.gob.ec/wpcontent/uploads/downloads/2014/03/
Web-Sectores-Estrate%CC%81gicos-para-el-Buen-Vivir-01.pdf.
[3] Repositorio Digital de la Universidad Politécnica Salesiana, disponible en:
http://dspace.ups.edu.ec/.
[4] Weidong Xiao, Ammar Elnosh, Vinod Khadkikar, and Hatem Zeineldin,
“Overview of Maximum Power Point Tracking Technologies for Photovoltaic
Power Systems”.
[5] Qiuxia Yang, Qi Wang, “An Improving Control Method of CTV +P&O on
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