trabajo de diploma análisis dinámico de los sistemas

127
Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas fotovoltaicos aislados. Autor: Brayan Parlá Moreno. Tutor: M.Sc. Rodolfo Arias García Santa Clara, Cuba Junio 2011

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Page 1: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica

TRABAJO DE DIPLOMA

Análisis dinámico de los sistemas fotovoltaicos aislados.

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SSaannttaa CCllaarraa,, CCuubbaa JJuunniioo 22001111

Page 2: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas.

Facultad de Ingeniería Eléctrica

TRABAJO DE DIPLOMA

Análisis dinámico de los sistemas fotovoltaicos aislados.

AAuuttoorr:: BBrraayyaann PPaarrlláá MMoorreennoo.. EEmmaaiill:: bbppaarrllaa@@uuccllvv..eedduu..ccuu

TTuuttoorr:: MM..SScc.. RRooddoollffoo AArriiaass GGaarrccííaa

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SSaannttaa CCllaarraa,, CCuubbaa JJuunniioo 22001111

Page 3: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad

Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la

especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por

la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como

total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin

autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según

acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos

que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor Firma del Jefe de

Departamento donde se

defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

Page 4: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

i

PENSAMIENTO

"Vive, como si fueras a morir mañana.

Aprende, como si fueras a vivir siempre"

Mahatma Gandhi

Page 5: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ii

DEDICATORIA

A mis padres, por haberme traído al mundo, educarme y guiarme

siempre por el camino correcto, intentando cada día hacer de mí, un

hombre mejor. A mí familia, por estar siempre a mí lado y en general, a

todos los que confiaron en mí.

A toda mi familia, por su apoyo incondicional

A mis amistades

Page 6: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

iii

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer de forma especial a:

Mis padres por su cariño y dedicación lo cual me ha servido de guía

para lograr alcanzar esta importante meta en mi vida.

Mi tutor Rodolfo Arias por su colaboración, experiencia y paciencia

en la realización de este trabajo.

A mi hermano por su ayuda incondicional.

A mi novia por su ayuda, dedicación y compañía.

A toda mi Familia por haber confiado todo este tiempo en mí.

A todos mis compañeros y amigos.

En general agradezco a todas las personas que de una forma u otra me

han brindado su apoyo.

Page 7: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

iv

TAREA TÉCNICA

Objetivo General:

Desarrollar los modelos y la simulación de los sistemas fotovoltaicos autónomos

en estado dinámico, para predecir mediante el modelo de sus componentes el

comportamiento real de los sistemas autónomos aislados.

Objetivos Específicos:

1. Revisión de la bibliografía, sobre el estado del arte del tema.

2. Estudio de tesis de grado precedente al trabajo de la cual esta será una

continuidad, para poder elaborar los algoritmos de simulación, a partir de las

estructuras de resultados de la proyección del sistema en estadio estable,

siguiendo criterios de diseño.

3. Obtención de los modelos matemáticos, de cada uno de los elementos

componentes del sistema fotovoltaico autónomo.

4. Implementación y validación en Matlab-Simulink de los modelos matemáticos de

cada uno de los componentes del sistema fotovoltaico autónomo.

5. Implementación y validación en Matlab-Simulink del comportamiento del

sistema fotovoltaico autónomo, comparando los resultados obtenidos con los

resultados experimentales del sistema real.

Firma del Autor Firma del Tutor

Page 8: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

v

RESUMEN

Debido al alto precio de los combustibles fósiles, su agotamiento y a su efecto

sobre el medio ambiente, en lo últimos años la humanidad se ha visto obligada a

buscar nuevas fuentes de energía. Teniendo en cuenta dicho problema, en este

trabajo se ha hecho énfasis en la energía fotovoltaica, pues este tipo de energía

alternativa presenta grandes perspectivas en la generación de electricidad, por su

gran flexibilidad en su empleo e instalación, representando una solución ventajosa

para regiones sin electrificar en países en vías de desarrollo.

En la actualidad los sistemas fotovoltaicos no resultan muy rentables debido a su

alto costo de inversión, pero con el desarrollo que se ha venido alcanzando en la

aplicación de nuevos materiales y el incremento de la eficiencia de las celdas

solares se prevé que su utilidad será cada vez mayor, y los precios han ido

disminuyendo cada vez más.

En este trabajo se presenta un programa desarrollado en Matlab que utilizando el

método de estado dinámico, permite desarrollar la simulación de los sistemas

fotovoltaicos autónomos, para predecir el comportamiento real de los sistemas

proyectados antes de su implementación, donde se pudo comprobar comparando

los resultados obtenidos con los resultados experimentales del sistema real, que

se alcanzan resultados excelentes.

Page 9: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

vi

INDICE

PENSAMIENTO...................................................................................................i

DEDICATORIA....................................................................................................ii

AGRADECIMIENTOS.........................................................................................iii

TAREA TÉCNICA...............................................................................................iv

RESUMEN...........................................................................................................v

INTRODUCCION……………………………………………………………………..1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.……...2

1.1. Generalidades de los sistemas fotovoltaicos.....……………………………...2

1.2. Características de la energía solar fotovoltaica..……………………………..3

1.3. Costos……………………………………………………………………………..4

1.4. Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica......……………………….........5

1.5. Tipos de sistemas fotovoltaicos.………………………………………….........5

1.6. Sistemas fotovoltaicos autónomos...…………………………………………..7

1.6.1. Estructura del sistema fotovoltaico autónomo......……………………..8

1.6.2. Módulo fotovoltaico..………………………………………………………8

1.6.3. Banco de baterías..............……………………………………………..11

1.6.4. Regulador de carga....…………………………………………. ……….12

1.6.5. Inversor.…………………………………………………………………...12

1.6.6. Carga eléctrica.…………………………………………………………..13

1.7. Ventajas y desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica.......……………..14

1.8. El sol como fuente de energía. Características del sol.…………………….15

1.9. Análisis crítico de las variantes para la proyección y análisis de los

sistemas fotovoltaicos autónomos....……………………………… …...…...17

1.9.1. Análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado estable.......………18

1.9.2. Análisis del software en estado estable para el dimensionamiento

del sistema fotovoltaico autónomo...……………………………………..18

1.9.3. Análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado Dinámico.………...20

1.10.Conclusiones parciales.……………………………………………………….21

Page 10: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

vii

CAPÍTULO 2. MODELOS MATEMÁTICOS PARA LOS ANÁLISIS

DINÁMICOS...........................................…………………………………………..23

2.1. Generador Fotovoltaico...................................……………………………....23

2.1.1. Modelo de una celda..................………………………………............23

2.1.1.1. Dependencia de I0 con la temperatura. ..……....……………………28

2.1.1.2. Cálculo del valor de Rs........…………………………………………..30

2.1.1.3. Dependencia de la fotocorriente (Iph) con la temperatura.......…...33

2.1.1.4. Temperatura de operación de la celda....………………………….. 34

2.1.1.5. Parámetros de las celdas....…………………………………………..35

2.1.2. Modelo de un módulo fotovoltaico.......………………………………...36

2.1.3. Dependencia de la fotocorriente (Iph) con la temperatura......……...37

2.2. Baterías de ciclo profundo..……………………………………………………38

2.2.1. Nociones generales de las baterías.... ………………………………..39

2.2.2. Generalidades sobre modelos de batería............... …………………43

2.2.3. Modelo propuesto de la batería.... …………………………………….44

2.2.4. Extracción de los parámetros..…………………………………………46

2.2.4.1.Zona exponencial..............…………………………………………….48

2.2.4.2.Zona nominal o zona útil. …...…………………………………………49

2.2.4.3. Zona de Agotamiento.………..……………………………………….49

2.2.5. Banco de baterías.......………………………………………. …………50

2.3. Regulador de carga....………………………………………………………….51

2.3.1. Regulador serie..............………………………………………………...51

2.3.2. Regulador paralelo....…………………………………………………….52

2.3.3. Regulador de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)...52

2.3.4. Modelo matemático del regulador.........................……………………52

2.3.4.1. Módulo de potencia.......……………………………………………….54

2.3.4.2. Sistema de mando.......……………………..…………………………55

2.3.4.3. Sistema de regulación y control.……………………………………..57

2.4. Inversor...........…………………………………………………………………..58

2.4.1. Módulo de potencia............. ……………………………………………59

2.4.2. Sistema de mando...........……………………………………………….63

Page 11: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

viii

2.4.3. Sistema de regulación y control.....…………………………………….64

2.5. Carga eléctrica………...………………………………………………………..65

2.5.1. Generalidades sobre el modelo de potencia de la carga eléctrica

a partir del gráfico horario..........…………………………………………65

CAPÍTULO 3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS EN

MATLAB-SIMULINK..................………………………………………………………..67

3.1. Generador Fotovoltaico......…………………………………………………….67

3.1.1. Datos del fabricante de los módulos fotovoltaico.…………………….67

3.1.2. Estructura de datos obtenidos en el cálculo del sistema en estado

estable.......……………………………………………………………….....68

3.1.3. Confección del modelo en Matlab-Simulink.. …………………………69

3.1.3.1. Datos del modelo del arreglo fotovoltaico..…..……………………...70

3.1.3.2. Implementación del modelo del módulo fotovoltaico...... ……….....71

3.1.3.3. Validación del modelo del módulo fotovoltaico..………..………......73

3.1.3.4. Implementación del modelo del arreglo fotovoltaico........………….75

3.2. Baterías de ciclo profundo. …………………………………………………....76

3.2.1. Datos del fabricante de las baterías de ciclo profundo.……………...77

3.2.2. Estructura de los datos obtenidos en el cálculo del sistema en

estado estable.... …..………………………………………………………77

3.2.3. Confección del modelo en Matlab-Simulink.......……………………...78

3.2.3.1.Datos del modelo del banco de baterías. ...………………………….80

3.2.4.Validación del modelo de la batería........……………………………....81

3.2.5. Validación del modelo del banco de baterías.………………………...83

3.3. Regulador de carga........................... ………………………………………...84

3.3.1. Datos del fabricante de los reguladores de carga.............................84

3.3.2. Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema en estado

estable....…………………………………………………………………....85

3.3.3. Confección del modelo en Matlab-Simulink......……………………....85

3.3.4. Validación del modelo................................…………………………....87

3.4. Inversor....………………………………………………………………………..88

Page 12: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ix

3.4.1. Datos del fabricante del inversor....…………………………………....88

3.4.2. Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema de estado

estable....…………………………………………………………………....89

3.4.3. Confección del modelo en Matlab-Simulink.....…………………….....89

3.4.4. Validación del modelo........................... ………………………………90

3.5. Carga eléctrica.....………………………………………………………………92

3.5.1. Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema en estado

estable.......………………………………………………………………….92

3.5.2. Validación del modelo de potencia.....…………………………………93

CAPÍTULO 4. MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO EN

MATLAB-SIMULINK....………………………………………………………………….95

4.1 Implementación del sistema fotovoltaico en Matlab-Simulink..…..……………95

4.2 Validación del modelo del sistema fotovoltaico en Matlab-Simulink....……….96

CONCLUSIONES………………………………………………………………………..98

RECOMENDACIONES………………………………………………………………….99

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………100

Anexos…………………………………………………………………………………..101

Page 13: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

1

INTRODUCCION.

A lo largo de los años la humanidad parece haber adoptado los combustibles

fósiles como si fuesen a estar disponibles para siempre, o como si cualquier otra

transición energética hacia otras fuentes alternativas fuese una tarea de las

futuras generaciones, y no de la presente. Actualmente el uso indiscriminado de

los combustibles fósiles ha traído como consecuencia su agotamiento e

indescriptibles daños a la humanidad, su combustión provoca emisiones de CO2,

metano y otros gases a la atmósfera que son los causantes del calentamiento

global y los cambios climáticos. El futuro, la herencia que aportemos a nuestros

hijos depende directamente de las decisiones que ahora tomemos en relación con

las tecnologías energéticas. Estos problemas han motivado una incesante

búsqueda de energías alternativas que puedan resolver la actual situación

mundial. Las energías renovables representan una solución factible para resolver

estos problemas que afronta la humanidad, ya que se trata de energías limpias e

inagotables que reducen de manera esencial la contaminación del planeta lo que

permite el ahorro y una eficiente utilización de la energía. En nuestro país la

energía fotovoltaica es una alternativa muy interesante, desde las perspectivas

técnica y económica, pues es una región muy privilegiada con respecto al recurso

solar, y en los últimos años se ha producido una iniciativa en su explotación

instalándose numerosos sistemas fotovoltaicos en regiones sin electrificar donde

no llega el alcance de la red eléctrica convencional. Derivado de los argumentos

planteados anteriormente es que el presente trabajo se ha planteado el objetivo

siguiente:

Objetivo General:

Desarrollar una aplicación computacional para realizar la simulación de los

sistemas fotovoltaicos autónomos en estado dinámico, y predecir mediante el

modelo de sus componentes el comportamiento real de los sistemas autónomos

proyectados antes de su implementación.

Page 14: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

2

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.

1.1 Generalidades de los sistemas fotovoltaicos.

La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la

transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. Esta definición de

la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene aspectos importantes

sobre los cuales se puede profundizar:

La energía solar se puede transformar de dos maneras:

La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol

para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La

transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos.

La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del

sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar

fotovoltaica. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles solares

fotovoltaicos. [5]

La celda fotovoltaica o solar es el elemento encargado de transformar la energía

solar en eléctrica y su funcionamiento se basa en el fenómeno físico denominado

efecto fotovoltaico. [1]

El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula

fotovoltaica convierte directamente la luz en electricidad.

La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas, poseedores de

diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del

espectro de la luz solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV, pueden

ser reflejados, absorbidos o pueden pasar a través de ella; únicamente los fotones

absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es absorbido, su energía se

transfiere a un electrón de un átomo de la célula, siendo éste capaz de escapar de

su posición normal asociada con un átomo dado para formar parte de una

corriente en un circuito eléctrico.

Page 15: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

3

1.2 Características de la energía solar fotovoltaica.

Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por su simplicidad y fácil

instalación, por ser modulares, por tener una larga duración (la vida útil de los

módulos fotovoltaicos es superior a 25 años), no requerir apenas mantenimiento,

además tienen una elevada fiabilidad, no producen ningún tipo de

contaminación ambiental, y tienen un funcionamiento totalmente silencioso.

Anexo II Figura 1. Esquema simple de un sistema fotovoltaico.

La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo; pero la disponibilidad

de este tipo de energía es variable y depende de las condiciones atmosféricas

(días nublados y la trayectoria solar). Algunas zonas del planeta reciben más

radiación solar que otras, sin embargo, los sistemas fotovoltaicos tienen muchas

aplicaciones.

En el caso particular de Cuba, los sistemas fotovoltaicos son una alternativa muy

interesante, desde las perspectivas técnica y económica, pues la región dispone

durante todo el año de abundante radiación solar. Como es conocido, en Cuba la

radiación solar tiene un valor energético considerable, de unas 5 000 kcal/m2 al

día, índice que varía muy poco de un lugar a otro del territorio, en virtud de la

forma alargada y la orientación de Este a Oeste de la isla. Dicha variación es casi

despreciable de un mes a otro, lo que posibilita el aprovechamiento energético de

esta fuente durante todo el año.

Aunque el país es una región muy privilegiada con respecto del recurso solar

disponible, siempre es necesario evaluar el potencial solar de un sitio específico

donde se planea instalar un sistema fotovoltaico.

La cantidad de energía eléctrica producida de un sistema fotovoltaico depende

básicamente de la eficiencia de los módulos y de la irradiación solar, o de la

radiación solar incidente.

La radiación solar incidente en la tierra tiene un valor variable en función de la

distancia entre la Tierra y el Sol, o de la latitud de la localidad donde están

instalados los módulos fotovoltaicos. También es importante la inclinación de los

módulos: una correcta inclinación influye mucho en la cantidad de energía solar

captada y por lo tanto en la cantidad de energía eléctrica producida.

Page 16: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

4

La presencia de la atmósfera, finalmente, implica una serie de fenómenos sobre la

radiación incidente, entre los cuales el efecto de filtro que reduce

considerablemente la intensidad de la radiación en el suelo y la fragmentación de

la luz.

1.3 Costos.

La energía del sol es un recurso de uso universal; por lo tanto, no se debe pagar

por utilizar esta energía. Sin embargo, es importante recordar que para realizar la

transformación de energía solar en energía eléctrica se necesita de un sistema

fotovoltaico apropiado. [5]

Un sistema fotovoltaico requiere un fuerte desembolso de capital inicial, pero luego

los gastos de gestión y de mantenimiento son muy reducidos. El análisis de todos

los aspectos económicos relativos a un sistema fotovoltaico es muy complejo. En

especial, cada aplicación tiene que ser evaluada en su contexto especifico,

teniendo en cuenta sobre todo la energía eléctrica producida, la duración del

sistema (se calcula alrededor de 25 años), las dificultades de conexión a la red

eléctrica, los incentivos disponibles, etc. En algunos casos la inversión inicial se

amortiza rápidamente cuando el costo de la conexión a la red eléctrica sería

superior al de la instalación de un sistema solar fotovoltaico. Pero en la mayoría de

los casos un sistema fotovoltaico tiene un costo por KW instalado mucho mayor

que el costo del KW de un sistema de gran escala de la red eléctrica. Por lo tanto,

lo que puede hacer compensar la instalación de un sistema fotovoltaico son los

incentivos públicos en las zonas urbanas, o bien, en los casos de instalaciones

aisladas del sistema eléctrico, el costo unitario de un sistema fotovoltaico se hace

conveniente al evitar el costo de una línea de alta tensión o alternativamente el

traslado de combustible. [19]

Para que los usuarios a nivel mundial opten por los sistemas de energía solar

fotovoltaica, a pesar de que actualmente los costos de estos sistemas están aún

por encima de los existentes con la generación eléctrica basada en combustibles

fósiles o nucleares será necesario que: [13]

La eficiencia de los módulos tienda a incrementarse.

La vida útil de los sistemas supere los 40 años.

Page 17: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

5

Se reciban subsidios por parte de los Estados como una forma de disminuir

gradualmente el daño ecológico de las fuentes contaminantes, y de esta forma

estimular el uso de este tipo de energía no contaminante.

