memoria final de proyectos de innovaciÓn ......software de apoyo, etc..) para su uso en las...

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado Secretariado de Innovación Docente

MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE

CONVOCATORIA CURSO 2010/2012

DATOS DEL/DE LA SOLICITANTE

Nombre Juan

Apellidos de la Casa Higueras

D.N.I. 26001227ª E-mail [email protected]

Centro Escuela Politécnica Superior Teléfono 953212804

Departamento Ingeniería Electrónica y Automática

Categoría Titular de Universidad

DATOS DEL PROYECTO

Título Generación de material para la docencia de créditos prácticos en las

asignaturas y materias del área de la Energía Solar Fotovoltaica.

Línea de actuación Proyectos para asignaturas

Departamento/s implicados Ingeniería Electrónica y Automática

Asignatura/s implicada/s Todas las asignaturas y materias

relacionadas con la Energía Solar

Fotovoltaica

Titulación/Grado implicado/s Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y

Master Oficial en Energías Renovables

Curso/s implicado/s 3·º y 4º de Grado en Ingeniería Electrónica I.

Master Oficial en Energías Renovables.

Nº de alumnos afectados Previstos más de 100



MEMORIA DEL PROYECTO

Justificación

Durante el proceso de elaboración de las memorias de grado de los nuevos títulos de

Ingeniería en la Escuela Politécnica Superior de Jaén, uno de los objetivos que se persiguieron

fue, relacionar en la medida de lo posible, la investigación llevada a cabo por los profesores de

nuestro centro con los perfiles de formación de nuestros alumnos, buscando de este modo

una seña de identidad propia para nuestro titulados.

Estos nuevos títulos ofrecen un Módulo de Optatividad que permite al estudiante

intensificar los conocimientos en las diversas disciplinas que componen los títulos de Grado en

Ingeniería en función de sus intereses personales y de las diferentes salidas profesionales que

se ofrecen a los egresados de este Grado.

En este módulo se recogen aquellas materias que amplían, profundizan o

complementan los conocimientos previamente aportados por las materias básicas,

fundamentales y específicas de su rama. Todos los estudiantes deben escoger 30 ECTS

repartidos en asignaturas optativas de 6 créditos cada una.

Con el propósito que el estudiante pueda cursar de modo coherente estos 30 créditos

optativos, consiguiendo de este modo una especialización real que redunde de manera

positiva en su futuro laboral, la Escuela Politécnica Superior de Jaén ha implantado el concepto

de Mención. Un estudiante recibirá su titulo de Grado en Ingeniero en una especialidad

(Mecánica, Eléctrica, Electrónica Industrial u Organización Industrial) con una mención en el

caso de que curse de manera conjunta un paquete de asignaturas optativas de una misma

materia.

Para el caso que nos ocupa, y dentro del título de Grado en Ingeniería en Electrónica

Industrial, se recoge en la memoria verificada la puesta en marcha de la mención en Sistemas

Fotovoltaicos. La decisión parece adecuada. El grupo de Investigación y Desarrollo en Energía

Solar (Grupo IDEA), formado mayoritariamente por profesores del área de Tecnología



Electrónica y adscritos al departamento de Ingeniería Electrónica y Automática (departamento

que impartirá casi la totalidad de los créditos específicos de la rama), lleva realizando labores

de investigación en esta tecnología de producción eléctrica desde 1989, especialmente

centrados en el campo de la ingeniería de sistemas.

Con el objeto de poder formar a nuestros estudiantes en los entresijos de esta

tecnología, dentro del plan de estudios de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial se han

previsto ofertar las siguientes asignaturas:

1.- Fijar dentro del plan de estudios una asignatura obligatoria cuya finalidad sea

presentar e introducir a los estudiantes en este campo del conocimiento. Esta asignatura se

impartirá en 3º curso de Grado primer cuatrimestre.

2.- Ofertar una materia optativa denominada Instalaciones de Energía Solar

Fotovoltaica. Está materia estará formada por cuatro asignaturas enfocadas hacia el diseño,

cálculo, evaluación, mantenimiento, análisis económico y financiero, etc. de instalaciones y

sistemas fotovoltaicos.

Ni que decir tiene que, en la formación de cualquier ámbito de la ingeniería, la

docencia de los créditos prácticos, lo más experimentales posible, tiene una importancia vital

para la formación del alumno. Por otro lado, probablemente seamos la primera Universidad

Española que pretende especializar a sus graduados en Ingeniería en un campo tan específico,

y no existe un “equipamiento comercial orientado a la docencia universitaria” que pueda

adquirirse en el mercado con el fin de dotar nuestros laboratorios docentes y ayudarnos a

conseguir nuestros objetivos.

Por otro lado, durante los últimos años, muchos profesores e investigadores que

trabajamos en el seno del grupo IDEA hemos desarrollado “INSTRUMENTOS”, diseñados,

programados o construidos por nosotros mismos, y que han sido claves para poder ejecutar

nuestras labores de investigación. Ello ha sido posible gracias a que somos conocedores del

problema a solucionar, y como ingenieros, poseemos la capacidad y las aptitudes para

construir nuestras propias herramientas. Esto puede considerarse como una situación especial



que se podría definir como “autarquía por necesidad”, ya que en la mayoría de los casos, y de

modo parecido a la situación que se exponía en el párrafo anterior, nuestras necesidades iban

por delante de la oferta del mercado.

La justificación del proyecto de innovación docente desarrollado durante estos dos

últimos años es evidente. En primer lugar era necesaria una reflexión de cuál debería ser el

material básico de laboratorio necesario para que nuestro alumnos realizaran prácticas

relacionadas con la tecnología. En segundo lugar, era necesario realizar una propuesta de

cuales de las herramientas con la que ya contamos en nuestros laboratorios de investigación

pueden ser utilizadas en los laboratorios de docencia y su adaptación, si fuera necesaria, para

que puedan ser utilizadas como herramientas docentes.

Objetivos conseguidos

Tal y como se describió en la memoria inicial de solicitud del presente proyecto, el

objetivo principal del mismo no era otro que “Evaluar la viabilidad de incorporar como

equipamiento docente para impartir créditos prácticos aquellas “herramientas” de diseño

propio que actualmente se están utilizando exclusivamente en nuestros laboratorios de

investigación”.

Bajo nuestro punto de vista, y tal y como puede comprobarse en el apartado de

resultados obtenidos y en los anexos, el objetivo se ha alcanzado ampliamente. Además se ha

realizado una descripción técnica de cada una de las propuestas para que, si se estima

conveniente por la Dirección de nuestro departamento, se proceda a montar los módulos

necesarios para su incorporación a los laboratorios docentes.

Contenidos desarrollados

Los contenidos desarrollados durante los dos años de trabajo se corresponden con los

presentados en la memoria inicial del proyecto. Sin embargo durante el proceso de realización



del mismo, el equipo de trabajo decidió que se debería de hacer más hincapié en los trabajos

que perseguían obtener resultados directamente aplicables a la asignatura “Electrónica

aplicada a los Sistemas Fotovoltaicos”, ya que es una asignatura que aborda conocimientos no

impartidos previamente en el área y que formará a nuestros titulados de un modo muy

particular. No olvidemos, que esta asignatura se oferta exclusivamente a los futuros titulados

en el Grado de Ingeniería en Electrónica Industrial.

Los contenidos desarrollados pueden agruparse fundamentalmente en los siguientes

cinco apartados:

1. Evaluación de la idoneidad y de la viabilidad para su implantación como

equipamiento didáctico de las herramientas de los equipos electrónicos de desarrollo

propio con los que cuenta el laboratorio de investigación en energía solar de la

Universidad de Jaén.

2. Modificar su diseño primitivo, en el caso que sea necesario, dotándolos

del cariz didáctico que les permita convertirse en herramientas útiles en la formación

de nuestros alumnos en el sector fotovoltaico.

3. Generar el material didáctico complementario (documentación técnica,

software de apoyo, etc..) para su uso en las prácticas de las asignaturas en cuestión.

4. Evaluación del equipamiento propuesto.

5. Difusión de los resultados en congresos y revistas especializadas tanto

del sector fotovoltaico como de la enseñanza.

Bajo el punto de vista del equipo de trabajo, todos estos contenidos han sido

desarrollados con éxito. (Véase el apartado de Resultados Obtenidos y Anexos, tanto en

formato papel como en formato electrónico que acompañan este documento).

Quizás, con respecto al apartado 4: Evaluación del equipamiento propuesto, el grupo

de trabajo piensa que se puede hacer mucho más, la fase de evaluación en condiciones reales

de operación es básica en cualquier propuesta de ingeniería, sin embargo, ya éramos

conscientes desde que se formuló el presente proyecto, de la dificultad que tendríamos al



estar orientado fundamentalmente a asignaturas que no se impartían durante su tiempo de

ejecución.

