desarrollo de un adquisitor de datos

7/21/2019 Desarrollo de un adquisitor de datos

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ousitz : Revista de Investigación Científica y Tecnológica Volumen 61 (2015) ISSN: 1405-9967

conversión fotovoltaica (SFV), permite que la información se utilice para evaluar laeficiencia de un panel fotovoltaico, principalmente en su confiabilidad [4]. DiversosDAQ se han desarrollado para: medir, adquirir y procesar datos de variablesambientales [5], monitorear y evaluar el desempeño de sistemas FV [6].

Este trabajo tiene como objetivo desarrollar un sistema de monitoreo de un panelsolar fotovoltaico. La contribución de este trabajo está en demostrar el desarrollo,las pruebas y la utilización del sistema completo empleando la plataforma de

Arduino Uno e instrumentación virtual. En primer lugar, se presenta una visióngeneral del sistema propuesto, incluyendo tanto la arquitectura del hardware comodel software, y posteriormente la aplicación y pruebas del sistema integrado.

Sección Experimental

Panel Solar Monocristalino

Las características eléctricas de una célula no son suficientes para alimentar lascargas convencionales. Es necesario realizar agrupaciones en serie y paralelopara entregar tensión y corriente adecuadas módulo fotovoltaico es una asociaciónde células a las que protege físicamente de la intemperie y aisla eléctricamente delexterior, dando rigidez mecánica al conjunto.

Una configuración eléctrica muy común hasta hace unos años empleaba 36células en serie para obtener módulos con potencias comprendidas en el rango 50Wp, 100 Wp con tensiones en MPP cercanas a los 15 V en funcionamiento. Estosmódulos eran particularmente adecuados para su acoplamiento con baterías detensión nominal 12 V en los sistemas de electrificación rural. Con el protagonismoabrumador de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red, esta configuración haperdido importancia. Ahora son frecuentes los módulos de potencia superior a los200 Wp y tensiones en el rango 30 V 50 V.Los parámetros del panel fotovoltaico acaracterizar son los siguientes:

Tabla 1: Características Panel Solar

Características FabricantePotencia máxima 50W

Voltaje de Circuito Abierto 24.21V

Voltaje máxima potencia 18V

Corriente de Circuito

Abierto

3.05A

Corriente Máximapotencia

2.77A

Medidas 640 x 540 x 25 mm

Modelo DG-M50W




Arduino.

Arduino es una plataforma de electrónica de acceso libre para la creación deprototipos basada en software y hardware flexibles diseñada para facilitar el usode la electrónica en proyectos multidisciplinarios (ver figura 1). Arduino se puede

utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado alsoftware de la computadora ya sea LabVIEW, Macromedia Flash, Processing,Max/MSP, Java, Visual Basic, Matlab, etc.

Arduino cuenta con un microcontrolador de la marca Atmel y una circuitería desoporte, que incluye, reguladores de tensión, resistencias, leds y un móduloadaptador USB-Serie que permite la programación desde cualquier PC de maneracómoda.

Figura 1: Arduino UNO

Sensores.

Divisor de tensión.

Un divisor de tensión también llamado divisor de voltaje, es un circuito eléctricoque tiene como objetivo disminuir el voltaje de entrada con un arreglo de dos

resistencias en serie como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de

la referencia..




Figura 2: Divisor de tensión

Sensor de Temperatura

Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios detemperatura en señales eléctricas que son procesados por equipo eléctrico oelectrónico.

Hay tres tipos de sensores de temperatura:

1. Termistores.

2. RTD.

3. Termopares.

Internamente el sensor está inmerso en un material de una alta conductividadtérmica permitiendo que los cambios de temperatura se transmitan rápidamente alelemento sensor. La cubierta de protección del sensor es de un componenteconductor de calor. El sensor se conecta al equipo electrónico con un cableeléctrico.

Sensor MCP9700

La familia MCP9700/9700A y MCP9701/9701A de termistores lineales activos enforma de Circuitos Integrados son sensores analógicos de temperatura queconvierten la temperatura a un voltaje analógico. Son sensores de bajo costo ybajo consumo de energía con una precisión de +/- 2°C de 0°C hasta 70°Cconsumiendo solamente 6µA (ver figura 3).

Figura 3: Sensor MCP9700




Sensor de corriente de efecto Hall

Una de las formas de medir corriente usando un microcontrolador, es usar unsensor de efecto Hall, este tipo de sensores son sensibles a las variaciones del

campo magnético que lo atraviesa, generando un voltaje en su salida equivalentea la influencia magnética que lo circula. Lo mejor que tienen es que sonrelativamente sensibles, por lo que se pueden medir corrientes de 0,5 Ampers conaproximada precisión.

Sensor de corriente ACS712

El sensor de corriente empleado es el ACS712. Su principio de funcionamiento sebasa en el efecto hall. Se tiene un voltaje en la salida del sensor como resultadode la detección del campo magnético que circula por sus terminales. Entre susventajas es que presenta un bajo nivel de ruido en su salida. Sus característicastécnicas se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2: Especificaciones sensor ACS712

Precisión ± 1.5%

Rango de medición 0 - 5 A

Sensibilidad 185mV/A

Voltaje de alimentación 5V

Corriente de alimentación 10mA

Frecuencia 80KHZ

Temp. De operación -40°C a 150°C

Desarrollo.