1.4 Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica.

En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que

cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de

potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están

limitadas por la disponibilidad del recurso solar y por la capacidad de generación y

almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los módulos y la

batería respectivamente. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede producir

tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista económico,

siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad a instalar.

La electricidad producida por los módulos fotovoltaicos se puede destinar a

instalaciones autónomas mediante sistemas aislados, o bien, puede ser inyectada

a la red pública mediante sistemas conectados a la red.

Las posibilidades de aplicación en los sistemas aislados son enormes: desde

viviendas o equipamientos aislados y/o independientes, hasta centrales eléctricas

rurales, telecomunicaciones, bombeo de agua, refrigeración, señalizaciones,

equipos de sonido, sistemas de iluminación, ordenadores, teléfonos portátiles,

entre otras. Estas instalaciones cumplen la función de satisfacer necesidades

básicas de familias y comunidades que se encuentran alejadas del suministro de

energía convencional.

1.5 Tipos de sistemas fotovoltaicos.

Instalaciones aisladas de la red eléctrica. (Autónomos)

Instalaciones conectadas a la red eléctrica. (Conectados a la Red)

Page 18: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

6

Sistemas aislados de la red eléctrica (Autónomos)

Se emplean en lugares con acceso complicado a la red eléctrica y donde resulta

más fácil y económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea para la

conexión a la red eléctrica.

Sistemas conectados a la red (SFCR)

Un sistema fotovoltaico conectado a la red consiste básicamente en un generador

fotovoltaico acoplado a un inversor que opera en paralelo con la red eléctrica

convencional. Se instalan en zonas urbanas que disponen de red eléctrica y su

función es producir electricidad para venderla a la compañía suministradora. [2]

Estos sistemas están compuestos por paneles fotovoltaicos que se encuentran

conectados a la red eléctrica convencional a través de un inversor, por lo que se

produce un intercambio energético entre la red eléctrica y el sistema fotovoltaico.

Así, el sistema inyecta energía en la red cuando su producción supera el consumo

local, y extrae energía de ella en caso contrario. Los SFCR presentan una gran

ventaja porque no necesitan baterías ni reguladores de carga, por lo que se

convierten en sistemas más baratos. En cambio los inversores si requieren de

mayores exigencias, ya que deberán estar conectados en fase con la tensión de la

red. [8]

Sistemas híbridos

Los sistemas híbridos para la generación de energía pueden ser definidos como la

asociación de dos o más fuentes de energía con el objetivo básico de generar

energía eléctrica, para una determinada carga aislada de la red o integrada al

sistema. Actualmente se proyectan sistemas híbridos en los que las fuentes

renovables y el almacenamiento proporcionan entre un 80–90 % de la necesidad

energética, dejando al diesel solo la función de emergencia.

Los Sistemas Híbridos pueden resultar otra posible solución para la

electrificación de comunidades ya que estos brindan un servicio eléctrico las

24 horas del día mediante la complementación de varias fuentes renovables

como son la Solar Fotovoltaica, la Eólica y la Hidráulica, lo que puede resultar una

oferta muy conveniente para aquellos lugares que cuenten con el potencial

necesario para cada una de las energías involucradas en el proceso.

Page 19: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

7

1.6 Sistemas fotovoltaicos autónomos.

Los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) están constituidos, en lo

fundamental, por los paneles fotovoltaicos, que constituyen el generador de

energía eléctrica, las baterías para almacenar la energía y utilizarla en los

momentos de ausencia de la radiación solar y la carga eléctrica que se va a

consumir mediante equipos eléctricos domésticos y/o industriales.

Los SFA son usados frecuentemente en localizaciones aisladas para producir

electricidad en áreas inaccesibles para la red de potencia eléctrica. Los más

simples usan la electricidad en forma de corriente continua y la energía es

producida donde y cuando es necesaria, sin necesidad de complejos sistemas de

control y transmisión de energía. Sistemas de alrededor de 500 W pesan menos

de 70 Kg., lo que permite una fácil transportación e instalación. El almacenamiento

de la energía eléctrica convierte a los SFA en una fuente fiable de energía, ya sea

de día o de noche, independientemente de las condiciones climáticas.

Luminarias, sensores, TV, equipos de audio, herramientas, etc., pueden ser

usados con los SFA añadiéndoles baterías para el almacenamiento de energía.

De esta forma se genera energía por el día y se almacena el excedente en las

baterías para su uso en la noche. El número de baterías debe estar en

correspondencia con el consumo energético de la carga y el número de horas de

autonomía (ausencia de la radiación solar) al cual se aspira.

El uso de los SFA conlleva la necesaria optimización del consumo energético de

las cargas. Por ejemplo, se deberán utilizar luminarias eficientes cuya relación

entre lúmenes/watt sea la optima. Los usuarios deben tener, por lo tanto una

cultura mínima del consumo energético, teniendo en cuenta las posibilidades del

sistema.

El empleo de baterías tiene dos inconvenientes fundamentales: el aumento de los

costos del sistema y el hecho de que solo puede extraerse el 80 % de la energía

almacenada. Además de los SFA que funcionan con corriente directa (DC),

existen los que trabajan con Alterna (AC), en los que es necesario un convertidor

de DC/AC, que transforman energía eléctrica directa en alterna. [8]

Page 20: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

8

1.6.1 Estructura del sistema fotovoltaico autónomo.

Es necesario disponer de un sistema formado por equipos especialmente

construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica.

Este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico y los equipos que lo forman

reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.

Los componentes fotovoltaicos están construidos e integrados especialmente para

realizar cuatro funciones fundamentales:

Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía eléctrica.

Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada.

Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y almacenada.

Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada.

En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos encargados

de realizar las funciones respectivas son:

El módulo o panel fotovoltaico

La batería

El regulador de carga

El inversor

Las cargas de aplicación (el consumo)

Figura 1.1. Esquema Típico de una instalación Fotovoltaica. [5]

1.6.2 Módulo fotovoltaico.

La transformación directa de la energía solar en energía eléctrica se realiza en un

equipo llamado módulo o panel fotovoltaico. Los módulos o paneles solares son

Page 21: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

9

placas rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas protegidas

por un marco de vidrio y aluminio anodizado.

Los módulos están diseñados para suministrar electricidad a un determinado

voltaje (normalmente 12 ó 24 V). La corriente producida por la celda depende del

nivel de luz solar recibida. Los módulos fotovoltaicos producen corriente continua

(DC) y pueden ser conectados en serie o en paralelo para producir cualquier

combinación de corriente y tensión.

La estructura del módulo protege a las células del medioambiente y son muy

duraderas y fiables. Aunque un módulo puede ser suficiente para muchas

aplicaciones, dos o más módulos pueden ser conectados para formar un

generador FV. [3]

Celdas fotovoltaicas:

Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la

radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto

fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre algunos

materiales.

Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales

semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se encuentra

abundantemente en todo el mundo porque es un componente mineral de la arena.

Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el efecto fotovoltaico, lo cual

encarece el proceso de la producción de las celdas fotovoltaicas.

Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 centímetros y produce

alrededor de un watt a plena luz del día. Normalmente las celdas fotovoltaicas son

color azul oscuro. La mayoría de los paneles fotovoltaicos consta de 36 celdas

fotovoltaicas. [5]

Marco de vidrio y aluminio:

Este tiene la función principal de soportar mecánicamente a las celdas

fotovoltaicas y de protegerlas de los efectos degradantes de la intemperie, por

ejemplo: humedad y polvo. Todo el conjunto de celdas fotovoltaicas y sus

conexiones internas se encuentra completamente aislado del exterior por medio

Page 22: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

10

de dos cubiertas, una frontal de vidrio de alta resistencia a los impactos y una

posterior de plástico EVA (acetato de vinil etileno).

El vidrio frontal es antireflejante para optimizar la captación de los rayos solares. El

marco de aluminio también tiene la función de facilitar la fijación adecuada de todo

el conjunto a una estructura de soporte a través de orificios convenientemente

ubicados.

Anexo II Figura 2. Conjunto de paneles fotovoltaicos típicos y su estructura

metálica de soporte. [5]

Eficiencia de la célula: Para normalizar la medida de la eficiencia, se toma como

referencia una radiación solar de 1000 2W/m a 25 ºC de temperatura. La

eficiencia de una célula es la parte proporcional de la radiación que la

célula convierte en electricidad. Viene dado en % y suele oscilar, según las

características del material, entre el 3% y 30%.

Potencia del Módulo: La superficie de células empleadas en la elaboración de

un módulo y la eficiencia de las mismas determinarán la potencia de dicho módulo.

Rendimiento y Operación: Para un mismo módulo la energía producida

estará en dependencia de los siguientes aspectos.

La latitud geográfica, que condicionará el número de horas de insolación y la

altura del sol sobre el horizonte a lo largo del año.

La altitud topográfica.

Condiciones de transparencia de la atmósfera.

Orientación del módulo (orientación Sur para el hemisferio Norte y,

orientación Norte para el hemisferio Sur). Anexo I Figura 2. Recorrido del Sol

en el hemisferio norte. [18] [12]

Figura 1.2. Módulo y arreglo fotovoltaico. [12]

Page 23: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

11

Tipos de módulos fotovoltaicos:

Existe en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos de

módulos solares. Según el tipo de material empleado para su fabricación, se

clasifican en:

Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su gran

confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor que los otros

tipos.

Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los módulos

de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.

Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los 2 anteriores, pero un

precio mucho menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma flexible,

por lo que se pueden instalar como parte integral de un techo o pared. [5]

1.6.3 Banco de baterías.

Las baterías almacenan la electricidad generada por los paneles para poder así

utilizarla en horas donde la energía consumida es superior a la generada por los

módulos como, por ejemplo, de noche. En estos casos la energía se consume

directamente de las baterías y no de los paneles.

Debido a que la radiación solar es un recurso variable, en parte previsible (ciclo

día-noche), en parte imprevisible (nubes, tormentas); se necesitan equipos

apropiados para almacenar la energía eléctrica cuando existe radiación y para

utilizarla cuando se necesite. El almacenamiento de la energía eléctrica producida

por los módulos fotovoltaicos se hace a través de las baterías. Estas baterías son

construidas especialmente para sistemas fotovoltaicos.

Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema

pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la

instalación:

Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o bajo

consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares producen

más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta energía

que no se utiliza es almacenada en la batería.

Page 24: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

12

Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación

solar.

Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se

utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar lámparas,

televisores, radios, y otros equipos precisamente cuando la radiación solar es

nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía

eléctrica que la batería ha almacenado durante el día.

Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuada para la utilización

de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un voltaje

relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que

requieran de una corriente mayor que la que pueden producir los paneles (aún en

los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el encendido de un

televisor o durante el arranque de una bomba o motor eléctrico. [5]

Anexo II Figura 3. Batería para sistemas fotovoltaicos.

1.6.4 Regulador de carga.

La regulación es imprescindible en un sistema fotovoltaico. Los reguladores sirven

fundamentalmente para controlar el estado de carga de las baterías, impidiendo

que éstas se sobrecarguen o que se descarguen en exceso, prolongando así su

vida útil y optimizando el rendimiento de la instalación.

Este es un dispositivo electrónico, que controla tanto el flujo de la corriente de

carga proveniente de los módulos hacia la batería, como el flujo de la corriente de

descarga que va desde la batería hacia las lámparas y demás aparatos que

utilizan electricidad. Si la batería ya está cargada, el regulador interrumpe el paso

de corriente de los módulos hacia ésta y si ella ha alcanzado su nivel máximo de

descarga, el regulador interrumpe el paso de corriente desde la batería hacia las

lámparas y demás cargas.

1.6.5 Inversor.

Proveer adecuadamente energía eléctrica no sólo significa hacerlo en forma

eficiente y segura para la instalación y las personas; sino que, también significa

proveer energía en la cantidad, calidad y tipo que se necesita.

Page 25: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

13

El tipo de la energía se refiere principalmente al comportamiento temporal de los

valores de voltaje y corriente con los que se suministra esa energía. Algunos

aparatos eléctricos, como lámparas, radios y televisores funcionan a 12 voltios (V)

de corriente directa, y por lo tanto pueden ser energizados a través de una batería

cuyo voltaje se mantiene relativamente constante alrededor de 12 V.

Por otra parte, hay lámparas, radios y televisores que necesitan 120 V ó 110 V de

corriente alterna para funcionar, estos aparatos eléctricos conforman la mayoría,

pues 120 ó 110 son los voltajes con el que operan el 95% de los

electrodomésticos en los sistemas conectados a la red pública convencional. El

voltaje en el tomacorriente, el cual tiene corriente alterna, fluctúa periódicamente a

una razón de 60 ciclos por segundo, pero su valor efectivo es equivalente a 120 V.

Los módulos fotovoltaicos proveen corriente directa a 12 ó 24 Voltios por lo que se

requiere de un componente adicional, el inversor, que transforme, a través de

dispositivos electrónicos, la corriente directa a 12 V de la batería en corriente

alterna a 120 V. Anexo II Figura 4 Convertidor DC-DC. [5]

1.6.6 Carga eléctrica.

Finalmente, un sistema fotovoltaico incluye las cargas o aparatos eléctricos que se

van a utilizar y que consumen la corriente generada o almacenada. Los ejemplos

más comunes son lámparas, radios, televisores y teléfonos celulares para uso

doméstico; y bombas y motores, para usos productivos.

La selección de estas cargas es tan importante como la del resto de equipos

fotovoltaicos; por ello, hay dos aspectos por considerar cuando se utilizan

aparatos que se energizarán a través de un sistema fotovoltaico:

a) El consumo diario de energía del conjunto de aparatos eléctricos no debe

sobrepasar la cantidad de energía diaria producida por el sistema fotovoltaico. Es

importante recordar que la disponibilidad diaria de energía eléctrica de los

sistemas fotovoltaicos es variable pues depende de la radiación solar disponible,

del estado de carga de la batería y de la capacidad de los equipos fotovoltaicos

instalados, especialmente de la capacidad total de los módulos fotovoltaicos. Por

lo tanto, la energía disponible es limitada y hay que utilizar racionalmente los

Page 26: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

14

aparatos según ésta. Es recomendable hacer uso, en la medida de lo posible, de

aparatos modernos de bajo consumo energético y alta eficiencia. Por ejemplo, se

descarta el uso de bombillos incandescentes, planchas eléctricas y hornos

eléctricos.

b) La necesidad de utilizar aparatos a 120 V determina la instalación o no de un

inversor: Es importante tener en cuenta el tipo de energía que necesitan los

aparatos eléctricos que se van a utilizar con el fin de determinar si se necesita o

no un inversor. En la decisión hay que tomar en cuenta que el inversor implica un

costo adicional del sistema, y que en el mercado se ofrecen varios aparatos

electrodomésticos que funcionan a 12 Voltios, por ejemplo: radios de vehículos,

lámparas fluorescentes, etc.

La suma instantánea de las potencias individuales de cada uno de los aparatos

por emplear no debe ser mayor que la capacidad máxima en Watts (W) del

inversor. Se recomienda utilizar inversores construidos especialmente para

aplicaciones fotovoltaicas y sobredimensionar la capacidad de éstos en un 20-30%

para prevenir expansiones futuras en la instalación. Por ejemplo, si se tiene un

inversor de 300 W de potencia nominal es posible utilizar cualquier combinación

de aparatos cuya suma de potencias instantáneas sea igual o menor que 300 W.

La utilización de un inversor no imposibilita el uso de aparatos a 12 V de corriente

directa. Por lo tanto, una instalación fotovoltaica que disponga de un inversor

puede proveer energía tanto a cargas de 12 V como a cargas de 120 V. [5]

1.7 Ventajas y desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica.

Ventajas: La energía que se obtiene a partir de las celdas solares ofrece ventajas

adicionales al hecho de transformar directamente la energía solar en electricidad:

No tiene partes móviles, susceptibles de desgaste, rotura o sustitución.

Es una tecnología extremadamente modular, cuya potencia puede

incrementarse conforme crecen los requerimientos eléctricos.

Los sistemas tienen una vida útil larga (generalmente más de 25 años).

Page 27: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

15

Genera desde fracciones de watt hasta decenas de megawatt, y lo mismo

puede estar en un reloj de pulsera que en un auto, un barco, techo, fachada,

etc.

Se instala fácilmente, inclusive por partes, y cada una de ellas genera

inmediatamente, o sea es aditiva, además es versátil y silenciosa.

Su fuente de energía es limpia y gratuita, su operación es automática, de muy

bajo mantenimiento, independiente y expandible.

Se trata de una tecnología cuya producción puede distribuirse directamente en

los puntos de consumo, suprimiendo las pérdidas de energía en el transporte.

Produce muy bajo impacto ambiental (prácticamente ninguno), ayudando de

esta forma a mantener limpio el medioambiente.

Ayuda a tomar conciencia energética, acerca del uso racional de la energía,

despertando hábitos de consumo más respetuosos con el medio ambiente.

Representa una solución ventajosa para regiones sin electrificar en países en

vías de desarrollo.

La reducción de sus precios los ha hecho cada vez más accesibles para las

poblaciones rurales. [17] [1]

Desventajas:

La mayor desventaja que presenta esta tecnología es su alto costo de

inversión con respecto a la capacidad de pago de la mayoría de las familias

rurales.

La cantidad de energía producida es limitada y alcanza solamente para las

necesidades básicas de electricidad.

La disponibilidad de energía es variable y depende de las condiciones

atmosféricas, existiendo lugares donde su contribución es pobre.

1.8 El sol como fuente de energía. Características del sol.

El sol es una esfera, de unos 700.000 Km. de radio, constituida por una mezcla de

gases compuesta, fundamentalmente, por un 70% de hidrógeno y un 27% de

Helio. En su núcleo se producen continuamente reacciones nucleares de fusión

que son la fuente de su energía. Esta energía fluye hacía capas externas y hacía

Page 28: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

16

el espacio por mecanismos de convección y radiación. Desde el punto de vista de

su aprovechamiento energético podemos considerarlo como una esfera que emite

una radiación, que transmite a través del espacio a la velocidad de la luz, que se

distribuye en una banda de longitudes de onda equivalentes a la de un cuerpo

negro a 6.000 ºK. La energía radiante del sol que se recibe en el exterior de la

atmósfera terrestre es la denominada constante solar y vale: 1.353 W/m2 = 4.872

kJ/h. m2. [4]

EL Sol 1.300.000 veces mayor que la Tierra, es un gigantesco reactor de fusión

nuclear en el que el hidrógeno se convierte en helio. Cada segundo, 5 millones de

toneladas de materia se transforman en energía que es emitida al espacio en

forma de luz y calor.