Esta circunstancia la asumimos de manera positiva, ya que pensamos solicitar un

nuevo proyecto que tenga como objeto evaluar los resultados de la implantación de la

experiencia.

Descripción global de la experiencia

Los profesores universitarios sabemos que no es lo mismo impartir docencia en una

materia que investigar en la misma. Probablemente este haya sido la idea principal que ha

movido todas las decisiones que, con respecto a los resultados perseguidos con el presente

proyecto, ha guiado nuestras decisiones.

Para los integrantes del proyecto la posibilidad de desarrollar herramientas que tengan

como objeto formar profesionales cualificados en materias directamente relacionadas con

nuestros intereses investigadores ha supuesto un bonito reto.

No obstante, y después de dos años de trabajo conjunto, consideramos este proyecto

como una primera fase que inicia para nosotros una nueva línea de trabajo que se orientará al

diseño y construcción de equipamiento docente en esta área. Quizás un futuro proyecto de

innovación docente, donde se evalúen los resultados de la puesta en marcha del

equipamiento, sea el primer paso a seguir. La fecha de puesta en marcha de este nuevo

proyecto tendría sentido en el bienio 2014-2016.

Metodología empleada

(sesiones de trabajo, actividades, recursos didácticos, cronograma, etc)

La metodología usada para la elaboración del presente proyecto se ha basado en

reuniones de trabajo mensuales entre todos los integrantes del proyecto para la planificación y



seguimiento de nivel de ejecución de las diferentes tareas, y donde, junto con la asignación de

tareas y del análisis de resultados, se “ha discutido” principalmente acerca del método más

idóneo para transmitir a nuestros alumnos los conocimientos propios de la tecnología y que

características deberían de cumplir las “herramientas” que utilizáramos para ello. ¿Que tipo

de conocimiento debería ser totalmente guiado? ¿Qué conocimiento debería ser objeto de

diseño?, ¿Cuáles serán los conocimientos previos con los que contará el alumno cuando se

enfrente a la práctica objeto de estudio? etc...

Se destaca la ayuda brindada por becarios del grupo de investigación (alguno de ellos

ha participado también en las reuniones de coordinación) y por estudiantes que han realizado

su Trabajo Fin de Master con nosotros. En muchos casos han servido como realimentación de

la validez de nuestras decisiones.

Con respecto a los recursos materiales utilizados, se ha usado material inventariable

con el que cuentan los laboratorios de docencia e investigación adscritos al departamento de

Ingeniería Electrónica y Automática. El material fungible necesario ha sido financiado con

cargo a presupuesto ordinario del departamento, contratos OTRI o fondos de investigación.

El cronograma de trabajo utilizado se corresponde con el presentado en las memorias

anteriores (inicial y de seguimiento) adaptado a la duración real del proyecto, ya que la fecha

de concesión no nos ha permitido contar con dos cursos académicos completos.

Resultados obtenidos

(los materiales o documentos que se hayan producido en la experiencia deben

presentarse en forma de anexo) Enumeramos a continuación los resultados más destacados del proyecto:

- Diseño-propuesta de una carga electrónica capacitiva de bajo coste, que tiene como

función completar el puesto de instrumentación electrónica básico con el que ya

cuentan los laboratorios del área de conocimiento, pudiéndose de este modo, utilizar



este equipamiento básico para la caracterización de módulos FV (Se incluye toda la

documentación técnica para su construcción en los anexos en formato electrónico).

- Herramienta software (formato Excel) para el cambio a Condiciones Estándar de

Medida (CEM) de la curva obtenida a sol real (Se incluye en los anexos en formato

electrónico).

- Módulo de prácticas de propósito general para su uso en la asignatura de Electrónica

Aplicada a los Sistemas Fotovoltaicos. Este módulo está descrito con detalle en la

ponencia remitida al TAEE (se incluye en anexos) y se concretará en función del tipo

de sistema procesador (PICs, Arduino, etc..) estudiado en las asignaturas relacionadas

con los sistemas digitales y el control y con los medios de los que se disponga en el

laboratorio.

- Se propone el uso del programa de elaboración propia GECON en su versión 2.2 para la

generación automática de perfiles de consumo de Instalaciones Fotovoltaicas

Autónomas (se incluye fichero autoinstalable en los anexos en formato electrónico).

- Diseño-propuesta de un prototipo para test de Cargas y Luminarias (se incluye toda la

documentación técnica para su construcción en los anexos en formato electrónico)

que será controlado directamente a través del puerto paralelo de un PC gracias al

programa GECON 2.2.

Proyección e Impacto

(transferencia de los resultados y mejoras en el aprendizaje demostrables)

En cuanto a la transferencia de resultados, se destaca que el presente proyecto fue

seleccionado para una comunicación oral en el X Congreso de Tecnologías Aplicadas a al

Enseñanza de la Electrónica (TAEE 2012 – VIGO, JUNIO DE 2012). En los anexos se adjunta

ponencia completa, transparencias utilizadas durante la presentación y certificados de

asistencia y de ponente del responsable del proyecto.

La filosofía de diseño modular en la que se fundamenta el módulo de prácticas de

propósito general que se propone para la asignatura de Electrónica Aplicada a los Sistemas

Fotovoltaicos fue presentado en la 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference

celebrada en Hamburgo en septiembre de 2011 (en anexos se adjunta ponencia completa).



A fecha de hoy, nos encontramos a la espera de aceptación de una comunicación para

participar en la 5th International Conference of Education, Research and Innovation) que se

celebrará en Madrid en noviembre de 2012 (en los anexos se incluye el abstrac remitido a la

organización) y nos encontramos preparando un artículo de carácter didáctico sobre la

experiencia para su posible publicación en la revista de IEEE Transaction on Education.

Evaluación del proceso y Autoevaluación

(instrumentos y recursos empleados)

La mayoría de las asignaturas del Grado de Ingeniería en Electrónica Industrial objeto

del presente proyecto no comenzarán a impartirse hasta el curso académico 2013-2014, por lo

que es imposible proponer un sistema de realimentación directa en que el que participen los

alumnos a los que realmente va dirigida la acción en el plazo de ejecución del proyecto.

Algunas de las herramientas/prototipos desarrollados han sido utilizadas para la

elaboración de Trabajos Fin de Master por Alumnos del Master de Energías Renovables que

imparte la Universidad de Jaén. Los resultados han sido satisfactorios.

Se esperan más resultados dentro de este apartado cuando se pongan en marcha las

asignaturas.

Otras consideraciones

Este proyecto de innovación docente, aunque tenia fecha de inicio y final, es algo que,

por parte del equipo que lo ha desarrollado, se considera vivo en el tiempo. Evidentemente, el

siguiente paso es la puesta en marcha de las propuestas en el laboratorio y proceder a su

evaluación in situ. Que los estudiantes utilicen el material propuesto serán el mejor control de

calidad de este proyecto. Este será el momento adecuado para solicitar un nuevo proyecto de

innovación docente que analice los resultados obtenidos y pueda estudiar posibles mejoras a

las propuestas actuales.



Gastos generados

Fungibles 314,99

Inventariables ----

Viajes/Actividades 835,01 Euros

Inscripciones a Congresos 350 Euros

Justificación

VºBº de Coordinador/a

Fdo.: Juan de la Casa Higueras

Jaén, a 4 de Septiembre de 2012



DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO

Nombre Gustavo

Apellidos Nofuentes Garrido

D.N.I. 25998627W E-mail [email protected]

Centro EPS-JAÉN Teléfono 953212434

Departamento Ingeniería Electrónica y Automática.

Asignaturas

impartidas

Electricidad Fotovoltaica ( extinguida)

Materia 5. Ingeniería de los SFCR

Curso ITI / Master Oficial en Energías Renovables

Categoría Titular de Universidad Firma


Nombre Manuel

Apellidos Fuentes Conde

D.N.I. 26021387-S E-mail [email protected]

Centro EPS Jaén- EPS Linares Teléfono 953648613


Asignaturas

impartidas

Electrónica General

Materia 5. Ingeniería de los SFCR

Curso Grados de Tecnologías de Telecomunicación y Telemática/

Master Oficial en Energías Renovables

Categoría Contratado Doctor Firma

mailto:[email protected]





Nombre Diego

Apellidos López Talavera

D.N.I. 26471584X E-mail [email protected]



Asignaturas

impartidas

Materia 12: Evaluación, financiación y gestión de

proyectos de energías renovables

Materia1: Conceptos básicos sobre energías

renovables Curso Master Oficial en Energías Renovables

Categoría Contratado Doctor Firma


Nombre Jorge

Apellidos Aguilera Tejero

D.N.I. 25971377F E-mail [email protected]



Asignatura impartidas Electricidad Fotovoltaica ( en extinción)

Materia1: Conceptos básicos sobre energías

renovables

Materia 6. Ingeniería de los SFA

Curso ITI / Master Oficial en Energías Renovables

Categoría

Titular de Universidad

Firma





ANEXOS EN FORMATO IMPRIMIBLE (El presente documento se acompaña de un CD o de un

fichero comprimido con el resto de anexos en formato electrónico)

NEW PORTABLE CAPACITIVE LOAD ABLE TO MEASURE PV MODULES, PV STRINGS AND LARGE PV GENERATORS

J.V.Muñoz, J.de la Casa, M.Fuentes, J.Aguilera and J.C.Bertolín

Grupo de Investigacion IDEA. Escuela Politecnica Superior. Universidad de Jaen. Campus de Las Lagunillas, s/n. 23071- Jaen (Spain). Tel: +34 953 212 924. Fax: +34 953 211 967.