Una vez seleccionados los sensores a utilizar, se procedió a ponerlos caracterizarsu funcionamiento.

Divisor de tensiónUna de las características del panel solar mostrado en la Tabla 1, es la salida devoltaje en CD de 24.21V, siendo éste un valor demasiado alto para la entradaanalógica de 0 a 5V de la tarjeta Arduino UNO, este problema se solucionócolocando un divisor de tensión a la salida del panel solar. Para que el voltaje delpanel se convierta a voltaje de CC se colocaron capacitores como se observa enla figura 4.

Para determinar el valor de las resistencias inicialmente se propone el valor deR2= 1KΩ, sustituyendo en la ecuación 1 y despejando a R1 se obtiene sumagnitud, ecuación 2.

http://http/es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_efecto_Hall







Sustituyendo valores en la ecuación 2 obtenemos:

Regresión lineal al divisor de tensión.

Para llevar a cabo esta prueba se emplearon dos multímetros para medir el voltajede entrada y el voltaje de salida del divisor. El arreglo físico se muestra en la figura4.

Figura 4: Arreglo para la medición de voltaje

Mediante lámparas se emuló la variación de la radiación solar que incidía en elpanel solar, obteniendo la variación del voltaje de salida. En la gráfica 5 sepresentan los datos obtenidos en las pruebas.




Figura 5: Relación voltaje generado en el panel y voltaje en el divisor

Aplicando una regresión lineal se obtiene la ecuación lineal que describe elcomportamiento del voltaje de entrada con el de salida (ver figura 6).

Figura 6: Regresión lineal




Por lo tanto la ecuación obtenida para el panel solar a la salida del divisor devoltaje es:

Por lo tanto:

Donde:

V0: Voltaje de salidaVp: Voltaje del panel

Una vez realizadas estas pruebas se conectó el divisor de voltaje al Arduino UNOpara visualizar el voltaje generado en el panel solar, el esquema de conexión sepuede apreciar en la figura 7

Figura 7: Conexión divisor de tensión

Sensor de corriente ACS712

Una de las ventajas de este sensor, está en que trabaja con 5V de alimentación yuna de sus especificaciones en la hoja de datos es que entrega 185mV/A. Lasconexiones que se realizaron para la lectura de este sensor son las mostradas enla figura 8.

El sensor con una corriente I=0 entrega 2.5v a su salida y al momento que circulauna corriente por sus terminales, el voltaje aumenta en magnitud de la corriente




que circula por las mismas. En base a estos fundamentos se estableció lasiguiente ecuación:

Donde V sensor es el voltaje entregado por el sensor.

Figura 8: conexión sensor de corriente

Sensor de temperatura MCP9700

Preparación de los sensores de temperatura

El procedimiento inicial que se realizó a los sensores fue la extensión de susterminales con cable de 1 m. Se aislaron sus terminales con termofil con lafinalidad de colocarlos en la parte frontal del panel solar. En la figura 9 se muestracomo se conectan los sensores desde el panel hasta la tarjeta Arduino UNO

Figura 9: Preparación Del sensor MCP9700




Calibración.

Antes de realizar las pruebas, se encapsularon dos sensores MCP9700 con una

capa de silicón para lograr su aislamiento al contacto con el agua, evitando de

esta manera algún corto circuito. Las pruebas se realizaron a distintas

temperaturas, comenzando desde los 10°C hasta llegar a los 60°C (ver figura 10).Primero se enciende la computadora (9), se abre el programa de instrumentación

virtual (8) y se conecta el sensor (6) al Arduino UNO (7), éste proporciona la

alimentación de 5V al sensor de temperatura y la salida del sensor va conectada a

la entrada analógica 0 del microcontrolador, posteriormente se prepara el

multímetro Fluke en medición de temperatura (1), se conecta el termopar (2) al

multímetro y se introduce al vaso de precipitado (4) junto con el sensor MCP9700

hasta alcanzar el agua (5), este proceso nos arroja datos, como son la

temperatura del termopar y el voltaje que está entregando el sensor al Arduino,

este voltaje se puede observar en la pantalla del programa. Se repite el proceso

aumentando la temperatura gradualmente con el termoagitador (3) y anotando los

datos obtenidos.

Figura 10: Calibración de los sensores MCP9700




Los datos recopilados de las pruebas se ingresaron al programa de graficación yse realizó su análisis obteniendo la regresión lineal de los datos de cada sensor

Para el primer sensor se obtuvo la siguiente gráfica

Figura 11: Relación temperatura-voltaje del sensor MCP9700

Aplicando la regresión lineal se obtiene:




Figura 12: Regresión lineal del sensor de temperatura MCP9700

Por lo tanto la ecuación para el primer sensor es la siguiente:

Y= 124.37792 * x -73.50925

Donde:

Temperatura= 124.37792 * (Voltaje sensor) - 73.50925

Para el sensor dos se aplica el mismo método, obteniendo sus respectivasecuaciones características, las cuales son las siguientes:

Sensor 2 (S1): Temperatura = 113.53674 * (Voltaje sensor) - 64.83145

Resultados y Discusión

a. Divisor de tensión

Se realizaron varias pruebas haciendo variar el voltaje del panel solar ycomparando las mediciones de voltaje del multimetro (ver figura 13), con lasobtenidas en la interfaz gráfica. Se obtiene la desviación estándar de los datosobtenidos, lo resultados se muestran en la tabla 3.