El Sol envía a la Tierra únicamente energía radiante, es decir, luz visible, radiación

infrarroja y algo de ultravioleta. La energía que el Sol irradia anualmente hacia la

Tierra corresponde a 1,5x109 TWh = 1,7x105 TW/año. De ella, 33 % se refleja

desde la atmósfera hacia el espacio, 44 % es mayormente energía térmica, que es

reflejada por la Tierra bajo la forma de rayos infrarrojos; 21 % se usa en la

vaporización del agua (formación de las nubes), 2 % se transforma en energía

almacenada en el viento (eólica), en las olas y en las mareas, y sólo 1 % se

almacena químicamente (fósiles) y biológicamente (biomasa).

Al considerar la energía solar técnicamente utilizable y teniendo en cuenta las

pérdidas en su transformación, se podrían obtener cada año los siguientes índices

disponibles al consumidor en terawatt/año:

19 de la solar directa, 1 del viento, 2 de la biomasa, 1,5 del agua, 1,5 de la

geotérmica, mareas, olas, etc.; con un total de 25. Este valor es tres veces

superior al consumo mundial por año de energía al nivel del consumidor [23]. Por

lo que no se puede mencionar el tema de energía fotovoltaica, sin antes estudiar

el astro rey, principal de fuente de energía y protagonista de la vida en el planeta.

La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor

que produce o también a través de la absorción de la radiación. Para alcanzar la

superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde

experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción, y difusión que

Page 29: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

17

disminuyen la intensidad final. La radiación es aprovechable en sus componentes

directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega

directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa

es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de

reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos

atmosféricos y terrestres. La radiación solar, tanto directa como difusa, se refleja

en todas las superficies en las que incide dando lugar a la radiación reflejada. La

radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que

no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones. La

radiación solar global es la suma de los tres tipos antes citados, directa, difusa y

reflejada, y es la que podemos aprovechar para su transformación térmica. [6]

En una hora, el sol provee más energía de lo que requieren las necesidades

energéticas de la tierra durante un año y en un día provee más energía de la que

puede consumir la población del mundo en 27 años. Gracias a la energía

procedente del sol se evita la utilización de los combustibles fósiles (petróleo,

carbón, gas, etc.) que han ocasionado indescriptibles daños a la humanidad ya

que su combustión provoca emisiones de CO2, metano y otros gases a la

atmósfera que son los causantes del calentamiento global y los cambios

climáticos. Además, en la medida que evita el uso de estos, suprime los impactos

originados por ellos en su extracción, transformación y transporte, lo que incide

beneficiosamente en el medio ambiente por lo que resulta una solución factible

que favorece tanto al medio ambiente como al desarrollo social.

1.9 Análisis crítico de las variantes para la proyección y análisis de los

sistemas fotovoltaicos autónomos.

Para la proyección, diseño y análisis de los sistemas solares fotovoltaicos (SFV)

es imprescindible la realización de los análisis basados en los métodos de estado

estable y dinámico, pues la complementación y el uso adecuado de ambos

métodos permite llegar a resultados óptimos desde el punto de vista de la relación

costo beneficio del sistema, atendiendo a que se llega a la concepción de un

Page 30: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

18

sistema racional de los elementos que lo componen, partiendo de que los

sistemas al ser caros en su inversión deben conducir a un uso racional y eficiente

en el uso de la energía y no al derroche, objetivo este que debe ser maximizado,

conduciendo de esta forma a la sostenibilidad energética propia de los sistemas

solares. Por esta razón resulta de gran importancia la evaluación crítica de estos

métodos para la solución en particular del proyecto que se pretenda desarrollar.

1.9.1 Análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado estable.

El análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado estable es un método de

análisis muy importante ya que ofrece una aproximación inicial del sistema para

auxiliar al proyectista en su diseño, proyección y toma de decisiones. Este tipo de

análisis se desarrolla a partir de la carga eléctrica y de estimar valores promedios

de radiación solar del lugar así como otras condiciones geográficas y

atmosféricas, como es el caso de los días nublados, adicionalmente se toman en

cuenta normas para la proyección y diseño del sistema. Posee la ventaja de que le

permite al usuario aproximar el cálculo de los elementos y de la cantidad que se

requiere en una aplicación. Los cálculos en estado estable también poseen como

ventajas que los software son más fáciles de elaborar y el tiempo de

procesamiento y obtención de resultados es rápido. Pero tiene como desventaja

que no permite realizar el análisis al cambiar las variables del sistema, lo que

impide tener una validación absoluta para poder predecir el comportamiento real

del sistema. Por tanto a pesar de que puede brindar en la mayoría de los casos

buenos resultados, el análisis debe de tener unan etapa ulterior desde el punto de

vista del análisis dinámico.

1.9.2 Análisis del software en estado estable para el dimensionamiento del

sistema fotovoltaico autónomo.

Como software para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos se

utiliza como herramienta para la elaboración de los proyectos un programa en

Matlab versión 7.4 que permite el cálculo de cada uno de los elementos del

sistema, a partir de la estructura de carga definida.

Page 31: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

19

La metodología de cálculo empleada, permite la selección de cada uno de los

componentes del sistema de manera rápida y óptima con el objetivo de reducir al

mínimo el costo de la inversión del sistema, a partir de realizarse una

caracterización exhaustiva de la carga eléctrica a instalar.

La figura 1.3 muestra la estructura inicial del software implementado. Desde esta

figura se accede al cálculo de cada uno de los componentes del sistema. En la

propia figura el proyectista define los datos iniciales del proyecto fotovoltaico:

selecciona los voltajes tanto del arreglo fotovoltaico, como el de de la carga

eléctrica y también asigna los datos del lugar donde se instalará el sistema

fotovoltaico. Una vez confirmados estos datos por el botón aceptar en cada caso,

los datos no pueden ser cambiados durante el cálculo del proyecto.

En la parte inferior de la figura aparece un esquema en bloques del sistema

aislado, donde aparecen cada uno de los componentes del sistema. Cuando el

proyectista pulsa cada uno de los bloques procede a realizar los cálculos de cada

uno de los componentes del sistema.

Figura 1.3. Ventana principal para el cálculo de los sistemas Fotovoltaicos

Aislados. [11]

Page 32: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

20

Los cálculos al igual que en la proyección de cualquier sistema eléctrico se

realizan partiendo de la carga hasta llegar a dimensionar la capacidad de la

fuente. El componente del sistema que puede ser calculado en cada momento, se

le muestra al proyectista en rojo y una vez calculado se deshabilita durante la

realización del proyecto.

Sin embargo este método tiene como desventaja que no permite realizar el

análisis al cambiar las variables del sistema, lo que impide tener una validación

absoluta para poder predecir el comportamiento real del sistema, por lo que debe

existir una etapa ulterior desde el punto de vista del análisis dinámico que es lo

que se pretende desarrollar en este trabajo. Se debe puntualizar que el software

de estado estable que se confeccionó anteriormente es el punto de partida para

poder contar con una aproximación inicial del dimensinamiento del sistema, para a

partir de ahí realizar el análisis del comportamiento en su modelo dinámico. Por lo

que el presente trabajo complementa el análisis de estado estable y las

estructuras de datos obtenidas con el software basado en el análisis de estado

estable serán los datos de partida.

1.9.3 Análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado Dinámico.

El análisis de los sistemas fotovoltaicos en estado dinámico es de gran

importancia ya que facilita mejores resultados, porque permite realizar el análisis

de varias variables a tomar en consideración. Brinda un análisis ulterior al de

estado estable, el que complementado a este da las respuestas del sistema para

determinadas condiciones de las variables de entrada y diferentes estados de

carga, el cual permite la predicción del comportamiento del sistema ante las

diferentes combinaciones posibles de las variables de entrada y perturbaciones, lo

que posibilita que el dimensionamiento del mismo garantice el funcionamiento del

sistema de forma aceptable para la peor condición, aportando una mayor cantidad

de elementos a considerar, por lo que con este método se obtienen resultados de

mayor precisión y exactitud que ayudan al proyectista a la toma de dediciones en

su diseño. Pero tiene como inconveniente que los tiempos de simulación pueden

ser prolongados, lo que hace que los resultados de los análisis sean un tanto más

demorados. Además los modelos deben ser validados y en la medida que la

Page 33: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

21

precisión sea mayor, más cerca se estará del comportamiento real del

sistema. Tomando en consideración lo antes expuesto en este trabajo se

desarrolla el análisis dinámico de los sistemas fotovoltaicos aislados, el cual posee

los objetivos siguientes:

1) Obtener los modelos matemáticos de los diferentes elementos que componen el

sistema fotovoltaico autónomo.

2) Validar los modelos obtenidos, de cada uno de los componentes del sistema

fotovoltaico, mediante la simulación en Matlab-Simulink.

3) Validar el modelo del sistema fotovoltaico autónomo en Matlab-Simulink.

1.10 Conclusiones parciales.

El método de Estado Estable:

1. Tiene la ventaja de que ofrece una aproximación inicial del sistema para

auxiliar al proyectista en su diseño, proyección y toma de decisiones,

permitiendo aproximar el cálculo de los elementos y de la cantidad que se

requiere en una aplicación.

2. Los programas son más fáciles de elaborar y el tiempo de procesamiento y

obtención de resultados es rápido.

3. Tiene como desventaja que no permite realizar el análisis al cambiar las

variables del sistema, lo que impide tener una validación absoluta para

poder predecir el comportamiento real del sistema.

El método de Estado Dinámico:

1. Posee como ventaja que permite realizar el análisis de varias variables a

tomar en consideración.

2. Permite la predicción del comportamiento del sistema ante las diferentes

combinaciones posibles de las variables de entrada y perturbaciones, por lo

que con este método se obtienen resultados de mayor precisión y exactitud.

3. Sus desventajas son que los cálculos son más complejos y por ello los

tiempos de simulación son más prolongados.

Page 34: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 1.

22

Tanto un método como el otro tienen características y, ventajas y desventajas

diferentes, por lo que se puede afirmar que un buen software debe incluir los dos

métodos de análisis para que sea más completo y trabaje correctamente ante las

diferentes situaciones posibles que se puedan presentar, pudiendo evaluar la peor

condición. A tal efecto el trabajo toma como datos de partida los resultados

obtenidos de las estructuras de datos del software de estado estable, que

evaluados con el software de estado dinámico permiten crear una herramienta

única, para el diseño, proyección y toma de decisiones en el cálculo de los

Sistemas Fotovoltaicos Autónomos en estado real antes de su implementación, lo

cual constituye el objetivo fundamental de este Trabajo.

Page 35: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

23

CAPÍTULO 2. MODELOS MATEMÁTICOS PARA LOS ANÁLISIS DINÁMICOS.

2.1 Generador Fotovoltaico.

La generación de energía eléctrica de una celda fotovoltaica basa su

funcionamiento en el efecto fotovoltaico. El primero en notar el efecto fotoeléctrico

fue el físico francés Edmundo Bequerel en 1839, el cual notó que ciertos

materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran

expuestos a la luz, pero fue Albert Einstein el que en 1905 describió la naturaleza

de la luz y el efecto fotoeléctrico. La celda solar esta compuesta básicamente por

una unión P-N, que en la mayoría de los casos el material semiconductor

empleado en su fabricación es el silicio.

En la oscuridad, la característica de salida de la celda solar I=f (v), sigue una ley

exponencial similar a la de un diodo. Cuando la energía solar (fotones), incide en

la celda solar con una energía igual o superior a la del ancho de banda del

semiconductor, los electrones débilmente retenidos por los átomos saltan de la

banda de valencia a la banda de conducción, creándose pares electrón-huecos.

Debido a la alta intensidad del campo eléctrico de la unión, estos portadores de

carga se orientan bajo la acción del campo creándose una corriente proporcional a

la radiación incidente. Cuando la celda es cortocircuitada , la corriente fluye en el

circuito externo, mientras que si la celda se encuentra en circuito abierto, la

corriente circula por la unión interna del diodo , en correspondencia con el principio

de Bohr que establece que los átomos de la sustancia no pueden permanecer en

un estado excitado, por lo que termalizan y regresan al estado normal, sin

embargo se produce internamente un movimiento de portadores, a tal efecto la

característica de este diodo define al voltaje de circuito abierto de la celda. [10]

2.1.1 Modelo de una celda.

En correspondencia con lo antes expuesto el circuito equivalente de una celda

solar es una fuente de corriente en paralelo con el diodo, cuya corriente generada

(fotocorriente Iph) es proporcional a la radiación incidente (G). En la oscuridad, la

celda solar no es un dispositivo activo por lo que esta trabaja igual que la unión

P-N de un diodo. Adicionalmente la celda posee una resistencia interna, que

Page 36: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

24

produce perdidas y caídas de tensión proporcional a la magnitud de la corriente

externa, la que se considera en el módulo como una resistencia serie. Esta

resistencia determina la forma de la característica V-I de la celda entre el punto de

máxima potencia y el voltaje de circuito abierto. También posee una resistencia

interna que a los efectos del modelo se considera como una resistencia paralelo, a

través de la cual circula una corriente interna en la celda, producto de las

imperfecciones durante el proceso de fabricación de la celda, por lo general esta

resistencia se desprecia. Dicha resistencia determina la pendiente de la

característica I=f (v), en la zona comprendida entre V=0 y el punto de máxima

potencia. Para el caso del modelo que se propone la resistencia paralelo se

desprecia por lo que en esta zona la corriente es constante e igual a la

fotocorriente (Iph).

En la figura 2.1 se muestra el circuito equivalente del modelo que se desarrolla,

donde aparecen los elementos que componen el modelo, así como las corrientes

que circulan en el circuito.

Figura 2.1 Circuito equivalente de la celda fotovoltaica.

Aplicando una ley de Kirchoff de corriente en el nodo A se obtiene:

IDIphI (2.1)

Por otra parte aplicando una ley de Kirchoff de voltaje se puede obtener el voltaje

del diodo como una función del voltaje de salida de la celda y la corriente que

circula por la carga.

RsIVVD (2.2)

Vd Id

V R carga

-

+

Rs

D

A Iph

I

Page 37: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

25

La relación entre la corriente del diodo ID y el voltaje VD se expresa mediante la

siguiente expresión.

(2.3)

Donde:

0I : Corriente de saturación inversa en A.

: Factor de idealidad del diodo. Es un parámetro variable cuyo valor se

encuentra entre uno y dos. Su valor se encuentra más próximo a uno para las

corrientes mayores y se acerca a dos para bajas corrientes. El valor típico

recomendado en un inicio es 1.3 para una operación normal de la celda, cuyo

valor puede ser corregido posteriormente durante el proceso de ajuste de la curva.

VT: Voltaje equivalente a la temperatura de la celda en Volts (V).

El voltaje VT se calcula mediante la siguiente expresión.

q

TkVT

(2.4)

Donde:

K: Constante de Stefan - Boltzmann (K=1.3810-23

Joule/K).

q: Carga del electrón (q= 1.60210-19 Coulomb).

T: Temperatura en grados kelvin (°K).

Sustituyendo la expresión 2.2 en la 2.3 y el resultado en la expresión 2.1 se

obtiene la expresión 2.5 que relaciona la corriente de la celda, la fotocorriente y el

voltaje de salida de la celda.

10VTn

RsIV

eIIphI (2.5)

La figura 2.2 muestra la característica de I= f (v) representativa de la expresión 2.5

para una cierta radiación y una temperatura fija de la celda, la cual constituye la

característica V-I de la celda fotovoltaica. En la propia figura se han señalado las

coordenadas más representativas, así como la línea de carga para un valor de

resistencia de carga (RLoad), la que de conjunto con la característica de la celda

)1(0 VTn

VD

eIID

Page 38: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

26

establece el punto de operación del conjunto celda fotovoltaica – resistencia de

carga. Se han representado tres líneas de carga que establecen tres puntos de

operación diferentes, representando la característica con pendiente 1/Ropt, el

punto de operación en el cual se obtiene la máxima transferencia de potencia de la

celda (Imax, Vmax). En la propia figura se puede observar que para valores

comprendidos en el intervalo entre V=0 y próximos a Vmax la celda se comporta

como una fuente de corriente, mientras que en el intervalo restante hasta Voc la

celda se comporta como una fuente de voltaje.

Figura 2.2 Características V-I de la celda solar, I=f (v) y de la carga.

Sin embargo es curioso observar que la expresión anterior no es cómoda para

trabajar, por cuanto la corriente I se encuentra en ambos miembros de la ecuación

lo que dificulta un tanto los análisis, por tal motivo se obtiene una expresión más

cómoda para realizar los análisis y el modelo matemático como se verá

posteriormente, la que representa a V=f (I), haciendo manipulaciones algebraicas

a la ecuación anterior se obtiene:

IRsI

IIIphVTnV

0

0ln (2.6)

Page 39: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

27

La figura 2.3 muestra la gráfica de la ecuación anterior donde el primer termino

representa el intercepto con el eje de las ordenadas para una fotocorriente dada, y

la resistencia Rs representa la pendiente de la característica con una influencia

marcada en la zona comprendida entre Voc y alrededor del voltaje Vmax, aspecto

señalado anteriormente.

Figura 2.3 Característica V-I de la celda solar V=f (I) y de la carga eléctrica.

Para el caso en que I es igual a cero en la ecuación anterior (ver además figura

2.3), el voltaje V=Voc. La ecuación 2.7 muestra el resultado de esta evaluación.

0

0lnI

IIphVTnVoc (2.7)

Como la relación Iph/ 0I >>1, la expresión anterior puede modificarse y obtener de

manera aproximada el valor de Voc.