Email:[email protected], http://solar.ujaen.es

ABSTRACT: Tracing the I-V curve of a large PV generator (above 100 kWp) has become a hot issue, since there are not commercial instruments able to endure the currents generated by a PV generator of this size. A novel capacitive load design is going to be presented in this work in order to trace the I-V curve of these PV generators. Besides, the modular character of several elements of this capacitive load implemented, together with an innovative control stage, allows to characterize any PV system without depending on its size. The implemented prototypes have been tested successfully during an experimental campaign where the I-V curves of PV modules, small PV generators and large PV generators, have been obtained and compared with the results of a commercial electronic load.

KEYBOARDS: Design, Qualification and Testing, Developing Countries

1 INTRODUCTION Assessing the correct operation of a PV generator is essential not only for mere energy and profitability concerns but also for safety reasons. Intended to this purpose, the rule of thumb to verify the correct operation of a PV generator, as well as its constitutive parts (strings and modules), is to trace its I-V curve. Several technical reports widely followed recommend doing it [1] [2]. Despite its importance, the number of the commercial I-V curves tracers for PV applications is reduced [3]. Furthermore, most of these instruments are thought to measure PV modules or PV strings, but not large PV generators. However, the power increase of the PV grid connected systems has led to a new situation, where PV generators installed in large PV plants develop usually powers over 100kWp. In this sense, the maintenance staff of PV plants, engineers and scientists find a problem in order to get a global answer of the generator behaviour when this one is working with an operation currents higher than 100A. The IDEA research group has been carried out a contribution regarding this matter and designing a novel and portable capacitive load able to characterize any PV system, without depending on its size, thanks to its modular design. The capacitive load implemented has been tested successfully during an experimental campaign where the I-V curve of PV modules, small PV generators and large PV generators has been traced and compared with the results of a commercial I-V tracer. 2. PRINCIPLES OF OPERATION The basic concept of the capacitive electronic load is quite simple. In the figure 1 is represented a simplified schematic to illustrate its operation.

Figure 1: Simplified schematic of a capacitive load used to trace the I-V curve of PV devices.

Basically, five are the elements that take part in the circuit: a PV device (module, string, generator, etc), two switches, one capacitor and one resistance. In this sense, the charge of the capacitor is the way to create a variable impedance which starts at zero and finishes being infinite when the capacitor is charged. So, at instance t=0- s both switches are open and the capacitor is discharge, thus the voltage VC=0V . At t=0s the switch SW1

is closed and the capacitor stars to charge, increasing the voltage between its terminals according to equation 1.

∫=t

c diC

tV0

)(1)( ττ [1]

Where VC is the voltage between the terminals of capacitor, C is the value of the capacitor in farads and t is the time in seconds. As it is known, the voltage between terminals of the capacitor VC follows an exponential trend starting from VC=0 V (t=0) to VC =VOC (t=tC), where tC is the time for which the charge is over. In the same way, the current across the capacitor (i(τ)) decrease as exponential trend from i= ISC (t=0) to i=0 A (t=tC). A approximation where i(τ) is consider as a constant is usually used in order to describe in an easy way the charge process avoiding the exponential response. In this sense, the equation 2 defines the charge process considering the approximation commented before.

tCItV sc

c ⋅=)( [2]

Taking in to account the moment at the charge has finished (t=tC) and clearing the capacitor value, the equation 3 is obtained.

COC

SC tVIC ⋅= [3]

The equation 3 allows to the designer to know the capacitor value necessary in order to trace the I-V curve of a PV device with an ISC and a VOC given. On the other hand, as it is reported in the literature, the charge time (tc)

26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition

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shall be moved in the range of 10ms - 100ms. Thus, if the charge time is fixed by the designer, several capacitors will be necessary to trace the I-V curve for PV devices with a marked difference in its nominal powers. In order to rearm the device to trace a new I-V curve, the capacitor is discharged through the resistor R closing switch SW2. During the discharge is paramount opening the switch SW1 before closing switch SW2. This measure avoids an electrical hazard situation which takes place when the capacitor is charge and both switches are closed. If this advice is not taken into account, whole current produced by the PV device flows through the resistor causing a possible damage on such device.

3 ELECTRICAL DESIGN PROPOSAL The capacitive load for PV applications implemented can be divided in three main stages: power stage, control stage and power supply stage. 3.1 Power stage In the figure 2 is shown the electrical schematic of the power stage implemented in the capacitive load proposed. It can appreciate as the schematic of power stage and the schematic of the figure 1 have some elements in common.

Figure 2: Simplified power stage schematic of the proposal PV I-V curves tracer. From electrical point of view, the most important change between figure 1 and figure 2 is that the switches SW1 and SW2 have been replace by electronic power devices controlled by voltage. In this case and since the prototype capacitive load shown in the figure 2 are going to be used to trace the I-V curve of a large PV generator, three IGBTs have been selected in order to control the charge and discharge processes. Nevertheless, if the capacitive load is going to be used for small PV devices (cells or modules), the IGBTs could be replaced for other power devices (Solid state relays, Mosfets, etc) in order to reduced the cost and dimensions of the instrument. In the figure 2, the IGBT2 controls the charge process while the IGBT3 controls the discharge on the other hand, the IGBT1 -normally close- works like a safety general switch. The IGBTs selected can bear peaks currents up to 300A and voltages up to 1000V, so PV generators of 300kW could be measured. The response of these kind of power devices have been probed to be adequate for testing large PV generators in previous works [4] [5]. The power stage includes an arrangement of capacitors in parallel instead to one only capacitor (figure 3). In this way, it is possible to reach high values of capacitive

necessary when a large PV generator has to be measured. For example, for a 100kW PV generator with Voc=800V and Isc=175A, a capacitor around 11mF is requested in order to trace the I-V curve in 50ms. Since, the voltage endured and the value of the arrangement of capacitors are high, these ones are usually bulky and heavy. Nevertheless, if the I-V curve tracer is used to measure a string or simple PV module, the value of the capacitive needed decrease. For this reason, for the prototype built, the arrangement of capacitors are hosted in an independent

Figure 3: Arrangement of capacitors in parallel designed for tracing the I-V curve of a large PV generator. box apart from the rest elements of the capacitive load. A removable connector is used to select the most adequate capacitive value depending on the power of the PV device tested. The available easy removable capacitor allows to trace the I-V curve of all elements that make up a PV plant (modules, strings and generators). This issue is very interesting since the instrument could be used not only for testing large PV plants, but for smaller PV devices (for example PV modules) on laboratory. The capacitive box includes as a safety measure a voltmeter Vc (figure 2), with this instrument is easy to know if the capacitive arrangement is charge or discharge. Resuming the schematic shown in figure 2, the button SW, the potentiometer Rp and the battery V1 are part of the negative precharge system. The mission of these components are to realize an initial negative precharge of the arrangement of capacitors. In this way, the I-V curve starts in the fourth quadrant from negative voltage values. With this measure is reached that the I-V curve cross the ordinate axis obtaining the shortcircuit current of the PV device tested. The potentiometer Rp is used to fix the negative precharge voltage in order to not exceed the reverse limit voltage of the capacitors. One polarity protection diode D1 (figure 2) have been included to protect against an inversion polarization from the input. On the other hand, the possible inversion polarization of the removable arrangement of capacitors is avoided using a special connector which allows only one position, being impossible to connect it in a wrong way. Finally the effect hall sensor (figure 2) has been included to control the opening and closing of the IGBT1 and its operation will be explain below. 3.2 Control stage In figure 4 is shown a conceptual schematic of the stage


4277

control. This part of the capacitive load implemented manages diverse tasks some of them as important as the control of the IGBTs or the user interface control. Since the most relevant features and innovations of the design proposed have been carried out in this stage, the tasks executed by this one are going to be commented step by step along the following lines. *) The generating of a clear pulse able to open or close the IGBTs is main task of the control stage. For it, it is essential that this pulse does not have any kind of bounce due to, these ones generate high voltage frequency components which could damage the IGBTs.