Figura 13: Pruebas al divisor de tensión

Tabla 3: Resultados de medición de voltaje




MEDICIONDIRECTA

(V)

INTERFAZGRAFICA

(V)

MEDIA DESVIACI NESTANDAR

12.68 12.54 12.61 0.09899

12.72 12.63 12.675 0.06364

12.76 12.67 12.715 0.0636418.89 18.98 18.935 0.06364

18.95 19.00 18.975 0.03536

19.03 18.90 18.965 0.09192

19.09 18.98 19.035 0.07778

19.14 19.00 19.07 0.09899

b. Sensor de corriente

Para observar el funcionamiento del sensor con en la interfaz gráfica, se realizaron

distintas pruebas cambiando la carga que alimenta el panel solar. En la figura 14se muestran estos resultados. Se observa que los valores obtenidos con el

multímetro y el sensor, son muy similares (ver tabla 4 ).

Figura 14: Pruebas realizadas al sensor de corriente




Tabla 4: Resultados sensor de corriente

CARGAS CORRIENTEMEDIDA CON EL

MULTIMETRO(A)

CORRIENTEMEDIDA CONEL SENSOR

(A)

MEDIA DESVIACIONESTANDAR

lámpara 0.0761 0.079456 0.07778 0.002375.1Ω 0.35 0.31783 0.33391 0.02275

3.9Ω 0.73 0.71513 0.72257 0.01051

Motor 0.11 0.10594 0.10797 0.00287

c. Sensor de temperaturaLas pruebas que se realizaron para estos sensores fue compararlos con lostermopares del multimetro FLUKE. Se visualizó la tempreratura obtenida con elsensor por medio de la interfaz gráfica. Los sensores se pusieron a la mismadistancia que el termopar del multimetro como se muestra en la figura 14.

Figura 14: Pruebas al sensor de temperatura

Los resultados obtenidos en esta prueba se pueden visualizar en la tabla 5 y figura15.

Tabla 5: Resultados sensores de temperatura

Termopar S0 Media DesviaciónS0

S1 Media DesviaciónSI

29.6 30.09 29.6 0.34648 31.41 30.505 1.27998629.2 29.48 29.2 0.19799 30.85 30.025 1.16673

28.1 28.87 28.1 0.54447 29.74 28.92 1.15966

27.7 28.48 27.7 0.55154 29.74 28.72 1.4425

26.4 27.64 26.4 0.87681 28.32 27.36 1.35765

25.6 26.84 25.6 0.87681 27.15 26.375 1.09602




Figura 15: Resultados sensor de temperatura

Conclusiones

Se construyó un sistema para la adquisición de datos de los principalesparámetros de un sencillo y funcional panel solar.

El equipo es de bajo costo, siendo el sensor de corriente el más caro,aproximadamente 180 pesos.

Los sensores tuvieron una respuesta satisfactoria, ya que como se observa en lasdiversas pruebas realizadas tienen una desviación estándar pequeña con respectoa la media de los dos puntos medidos. Lo que indica que los datos no están tandispersos uno con respecto al otro, a excepción el sensor 2 (S0), cuya dispersiónmayor a 1, indicando que el sensor no está realizando de forma correcta lamedición de temperatura.




Referencias

1. M. Kadiri, R. Ahmadian, B. Bockelmann-Evans, W. Rauen, R. Falconer, “Areview of the potential water quality impacts of tidal renewable energysystems,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 1, pp.329-341, 2012.

2. N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, M. Vitelli, “Optimal control of

photovoltaic arrays,” Mathematics and Computers in Simulation, to be

published, doi: 10.1016/j.matcom.2012.05.002.

3. J. M. Pacas, M. G. Molina, E. C. dos Santos Jr., “Design of a robust andefficient power electronic interface for the grid integration of solarphotovoltaic generation systems”, International Journal of Hydrogen Energy,vol. 37, no. 13, pp. 10076-10082, 2012.

4. G. Blaesser, “PV system measurements and monitoring the European

experience”, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 47, Issues 1-4 ,(1997) 167-176.

5. R. Mukaro, F. Carelse “A microcontroller -based data acquisition system for

solar radiation and environmental monitoring”. IEEE Trans. Inst. Meas.

(1999); 48:1232 –8.

6. M. Benghanem, A. Maafi “Data acquisition system for photovoltaic systems

performance monitoring”. IEEE Trans. Instrument. Meas. (1998); 47:30 –3.

7. Oscar Perpiñán Lamigueiro, Energía Solar Fotovoltaica, Mayo 2014.

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