0

lnI

IphVTnVoc (2.8)

Despejando 0I en la expresión anterior y sustituyendo en la ecuación 2.5, como

VT Voc n se obtiene la ecuación 2.9 que da resultados aproximados a la

ecuación 2.5.

Page 40: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

28

VTn

RsIVocV

eIphI 1 (2.9)

2.1.1.1 Dependencia de I0 con la temperatura.

Al igual que otros dispositivos semiconductores son sensibles con las variaciones

de la temperatura. En una celda solar, el parámetro que mayormente se afecta

con el incremento de la temperatura es el voltaje de circuito abierto, el cual

decrece con el incremento de la temperatura, por la dependencia que presenta I0

de la misma (Ver ecuación 2.8).

Basado en la teoría de semiconductores y el principio o ley de acción de masa, la

ecuación que representa la corriente I0, desde una parte de la unión P-N se

representa por la siguiente expresión.

NdL

NiDAqI

2

0 (2.10)

Donde:

q: Carga del electrón.

A: Área de la sección transversal al flujo de portadores.

D: Difusividad de portadores minoritarios, en función del dopado del material.

Nd: Nivel de donores.

L: Longitud de difusión de los portadores minoritarios.

Ni: Concentración de portadores intrínsicos.

Aunque en la expresión 2.10, muchos de los parámetros tienen alguna

dependencia con la temperatura, el efecto más significativo se debe a la

concentración de portadores intrínsicos (Ni), la cual depende de la energía de

activación de la banda prohibida (con baja energía de activación de la banda,

existe una alta concentración de portadores intrínsicos). La concentración de

portadores intrínsicos se expresa mediante la ecuación siguiente:

TKn

Ego

TKn

Ego

eTBemhmeh

TKNi

32/3

3

2

2 24

(2.11)

Donde:

Page 41: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

29

T: Temperatura en ° K.

H y K: Constante de Plank y Boltzmann respectivamente.

me y mh: masa efectiva de electrones y huecos respectivamente.

Ego: Energía de activación de la banda extrapolada linealmente al cero absoluto,

para el caso del silicio Eg=1.12 eV. qVgoEgo .

B: Constante independiente de la temperatura.

Sustituyendo la expresión 2.11 en la expresión 2.10 se obtiene:

TKn

Ego

TKn

Ego

eTBeTBNdL

DAqI

'3

0 (2.12)

Donde:

B‟: Constante independiente de la temperatura.

γ: Incluye la dependencia de los parámetros de 0I con la temperatura. Este valor

generalmente se encuentra entre uno y cuatro.

La expresión 2.12 permite determinar la magnitud de la corriente 0I en función de

la temperatura T. No obstante a ello esta ecuación no resulta práctica por cuanto

el cálculo de B‟ es algo complejo producto de la cantidad de parámetros del

semiconductor que es necesario conocer. Sin embargo si se conoce el valor de la

corriente 0I a un valor de temperatura T1, pudiera obtenerse el valor de la

corriente 0I a una temperatura cualquiera, a partir del siguiente análisis:

KTn

Vgoq

eTBTI

'0

10 1'1 KTn

Vgoq

eTBTI

Dividiendo las expresiones anteriores y realizando manipulaciones algebraicas se

obtiene la expresión 2.13 que permite calcular el valor de la corriente 0I a

cualquier temperatura T, conociendo el valor de 0I a una determinada

temperatura, como se verá posteriormente generalmente se calcula para los

valores nominales aportados por el fabricante de la celda.

Page 42: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

30

TTKN

Vgoq

eT

TTITI

1

1

1

001

1

(2.13)

Evaluando la expresión 2.5 para el caso en que I=0, el valor del voltaje V=Voc,

sustituyendo 2.4 en la propia expresión, y despejando se obtiene:

1

11

1

10

TKN

TVocq

e

TIphTI (2.14)

La expresión anterior permite determinar el valor de 0I a la temperatura T1,

conociendo Iph y Voc a la misma temperatura y a partir de aquí a través de la

expresión 2.13 se puede obtener el valor de 0I (T), a cualquier temperatura que

opere la celda.

2.1.1.2 Cálculo del valor de Rs.

La resistencia serie Rs de la celda no constituye un dato aportado por el

fabricante, la determinación exacta de la misma es compleja y no existen formulas

para su determinación. Algunos autores proponen, variar su valor desde cero

mediante un proceso iterativo y verificar en el trazado de la característica teórica

para varios valores de Rs, el mejor ajuste que de manera visual se ajuste a la

curva de I=f (v) aportada por el fabricante. Otros autores realizan el desarrollo

matemático hasta un punto en el cual requieren determinar a través de la curva del

fabricante, la pendiente de la característica en I=0 lo que corresponde con V=Voc

0/ I

dI

dV. Estos métodos propuestos son incómodos y un tanto imprecisos, a

continuación se desarrolla un método que permite determinar el valor de Rs a

partir de datos aportados por el fabricante.

Al tener la resistencia serie Rs, como se mencionó anteriormente una influencia

marcada en la vecindad del punto V=Voc, I=0, cerca de ese punto se tiene que

determinar el valor de Rs. Entre los datos nominales de la celda se encuentran el

valor Vmax e Imax, los que representan el punto al que la celda produce la

máxima potencia, el cual constituye un punto sobre la curva V-I de la celda (ver

figura 2.2 y 2.3). Sin embargo en la vecindad de este punto no se puede obtener el

valor de Rs, pues el valor calculado sería sumamente impreciso, atendiendo a lo

Page 43: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

31

antes señalado; pero pudiera ser el punto de partida para desarrollar el cálculo de

la resistencia en un punto próximo a Voc.

El procedimiento de cálculo parte de desarrollar la expresión 2.6 en serie de

Taylor, la que establece:

!

0

1

0

0n

xx

dx

xfdxfxf

nn

in

n

(2.15)

Para este caso particular el punto Xo se tomaría como un valor Ix muy próximo a I,

haciendo un desarrollo en recta de la función anterior a partir de 2.6 se obtiene:

xx IIdI

IxdVIVIV (2.16)

De donde se obtiene:

RsII

IIIphVTnIxV x

x

0

0ln (2.17)

Rs

IIIph

VTn

dI

Ixdv

x

0

(2.18)

Sustituyendo 2.17 y 2.18 en 2.16 se obtiene una aproximación lineal en la

vecindad del punto I.

IRsIIIph

VTn

IIIph

IVTn

I

IIIphVTnIV

xx

xx

000

0ln (2.19)

Despejando Rs de la expresión anterior se obtiene:

x

x

xx

IIIph

VTn

I

IVIIIph

I

I

IIIphVTn

Rs

0

00

0ln

(2.20)

La ecuación 2.20 permite determinar el valor de Rs en la vecindad del valor I, sin

embargo el valor de Rs no queda determinado hasta tanto el valor de V (i) Voc.

Empleando la expresión 2.20 y 2.17, se puede obtener el valor de Rs mediante un

método iterativo, a partir de los valores de Imax y V max. Inicialmente se evalúa la

expresión 2.20 para V (I)= Vmax, I=Imax e IIxI ( 5101 I ), para tener

una buena precisión posteriormente con la Rs obtenida se evalúa la expresión

Page 44: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

32

2.17 y se obtiene el nuevo valor V (Ix), se hace I=Ix y se decrementa Ix

nuevamente. Realizando aproximaciones sucesivas y tomando como criterio de

parada V (I) Voc se obtiene finalmente el valor de Rs. El siguiente algoritmo

ilustra lo antes comentado.

Fig. 2.4 Algoritmo de cálculo del valor de Rs.

Inicio

IIIx

VIV

axI

max

Im

Rs Evaluación expresión

2.20

V (I) Evaluación expresión

2.17

IIIx

I=Ix

V (I)=Voc

Rs

Fin

No Si

Page 45: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

33

2.1.1.3 Dependencia de la fotocorriente (Iph) con la temperatura.

La fotocorriente es proporcional a la radiación (G) incidente en la celda solar. Cada

fotón que incide en la celda con una energía igual o superior a la del ancho de

banda del semiconductor, libera un electrón de la banda de valencia a la banda de

conducción, siguiendo este razonamiento en la medida que la radiación sea

mayor, mayor cantidad de electrones son liberados de la banda de valencia para

contribuir a la fotocorriente. La expresión 2.21 permite obtener la magnitud de la

corriente a un determinado nivel de radiación. Estos valores se conocen de los

datos de las celdas aportados por el fabricante.

Gnom

GnomTIphTIph ,11 (2.21)

Donde:

G: Radiación incidente de la celda en 2W/m .

Gnominal: Radiación nominal aportada por el fabricante bajo la cual se obtienen

los parámetros de la celda ( 2W/m ).

Iph (T1, nom): Fotocorriente de la celda (Igual a la corriente de cortocircuito),

obtenida por el fabricante a la radiación Gnom y la temperatura T1, de la celda (A).

Iph (T1): Fotocorriente generada por la celda, a la radiación incidente en la celda a

la temperatura T1 (A).

Otro elemento que interviene en la magnitud de la fotocorriente generada en la

celda es la temperatura. En la medida que la temperatura en la celda incrementa,

incrementa el voltaje equivalente a la temperatura (ver expresión 2.4), lo que hace

que se reduzca el ancho de banda del semiconductor, por lo que fotones que

poseían una energía inferior a la del ancho de banda a la temperatura T1, que no

podían contribuir a la fotocorriente, ahora si lo pueden hacer a la temperatura T,

por lo que la fotocorriente incrementa linealmente con el incremento de la

temperatura. La siguiente expresión establece la dependencia con la temperatura.

11 0 TTKTIphTIph (2.22)

Donde:

Iph(T), Iph(T1): Magnitud de la fotocorriente a la temperatura T y T1

respectivamente en A.

Page 46: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

34

0K : Constante de proporcionalidad en A/°C ó A/°K.

T; T1: Temperatura en °C ó °K.

Para calcular 0K es necesario conocer el valor Iph a la temperatura T2 (Iph (T2)),

de esta forma 0K puede ser obtenida mediante la siguiente expresión.

12

)1(20

TT

TIscTIscK

(2.23)

El orden en el cual se encuentra el incremento del valor de la fotocorriente con el

incremento de la temperatura para la mayoría de las celdas comerciales es de

610-4 A/°C, por tanto de no conocerse el valor de la corriente de cortocircuito a

una temperatura T2, el valor de 0K se puede considerar igual a 610-4 A/°C.

2.1.1.4 Temperatura de operación de la celda.

Los módulos comerciales de diferentes fabricantes, al poseer diferentes

encapsulados, las temperaturas de operación difieren, bajo condiciones idénticas

de operación. En la práctica es más apropiado comparar las características a

diferentes temperaturas. En cada caso sería la temperatura que alcanzaría la

celda bajo condiciones típicas de operación. Definidas un conjunto de condiciones

estándar de operación (nivel de radiación, velocidad y dirección del viento,

temperatura ambiente, carga eléctrica de las celdas), es posible asociar con cada

tipo de módulo una temperatura particular denominada Temperatura Nominal de

Operación de la Celda (del inglés NOTC).

Técnicas experimentales se han desarrollado para calcular la temperatura de

operación de mediciones de campo, bajo condiciones de operación no estándar.

Los resultados indican que la temperatura de operación de las celdas solares por

encima de la temperatura ambiente es proporcional a la intensidad de la radiación

incidente, si la velocidad del viento no es muy elevada.

Como regla en la mayoría de los módulos comerciales, la temperatura de la celda

se eleva alrededor de 30°C por encima de la temperatura ambiente, bajo

condiciones de radiación solar de 100 ( 2mW/cm ), cuando están ensamblados en

Page 47: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

35

marcos abiertos, por tanto la expresión siguiente permite calcular de manera

aproximada la temperatura de operación de la celda. [6]

2/3.0 cmmWGCTAmbienteCTcelda (2.24)

2.1.1.5 Parámetros de las celdas.

Los parámetros fundamentales de las celdas solares, aportados por los

fabricantes son los siguientes:

1) Corriente de cortocircuito: Es el valor más grande de corriente generada por la

celda, generalmente se considera esta corriente igual a la fotocorriente. Esta

corriente es producida bajo condiciones de cortocircuito de la celda (V=0).

Representa el intercepto de la característica V-I de la celda con el eje de las

ordenadas (ver figura 2.2).

2) Voltaje de circuito abierto: Corresponde con la caída de voltaje a través de la

unión P-N del diodo cuando a través de este circula la fotocorriente y la celda se

encuentra en circuito abierto. La expresión 2.7 muestra la forma de calcular este

voltaje, que además representa el intercepto con el eje de las abscisas en la

característica V-I de la celda (ver figura 2.2).

3) Punto de máxima potencia (Pmax): Punto en el cual la celda transfiere la

máxima potencia a una carga resistiva. (Watt pico).Corresponde con el punto

Vmax, Imax), señalado en la figura 2.2.

4) Máxima eficiencia: Es la relación entre la máxima potencia transferida a la carga

y la potencia de la radiación solar incidente en la celda; matemáticamente se

expresa de la siguiente forma. [16]

GA

Vax

Pin

Pn

maxImmaxmax (2.25)

Donde:

máx : Eficiencia máxima en pu.

A: Área de la celda en 2m .

G: Radiación solar incidente en 2W/m .

5) Factor de llenado: Relación entre la máxima potencia que puede suministrar la

celda a una carga resistiva pura y la característica ideal de la celda. Este factor de

una medida de la característica real de la celda. La expresión 2.25 muestra la

Page 48: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

36

forma de calcularlo. Para buenas celdas su valor es superior a 0,7, su valor

disminuye en la medida en incrementa la temperatura. [6]

IphVoc

Vax

IphVoc

PFF

maxImmax (2.26)

2.1.2 Modelo de un módulo fotovoltaico.

El módulo fotovoltaico esta conformado por la unión de varias celdas conformando

un arreglo serie - paralelo de las mismas, dentro de un marco metálico con otros

materiales que permiten la protección de las celdas de las condiciones

ambientales, donde se coloca el módulo y además reúnen las características

necesarias para que las celdas puedan recibir la radiación solar y garantizar la

durabilidad del módulo.

Colocando N celdas en serie como aparece en la figura 2.1 se obtiene un arreglo

de celdas que conforman el módulo fotovoltaico. La figura 2.5 muestra el arreglo

circuital para establecer las relaciones circuitales entre las magnitudes eléctricas

de las celdas y las del módulo fotovoltaico.

Figura 2.5 Circuito equivalente del módulo fotovoltaico

Vc1

-

+

+

-

VmoduloFV

Vcn

-

+ R carga

Rsn

I1

Iph1

Id1

Iphn

1

Idn

Dn

In

ImoduloFV D1

Rs1

Page 49: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

37

Considerando igual nivel de radiación en cada una de las celdas que componen el

módulo se pueden establecer las siguientes igualdades en las magnitudes

eléctricas de las celdas.

VcnV 1

InI 1 RsnInRsIV 111

IDnID 1

Partiendo de estas igualdades se pueden obtener las magnitudes eléctricas del

módulo fotovoltaico:

nIIModuloFVI 000 1

1IIModuloFv

1VnVModuloFv

RModuloFvIModuloFvRsnIRsInVModuloFv 1111

1RsnRModuloFv

Sustituyendo las igualdades anteriores, según correspondan, en la expresión 2.5,

que como se señaló anteriormente representa la característica V-I de la celda y

realizando manipulaciones algebraicas se obtiene la ecuación que representa la

característica V-I del módulo fotovoltaico.

1 N0

VTn

RModuloFvIModuloFvVModuloFv

eIvIphModuloFIModuloFv (2.27)

La expresión anterior también se puede expresar de la siguiente manera:

1 N0

VTn

RsnIModuloFvVModuloFv

eIvIphModuloFIModuloFv (2.28)

2.1.3 Modelo del arreglo fotovoltaico.

El arreglo fotovoltaico está conformado por un determinado número de módulos

fotovoltaico según corresponda con las necesidades del proyecto. Los módulos

atendiendo al voltaje y la corriente requerida, se interconectan formando una

IphnIph 1

nII 001

Page 50: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

38

arreglo serie-paralelo de n módulos en serie (nms) y m ramas en paralelo (nmp).

La figura 2.6 muestra un arreglo fotovoltaico formado por n módulos en serie y m

ramas en paralelo.

Figura 2.6 Circuito eléctrico de un arreglo fotovoltaico de mn módulos

fotovoltaicos.

Como en el caso anterior considerando igual nivel de radiación en cada uno de los

módulos que componen el arreglo fotovoltaico, se pueden establecer las

siguientes ecuaciones que relacionan las magnitudes del módulo fotovoltaico y el

arreglo fotovoltaico del sistema.

m

i

i IModuloFvNmpIModuloFvmIModuloFvIArregloFv1

11,1 (2.29)

n

i

i VModuloFvNmsVModuloFvnVModuloFvVArregloFv1

111, (2.30)

Las expresiones anteriores permiten obtener la corriente y el voltaje del arreglo

fotovoltaico una vez se conozcan las magnitudes correspondientes en el módulo

fotovoltaico.

VArregloFV

ModuloFVn1

ModuloFV11 ModuloFVm1

ModuloFVnm

IModuloFV11 ImoduloFVm1

VmoduloFVn1

IArregloFV

+

-

Page 51: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

39

Para determinar la resistencia equivalente del arreglo fotovoltaico se puede seguir

el siguiente razonamiento.

n

i

iRModuloFVIModuloFvVArregloFv1

,11,1 (2.31)

Poniendo la expresión anterior en función de la corriente del arreglo fotovoltaico se

obtienen las expresiones 2.33 y 2.34 que permite determinar la caída de voltaje

del arreglo fotovoltaico cuando por una resistencia equivalente del arreglo

fotovoltaico circula la corriente IArregloFv , para lo que se ha considerado igual

radiación y temperatura para cada uno de los mn módulos que forman parte del

arreglo fotovoltaico.

RModuloFVNmsNmp

IArregloFvVArregloFv (2.32)

Nmp

RModuloFVNmsIArregloFvVArregloFv (2.33)

2.2 Baterías de ciclo profundo.

Un elemento importante de los sistemas fotovoltaicos aislados es la batería. Estas

baterías poseen características que las distinguen de las baterías automotrices,

pues ellas deben entregar corrientes moderadas durante largos periodos de

tiempo. Durante las horas en las que la luz del sol esta alimentando directamente

la carga; el exceso de energía eléctrica que se produce por el generador

fotovoltaico se almacena en la batería o en el banco de baterías que conforma el

sistema. Durante la noche, o durante los periodos de baja radiación solar, la

energía o déficit de energía requerida por la carga es suministrada desde la

batería o banco de baterías del sistema.