Figure 4: Block diagram of the control stage implemented. The damage caused by the bounces has been proved to be potentially dangerous, since a shortcircuit between collector and emitter of the IGBT is produced . In order to obtain a clear TTL control pulse for the IGBTs, a programmable integrate circuit followed of an adaptation signal system have been included (figure 5 and figure 6). In this sense, a PIC16F876A generates an initial pulse which is adapted and isolated from the rest of the stage control by an optocoupler. Finally, the output of the optocouplers is connected to the gate of the IGBTs. Although there are integrates circuits and electronic implementations simpler than a microcontroller and able to avoid the bounces, some additional improvements included in the capacitive load designed justify the selection of the microcontroller.

Figure 5: Detail of the control stage circuit based on a PIC microcontroller. The PIC16F876A establishes an operation sequential by which the system starts with every IGBTs opened, then the charge is done and finally discharge is carried out,

returning the system to the beginning. One “OK” button handled by the user controls the execution of every step of the sequence of operation. Besides, a “Reset” button is available for emergency situations, if this button is pressed, the microcontroller carries out the opening of the three IGBTs. *) The control stage includes safety measures in order to avoid and prevent electrical risks. One of these hazard situations take place when the IGBT1, IGBT2 and IGBT3 are closed at the same time. Specifically, since the IGBT1 is normally open and its operation is independent of the rest of IGBTs, some safety measurement must be taken to avoid that IGBT2 and IGBT3 are closed jointly. A circuit based on relays have been design in this sense (figure 6). The relay RL1 and RL2 control the power supply of the optocoupers. The interconnections established between RL1 and RL2 make impossible that all optocoupers are working at the same time and therefore the IGBT2 and IGBT3 are closed at the same time. On the other hand, if the charge stored in the arrangement of capacitors is high, the overheat produced during the discharge process could damage the resistor. This situation is prevented exciting the IGBT3 with a low frequency PWM pulse. The soft discharge carried out using a PWM pulse -thanks to the PIC16F876A- avoid the overheat of the resistor.

. Figure 6: Schematic of the power supply stage and part of the control stage. *) A LCD display have been used to show alarm messages and to indicate the steps in which are divided the operation of the capacitive load. The 16x2 lines LCD matrix are controlled programming through the PIC microcontroller. *) One of the analog digital converter (ADC) inputs of the PIC16F876A have been programmed to acquire the signal from a hall effect sensor (figure 2). This sensor is part of an active safety measure included in the capacitive load. In this sense, the IGBT1 is normally closed however, if during the discharge process the hall sensor detects a flow current, the microcontroller proceeds to


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open the IGBT1 and shows an alarm in the display. This is an active safety measure avoids that the IGBT2 and the IGBT3 are open at the same time, whether it caused by an error PIC programming or any kind of damage in the IGBT2. Although there are other methods to detect this flow current, the isolation level of the measure accomplished with the hall sensor effect makes advisable its use. *) The stage control has available a communication port. Thanks to this interface is possible to transfer the control of the charge and discharge process to a PC. This feature -together with the replaceable capacitor- is special relevant when it is necessary to carry out a long experimental campaign where the I-V curve of a PV device (for example a module) must be traced periodically. 3.3 Power supply stage The capacitive load have to be portable and able to work without electrical grid. For this reason, the instrument works with its own power system supply composed of three primary batteries of 9V. Two of these batteries are connected in series. In this way a voltage of 18V, with which the outputs of the optocouplers are fed, is obtained. On the other hand, the voltage of the third battery of 9V is adapted (figure 6) to 5 V due to all electronic devices (excepts the optocoupers) work with 5V voltage supply. It has to remarked that the use of two independent power supply -one for optocouplers and another for the rest of the control stage- improve the isolation of the control stage respect previous designs [4]. Moreover, an independent power supply (18V in our case) for feeding the outputs of the optocoupers allow to adapt the voltage according to the power device that are going to be used as switch controlled by voltage. In this sense, with only adapting the voltage supply and using the same stage control, it is possible to generate the excitation signal for a wide number of power devices (solid state relays, mosfets, SCR, IGBT´s, etc). 4. MEASUREMENT SYSTEM The I-V pairs have been register with the four isolated channels Scopix OX 7104-C scopemeter. This portable instrument measures the input voltage Vin and the current across the capacitor (figure 2) . The measures of current is obtained from the drop between the terminals of a calibrate shunt resistance. The shunt resistance is hosted in the power stage and it is possible to replace it in order to measured different ranges of currents. The third and fourth channel of the scopemetrer are used to record the irradiance -from shortcircuit current of a calibrate module- and the cell temperature -from the open voltage of a calibrate module [5]. Another solutions apart from the portable scopemeter commented could be used to record the four signal comments before. In this sense, two multimeters (with a high number of sampler per second) and one datalogger controlled by external trigger is another possibility specially recommended for laboratory applications. 5. EXPERIMENTAL RESULTS As it has been commented before, the capacitive load is able to measure any PV system, from a module to a large generator. The proposal design has been modular, where

the control stage was common and the power stage was replaced depending on the power of the PV system, selecting different switches and capacitors to be within measurement ranges. In order to try the developed capacitive electronic load, first tests took place with different PV modules technologies. Open circuit voltages and short circuit currents lower than 100V and 15A were measured during the experimental campaign. The selected switches were solid state relays and only one capacitor was used (see figure 7). The obtained data were checked with I-V curve tracer that employed a four-quadrant active source [6].

Figure 7: Detail of the portable capacitive load, with solid state relays, to measure low powers. Once the experimental results of PV modules were consolidated, the next step, the checking medium-sized PV generators, was validated. The measurements were made in the UNIVER PV plant (University of Jaén), specifically, the Pergola 5 subgenerator of 2,120 Wp at STC built in 2001. The IGBT switches were included together with the arrangement of capacitors in parallel. Data were compared with a commercial capacitive load (PVE), that was able to measure 1000V-40A. Figure 8 shows the good adjustment between both I-V curves. Furthermore, our capacitive load takes 2500 I-V pairs opposite 100 pairs of the commercial load.

Figure 8: I-V curves from the implemented capacitive load (blue points) and the commercial system (red points) at STC. The original ones were taken at 900W/m2 and 62ºC. Both curves fit well, and the main electrical parameters at STC matches below 2% (Pergola 5 PV subgenerator).


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In order to measure large PV generators, several measurements were taken in UNIVER PV plant as well, specifically in the Parking subgenerator of 66,1440 Wp at STC, built in 1999. IGBT were used as switches and an arrangement of capacitors in parallel. Data were not able to check with a commercial capacitive load because it did not exist in the PV market within those measurement ranges. Figure 9 shows the I-V curve at 878W/m2 and 58.9ºC and the same I-V curve extrapolated at STC. The power is 22% below than nominal value, but the PV system degradation after 12 years must be taken into account, so data are right when they are compared with the historical production data of the PV plant.

Figure 9: I-V curves traced with the implemented capacitive load at 878W/m2 and 58.9ºC (violet points) and STC (green pints). There is not comparative available with a commercial I-V tracer due to the generator current exceed the limit of this one (Parking generator). 6. CONCLUSIONS A modular, low cost and portable capacitive electronic load has been shown in this work. Its main characteristic is that it is able to characterize any PV system, without depending on its size. The experimental campaign has been carried out with different sizes of PV system, from PV modules, below 200Wp, to PV generator, over 65,000Wp. Results demonstrate that the uncertainty in the measurements is always lower than 3%. An oscilloscope with data storage and a low cost capacitive electronic load as proposal (the price of the control stage is the same but the price of the power stage will change below 100 Euros for PV modules or below 1000 Euros for large PV generators), are enough to check PV systems. The IDEA research group at University of Jaén goes on researching about low cost characterization of PV modules and generators. In this way, the new challenge is the study of electronic loads based on DC-DC converters [7]. 7. REFERENCES [1] IEC 1829. Crystalline silicon photovoltaic PV array-on-site measurement of I–V characteristics. Geneve. International Electrotechnical Commission IEC; 1995 [2] G.Blesser and D.Munro. Guidelines for Assessment of Photovoltaic Plants. Document A. Initial and periodic test on PV plants. Report EUR 16340 EN. Issue 2 (1995).

[3] C.Podewils J.Neuenstein. Los modulos y sus curvas. Photon. La revista de fotovoltaica (Spanish edition), pages 54--71, November 2009. [4] J. Muñoz, E. Lorenzo, Capacitive load based on IGBTs for on-site characterization of PV arrays, Solar Energy, 80, pp. 1489-1497, (2006) [5] F. Martínez-Moreno, E. Lorenzo, J. Muñoz and R. Moretón. , On the testing of large PV arrays. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. (2011) doi: 10.1002/pip.1102 [6] M. Fuentes, G. Nofuentes, J. Aguilera, D.L. Talavera, M. A. Castro, Application and validation of algebraic methods to predict the behavior of crystalline silicon PV modules in Mediterranean climates, Solar Energy 81 (2007) 1396 - 1408 [7] E. Durán, M. Sidrach de Cardona and J.M. Andujar. A new application of the buck-boost-gerived converters to obtain I-V curve of photovoltaic modules. IEEE translations on Industrial Electronics, ISSN:0278-0046. Pages 413-417. 2007


4280

Herramientas para la docencia de créditos prácticos en asignaturas directamente relacionadas con la

energía solar fotovoltaica. J. de la Casa, M. Fuentes, J. V. Muñoz, D.L. Talavera, G. Nofuentes, J. Aguilera.