Antes de proceder a desarrollar las ecuaciones fundamentales del modelo

matemático propuesto, se exponen un grupo de concepto fundamentales a tener

presente para poder caracterizar las baterías.

2.2.1 Nociones generales de las baterías.

Las dos propiedades más importantes de las baterías son su voltaje (expresado

en Volts) y su capacidad (en la generalidad de los casos expresados en amperes-

Page 52: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

40

horas Ah); el producto de estas dos cantidades es una medida de la energía

almacenada en la batería. Para una batería ideal el voltaje permanece constante

durante un largo periodo de tiempo hasta el momento en el cual la batería esta

completamente descargada. No obstante al ser estos, dos de los datos más

importantes de la batería, no son los únicos y por ello a continuación se definen

con precisión un grupo de datos técnicos importantes que deben ser de pleno

conocimiento para el manejo de las baterías y para la comprensión del modelo

matemático propuesto.

1) Capacidad (Q): Número de Amper-horas (Ah) que puede ser extraído de la

batería bajo condiciones de descarga determinadas por el fabricante. Para las

baterías de descarga profunda, el procedimiento de prueba ha sido estandarizado

en la industria. Una batería comercialmente cargada al 100 %, es descargada a

corriente constante hasta que la energía en la misma se reduzca al 20% de su

valor inicial. El valor de esa corriente, multiplicada por la duración de la prueba

expresa los Ah de la batería. Es importante esclarecer que una batería no puede

entregar en una hora la cantidad de corriente expresada por horas, porque al

acelerarse el proceso electroquímico, la resistencia interna de la batería

incrementa de manera sustancial, lo que provoca la disminución del voltaje de

salida autolimitando la capacidad de sostener corrientes elevadas en la carga, si la

corriente de descarga es menor que la especificada para una hora, la relación Ah

es válida.

2) Régimen de carga o descarga C/x: Es el parámetro que refleja la relación entre

la capacidad de la batería y la corriente a la cual está cargada o descargada, se

expresa en horas y es un indicativo de la duración de la carga de la batería. Una

batería C/20, significa la magnitud de la corriente de descarga o carga que debe

poseer para consumir su energía en 20 horas.

3) Estado de carga de la batería (SOC, del inglés): es la relación entre la

capacidad existente en la batería y la capacidad nominal máxima de la batería. Se

expresa como:

Page 53: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

41

max1

max

max

Q

Qx

Q

QxQSOC

(2.34)

Donde:

Qmax: Capacidad máxima de la batería (Ah), expresada a una determinada

corriente de carga o descarga.

Qx: Capacidad extraída de la batería (Ah).

La relación Qx / Q max, se conoce como la profundidad de descarga de la batería

(PDD). Profundidades de descarga al 80%, son muy perjudiciales para la batería

acortando su vida útil. La siguiente tabla muestra lo antes expuesto. [7]

% PDD Números de ciclos (Carga-Descarga)

80% 543

50% 757

30% 1100

20% 1800

Tabla 1. Ciclos de vida de la batería en función de la profundidad de la descarga,

cortesía de Trojan.

La expresión 2.34 puede plantearse según 2.35 para relacionar el estado de carga

con la profundidad de descarga. Cuando la Qx= 0, la profundidad de descarga es

cero y el estado de carga es uno. Cuando Qx=Qmax sucede todo lo contrario, lo

que se verifica mediante el uso de la expresión 2.35.

PDDSOC 1 (2.35)

4) Eficiencia: Es la relación entre la carga extraída (Ah o Energía) durante la

descarga y la energía consumida para almacenar el estado inicial de carga. La

eficiencia depende del SOC y de la corriente de carga y descarga. Generalmente

esta eficiencia no es mayor al 80%.

5) Vida útil: Número de ciclos de carga o descarga que admite la batería antes de

perder el 20% de su capacidad nominal.

6) Voltaje nominal: Voltaje de la batería cuando la batería posee la capacidad

nominal que especifica el fabricante.

Page 54: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

42

7) Curvas de descarga: Curva que especifica el fabricante donde muestra el

comportamiento del voltaje de la batería en función del tiempo para un régimen de

carga dado V=f (t, c/x=cte).

En muchos casos muestra una familia de curva, por cuanto las traza a diferentes

c/x. La figura 2.7 muestra una familia de curvas típicas del voltaje de la batería

para dos regimenes de descarga. Por otra parte la figura 2.8 muestra la

característica de una batería para comparar con el modelo propuesto.

Figura (2.7). Característica V=f (t) para dos regimenes de carga diferente.

Figura 2.8 Característica de una batería comercial.

Aunque no constituye un parámetro de la batería, es importante señalar que la

temperatura de operación más adecuada de las baterías se logra a 25°C. Como la

energía eléctrica extraída de la batería es consecuencia de una reacción química

exotérmica, es de suponer que la capacidad de la batería incremente con la

temperatura al poderse extraer más energía en igual tiempo, que a otras

temperaturas inferiores. En efecto eso es algo cierto; pero sucede que en la

Page 55: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

43

medida que eso ocurre la vida útil de la batería se reduce. Las siguientes tablas

muestran como se comporta la capacidad de la batería y su vida útil, en función de

la temperatura de operación del electrolito.

Temperatura °C Capacidad %

30 105

25 100

16 90

4 77

-7 63

-18 49

Tabla 2. Comportamiento de la capacidad de la batería en función de la

temperatura ambiente.

Temperatura °C Reducción vida útil

25 0

30 30

35 50

40 65

45 77

50 87

55 95

Tabla 3. Comportamiento de la vida útil de la batería en función de la temperatura

ambiente.

Aunque podrían apuntarse otros datos de interés de la batería estos son los

esenciales para la confección y comprensión del modelo que se propone.

2.2.2 Generalidades sobre modelos de batería.

De manera general se ha podido constatar en la bibliografía que existen tres tipos

de modelos de baterías; el experimental, el electroquímico y el basado en el

circuito eléctrico.

Page 56: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

44

El experimental y el electroquímico resultan convenientes para representar la

dinámica de la batería. Sin embargo, el modelo basado en el circuito eléctrico es

útil para representar las características eléctricas de la batería. El modelo eléctrico

más simple consta de una fuente de voltaje ideal en serie con una resistencia

interna. El modelo sin embargo no toma en consideración el SOC de la batería.

Existen otros modelos que toman en consideración el voltaje de circuito abierto, en

serie con una resistencia y una rama RC en paralelo, para poder modelar la

dinámica de la batería.

Sin embargo por una parte se tiene la imprecisión de los modelos y por otra se

tiene que estos modelos se basan en técnicas complicadas para poder obtener los

parámetros.

En este trabajo se desarrollan un conjunto de ecuaciones a partir de las curvas

aportadas por el fabricante, que se mostraron anteriormente, que describen el

comportamiento electroquímico de la batería en función de su voltaje terminal

(Vbat), el voltaje de circuito abierto, la resistencia interna, la corriente de descarga

y el estado de carga (SOC). El modelo posee la ventaja de que puede ser aplicado

tanto durante el proceso de carga como de descarga de la batería. Además como

se verá en el próximo subepígrafe, el modelo se puede obtener a partir de conocer

solo tres puntos de la característica de descarga nominal de la batería. [7]

2.2.3 Modelo propuesto de la batería.

El circuito de la figura 2.9 muestra el esquema eléctrico de una batería donde se

toman en consideración las apreciaciones explicadas con anterioridad. Mientras

que la figura 2.10 muestra la característica de descarga de la batería para las

condiciones nominales donde se expresa por parte del fabricante el voltaje

terminal en función del tiempo a una corriente de descarga constante

V=f(t, c/x=cte).

Page 57: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

45

Figura 2.9. Circuito eléctrico de la batería

Durante el proceso de carga se puede plantear la siguiente ley de Kirchhoff de

voltaje.

0)( RiSOCfEbatUbat (2.36)

Durante el proceso de carga la resistencia interna de la batería disminuye,

producto del incremento de la densidad del electrolito, sin embargo en el modelo

se considerara esta resistencia constante. De igual modo en la medida en que se

suministre energía a la batería la Fem de la batería aumenta, producto a la

variación del estado de carga. La ecuación 2.37 muestra la relación entre la Fem

de la batería, la corriente de carga (Ic) y su capacidad máxima (Qmax).

dt

dEbatQtIc max (2.37)

Integrando la expresión anterior se obtiene:

max0 0

Q

dttic

EbatEbat

t

(2.38)

Analizando la expresión anterior se puede plantear que t

dttictQx0

, por lo que

el segundo termino del lado derecho de la expresión 2.38 expresa la PDD que

posee la batería, que se relaciona como se vio anteriormente con el SOC de la

batería. El primer termino expresa el estado inicial de carga que poseía la batería

antes de iniciarse el estado de carga. De manera general se puede plantear la

ecuación 2.39, representativa del estado de carga y de descarga de la batería,

donde el signo menos representa la condición de descarga i (t)=i descarga.

+

-

Icarga

Idescarga

Ebat=f (SOC)

Page 58: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

46

maxQ

dtti

tinicialEbattEbat

t

tinicialSOCSOC

(2.39)

Sustituyendo la expresión 2.39 en 2.36 se puede obtener el voltaje de la batería en

función del estado de carga, la resistencia interna y la Fem de la batería.

0max

RtiQ

dtti

tinicialEbattUbat

t

tinicialSOC

(2.40)

Aunque esta expresión permite obtener el voltaje de la batería en función del

tiempo, lo que se requiere obtener es la Fem de la batería en función del estado

de carga Qx (t). Para ello se planteó anteriormente que era necesario utilizar la

curva del fabricante que expresa Ubat=f (t, c/x=cte). Ahora bien existe un

problema a resolver porque se requiere construir la curva de U (t)=f (Q). A

continuación se muestra el procedimiento para poder completar las expresiones

que permiten conformar el modelo.

2.2.4 Extracción de los parámetros.

La metodología de extracción de estos parámetros posee la ventaja del modo tan

simple en que se obtienen los parámetros para elaborar el modelo dinámico. En

efecto no es necesario obtener datos experimentales de la batería, solo basta con

las características del fabricante. Para obtener los parámetros es suficiente

obteniendo tres puntos de la característica de descarga en estado estable, dada

por el fabricante. La figura 2.10 muestra la característica típica de descarga de la

batería a una corriente determinada (c/x).

En la figura aparecen señalados los tres puntos que son necesarios obtener para

poder conformar el modelo. Es importante señalar, que estos parámetros son

aproximados y que el nivel de precisión del modelo depende de la precisión en

que estos puntos sean extraídos de la curva de descarga.

Page 59: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

47

Figura 2.10. Característica de descarga de la batería a una corriente i=c/x=cte.

Para caracterizar la curva de descarga puede observarse que posee tres zonas

bien definidas. La primera de ellas es la zona exponencial comprendida en el

intervalo expt0 t , donde el voltaje cae bruscamente desde el voltaje de circuito

abierto (Fem de la batería), hasta un voltaje al que se le ha llamado voltaje final de

la zona exponencial (Vexp). La segunda zona se le ha llamado zona nominal,

comprendida en el intervalo tnom ttexp , donde el voltaje disminuye desde

Vexp hasta el voltaje nominal especificado por el fabricante (Vnom). En este

intervalo de tiempo el voltaje de la batería permanece prácticamente constante.

Finalmente la tercera zona esta comprendido en el intervalo de tiempo

tfinal ttnom , donde el voltaje se reduce bruscamente desde Vnom hasta 0,

esta zona se le denomina zona de agotamiento de la batería.

Una vez obtenidos estas parejas de puntos, como la curva es la corriente

constante se puede determinar de la siguiente manera la capacidad en Ah (Q)

para cada punto en particular.

expexp tIQ (2.41)

tnomIQnom (2.42)

tfinalIQ max (2.43)

Page 60: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

48

Con estas tres expresiones anteriores se puede determinar la característica de

V=f (Q), que representa la característica de variación del voltaje en función de la

capacidad de la batería. Esta característica posee la ventaja de ser independiente

de la corriente de descarga. La figura 2.11 muestra esta característica, donde

además se señalan los puntos característicos.

Figura 2.11.Característica de la batería en función de su capacidad V=f (Q).

Para modelar la curva se obtuvieron tres expresiones matemáticas

representativas de cada una de las zonas en la que fue dividida la característica

de descarga para una determinada corriente. A continuación se desarrollan las

expresiones para cada una de las zonas.

2.2.4.1 Zona exponencial.

La zona exponencial fue modelada por la siguiente función matemática, debido a

que en esta zona el voltaje de la batería disminuye súbitamente, siguiendo una ley

exponencial.

QBeVocV (2.44)

El valor de B se puede obtener a partir del punto representativo del final de la zona

exponencial (Qexp, Vexp). Sustituyendo estos valores en 2.44 se obtiene:

Voc

V

QB

expln

exp

1 (2.45)

De esta manera queda descrita mediante la expresión matemática la zona

exponencial de la característica.

Page 61: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

49

2.2.4.2 Zona nominal o zona útil.

La zona nominal se caracteriza por ser una zona amplia y donde el voltaje de la

batería permanece prácticamente constante. Esta zona se ha modelado mediante

una expresión lineal comprendida entre los puntos (Qexp, Vexp) y (Qnom, Vnom).

La expresión representativa de esta zona se obtiene mediante una transformación

de coordenadas, sustituciones de los dos puntos antes señalados y realizando

sencillas manipulaciones algebraicas. La ecuación 2.45 muestra el resultado de la

expresión V=f (Q) que caracteriza esta zona.

expexpexp

exp

exp

expVQ

QnomQ

VnomVQ

QnomQ

VnomVV

(2.46)

2.2.4.3 Zona de Agotamiento.

La zona de agotamiento se caracteriza por ser una zona donde el voltaje de la

batería cae bruscamente desde el valor del voltaje nominal hasta cero. Esta zona

se ha modelado mediante una parábola comprendida entre los puntos (Qnom,

Qmax) y (Qmax, 0). Al igual que en el caso anterior la expresión matemática que

caracteriza esta zona se obtuvo mediante una transformación de coordenadas. La

expresión matemática 2.47 representa matemáticamente el comportamiento de la

característica V=f (Q), en esta zona:

nQnomQKVnomV (2.47)

Donde:

K: Constante característica de la parábola.

n: Exponente de la parábola.

Sustituyendo el par ordenado (Qmax, 0) en la expresión anterior se obtiene el

valor de K. La expresión 2.48 muestra este resultado incluido en la expresión

anterior.

n

nQnomQ

QnomQ

VnomVnomV

max (2.48)

Para determinar el valor de V se deriva la expresión anterior respecto a Q y se

obtiene la ecuación que caracteriza la pendiente de la curva para cualquier punto

ubicado dentro de la zona.

Page 62: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

50

1

max

n

nQnomQ

QnomQ

Vnomn

dQ

dV (2.49)

Desarrollando una expresión en series de Taylor en la vecindad del punto Qmax,

se puede obtener para una aproximación por recta que un valor de n=4 produce

magníficos resultados en la aproximación de la característica.

2.2.5 Banco de baterías.

Lo más común de la instalación fotovoltaica, es que cuente con un banco de

baterías en lugar de poseer una única batería; por tal motivo a continuación se

hace un análisis para obtener la característica de Vbanco (V), como una función

de Qbanco (Ah).

La figura 2.12 muestra el esquema eléctrico de un banco de baterías conformado

por n baterías en serie (Nbatserie) y M ramas en paralelo (Mramasp), para a partir

de este esquema deducir las expresiones matemáticas que caracterizan el banco.

Figura 2.12.Esquema eléctrico del banco de baterías.

Aplicando leyes de Kirchhoff pueden obtenerse las siguientes relaciones entre las

magnitudes eléctricas del banco de baterías y las magnitudes eléctricas de la

batería.

NbatserieVbatVbanco (2.50)

MramasPIbatIbanco (2.51)

La potencia del banco de baterías se puede expresar mediante la siguiente

expresión.

MramasPIbatNbatserieVbatPbanco (2.52)

+

Ibat

Vbanco Ibat

Vbat

Idescarga banco

-

Page 63: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

51

Si se multiplica por el tiempo T, se puede obtener la expresión de la energía del

banco de baterías representativo de la capacidad del banco.

MramasPNbatserieAhbatVbatVbancoAhbanco (2.53)

De esta expresión se deduce que:

MramasPAhbatAhbanco (2.54)

NbatserieVbatVbanco (2.55)

Por tanto estas expresiones conducen mediante el análisis a deducir la expresión

Vbanco=f (Qbanco), por lo que afectando las expresiones anteriores por el número

de baterías serie (Nbatserie) y el número de ramas paralelo del banco (Mramasp),

en el caso que corresponda, se puede obtener la característica del voltaje del

banco en función de la capacidad; cuya característica seria de gran valor para la

modelación dinámica del sistema y para predecir el comportamiento del banco de

baterías en el sistema fotovoltaico.

2.3 Regulador de carga.

La regulación es imprescindible en un sistema fotovoltaico. Los reguladores sirven

fundamentalmente para controlar el estado de carga de las baterías, impidiendo

que éstas se sobrecarguen o que se descarguen en exceso, prolongando así su

vida útil y optimizando el rendimiento de la instalación. Este es un dispositivo

electrónico, que controla tanto el flujo de la corriente de carga proveniente de los

módulos hacia la batería, como el flujo de la corriente de descarga que va desde la

batería hacia las lámparas y demás aparatos que utilizan electricidad.

2.3.1 Regulador serie.

Este tipo de regulador es el más usado en los sistemas aislados, su

funcionamiento se basa en conexión y desconexión de la batería del arreglo de

paneles sin intervenir en la regulación de voltaje y corriente del sistema. Aunque

son menos difundidos existen reguladores PWN que realizan la regulación del

voltaje y la corriente.

Page 64: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

52

2.3.2 Regulador paralelo.

Este tipo de regulador va conectado en paralelo con el arreglo de paneles, aunque

son menos utilizados que el anterior, su uso puede garantizar un mejor cuidado de

los paneles fotovoltaicos.

2.3.3 Regulador de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT).

Los reguladores MPPT (en inglés, Maximum Power Point Tracker o Seguidor del

punto de potencia máxima). El “punto” al que se hace mención es el que

corresponde a los valores óptimos para el voltaje y corriente de salida que

proporciona la máxima potencia de salida, ese punto varía con la temperatura de

trabajo del mismo. Los MPPT rompen la conexión directa entre panel y batería y

permiten que el panel trabaje en el punto ideal según las circunstancias de

insolación y temperatura, ya que los paneles solares siempre producen más

potencia bajo ciertas condiciones meteorológicas, un sol brillante de un día frío de

invierno proporciona mucha más energía eléctrica que un día caluroso de Verano.

Los MPPT convierten la mayor tensión de trabajo en un aumento de corriente de

carga, y pueden llegar a incrementar ésta en un 35%.

Estos reguladores no son muy populares debido a su alto precio. Los más

modernos y eficaces son del tipo inteligente, que calculan continuamente como

sacar más potencia; pero son muy caros y solo empiezan a resultar factibles en

instalaciones de al menos 450W (6 paneles de 75W). [20]

2.3.4 Modelo matemático del regulador.

Todos los sistemas de potencia deben incluir una estrategia de control para

regular las interacciones entre sus componentes. El uso de la batería o banco de

baterías según corresponda implica la necesaria presencia de un regulador de

carga.

El regulador de carga se usa para realizar el control de potencia que fluye desde el

arreglo fotovoltaico, hacia las baterías que conforman el banco y la carga eléctrica

que se encuentra conectada al sistema. El controlador además supervisa el

estado de las baterías, con la finalidad de realizar su protección, por tal motivo el

regulador debe poseer:

Page 65: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

53

1) Una condición de operación normal, cuando la batería fluctúa su voltaje entre

los valores máximos y mínimos permitidos.

2) Protección de la batería contra sobrecargas o sobredescargas, cuando se

alcanzan los valores críticos.

3) Regular el proceso de carga de la batería según especificaciones del fabricante

para garantizar el ciclo de carga que garantice la durabilidad de la batería (carga

profunda a corriente constante, carga de igualación y flotación a corriente

variable).

Para garantizar las prestaciones del regulador la figura 2.13 muestra su esquema

en bloques compuesto por:

1) Un módulo de potencia.

2) Un sistema de mando.

3) Un sistema de regulación y control.

Figura 2.13 Esquema en bloque del regulador de carga.

Arreglo

Fotovoltaico

Módulo de

Potencia

Banco de

Baterías

+

Carga

Eléctrica

Sistema de

Mando

Sistema de

Regulación

y Control

t=f (Uy)

Uy

Regulador

de Carga

Page 66: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

54

2.3.4.1 Módulo de potencia.

El módulo de potencia (ver figura 2.13), se alimenta desde el arreglo fotovoltaico y

a su salida se encuentra conectado al banco de baterías y la carga eléctrica

equivalente al lado de corriente directa del inversor. Por tal motivo el regulador,

controla la potencia que fluye desde el arreglo fotovoltaico que genera un voltaje

DC, hacia una carga que consume energía en DC. El módulo de potencia es un

Chopper o troceador DC/DC. La figura 2.14 muestra el diagrama eléctrico del

regulador implementado.

Figura 2.14 Esquema eléctrico del módulo de potencia.

Durante el intervalo de tiempo en que el IGBT se encuentra en estado ON, el

voltaje aplicado a la carga (Ud), es igual a cero, mientras que durante el intervalo

de tiempo en el cual el IGBT se encuentra en estado OFF, el voltaje U de la

entrada del módulo de potencia se encuentra aplicado a la carga. La figura 2.15

muestra las curvas en función del tiempo, así como los puntos más significativos

para obtener la expresión que caracteriza el regulador.

Figura 2.15 Curvas características en función del tiempo.

U IGBT

Id

Ud Rcarga

U U

Ton Toff

UIGBT, Ud

Page 67: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

55

El voltaje promedio U, se puede expresar en función del voltaje instantáneo

mediante la siguiente expresión:

T

Ton

T

UdtT

UddtT

Ud11

0

(2.56)

Integrando la expresión 2.56 se obtiene el valor del voltaje promedio en la carga

en función del voltaje de entrada en el periodo de tiempo Ton y el periodo de

tiempo T= (Ton+Toff).

T

TonUUd 1 (2.57)

De la expresión anterior puede concluirse que si se define un periodo T para el

control del encendido y el apagado del IGBT (para este caso 2 ms), controlando el

tiempo de encendido del IGBT (Ton), se puede variar el voltaje aplicado a la carga

desde cero hasta U. Este método de variación de voltaje se conoce como

modulación del ancho de pulso (PWM).

2.3.4.2 Sistema de mando.

El sistema de mando (ver figura 1), cumple la función de convertir una señal de

voltaje U, generalmente estandarizado entre 0 y 10 V, en una información de

tiempo a su salida para regular el tiempo de encendido y apagado del IGBT

t=f (Uy). La figura 2.16 muestra el esquema en bloques de este sistema.

Figura 2.16 Esquema en bloques del sistema de mando.

El generador de función debe garantizar que para cada valor de Uy, corresponda

uno y solo un valor de tiempo, en el intervalo de tiempo definido para el rango de

control dentro del periodo T definido. Para este caso particular se asume un

intervalo de control del 98% del valor de T, en cuyo intervalo se genera una

Generador

fotovoltaico

Uy

t Al Gate IGBT

Page 68: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

56

rampa, en forma de diente de sierra para ser comparada con el voltaje de mando

Uy. La figura 2.17 muestra estas características.

Figura

2.17 Función matemática generada en el generador de función y el valor de Uy

variando entre 0 y Umax.

La función anterior puede formularse matemáticamente mediante la siguiente

expresión:

tKUgf (2.58)

El valor de K puede obtenerse para la condición de t= 0,98T T, para el cual Ugf =

Umax; por tanto la expresión 2.59 deja definida la característica del generador de

función.

tT

U

maxUgf (2.59)

Para el caso particular donde Ugf = Uy, t=ton, ver figura 2.17 se obtiene:

TonT

UUy

max (2.60)

Despejando Ton en la expresión anterior y sustituyendo en la expresión 2.57 se

puede obtener la magnitud del voltaje Ud en función del voltaje Uy. La ecuación

2.61 muestra el resultado.

max1

U

UyUUd (2.61)

Esta expresión Ud =f (Uy), muestra una relación lineal de Ud con Uy con una

pendiente negativa 1/Umax que permite variar Ud desde 0 hasta U. Para lograr

que cuando Uy incremente, Ud incremente también y viceversa, se puede

T T t

Uy

Umax

U

Ton

Page 69: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

57

modificar la expresión 2.58 invirtiendo la pendiente y comenzando T=0 con Ugf =

Umax y culminado en t=0,98T con Ugf =0, lo que conduce a reformular la

ecuación 2.61 de la siguiente forma.

max

max1

U

UyUUUd (2.62)

No obstante a lo antes planteado cualquiera de las dos funciones son validas. En

el modelo Simulink se implementó la 2.62.

2.3.4.3 Sistema de regulación y control.

El sistema de regulación y control se encarga de regular el régimen de carga de

las baterías, como se apuntó anteriormente y además se encarga de la

autoprotección del propio regulador en función de sus características nominales.

Dicho sistema se encarga de procesar las señales de entrada (magnitudes

eléctricas) de voltaje y corriente, así como la razón de carga - descarga de la

batería (C/X), para producir el voltaje de mando Uy a su salida que se encarga de

variar la magnitud del voltaje Ud (ecuación 2.61 y 2.62), según corresponda

logrando de esa manera el control del flujo de la potencia eléctrica desde el

arreglo fotovoltaico a la carga eléctrica y las baterías. La figura 2.18 muestra el

esquema en bloques de este sistema donde aparece un lazo interno para regular

corriente y un lazo externo para regular el voltaje de fin de carga de la batería.

Figura 2.18 Esquema en bloques del sistema de regulación y control.

PIv PIi

Ki Medición

Corriente

+

Medición

Voltaje

Kv

I retro

Vref

Uy

-

Page 70: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

58

Al poseer el sistema una carga variable, posee además un banco de baterías y

una fuente generadora variable función de la radiación solar, el ajuste de los

reguladores puede ser complicado. No obstante a ello el banco de baterías juega

un importante papel para facilitar el ajuste, por cuanto el voltaje entre sus nodos

de conexión no puede variar instantáneamente, lo que también hace posible que

la corriente, a menos de que exista un cortocircuito o una brusca sobrecarga no

pueda variar instantáneamente.

Ambos reguladores son reguladores PI, con un lazo interno de corriente y un lazo

externo de voltaje, que posibilita realizar dos adelantos de fase en el retardo de

respuesta del regulador y adicionalmente posibilita que el error en estado estable

sea 0, para el comportamiento de cada una de las magnitudes eléctricas, corriente

y voltaje.

2.4 Inversor.

El inversor es un convertidor estático que convierte la magnitud del voltaje de

corriente directa que se impone a su entrada, en un voltaje de corriente alterna de

igual o diferentes voltajes en dependencia de las exigencias de la carga eléctrica.

Su uso en el sistema fotovoltaico automático esta condicionado a que la mayoría

de los receptores eléctricos son de corriente alterna y la generación de energía

eléctrica por parte del arreglo fotovoltaico y su acumulación en banco de baterías

se realiza a corriente directa, de ahí que sea indispensable dentro de los

eslabones que conforman el sistema fotovoltaico.

Al igual que cualquiera de los convertidores electrónicos, el inversor posee:

1) Módulo de potencia.

2) Un sistema de mando

3) Un sistema de regulación y control.

La figura 2.19 muestra el diagrama en bloques del inversor autónomo.

Page 71: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

59

Figura 2.19 Esquema en bloque del inversor autónomo.

2.4.1 Módulo de potencia.

El módulo de potencia (Ver figura 2.20), se alimenta desde el voltaje de corriente

directa, de los nodos del banco de baterías, lo que hace que el inversor autónomo

sea un inversor fuente de voltaje. Aunque las técnicas más modernas para el

mando de los inversores se basan en la modulación de ancho de pulsos (PWM),

con varios pulsos por semiperiodos, la mayoría de los inversores comerciales que

se emplean en los sistemas fotovoltaicos autónomos poseen una técnica PWM,

con un solo pulso por semiperiodo, a los que se les suele llamar inversores con

onda sinusoidal modificada.

En la figura 2.20 se muestra el esquema eléctrico del módulo de potencia,

concebido para producir una onda sinusoidal modificada a la salida. Como puede

observarse se encuentra compuesto por un puente en H a base de IGBT y un

transformador de salida, para lograr el nivel de voltaje requerido por la carga y

para aislar galvanicamente el circuito de corriente directa y el de corriente alterna.

Mientras que la figura 2.21 muestra la forma de onda del voltaje a la salida en

Banco de

baterías

+

Arreglo

Fotovoltaico

Módulo de

Potencia

Carga

Eléctrica de

CA

Sistema de

Mando

Sistema de

Regulación

y Control

t=f (Uy)

Uy

Iac

Vac

Vdc Vac

Page 72: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

60

función del voltaje de entrada, donde K representa la relación de transformación

del transformador.

Figura2.20. Esquema eléctrico del módulo de potencia.

Figura 2.21. Forma de onda sinusoidal modificada a la salida del inversor.

La forma de onda anterior se conforma haciendo conducir los IGBT Q1 y Q3,

durante el intervalo de tiempo , durante el semiperiodo y haciendo conducir de

manera simultanea los interruptores Q2 y Q4 durante el semiperiodo de tiempo

comprendido entre y 2 , el mismo intervalo de tiempo que en el caso anterior.

Desarrollando la forma de onda en series de Fourier, donde:

11

0 cosin

nwtsenbnnwtanatf (2.63)

Uac=KUdc Uac

2

2

2

wt

Q2 Q1

Q3

Q4

G3

G2 G1

G4

Udc

G4

K

Uac

dcG

4

-

+

Page 73: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

61

Donde además:

T

dwtwtfdttfT

a0

2

0

02

11

(2.64)

T

dwtnwtwtfdtnwttfT

an0

2

0

cos1

cos2

(2.65)

T

dwtnwtsenwtfdtnwtsentfT

bn0

2

0

12

(2.66)

Como la función anterior no posee valor promedio el término 0a de la serie es igual

a cero. Como la onda es simétrica respecto al origen f (wt)=-f (-wt), los términos

an son iguales a cero. Adicionalmente la onda cumple la condición de poseer

simetría de media onda, es decir f (wt+ )=-f (wt), por lo que de los términos bn

solo existen términos impares, a los cuales se les denomina armónicos.

Por inspección de la forma de onda se obtiene:

F (t)=0 para 2

0

wt

F (t)=U=Uac para 22

wt

F (t)=0 para

wt2

Por tal motivo evaluando la expresión 2.66 se obtiene:

2

2

12

dwtnwtsenUbn (2.67)

Integrando la expresión anterior se obtiene:

2cos

2cos

1 nnnn

nbn (2.68)

Sustituyendo 2.68 en 2.63 se obtiene finalmente la serie trigonométrica que

representa el voltaje Uac, de la figura 2.21, en función de la componente

fundamental y la suma de los armónicos impares.

Page 74: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

62

nwtsennnnn

ntU

n

1 2cos

2cos

1 (2.69)

Donde n es impar y representa el orden del armónico.

Inspeccionando la expresión anterior se puede observar que en la medida que

menor es el orden del armónico mayor distorsión existe respecto a la fundamental,

por tal motivo es importante lograr atenuar o minimizar el efecto de los armónicos

de menor orden en la expresión de U (t).

Para la condición:

02

cos

nn, y 0

2cos

nn (2.70)

Se obtiene que:

n

n

1 , y n

n

1 (2.71)

La solución lógica de cualquiera de las dos expresiones 2.71 de =f(n), permite

eliminar el armónico de orden n.

Como el armónico que mayor distorsión introduce es el tercer armónico,

sustituyendo 2.71, para n=3, se obtiene que para =3

2(120° eléctricos), no

exista el tercer armónico.

Como consecuencia del análisis teórico desarrollado, los inversores comerciales

con técnica PWM, con un solo pulso por semiperiodo utilizan un pulso de amplitud

de 120° eléctricos por semiperiodo y si el voltaje de entrada se reduce, amplían el

pulso para mantener el voltaje de salida, por supuesto que el tercer armónico

comienza a jugar su papel y como consecuencia de ello la calidad de la onda del

voltaje de salida disminuye al introducirse una mayor distorsión. Esta situación

resuelve garantizar el voltaje de salida constante, para el caso de los sistemas

fotovoltaicos, cuando la batería varía su voltaje en la zona de trabajo hasta llegar a

la zona de agotamiento.

El voltaje efectivo Uef de la onda de voltaje se pude obtener a partir de la siguiente

expresión.

Resolviendo la expresión anterior se obtiene que:

Page 75: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

63

2

2

2

2

12

dwtUUef (2.72)

2

2cos

2cos

1

1

n

nnnn

nUUef

(2.73)

Para el caso particular de =3

2(régimen estable de trabajo del inversor), se

obtiene que:

3

2UUref (2.74)

Esta expresión es importante tomarla en cuenta a la hora de determinar la relación

de transformación del transformador del módulo de potencia.

2.4.2 Sistema de mando.

El sistema de mando al igual que en el convertidor analizado anteriormente,

cumple la función de convertir una magnitud de voltaje de mando Uy aplicado a la

entrada del bloque, estandarizado entre 0 y 10 V, en una información de tiempo a

su salida, regulando de este modo el intervalo de tiempo de encendido y apagado

de los IGBT, t=f (Uy). La figura 2.22 muestra el esquema en boques de este

sistema.

Figura 2.22 Esquema en boques del sistema de mando.

La figura 2.23 muestra la forma de mando del generador de función concebida con

una onda sinusoidal con una frecuencia igual a la frecuencia de la carga (para este

caso 60 Hz), para ser comparada con el voltaje Uy representativo de la magnitud

del voltaje de salida del inversor, condicionado por el tiempo de conducción

Generador de

función

+

Uy

-

t IGBT

Q1; Q3

Q2; Q4

Page 76: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

64

alternado de los IGBT Q1; Q3 y Q2; Q4, de manera tal que sea en estado nominal

de funcionamiento de 120° eléctricos (3

2).

Figura 2.23 forma de onda del generador de función y el voltaje de mando Uy.

La función anterior puede formularse matemáticamente mediante la siguiente

expresión:

wtsenUU max (2.75)

Para wt=2

se puede obtener la magnitud del voltaje Uy como:

2max

senUUy (2.76)

Despejando en 2.76 y sustituyendo en 2.73, se obtiene la magnitud del voltaje

efectivo en función del voltaje de mando para una carga resistiva pura.

max21 1

U

UysenUUref (2.77)

2.4.3 Sistema de regulación y control.

El sistema de regulación y control (ver figura 2.19), adquiere de la salida del

bloque de potencia las magnitudes de voltaje y corriente, para proteger el

convertidor contra sobrecargas y cortocircuitos, así como para estabilizar el voltaje

de salida del convertidor ante variaciones que sufra el voltaje de entrada al

convertidor produciendo una magnitud de voltaje Uy que posibilite ampliar o

reducir el ancho de pulso por semiperiodo. La figura 2.24 muestra el esquema en

U, Uy

2

wt

Umax

Uy

3

2

6

Page 77: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

65

bloques de este sistema, concebido con un regulador PI para garantizar dentro de

los límites permisibles la magnitud del voltaje de salida del convertidor, reduciendo

el error de estado estable y tratando de responder con rapidez para compensar la

no linealidad de la ecuación 2.77. Además se introduce un límite de corriente para

los fines propuestos.

Figura 2.24 Esquema en bloques del sistema de regulación y de control.