Grupo de Investigación IDEA Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática.

Escuela Politécnica Superior. Universidad de Jaén. Campus de las Lagunillas s/n

CP 23071, Jaén, España. Tlf: +34 953 212804, Fax: +34 953 211967

email: [email protected]

Abstract— Cada vez son más las universidades españolas que están incorporando dentro de su oferta académica asignaturas o materias directamente relacionadas con las energías renovables.

En concreto, la Escuela Politécnica Superior de Jaén (EPS-JAÉN), dentro del título de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial, recoge en su plan de estudios verificado por la ANECA, la posibilidad de que sus estudiantes obtengan en su título con una mención en Sistemas Fotovoltaicos.

La Universidad de Jaén, y dentro de su Plan Propio de Innovación Docente - Bienio 2010-2012, está financiando un proyecto que tiene como objetivo principal, evaluar la viabilidad de incorporar como equipamiento docente para impartir créditos prácticos aquellas “herramientas de diseño propio” que actualmente se están utilizando de forma exclusiva en los laboratorios de investigación del Grupo IDEA (Investigación y Desarrollo en Energía Solar).

Las materias y asignaturas que se beneficiaran de la ejecución de este proyecto son las directamente relacionadas con la Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos responsabilidad del área de Tecnología Electrónica del Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática de la Universidad de Jaén.

Se presentará en esta ponencia, el contexto académico en el que se desarrolla este proyecto, el estado actual del mismo y los resultados más relevantes obtenidos hasta la fecha.

Index-Terms -- Docencia en energía solar fotovoltaica.

Menciones en nuevos títulos de Grado. Módulos didácticos para

prácticas.

I. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS Para una adecuada formación en cualquier ámbito de la

ingeniería, el carácter experimental de los créditos prácticos tiene una importancia vital para la formación del alumno.

Desde esta premisa, algunos profesores del área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Jaén, implicados en la puesta en marcha del nuevo título de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial, y especialmente, dado nuestro perfil investigador, en las materias directamente relacionadas con la

tecnología fotovoltaica, detectamos un serio inconveniente: Bajo nuestro punto de vista, no existe un “equipamiento comercial orientado a la docencia universitaria” que pueda adquirirse en el mercado y ayudarnos a conseguir los objetivos de formación que se pretenden para un ingeniero de esta especialidad.

Por otro lado, durante los últimos veinte años, investigadores del Grupo de Investigación y Desarrollo en Energía Solar (Grupo IDEA) hemos desarrollado “INSTRUMENTOS” diseñados y construidos por nosotros mismos, y que han sido claves para poder ejecutar nuestras labores de investigación. Entiéndase instrumentos o herramientas en un sentido amplio, ya que no se refiere exclusivamente a una clase o tipo de equipo, sino a un variado conjunto de propuestas; por ejemplo: programas software específicos programados por nosotros para dar respuesta a estudios teóricos puntuales, desarrollos electrónicos de diseño propio pensados con el propósito de resolver alguna cuestión o problema específico, o macro-sistemas diseñados “ad hoc” utilizando equipamiento comercial que han sido programados o configurados para un fin específico.

Esto ha sido posible gracias a que somos conocedores del problema a solucionar, y como ingenieros, poseemos la capacidad y las aptitudes para construir nuestras propias herramientas. Puede considerarse como una situación especial que se podría definir como “autarquía por necesidad”, ya que en la mayoría de los casos, y de modo parecido a la situación que se exponía al principio relativa al equipamiento didáctico, nuestras necesidades iban por delante de la oferta que el mercado ofrecía.

En este marco se desarrolla el proyecto de innovación docente que tiene como título el mismo que el de la presente ponencia y como objetivo principal la elaboración de Material Didáctico Manipulable correctamente documentado, y orientado para su aplicación en tareas

docentes de asignaturas relacionadas con la tecnología fotovoltaica.

Las mejoras en el proceso de aprendizaje de los alumnos,

consecuencia de la ejecución del proyecto, se derivan de su objetivo:

1. Este proyecto sería un primer paso que permitiría dotar a los laboratorios docentes del departamento de Ingeniería Electrónica y Automática de módulos didácticos. Los estudiantes podrán realizar prácticas experimentales con las ventajas intrínsecas que este hecho supone.

2. Las asignaturas de grado objeto de este proyecto se

integran dentro de una mención del título de Grado en Ingeniería Electrónica. La mayoría de los conceptos teóricos utilizados para el diseño y desarrollo de las herramientas son estudiados previamente por los alumnos en las materias de los módulos comunes de la rama industrial y el módulo de tecnología específica de la rama de Electrónica Industrial. Que los estudiantes realicen las prácticas de las asignaturas de esta mención con módulos diseñados por sus profesores, y en base a conocimientos que ellos ya han estudiado, redundará muy positivamente en su formación integral como ingenieros de la especialidad.

Este proyecto se encuentra todavía en proceso de

ejecución, estando prevista su finalización en diciembre 2012. Por otro lado, se tardaran años en ver los resultados completos del mismo; faltan al menos dos cursos académicos completos para que el plan de estudios se implante en su totalidad, y los resultados de este tipo de acciones no pueden evaluarse hasta que no se reciba realimentación por parte del alumnado, pero aprovecharemos esta ponencia para presentar algunos de los avances realizados hasta la fecha. De forma previa, en el siguiente apartado, se describirá el contexto académico en que se desarrolla la acción.

II. LA MENCIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN EL GRADO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL EN LA

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE JAÉN.

En todos los títulos de Grado en Ingeniería que oferta la Universidad de Jaén [ 1 ], para completar los 240 créditos exigidos, los estudiantes deberán cursar al menos 30 créditos de asignaturas optativas (5 asignaturas) que se sumarán a los 210 créditos correspondientes a los módulos de Formación Básica, Común a la Rama Industrial, de Tecnologías Específicas y Trabajo Fin de Grado (12 créditos).

El estudiante puede escoger libremente entre las 14

asignaturas optativas ofertadas para cada uno de los Grados, pero con el propósito de que pueda cursar de modo coherente

estos 30 créditos optativos, consiguiendo de este modo una especialización real que redunde de manera positiva en su futuro laboral, la Escuela Politécnica Superior de Jaén ha implantado el concepto de Mención.

Un estudiante recibirá su titulo de Grado en Ingeniero en

una especialidad (Mecánica, Eléctrica, Electrónica Industrial u Organización Industrial) con una mención en el caso de que curse de manera conjunta un paquete de asignaturas optativas de una misma materia.

Se ha procurado que, en la medida de lo posible, se

relacionara estrechamente la investigación llevada a cabo por los profesores y grupos de investigación directamente implicados en el centro con las menciones o especializaciones propuestas. Para que el estudiante obtenga la correspondiente mención es preciso que cumpla alguna de las tres siguientes condiciones:

1. Elegir en su itinerario curricular cinco asignaturas optativas de una misma mención.

2. Elegir en su itinerario curricular cuatro asignaturas optativas de una misma mención y además realizar prácticas de empresa (6 créditos) en trabajos específicos de la mención.

3. Elegir en su itinerario curricular cuatro asignaturas optativas de una misma mención y además realizar el Trabajo Fin de Grado en la especialidad de la mención.

MENCIÓN MATERIAS ASIGNATURA

SISTEMAS ELECTRÓNICOS

Electrónica Avanzada

Sistema Digitales Sistemas Electrónicos de Alimentación y Potencia Tecnología Electrónica y Desarrollo de Prototipos Electrónicos Microelectrónica

Programación Programación Sistemas de

Adquisición de Datos

Sis. Adq. de Datos

AUTOMÁTICA

Automática Avanzada

Sistemas de Percepción Industrial Robótica Industrial Control y Regulación de Máquinas Eléctricas

Automática Aplicada

Aplicación de la Automatización en Edif.



Sis. Adq. de Datos

SISTEMAS FOLTOVOLTAICOS

Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica

Instalaciones FVs (*) Electrónica Aplicada a los SFV (*) Gestión y Mantenimiento de SFV Tecnología Eléctrica en SFV



Sis. Adq. de Datos

Tabla 1. Oferta de asignaturas optativas en el Grado de Ingeniería en

Electrónica Industrial en la EPS-JAÉN.

En la Tabla 1 se muestran las asignaturas optativas

ofertadas para el titulo de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial, en cuya memoria verificada aparece reflejada la puesta en marcha de la mención en Sistemas Fotovoltaicos.

La decisión parece adecuada. El Grupo IDEA, formado

mayoritariamente por profesores del área de Tecnología Electrónica y adscritos al departamento de Ingeniería Electrónica y Automática (departamento que impartirá casi a totalidad de los créditos específicos de la rama), lleva realizando labores de investigación en esta tecnología de producción eléctrica desde 1989, especialmente centrados en el campo de la ingeniería de sistemas.

Con el objeto de poder formar a nuestros estudiantes en los entresijos de esta tecnología, y dentro del plan de estudios de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial, la EPS-JAÉN ha previsto ofertar las siguientes asignaturas:

1. Una asignatura obligatoria cuya finalidad sea

presentar e introducir a los estudiantes en este campo del conocimiento. La asignatura Introducción a los sistemas fotovoltaicos se impartirá en 5º semestre de Grado, será cursada por todos los estudiantes del Grado y abordara temas básicos fundamentales como son el recurso solar, la célula, módulo, etc.

2. Ofertar una materia optativa denominada

Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica, impartida de manera conjunta entre las áreas de conocimiento de Ingeniería Eléctrica y Tecnología Electrónica. Está materia está compuesta por cuatro asignaturas donde se estudiará en profundidad el diseño, componentes, cálculo, evaluación, mantenimiento, aspectos económico- financiero- medioambiental, etc. de instalaciones y sistemas fotovoltaicos tanto autónomos como conectados a la red.

Las asignaturas de la Tabla 1 resaltadas en negrita serán

las impartidas por el área de conocimiento de Tecnología Electrónica. De ellas, las marcadas con (*) son las que consideramos más propicias para enfocar la presente acción, especialmente la asignatura de Electrónica Aplicada a los Sistemas Fotovoltaicos.

III. BREVE DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO DIDÁCTICO DE PROPÓSITO GENERAL DISEÑADO PARA INCLUIR EN LAS

PRÁCTICAS. MOTIVACIONES DE LA PROPUESTA.

A la hora de proponer los módulos didácticos que se desea utilizar en las asignaturas de esta mención, se parte de dos premisas fundamentales:

1. Los estudiantes que realizan estas prácticas tienen unos conocimientos previos de electrónica analógica, de potencia y de sistemas digitales, en especial de programación de sistemas microprocesadores. No olvidemos que fundamentalmente, las asignaturas de esta mención se impartirán en el 7º y 8º semestre de la titulación, habiéndose cursado previamente por los estudiantes asignaturas obligatorias de tecnologías específicas del grado como son: Electrónica Analógica, Digital, de Potencia, Instrumentación Electrónica, etc..

2. Nada ayuda más a la compresión del funcionamiento de una tecnología o de un sistema que estar obligado a diseñarlo, construirlo y testearlo o, al menos, a utilizarlo. Desgraciadamente, bajo nuestro punto de vista, en la mayoría de las ocasiones, los docentes universitarios en ingeniería nos vemos abocados a utilizar, para impartir créditos prácticos, herramientas software que simulan el funcionamiento de los sistemas, por ejemplo herramientas tipo matlab, simulink, etc. , donde la herramienta se convierte en el fin, y el estudiante se olvida del objetivo de su uso.

La idea básica de la propuesta se fundamenta en el diseño y posterior construcción de un sistema procesador, basado en un PIC de bajo coste (hasta la fecha todos los prototipos construidos se han realizado en base a la familia 16F8XX), que permita abordar de manera experimental prácticas en el laboratorio de energía solar.

Figura 1. Diagrama de bloques simplificado del módulo de prácticas de

propósito general propuesto.

El sistema contará con un máximo de cuatro entradas analógicas previamente acondicionadas, utilizadas para medir las variables eléctricas del sistema bajo test, unos interruptores de potencia (entre dos y cuatro en función de la aplicación), y un interfaz de usuario muy simple, integrado por un LCD de 2 líneas, 16 caracteres y 3 entradas digitales por pulsador.

Su concepción modular, dota al sistema de gran versatilidad. La etapa de acondicionamiento de señal se diseñará en función de las variables eléctricas adquiridas, adecuándose a unos márgenes de tensión de entrada a la etapa de control entre 0-2,5 voltios. Por otro lado, la etapa de potencia se diseñará en función de la misma que se desee controlar y podrá basarse en diversos dispositivos, también de potencia. Para el caso que nos ocupa, donde se manejarán pequeñas potencias, siempre inferiores a 500 Watios, por su

simplicidad y facilidad de uso se propone la utilización de relés de estado sólido controlados a partir de niveles TTL. Independientemente del tipo de etapa de potencia utilizada, hay que utilizar aislamiento entre control y potencia, en nuestro caso de tipo óptico.

La estructura propuesta lleva siendo probada con éxito durante los dos últimos años con fines de investigación en diferentes desarrollos. Por ejemplo, en una carga electrónica para generadores FV de gran potencia que permite obtener curvas características de generadores de hasta 300 A de corriente de cortocircuito y de 900 V de tensión de circuito abierto [2].

El nivel de complejidad de la práctica propuesta a los alumnos que utilicen los módulos didácticos desarrollados dependerá de la asignatura en la que se utilicen. Podrá ir desde una práctica de carácter demostrativo, en la que el profesor utilice los módulos para ilustrar algún conocimiento teórico en la asignatura de Fundamentos de la Energía Solar Fotovoltaica, a un diseño completo del sistema (cálculo de las etapas de acondicionamiento, programación del microcontrolador, etc.) en la asignatura de Electrónica aplicada a los sistemas FV.

Pasaremos a continuación a describir alguna de las propuestas desarrolladas.

IV. CARGA ELECTRÓNICA CAPACITIVA MICROCONTROLADA PARA LA OBTENCIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA V-I DE UN

MÓDULO FV.

La obtención, posterior comprensión y translación a Condiciones Estándar de Medida (CEM) [3] de las curvas características V-I tomadas a sol real de una célula, módulo o generador fotovoltaico, probablemente sea una de las prácticas imprescindibles en cualquier asignatura relacionada con la tecnología FV.

Figura 2. Diagrama de bloques de la Carga Electrónica Capacitiva propuesta

implementado utilizando como base el módulo de prácticas propuesto.

El mercado podemos encontrar diversos equipos comerciales que permiten trazar esta curva [4], pero todos ellos están orientados a su uso profesional y se utilizan fundamentalmente en labores de mantenimiento y control de

calidad de este tipo de sistemas. El mercado no ofrece ningún equipo con fines didácticos que ayude a comprender el proceso de medida y los fundamentos que se deben manejar durante el mismo.

Para su uso en esta práctica, se propone realizar un conexionado del sistema de propósito general descrito en el apartado anterior, tal y como se muestra en la figura 2.

La elección del tamaño y capacidad del banco capacitivo, formado por condensadores electrolíticos, será función de las características en CEM del módulo FV bajo test y se calculará utilizando las recomendaciones indicadas en [5] y [6].

La resistencia de descarga deberá ser de potencia, y se utilizara un valor óhmico que proporcione una descarga lo más rápida posible del banco capacitivo por un lado y por otro asegurar que, en ningún caso, la corriente máxima de descarga supera los límites admitidos por el RELE 2 (de estado sólido).

El protocolo de funcionamiento que debe seguir el módulo didáctico que automatiza el proceso de medida de la curva característica es el siguiente:

1. Partiendo del banco capacitivo totalmente descargado y todos los reles en OFF, el bloque de control cierra el RELE 3 para cargar negativamente el banco de condensadores. Esta precarga negativa asegura la captura del valor de Isc del módulo FV. El valor de la precarga no deberá de superar los -2 voltios, y será testeada, después de su acondicionamiento, gracias a las entradas analógicas del bloque de control. Acabado este proceso, el RELE 3 pasará de nuevo a OFF.

VOC v

i ISC

Figura 3. Curva característica de un módulo FV obtenida por el diseño propuesto y un osciloscopio digital de bajas prestaciones.

2. Una vez precargado negativamente el banco de condensadores se procederá al trazado de la curva. Para ello, el RELE 1 pasará a estado de ON. Para realizar la captura puede utilizarse un osciloscopio que registre simultáneamente, durante el transitorio de carga del banco de condensadores, la tensión en bornes del módulo FV y la corriente que proporciona. El osciloscopio debe estar configurado en modo de disparo único por flanco ascendente y controlado en este caso, por el canal 2. Se recomienda que el osciloscopio

utilizado disponga de canales totalmente independientes, pero con la configuración propuesta, no es imprescindible. En la figura 3 puede observarse un ejemplo de captura cuando se configura el osciloscopio en modo X-Y. Si el osciloscopio dispone de capacidad de registro de medidas y comunicación con PC, los valores obtenidos pueden utilizarse para su posterior paso a CEM tal y como se propone en [7]. El proceso de carga finalizará cuando el sensor de efecto HALL 1 nos indique que la corriente es igual a cero, procediéndose a continuación a situar el RELE 1 en estado de reposo.