2.5 Carga eléctrica.

La carga eléctrica es el punto de partida para poder concebir el sistema. Su

análisis y determinación del perfil de carga más probable para una aplicación

fotovoltaica es de incalculable valor. Haciendo este análisis se puede concebir un

gráfico de carga para propósitos de diseño, que como se verá en el capítulo

siguiente, es el elemento de partida para realizar el diseño del sistema de estado

estable.

2.5.1 Generalidades sobre el modelo de potencia de la carga eléctrica a

partir del gráfico horario.

Durante el proceso de caracterización de las cargas del sistema por parte del

proyectista, se obtiene un gráfico horario representativo de la carga eléctrica del

sistema. Este gráfico se obtiene con espaciamiento entre las cargas de una hora.

Para cada hora se obtienen las magnitudes eléctricas más representativas de las

cargas, entre las cuales tenemos:

PIV

Comparador Ki

X +

Uac Kv

Vref Uy

-

iac

Page 78: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 2.

66

1) Potencia Activa.

2) Potencia Aparente.

3) Potencia Reactiva.

4) Corriente RMS.

Haciendo uso de estas magnitudes y teniendo en cuenta el voltaje de operación

de la carga se concibe la carga, como una carga en términos de la potencia (P, Q,

S), para cada estado de carga del grafico horario considerando el voltaje nominal

de operación de dicha carga.

Page 79: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

67

CAPÍTULO 3. IMPLEMENTACIÓN DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS EN

MATLAB-SIMULINK.

3.1 Generador Fotovoltaico.

A continuación se confecciona un modelo en Matlab- Simulink para un módulo

fotovoltaico partiendo de los datos aportados por los fabricantes en el propio

módulo fotovoltaico, así como en los catálogos del mismo. También se muestran

los resultados de la simulación que valida el modelo implementado, comparando

los resultados obtenidos, con la curva V-I y de potencia, aportadas por el

fabricante.

3.1.1 Datos del fabricante de los módulos fotovoltaico.

En los anexos (Anexo III) se muestra la ficha técnica y las curvas V-I, de los

módulos fotovoltaicos Isofotón, de fabricante Isofotón: como puede apreciarse

entre las características técnicas aparecen las características físicas, eléctricas y

constructivas. Como puede observarse también en los anexos el fabricante aporta

un determinado número de curvas obtenidas experimentalmente donde muestra:

1) Característica I = f (v) del panel para condiciones nominales de radiación y

temperatura.

2) Característica P = f (v) del panel para condiciones nominales de radiación y

temperatura.

3) Punto de máxima potencia, señalado en la característica I = f (v) para

condiciones nominales de operación.

4) Característica I = f (v) del panel para diferentes niveles de radiación solar, para

una temperatura constante.

5) Característica I = f (v) del panel para diferentes temperaturas de operación para

un nivel de radiación constante.

6) Característica de P= f (v) del panel para las pruebas correspondientes al

punto 4.

7) Característica de P= f (v) del panel para las pruebas correspondientes al

punto 5.

Page 80: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

68

3.1.2 Estructura de datos obtenidos en el cálculo del sistema en estado

estable.

Durante la etapa de proyecto de sistema fotovoltaico autónomo en estado estable

se obtienen los resultados de cada uno de los componentes del sistema, en

función de la elección por parte del proyectista del equipamiento con el que desea

trabajar y el cálculo del número de equipos que son necesarios instalar para el

proyecto en cuestión. Para el caso particular de los módulos fotovoltaicos, la

estructura de datos denominada ResutadosMóduloFV, aporta los siguientes datos

que se muestran, donde aparecen no solo los datos del panel, sino también los de

todo el arreglo de paneles fotovoltaicos que son indispensables para desarrollar la

ejecución del proyecto y para enlazar los resultados con la simulación dinámica

del sistema.

Los resultados que se muestran al lado derecho de cada campo de la estructura

se corresponden con los resultados obtenidos por el proyectista mediante el uso

del software de estado estable, para el caso de una vivienda de la comunidad “La

Lechuga”, perteneciente a un proyecto PNUD, que ejecuta la empresa Copextel de

Villa Clara. En los anexos (Anexo IV) se muestra la pantalla con los resultados del

software de estado estable.

Módulo Fotovoltaico: ResultadosMóduloFV = Modelo: 'I-150 S 12' VoltajeNominal (V): 12 VoltajeCircuitoAbierto (V): 21.6000 Pmax (VA): 150 CorrienteCC (A): 8.9000 CorrienteMaxP (A): 8.7000 VoltajeMaxP (V): 17.3000 NoPanelesXGrupo: 1 NoRamasParaleloXGrupo: 1 NúmeroPanelesArregloFV: 1 NúmeroPanelesSerie: 1

Page 81: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

69

3.1.3 Confección del modelo en Matlab-Simulink.

En el capítulo 2, en el epígrafe correspondiente a la celda, módulo y arreglo

fotovoltaico, se precisaron las expresiones teóricas que posibilitan implementar un

modelo del módulo fotovoltaico para poder desarrollar análisis dinámicos.

Constituyen variables de entrada a este modelo la radiación solar incidente y la

temperatura ambiente que son factores determinantes en la magnitud de la

fotocorriente generada y el comportamiento de diferentes parámetros de la celda y

el módulo fotovoltaico, aspectos tratados con anterioridad. Por otra parte

constituye la variable de salida de este modelo la magnitud de la corriente de

operación del panel o del arreglo fotovoltaico en función de la carga eléctrica

conectada al arreglo fotovoltaico. No obstante a ello también constituyen variables

de salida en el modelo implementado, el voltaje y la potencia, correspondientes a

cada estado de carga, por la importancia de su medición durante el proceso de

modelación dinámica. La figura 3.1, muestra la estructura de este bloque

concebido en Matlab-Simulink.

Figura 3.1 Estructura en bloque del módulo o arreglo fotovoltaico.

La figura 3.2, muestra la estructura circuital del modelo en Matlab-Simulink,

concebido a partir de una fuente de corriente y la simulación numérica mediante el

método de Newton-Rapson de la ecuación trascendente 2.5, que constituye

conjuntamente con el voltaje de la fuente de corriente la característica V-I del

módulo fotovoltaico.

Corriente (A)

Voltaje (V)

Potencia (W)

Módulo

O

Arreglo

Fotovoltaico

Radiación G 2W/m

Temperatura

Ambiente °C

Page 82: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

70

Figura 3.2 Estructura circuital del modelo matemático del panel fotovoltaico.

3.1.3.1 Datos del modelo del arreglo fotovoltaico.

Los datos de entrada al modelo lo constituyen los siguientes parámetros del panel

aportados por el fabricante:

1) Voltaje nominal del panel (V).

2) Corriente de cortocircuito del panel (A).

3) Voltaje de circuito abierto del panel (V).

4) Corriente de máxima potencia del panel (A).

5) Voltaje de máxima potencia del panel (V).

6) Potencia máxima del panel (W).

7) Radiación nominal ( 2W/m )

8) Temperatura ambiente nominal (°C).

9) Temperatura de operación nominal de la celda (TONC), en °C.

Adicionalmente se introducen como datos:

1) Número de paneles fotovoltaicos conectados en serie que forman parte del

arreglo fotovoltaico.

2) Número de paneles fotovoltaicos conectados en paralelo que forman parte del

arreglo fotovoltaico.

3) Factor de idealidad del módulo fotovoltaico, el cual pudo ser ajustado por el

proyectista en simulaciones previas, comparando los resultados de la simulación

al trazar la característica I=f (v) del módulo fotovoltaico, con la característica que

V

-

+

V

I

Solución numérica

Ecuación 2.5

Page 83: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

71

aporta el fabricante del módulo. La figura 3.3 muestra la ventana de entrada de

datos del módulo y arreglo fotovoltaico.

Figura 3.3 Ventana de datos del modelo del módulo y arreglo fotovoltaico.

3.1.3.2 Implementación del modelo del módulo fotovoltaico.

Para la implementación del modelo se necesitan inicializar un determinado número

de variables entre las que se encuentran:

1) La corriente 0I a la temperatura nominal del módulo. (Ver ecuación 2.14)

2) Cálculo de la resistencia del módulo FV a partir de la implementación del

algoritmo de la figura 2.4.

La inicialización de las variables y el algoritmo implementado se muestra en la

figura 3.4, donde aparece la inicialización de variables del modelo concebido en

Matlab-Simulink.

La figura 3.5 muestra el diagrama en bloques Simulink representativo de la figura

3.1. Este diagrama en bloque se encuentra conformado por las ecuaciones

obtenidas en el epígrafe 2 del capítulo 2. Solo falta por precisar la solución de la

ecuación 2.28 que al ser una función trascendente, se requiere de un método

numérico para su solución.

Page 84: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

72

Figura3.4 Ventana de inicialización de variables.

Figura 3.5 Diagrama en bloques del módulo FV.

Para la solución de la ecuación se implemento una función en Simulink.

(Sfunction), a partir del método de Newton- Rapson, que plantea:

n

n

nnXf

XfXX

´1 (3.1)

Page 85: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

73

Cuando una función F (ImóduloFV)=0, a partir de la ecuación 2.28 mediante un

proceso iterativo se obtiene el cero de la función, que constituye su solución.

VTNs

RModuloFVIModuloFVVModoloFV

eIIModuloFVVIphModuloFIModuloFVf

0(3.2)

VTNs

RModuloFVIModuloFVVModuloFV

eVTNs

RModuloFVI

dIModuloFV

IModuloFVdf

01 (3.3)

Sustituyendo las expresiones anteriores en la expresión 3.1 se confecciona la

ecuación que debe ser resuelta para obtener la magnitud correspondiente a la

ImóduloFV, para cada voltaje del módulo FV (VmóduloFV).

3.1.3.3 Validación del modelo del módulo fotovoltaico.

La implementación de este modelo posibilita validar el módulo confeccionado y los

valores calculados a partir de los datos del fabricante, comparando las curvas

obtenidas con las aportadas por el fabricante. La figura 3.6 muestra las curvas V-I,

obtenidas de diferentes radiaciones, mientras la figura 3.7 muestra las mismas

características, pero a diferentes temperatura, finalmente la figura 3.8 muestra la

característica de la potencia en función del voltaje P=f (v).

Figura 3.6 Característica ImóduloFV= f (VmóduloFV) para diferentes niveles de

radiación.

Page 86: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

74

Figura 3.7 Característica ImóduloFV=f (VmóduloFV) a diferentes temperaturas de

radiación.

Figura3.8 Característica PmóduloFV=f (VmóduloFV), a diferentes niveles de

radiación.

Page 87: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

75

3.1.3.4 Implementación del modelo del arreglo fotovoltaico.

Para implementar el modelo del arreglo fotovoltaico se parte del modelo del

módulo fotovoltaico concebido anteriormente, solo es necesario incorporar a la

figura 3.2 el número de ramas en paralelo del arreglo fotovoltaico (Nmp), el inverso

del número de módulos fotovoltaicos en serie para poder realizar los cálculos a

partir del modelo del módulo fotovoltaico y es imprescindible incorporar la

resistencia equivalente del arreglo fotovoltaico, por la cual circula la corriente del

arreglo fotovoltaico, obtenida en la ecuación 2.34. La figura 3.9 muestra el

diagrama genérico del arreglo fotovoltaico.

Figura 3.9 Esquema genérico del modelo del arreglo fotovoltaico, a partir del

modelo del módulo fotovoltaico.

Una vez obtenida por el software de estado estable, el número de paneles y la

configuración de los mismos para conformar el arreglo fotovoltaico, se pueden

obtener curvas características del comportamiento del arreglo fotovoltaico,

atendiendo a la variación de cualquiera de las variables. La figura 3.10, muestra

las características I=f (v) y la 3.11 la de P=f (v), para un arreglo fotovoltaico de los

módulos fotovoltaicos Isofotón de los Anexos (Anexo III) con tres módulos en serie

por rama (Nms=3) y dos ramas paralelo (Nmp=2).

V

VmóduloFV

+

-

Nms

1

Modelo

Módulo

FV

Vmódulo

FV ImóduloFV

Nmp

IArregloFV

RmoduloFVNmp

Nms

VmóduloFV

Page 88: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

76

Figura 3.10 Característica IArregloFV= f (VmóduloFV), para un arreglo fotovoltaico

de 6 paneles Isofotón; Nms=3 y Nmp=2.

Figura 3.11 Característica PArregloFV= f (VmóduloFV), para un arreglo

fotovoltaico de 6 paneles Isofotón de los Anexos (Anexo III); Nms=3 y Nmp=2.

3.2 Baterías de ciclo profundo.

A continuación se confecciona un modelo en Matlab-Simulink que permite modelar

el comportamiento dinámico de la batería, así como la del banco de baterías del

sistema fotovoltaico, según corresponda al análisis que se desea realizar. Para la

confección del modelo se parte de los datos aportados por el fabricante de la

Page 89: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

77

batería y la curva de descarga a corriente constante, por lo general la corriente

máxima recomendada (C/X), de la cual se extraen los tres puntos significativos,

tratados en el capítulo anterior, que posibilitan de una manera sencilla obtener el

modelo dinámico de la batería y posteriormente la del banco de baterías del

sistema fotovoltaico. Los resultados obtenidos se comparan con características de

baterías aportadas por el fabricante para validar el modelo.

3.2.1 Datos del fabricante de las baterías de ciclo profundo.

En los Anexos (Anexo V) se encuentran los datos técnicos de una batería, así

como la curva de V=f (t, c/x). Entre las características más importantes se

encuentran:

1) La curva o familia de curva de V=f (t, c/x) para diferentes regimenes de

descarga.

2) Razón de descarga C/X.

3) Voltaje nominal de la batería

4) Capacidad máxima de la batería.

3.2.2 Estructura de los datos obtenidos en el cálculo del sistema en estado

estable.

Durante la etapa de proyecto del sistema en estado estable, según requerimientos

de la carga eléctrica y las condiciones ambientales y de radiación se obtienen los

diferentes elementos que conforman el sistema fotovoltaico. Para el caso

particular de las baterías, la estructura de datos denominados ResultadosBaterías,

aporta los datos nominales de la batería y además el número de baterías en serie

y ramas paralelo que conforman el banco de baterías del sistema fotovoltaico, que

son necesarios para entonces conformar el modelo dinámico para la simulación

del sistema.

Page 90: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

78

Resultados de la batería para el caso de una vivienda.

Los resultados que se muestran al lado derecho de cada campo, de la estructura

obtenida como resultado, se corresponde con los resultados obtenidos por el

proyectista mediante el uso del software de estado estable, para el caso de una

vivienda de la comunidad La Lechuga, la cual se toma como ejemplo para validar

los resultados prácticos o teóricos.

3.2.3 Confección del modelo en Matlab-Simulink.

En el capítulo anterior en el epígrafe correspondiente a las baterías, se obtuvieron

y precisaron un grupo importante de expresiones matemáticas que constituyen la

base para la confección del modelo dinámico de la batería o banco de baterías

según sea el caso.

Para ser más preciso el modelo se ha incorporado a la dependencia de los

siguientes parámetros de la batería con la temperatura, por lo que la temperatura

constituye una variable de entrada en el sistema. Constituyen variables de salida

el voltaje del banco de baterías, la corriente, el estado de carga de la batería

(SOC) y la profundidad de descarga de la batería, para ser valorada por parte del

proyectista en las tomas de decisiones a la hora de conformar definitivamente el

banco de baterías del sistema fotovoltaico. La figura 3.12 muestra la estructura del

bloque concebido en Matlab-Simulink.

Baterías: ResultadosBaterías = TipoDeBaterías: 'Trojan T-105' AmperHoras: 217 Voltaje (V): 6 NúmeroBatBanco: 2 RamasParalelo: 1 BateríasSerie: 2 ProfDescarga: 0.3137

Page 91: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

79

Figura (3.12).Estructura en bloque del modelo o banco de baterías.

Por otra parte la figura 3.13, muestra la estructura circuital del modelo en Matlab-

Simulink, concebido a partir de una fuente de voltaje controlada por voltaje y la

solución de una Matlab-Function concebida atendiendo a las diferentes zonas de

la curva de V=f(Q) atendiendo a la capacidad real de la batería.

Figura (3.13).Estructura circuital del modelo matemático de la batería o banco de

baterías.

La figura (3.14) muestra el diagrama en bloques de forma muy general, para

determinar el voltaje de la batería en función de la capacidad, la temperatura y

demás datos de entrada para conformar el modelo.

Tambiente SOC

Voltaje

PDD

Corriente

Batería

O

Banco de

Batería

Matlab

Function

A

+ -

idt

Datos

Entrada

Tamb

V

V

- Bat

Bat

+Bat

Bat

Page 92: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

80

Figura (3.14).Esquema en bloques de la función implementada en Matlab.

3.2.3.1 Datos del modelo del banco de baterías.

Los datos del modelo constituyen los datos del modelo aportados por el fabricante;

los puntos obtenidos de la curva de descarga de la batería y procesados a través

de las ecuaciones desde la 2.41 a la 2.43 y el número de baterías conectadas en

serie y número de ramas paralelo que conforman el banco de baterías.

La figura 3.15 muestra la ventana de datos del banco de baterías para la

determinación del modelo y en la propia ventana de datos se especifican las

entradas que deben ser modificadas por el usuario del software para determinar

las curvas de la batería.

Inicio

Datos

Qx; Tambiente; Datos Entrada

QxQexp

QxQnom

Si No

Si

No

Expresión 2.48

Expresión 2.45

Expresión 2.46

V

Page 93: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

81

Figura 3.15. Ventana de datos del modelo del banco de baterías.

3.2.4 Validación del modelo de la batería.

Para validar el modelo se realizó la simulación de la batería de las cuales se

muestran sus características en el Anexo V. La curva muestra la característica de

descarga a 1.3 A. De la curva se obtienen los siguientes datos:

1) tfinal=5.38h.

2) Voltaje de circuito abierto (Voc=1.39 V).

3) Voltaje final zona exponencial (Vexp=1.28 V).

4) Tiempo final zona exponencial (texp=1h).

5) Voltaje final zona nominal (Vnom=1.18 V).

6) Tiempo final zona nominal (tnominal=4.8h).