3. El proceso finaliza con la descarga del banco para capacitivo activando el RELE 2. Para facilitar la disipación de potencia en la resistencia de descarga se recomienda utilizar una técnica software de modulación por ancho de pulsos (PWM) para el control del interruptor. El proceso de descarga finalizará cuando así nos lo indique el sensor de efecto HALL 2 con un valor nulo.

Durante todo el proceso de diseño del programa de control para el microcontrolador habrá que insistir al alumno en que tenga especial cuidado en dos aspectos fundamentales:

En ningún caso, puede estar activado más de un RELE simultáneamente.

Los sensores de efecto HALL no solo tienen la función de indicar cuándo se han finalizado los procesos de carga y descarga. También tienen una función implícita de seguridad dentro del sistema. Si en algún instante se detecta paso de corriente por ambos de manera simultánea es que se ha producido alguna situación de mal funcionamiento del sistema, por ejemplo, rotura de uno de los interruptores de estado sólido quedándose enclavado en situación de cortocircuito. Esta situación obligaría a una parada de emergencia, desconectando todos los interruptores que en ese instante de tiempo se encuentre activos.

V. PROPUESTA DE MÓDULO DE PRÁCTICAS PARA SU USO COMO REGULADOR O CONTROLADOR DE CARGA PARA

INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AUTÓNOMAS.

En una instalación fotovoltaica aislada de la red o

autónoma, es el controlador o regulador de carga de la batería el dispositivo electrónico encargado del control de todo el sistema [8]. La función principal del mismo es preservar la vida de las baterías, ya que estas son el punto más débil del sistema y las que cumplen con la labor imprescindible de adecuar el perfil de generación-consumo intrínseco a la mayoría de las aplicaciones de la tecnología FV cuando se encuentran en ausencia de conexión a red de distribución convencional.

El regulador de carga deberá evitar situaciones de sobrecarga o sobredescarga de la batería, procurando que el “estado de carga” de la misma (SOC) se encuentre dentro de sus márgenes funcionamiento óptimo. Para ello, se aplican diferentes estrategias tanto para la carga de las baterías como

para la determinación del SOC de la misma en un instante dado [9].

Las estrategias de gestión de la batería por parte del regulador de carga son uno de los temas más propicios para realizar prácticas de este tipo de sistemas porque obliga a un conocimiento exhaustivo del funcionamiento de la instalación completa.

Figura 4. Diagrama de bloques del Controlador de Carga didáctico

implementado utilizando como base el módulo de prácticas propuesto.

Por ello se propone el uso de un sistema genérico con la configuración que se muestra en la figura 4.

El esquema propuesto, con configuración de regulador serie, permite diferentes modos de carga de la batería (todo-nada, PWM), diferentes regímenes de carga (normal, flotación y gaseado), así como diferentes algoritmos o estrategias para determinar el SOC de la batería. Pueden implementarse algoritmos tan simples como la medida directa de la tensión de la batería en ausencia de carga y descarga (para evitar los efectos de la resistencia interna), incluir compensaciones por temperatura de trabajo o algoritmos que evalúen el balance neto de flujo de energía de carga-descarga. , Incluso utilizar técnicas de control fuzzy o inteligencia artificial que permitan optimizar los rendimientos energéticos del sistema [ 10 ], aunque para ello será imprescindible utilizar un microcontrolador con mayor capacidad que el propuesto en el diseño implementado.

Con el objetivo de realizar una recreación lo más realista del funcionamiento de la Instalación Fotovoltaica Autónoma, el puesto básico de laboratorio podrá completarse con el programa GECON 2.0.

Este programa de elaboración propia en el seno del grupo IDEA y desarrollado en lenguaje C++ builder permite la generación rápida de perfiles de consumo de hasta ocho cargas independientes con base de tiempo horaria, diaria o mensual.

El programa puede ejecutarse sobre plataforma PC, utilizando en este caso el puerto paralelo para el control de las etapas de potencia que gobiernan las cargas, o también transferir la información a una memoria tipo I2C para que funcione de manera autónoma sobre un sistema basado en microcontrolador.

Figura 5. Pantalla de entrada de la aplicación GECON 2.0.

Por ejemplo, en la figura 6 se muestra un prototipo del sistema emulador de los perfiles de carga completo. En la parte inferior izquierda nos encontramos con la placa de control, realizada utilizando un microcontrolador de ATMEL. Las etapas de potencia se han desarrollado a partir de tecnología MOSFET.

Figura 6. Prototipo para la generación automática de perfiles de consumo.

CONCLUSIONES La conclusión más interesante que se puede extraer de este

trabajo es que existe una vía de transferencia en el binomio Investigación - Docencia que la mayoría de los profesores universitarios realizamos en nuestra labor diaria.

La trayectoria de veinte años de trabajo en tecnología FV de un grupo de investigación ha posibilitado la puesta en marcha una mención específica, a priori, no directamente

relacionada con el título de Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido promovido y financiado por el

Vicerrectorado de Ordenación Docente de la Universidad de Jaén dentro de su Programa Bianual de Proyectos de Innovación Docente 2010-2012.

REFERENCES

[1] Memorias de Verificación de los Títulos de Grado en Ingeniería de la Universidad de Jaén. Disponibles para su consulta y descarga en http://eps.ujaen.es.

[2] J.V. Muñoz, J. de la Casa, M. Fuentes, J. Aguilera, J.C. Bertolin, “New portable capacitive load able to measure PV modules, PV strings and large PV generators. Proceedings of 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference , 4276 – 4280, Hamburgo, Alemania. Septiembre 2011.

[3] “IEC 1829. Crystalline silicon photovoltaic PV array on-site measurement of I–V characteristics”. Geneve. International Electrotechnical Commission IEC, 1995.

[4] C.Podewils, J.Neuenstein, “Los módulos y sus curvas”. Photon. La revista de fotovoltaica (Edición Española), 54-71, November 2009.

[5] G.Blesser and D.Munro, “Guidelines for Assessment of Photovoltaic Plants. Document A. Initial and periodic test on PV plants”. Report EUR 16340 EN. Issue 2 (1995).

[6] J. Muñoz, E. Lorenzo, “Capacitive load based on IGBTs for on-site characterization of PV arrays”, Solar Energy, 80, pp. 1489-1497, (2006).

[7] F. Martínez-Moreno, E. Lorenzo, J. Muñoz and R. Moretón , “On the testing of large PV arrays”. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. (2011) doi: 10.1002/pip.1102.

[8] Varios autores, “Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica”. Serie Ponencias. CIEMAT. Madrid 2003

[9] F.J. Muñoz, I. Echbarthi, G. Nofuentes, M. Fuentes, J. Aguilera, “Estimation of the potential array output charge in the performance analysis of stand-alone photovoltaic systems without MPPT (Case study: Mediterranean climate)”. Solar Energy, Volume 83, Issue 11, Pages 1985–1997. November 2009.

[10] S.G.Galán, J.C. Bago, J. Aguilera, J.R. Velasco, L. Magdalena, “Genetic Fuzzy Systems in Stand-Alone Photovoltaic Systems”. I International Workshop in Genetic Fuzzy Systems. Granada, Marzo 2005.

http://eps.ujaen.es/

http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X

http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X/83/11

1 Memorias de Verificación de los Títulos de Grado en Ingeniería de la Universidad de Jaén. Disponibles para su consulta y descarga en http://eps.ujaen.es. 2 J.V. Muñoz, J. de la Casa, M. Fuentes, J. Aguilera, J.C. Bertolin, “New portable capacitive load able to measure PV modules, PV strings and large PV generators. Proceedings of 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference , 4276 – 4280, Hamburgo, Alemania. Septiembre 2011.

3 “IEC 1829. Crystalline silicon photovoltaic PV array on-site measurement of I–V characteristics”. Geneve. International Electrotechnical Commission IEC, 1995.

4 C.Podewils, J.Neuenstein, “Los módulos y sus curvas”. Photon. La revista de fotovoltaica (Edición Española), 54-71, November 2009. 5 G.Blesser and D.Munro, “Guidelines for Assessment of Photovoltaic Plants. Document A. Initial and periodic test on PV plants”. Report EUR 16340 EN. Issue

2 (1995). 6 J. Muñoz, E. Lorenzo, “Capacitive load based on IGBTs for on-site characterization of PV arrays”, Solar Energy, 80, pp. 1489-1497, (2006).

7 F. Martínez-Moreno, E. Lorenzo, J. Muñoz and R. Moretón , “On the testing of large PV arrays”. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. (2011) doi: 10.1002/pip.1102.

8 Varios autores, “Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica”. Serie Ponencias. CIEMAT. Madrid 2003. 9 F.J. Muñoz, I. Echbarthi, G. Nofuentes, M. Fuentes, J. Aguilera, “Estimation of the potential array output charge in the performance analysis of stand-alone photovoltaic systems without MPPT (Case study: Mediterranean climate)”. Solar Energy, Volume 83, Issue 11, Pages 1985–1997. November 2009.

10 S.G.Galán, J.C. Bago, J. Aguilera, J.R. Velasco, L. Magdalena, “Genetic Fuzzy Systems in Stand-Alone Photovoltaic Systems”. I International Workshop in Genetic Fuzzy Systems. Granada, Marzo 2005.

http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X

http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X/83/11

Herramientas para la docencia de créditos prácticos en asignaturas directamente relacionadas con la

Energía Solar Fotovoltaica

J. de la Casa Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática.

Escuela Politécnica Superior de Jaén.

Introducción

• Incorporación de las EERR a la oferta académica en Ingeniería.

Investigación y Desarrollo en Energía Solar • Industriales

• Geomática. • Informática.

DOCENCIA REGLADA en Energía Solar Fotovoltaica

desde 1996

Dos asignaturas optativas: • Electricidad Fotovoltaica. • Instalaciones Fotovoltaicas.

Máster en Energías Renovables coordinado por el CEAEMA

MENCIÓN MATERIAS ASIGNATURA

SISTEMAS ELECTRÓNICOS

Electrónica Avanzada

Sistema Digitales

Sistemas Electrónicos de Alimentación y Potencia

Tecnología Electrónica y Desarrollo de Prototipos

Microelectrónica

AUTOMÁTICA Automática Avanzada

Sistemas de Percepción Industrial

Robótica Industrial

Control y Regulación de Máquinas Eléctricas

Automática Aplicada Aplicación de la Automatización en Edificios

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica

Instalaciones FVs

Electrónica Aplicada a los SFV

Gestión y Mantenimiento de SFV

Tecnología Eléctrica en SFV

(++) Sistemas de Adquisición de Datos, Programación, Practicas en Empresas o TFM

“Mención” en el Grado de Ingeniería en Electrónica Industrial

30 créditos de optatividad semi-dirigidos

El diseño de MATERIAL DIDÁCTICO MANIPULABLE, correctamente documentado, y orientado para su aplicación en tareas docentes de asignaturas relacionadas con la tecnología fotovoltaica.

OBJETIVO DE LA COMUNICACIÓN

Presentación de los primeros resultados de un • PROYECTO DE INNOVACIÓN DOCENTE

Promovido y financiado por: • VICERRECTORADO de ORDENACIÓN DOCENTE de la UJA

Programa bianual 2010-2012 OBJETIVO DEL PROYECTO:

Del laboratorio de INVESTIGACIÓN al laboratorio de DOCENCIA. Un caso práctico:

DISEÑO DE CARGAS ELECTRÓNICAS CAPACITIVAS PARA LA OBTENCIÓN DE CURVAS CARACTERISTICAS DE MÓDULOS O GENERADORES FOTOVOLTAICOS.

El periodo transitorio durante la carga de la capacidad emula el

efecto de una “impedancia

variable”.

Obtención de la curva característica de un módulo o generador FV utilizando una Carga Pasiva Capacitiva.

FUNDAMENTO TEÓRICO Ca𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 × 𝑉𝑜𝑜 = 𝐼𝑠𝑜 × 𝑇𝑜𝑐𝑐𝑐𝑐

Sistema automático de medida desarrollado en Labview

y basado en carga electrónica comercial.

Laboratorio de investigación del grupo IDEA Proyectos del Plan Nacional de I+D y de

Excelencia de la Junta de Andalucía Seguidor a dos ejes donde se

comparan distintas tecnologías de módulos FV (silicio cristalino, capa

delgada y concentración).

Diseño de CARGAS CAPACITIVAS aplicadas a la caracterización de sistemas FV.

EXPERIENCIAS PREVIAS del Grupo IDEA (1 de 2)

Año 2000: Carga electrónica capacitiva orientada al control de calidad de módulos FV en Solar Home Systems. Transferencia de tecnología en proyectos de cooperación al desarrollo (Guatemala, Panama, El Salvador,..)

Progress in Photovoltaic (2006): A REFERENCE MODULE BASED PROCEDURE FOR OUTDOORS ESTIMATION OF CRYSTALLINE SILICON PV MODULE PEAK POWER

Año 2004: Prototipo para la validación del Protocolo UJA para la caracterización de módulos FV. Incluye sistema de medida de bajo costo.

Diseño de CARGAS CAPACITIVAS aplicadas a la caracterización de sistemas FV.

EXPERIENCIAS PREVIAS del Grupo IDEA (2de 2)

Diagrama de bloques genérico del módulo para prácticas.

¿Cuales son los CONOCIMIENTOS PREVIOS? ELECTRÓNICA APLICADA A LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Doble objetivo: Adquieran conocimientos de FV asentando competencias específicas de la profesión.

• Introducción a los SF • Electrónica Analógica. • Electrónica Digital. • Sistemas Analógicos. • Instrumentación

Electrónica. • Electrónica de Potencia. • Informática Industrial. • Ingeniería de control.

ASIGNATURAS OBLIGATORIAS

PREVIAS

Diagrama de bloques del módulo para prácticas. Aplicación como Carga Electrónica Capacitiva

VOC v

i ISC

Paso de la Curva Característica obtenida a sol real a Condiciones Estándar de Medida (CEM)

Paso de la Curva Característica obtenida a sol real a Condiciones Estándar de Medida (CEM)

Módulo de Medidas Filtro EMI

4 x DC/DC Converter

Módulo de Control

DC Power o Batería (12V)

4 x 100W Resistencias de Potencia

Conexión con el Generador FV

Nuevos prototipos de interés para la obtención de CURVAS CARACTERISTICAS con posible aplicación

a la docencia CARGAS ACTIVAS BASADAS EN CONVERTIDORES DC/DC

OTRO EJEMPLO: Aplicación al desarrollo de un Regulador de Carga

parte de un sistema fotovoltaico autónomo.

• Configuración de regulador serie. • Diferentes modos de carga de la batería (todo-nada, PWM) • Diferentes regímenes de carga (normal, flotación y gaseado), • Diferentes algoritmos o estrategias para determinar el SOC de la batería.

CONCLUSIONES

• Existe una vía de transferencia en el binomio Investigación – Docencia que la mayoría de los profesores universitarios realizamos en nuestra labor diaria.

• Proyecto en proyecto de realización. Se difundirán los resultados definitivos en:

http://solar.ujaen.es

• No se pueden ofrecer conclusiones definitivas hasta que: • Implantemos los módulos propuestos en prácticas. • Se realice el proceso de realimentación con los alumnos.

http://solar.ujaen.es/

16

¡¡¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!!

Juan de la Casa Higueras ([email protected]) Departamento de Ingeniería Electrónica y Automática

Escuela Politécnica Superior Grupo I+DEA. Universidad de Jaén.


TOOLS FOR THE TEACHING OF PRACTICE LESSONS IN

SUBJECTS DIRECTLY RELATED TO PHOTOVOLTAIC SOLAR

ENERGY.

J. de la Casa1, B. García-Domingo1 M. Torres-Ramírez1, J.V. Muñoz1.

1 IDEA Research Group. Electronics and Automation Engineering Department, University of

Jaén, Campus de Las Lagunillas, (SPAIN). Tlf: +34 953213306

Abstract

For an adequate training at any engineering field, the experimental nature of the practice credits has a vital importance for the student formation. In other way, each academic year is increasing the number of Spanish Universities which are incorporating subjects directly related to Renewable Energies in their academic offer.

From this premise, some teachers of Electronics Technology area at the University of Jaén are implied in the implementation of a new degree: Industrial Electronics Engineering. Because of our researcher profile, in those subjects directly related to photovoltaic technology, we detect a serious drawback: It does not exist commercial equipment oriented to the university teaching, which can be acquired in the market, and help us to achieve the formation objectives for an engineer of this speciality.

In other way, during the last twenty years, researchers of IDEA (Investigation and Development in Solar Energy) have developed instruments designed and manufactured by ourselves, being these instruments essentials for our investigation works. As examples of these proposal designed by IDEA research group we can emphasize: specified software programs designed to solve punctual theoretical studies, self-designed electronics prototypes, or macro-systems “ad-hoc” designed, using commercial equipment scheduled or configured with an specific purpose.

In this framework, a teaching innovation project is developed. This project has as main objective to evaluate the viability of including those self-designed tools –used exclusively in IDEA research group laboratories until now- as teaching equipment in practice lessons.

The basic idea of the proposal is based on the design and latter construction of a processor system, based on a low-cost PIC (since now all constructed prototypes has been done according to 16F8XX family), which allows approaching practices in Solar Energy laboratory in an experimental way.

The subjects which will be better off with the implementation of the project are those ones directly related to Photovoltaic System Engineering, taught in Electronics area of Electronics and Automation Engineering department at the University of Jaén.

In the paper, the academic context in which this project is developed, its current state, and main results obtained until now, will be presented

Keywords: Photovoltaic Solar Energy teaching, practice lessons.

memoria final de proyectos de innovaciÓn ......software de apoyo, etc..) para su uso en las...

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