A partir de estos datos, aplicando las expresiones 2.41 a 2.43 se obtiene:

Ah 1.311.3Qexp

Ah25.68.41.3Qnom

Ah738.51.3Qnom

Page 94: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

82

Sumando a estos datos los datos nominales de la batería y tomando en

consideración que para el caso particular de una batería el número de baterías

serie y ramas paralelo debe ser igual a uno, se obtiene la característica V=f (Q) y

V=f(t,c/x=CTE), las que se muestran en la figura 3.16 y 3.17 respectivamente.

Comparando los resultados con la curva de los Anexos (Anexo V), se puede

comprobar loa valides del modelo.

Figura 3.16. Característica V=f (Q) de la batería de los Anexos.

Figura 3.17. Característica V=f (t), de la batería de los Anexos.

Page 95: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

83

3.2.5 Validación del modelo del banco de baterías.

Para confeccionar el modelo del banco de batería se han tomado los datos de la

propia batería mostrada anteriormente. En este caso se ha considerado que el

banco posee cuatro baterías conectadas en serie y dos ramas paralelo. La figura

3.18 muestra la característica de V=f (Q), mientras que la 3.19 muestra las curvas

características de V=f (t) para dos corrientes de descarga diferentes I=1,3A e

I=0,5A. En todos los casos la temperatura se ha considerado de 25°C.

Figura 3.18. Característica V=f (Q) para un banco de baterías con cuatro baterías

en serie y dos ramas paralelo.

Figura 3.19. Característica V=f (t) para un banco de baterías con cuatro baterías

en serie y dos ramas paralelo para dos regimenes de descarga I=1.3A y 0.5A.

Page 96: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

84

3.3 Regulador de carga.

A continuación se implementa un modelo en Matlab-Simulink de regulador, el cual

toma en consideración los datos del regulador aportados por el fabricante y la

razón carga–descarga de la batería. Se muestran resultados de la simulación que

validan el modelo implementado, donde se muestra el ciclo de carga de la batería.

3.3.1 Datos del fabricante de los reguladores de carga.

En los anexos (VI) se muestra la ficha técnica de los reguladores de carga

Isofotón, fabricados por Isofotón. Entre las características más distintivas a tener

en cuenta se encuentran:

1) Tensión nominal (V): Voltaje nominal del regulador.

2) Corriente máxima (A): Corriente máxima que puede manejar el regulador por

tiempo indefinido.

3) Sobrecarga admisible (A): Corriente pico que puede soportar el regulador

durante un tiempo especificado.

Aunque estos son las características más significativas desde el punto de vista de

su selección e instalación no son las únicas, ver anexos.

3.3.2 Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema en estado

estable.

Al igual que en el caso de la proyección de los bloques que conforman el sistema

fotovoltaico ya explicados, en el caso del regulador también se obtienen como

resultados una estructura de datos que forman los datos de partida para la

modelación dinámica. La estructura de datos no solo contemplan los datos

nominales del regulador, sino que además contempla la cantidad de reguladores

que se conectan en paralelo atendiendo a las necesidades del proyecto. A

continuación se exponen los resultados obtenidos para el caso del proyecto de la

comunidad La Lechuga.

Page 97: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

85

3.3.3 Confección del modelo en Matlab-Simulink.

Una vez precisadas las expresiones matemáticas y las formas de ondas

correspondientes con el análisis realizado en el epígrafe correspondiente al

regulador en el capítulo anterior, se construyó el modelo en Matlab-Simulink.

Constituyen variables de entrada a este modelo el voltaje proveniente del arreglo

fotovoltaico y la razón C/X, carga-descarga, de las baterías que conforman el

banco. Las variables de salida son el voltaje regulado Ud que se aplica al banco

de baterías y la carga eléctrica del sistema, así como dos salidas adicionales

implementadas con la finalidad de facilitar las mediciones, para la realización de

los análisis (voltaje de salida y corriente de salida). La figura 3.20 muestra el

esquema en bloque del subsistema implementado representativo del regulador.

Figura 3.20. Estructura en bloque del regulador de carga.

Constituyen también datos del modelo, los que se introducen por la ventana

correspondiente al modelo que se muestra en la figura 3.21:

1) Voltaje nominal del regulador.

2) Corriente nominal del regulador.

3) Sobrecarga admisible.

4) Número de reguladores conectados en paralelo en el sistema.

Corriente de Salida

Voltaje de Salida

Regulador de

Carga

VArregloFV

Razón C/X

Baterías

Regulador: ResultadosRegulador = Modelo: 'Isoler 10' VoltajeNominal: '12/24V (Seleccion Auto...)' TipoRegulacion: „Serie (Controlado por Microprocesador)' CorrienteMaxima: 10 SobrecargaAdmisible: 25 ReguladoresEnParalelo: 1 PorcientoCarga: 54.0764

Page 98: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

86

Figura 3.21. Ventana de datos de entrada al regulador de carga.

En el interior de dicho bloque se encuentran implementados el módulo de

potencia, el sistema de mando y el de regulación y control según lo tratado en el

capítulo anterior relacionado con el tema.

3.3.4 Validación del modelo.

Para validar el modelo se colocó en la entrada del regulador una fuente de

corriente y a la salida una fuente de voltaje controlada por voltaje, donde el voltaje

se varía progresivamente desde un valor inicial correspondiente con el nivel

mínimo de voltaje de la batería hasta el nivel máximo admisible. Se obtuvo como

resultado las características V=f (t) e I=f (t) para comprobar el funcionamiento del

regulador. Las figuras 3.21, 3.22, y 3.23 muestran el esquema implementado y las

curvas correspondientes.

Figura 3.22 Diagrama Simulink, implementado para validar el modelo del regulador

de carga.

Page 99: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

87

Figura 3.23 Característica V=f (t), durante el proceso de carga de la batería,

considerando constante la corriente de entrada al regulador de carga.

Figura 3.24 Característica I=f (t), durante el proceso de carga de la batería,

considerando constante la corriente de entrada al regulador de carga.

De las figuras puede apreciarse el régimen fuerte de carga a corriente constante

atendiendo a la razón C/X de la batería, la carga de igualación y la carga de

flotación, proceso final de la carga donde se eleva el voltaje de la batería más allá

de su voltaje nominal, donde la corriente en estos procesos es variable; pero de un

valor reducido que evita al igual que en el proceso de carga la gasificación.

Page 100: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

88

3.4 Inversor.

A continuación se implementa un modelo en Matlab-Simulink del inversor, el que

toma en consideración los datos nominales aportados por el fabricante. Se

muestran resultados de la simulación que validan el modelo implementado.

3.4.1 Datos del fabricante del inversor.

En los anexos se muestra la hija con las especificaciones de una gama de

inversores, usada en Cuba con mucha frecuencia en los sistemas fotovoltaicos.

Entre los más representativos se encuentran:

1) Voltaje de entrada por el bus DC. Para la familia DRXXYY, el valor XX

establece la potencia a factor de potencia 0.8 y YY establece la magnitud del

voltaje del bus de corriente directa.

2) Voltaje de salida nominal.

3) Frecuencia.

4) Eficiencia.

5) Tipo de modulación.

3.4.2 Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema de estado

estable.

Para el caso del inversor, se muestra a continuación la estructura de datos que se

obtiene del cálculo del mismo, con el software de estado estable. Los resultados

que se muestran a la derecha de cada campo de la estructura de datos son los

resultados del proyecto en que se ha hecho referencia anteriormente.

Inversor ResultadosInversor= Modelo: „Xpower‟ VoltajeSalida (V):120 VoltajeEntrada (V):12 FormaOnda: „Sinusoidal Modificada‟ Potencia (VA): 400 CorrienteNominal (A): 3.33 CorrienteAdmisible (A):15

Page 101: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

89

3.4.3 Confección del modelo en Matlab-Simulink.

Una vez precisadas las expresiones matemáticas y las formas de ondas

correspondientes al análisis realizado en el epígrafe del capítulo 2 relacionado con

el inversor, se implementó el subsistema del inversor en Simulink.

Como puede observarse en la figura 3.25, el inversor recibe a su entrada el voltaje

del bus DC y a la salida el voltaje AC y además se muestra la corriente y el voltaje

instantáneo y efectivo con la finalidad de realizar mediciones para estudiar el

comportamiento del convertidor.

Figura 3.25 Estructura en bloque del inversor.

Constituyen también datos del modelo, los que se introducen por la ventana

correspondiente al modelo que se muestra en la figura 3.25.

1) Voltaje nominal de salida del inversor.

2) Frecuencia de salida.

3) Voltaje nominal de entrada.

4) Corriente de entrada.

5) Potencia.

Page 102: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

90

La figura 3.26 muestra la ventana de datos de entrada al inversor.

En el interior de dicho bloque aparecen las partes correspondientes del inversor

que ha sido modelado, el módulo de potencia, el sistema de mando y el sistema

de regulación y control, en correspondencia con lo tratado en el capítulo anterior.

3.4.4 Validación del modelo.

Para validar el modelo se colocó a la entrada del bloque del inversor una fuente de

corriente directa representativa del voltaje de la batería, se valió el mismo entre los

valores permisibles y se verifico la magnitud del voltaje de salida y se obtuvieron

además las formas de onda de salida para una magnitud de carga resistiva y

resistiva inductiva. La figura 3.27 y 3.28 muestran estos resultados.

Figura 3.27 Voltaje de salida del convertidor para voltaje de entrada mínimo.

Page 103: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

91

Figura 3.28 Voltaje de salida del convertidor para voltaje de entrada máximo.

Figura 3.29 Voltaje de salida del convertidor con carga resistiva inductiva.

3.5 Carga eléctrica.

Para el modelo dinámico de la carga se partió de los datos del gráfico horario del

sistema de estado estable a régimen nominal del voltaje. Una vez obtenidos estos

datos se introducen al modelo y se obtiene el comportamiento real de la carga,

para el voltaje de operación real del sistema (voltaje de corriente alterna a la salida

del convertidor), así como considerando su comportamiento en presencia de los

armónicos de voltaje que inyecta el convertidor a la carga mediante la forma de

onda de su voltaje y los armónicos de la corriente que inyecta la carga al

Page 104: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

92

convertidor como consecuencia de la no sinusoidalidad de la onda de voltaje que

la alimenta.

3.5.1 Estructura de datos obtenida en el cálculo del sistema en estado

estable.

A continuación se muestra la estructura de datos denominada GraficoHorario,

donde como se observa incluye una cantidad amplia de campos que especifican el

comportamiento de todas las cargas individuales a cada hora, así como las

magnitudes resultantes totales.

3.5.2 Validación del modelo de potencia.

El modelo de la carga se concibe a partir del bloque Simulink que se muestra en la

figura 3.30, donde la entrada del mismo es el voltaje proveniente del convertidor,

adicionalmente como salida se muestran la potencia, el voltaje y la corriente RMS,

para que el proyectista pueda evaluar el sistema. El resto de los datos se

introducen en la ventana de datos del modelo que se muestra en la figura 3.31.

Carga Eléctrica: GraficoHorario = SVA: [7x24 double] PW: [7x24 double] QVAr: [7x24 double] IA: [7x24 double] SPrimCatVA: [7x24 double] PPrimCatW: [7x24 double] QPrimCatVAr: [7x24 double] CPrimCatA: [7x24 double] PTotalW: [1x24 double] QTotalVAr: [1x24 double] STotalVA: [1x24 double] PTotalPrimeraW: [1x24 double] QTotalPrimeraVAr: [1x24 double] STotalPrimeraVA: [1x24 double] IRMS: [7x24 double] IRectangular: [7x24 double] IRmsTotal: [1x24 double] ITotalRMSPrimeraCat: [1x24 double]

Page 105: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

93

Figura 3.30. Estructura en bloque de la carga eléctrica.

Figura 3.31. Ventana de datos de entrada de la carga eléctrica.

Para validar el modelo la carga eléctrica se alimenta con una fuente de voltaje AC

a la entrada y se obtiene como resultado el gráfico de potencia en función del

tiempo, con lo cual al compararse con el proyecto realizado con el software de

estado estable, permite comprobar la valides del mismo. La figura 3.32 muestra

los resultados de la simulación desarrollados.

V rms Carga

Potencia

Carga

Eléctrica

Vac

Inversor

I rms Carga

Page 106: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 3.

94

Figura 3.32. Gráfico de potencia en función del tiempo de la carga eléctrica.

Page 107: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 4.

95

CAPÍTULO 4. MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO EN

MATLAB-SIMULINK.

Una vez concebidos cada uno de los bloques que componen el sistema

fotovoltaico autónomo, se implementa el modelo del sistema. Para realizar la

modelación se utilizan los datos del sistema fotovoltaico calculado mediante el

software de estado estable e implementado en la comunidad La Lechuga, en la

casa de un campesino.

Para el cálculo del sistema, los datos de las cargas eléctricas que deben

alimentarse en la vivienda, atendiendo al número de receptores eléctricos con que

cuenta, se muestran en la tabla 4. En los anexos se muestran los resultados

obtenidos para cada módulo que compone el sistema fotovoltaico, considerando

determinadas características para el diseño, los que se aportan por el proyectista

en la ventana inicial de datos.

Carga Eléctrica Lugar de ubicación Horarios de conexión

Luminaria 1 (18 W) sala 7-12 p.m.

TV sala 8-10 p.m.

Video sala 9-10 p.m.

Luminaria 2 (18 W) cocina comedor 6-8 a.m. 6-8 p.m.

Luminaria 3 (18 W) cuarto 6-8 a.m. 6-7 p.m.

10-11 p.m.

Radio receptor cuarto 4-11 p.m. 5-8 p.m.

Luminaria 4 (18 W) portal 7-12 p.m.

Tabla 4. Datos de las cargas eléctricas de la vivienda.

4.1 Implementación del sistema fotovoltaico en Matlab-Simulink.

La figura 4.1, muestra el sistema fotovoltaico implementado en Matlab-Simulink,

conformado por cada uno de los bloques que conforman el sistema fotovoltaico,

concebidos en el capítulo anterior; a través de sus modelos Simulink:

1. Regulador fotovoltaico.

2. Regulador de carga.

3. Banco de baterías.

Page 108: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 4.

96

4. Inversor.

5. Carga eléctrica.

Figura 4.1. Modelo Simulink del sistema fotovoltaico autónomo.

Observando la figura puede apreciarse que cada uno de los bloques cuenta con

los puertos de salida necesarios para realizar las mediciones de las diferentes

magnitudes eléctricas necesarias para desarrollar los estudios dinámicos por parte

del proyectista.

4.2 Validación del modelo del sistema fotovoltaico en Matlab-Simulink.

Para validar el modelo del sistema fotovoltaico se hace uso del sistema

implementado en la figura 4.1. Para la modelación se introducen los datos de cada

uno de los bloques a través de sus ventanas de datos. En el bloque de la carga

eléctrica se define el tiempo de simulación que corresponde a una hora en tiempo

real. Este tiempo se aplica para todos los bloques que conforman el sistema.

Una vez introducidos los datos de cada uno de los bloques y colocando el valor

de la radiación y temperatura, para los que se realiza el análisis, los que pueden

ser variados durante la etapa de simulación por el proyectista; se inicia el proceso

Page 109: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

Capítulo 4.

97

de simulación durante el tiempo equivalente en simulación a las 24 horas de

tiempo real que conforman el diagrama de carga horario.

La propia figura 4.1 muestra los resultados de simulación, durante el proceso de

validación de los resultados, mediante el estudio dinámico del sistema instalado en

la comunidad La Lechuga, dimensionado inicialmente mediante el software de

estado estable.

Los resultados de la simulación validan el correcto funcionamiento del modelo

dinámico realizado. En la figura 4.1, también se muestran los resultados en los

instrumentos de medición colocados durante la primera hora en tiempo real.

Page 110: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

CONCLUSIONES.

98

CONCLUSIONES

1. Se hace una introducción a los sistemas fotovoltaicos, se exponen las

principales características, formas de uso, ventajas y desventajas de la

energía solar fotovoltaica, así como se definen los métodos de estado

estable y dinámico y se realiza una comparación entre ellos demostrando la

superioridad del dinámico.

2. Se obtuvieron las expresiones matemáticas para la implementación de los

modelos en Matlab-Simulink, de cada uno de los elementos que componen

el sistema fotovoltaico autónomo.

3. Se realizó la Implementación en Matlab-Simulink de los modelos

matemáticos de cada uno de los componentes del sistema fotovoltaico

autónomo, y se validaron los mismos comprobando los resultados.

4. Se llevó a cabo la implementación y validación en Matlab-Simulink del

comportamiento del sistema fotovoltaico autónomo. Comparando los

resultados obtenidos con los resultados experimentales del sistema real, se

concluye que se alcanzan resultados excelentes.

5. El programa implementado brinda al proyectista las facilidades siguientes:

Rapidez en la obtención de resultados precisos.

Predecir el comportamiento del sistema ante las diferentes combinaciones

posibles de las variables de entrada y perturbaciones, por lo que se

obtienen resultados de mayor exactitud y precisión.

Disponer de un software, que en sus bases de datos cuenta con

componentes de sistemas existentes en el país.

Lograr abaratar los costos de inversión de la instalación fotovoltaica,

atendiendo a la filosofía del procedimiento implementado.

Mediante el uso del software elaborado, se realizó un proyecto que fue

instalado por la empresa COPEXTEL, en la comunidad “La Lechuga”, el

cual se encuentra trabajando en perfecto estado técnico, demostrando la

validez del mismo.

Page 111: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

CONCLUSIONES.

99

RECOMENDACIONES

1. Continuar trabajando para en una etapa posterior obtener el modelo de la

trayectoria solar, para que el proyectista pueda realizar la simulación del

sistema fotovoltaico lo más cercano a la realidad, tomando en

consideración en cualquier etapa del año y minuto a minuto el

comportamiento de la fuente energética.

2. Lograr la interacción de los programas en estado estable y dinámico, e

interrelacionar sus estructuras a fin de obtener una herramienta más

completa en la realización de los cálculos y mejores prestaciones para el

proyectista.

3. Ampliar las bases de datos del programa elaborado con más componentes

del sistema, existentes en el país, con el fin de hacerlo más versátil.

Page 112: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

BIBLIOGRAFIA.

100

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Page 113: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

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[23] Turrini, E. (2006). El Camino del Sol. Ciudad de la Habana, Cuba, Cubasolar.

Page 114: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

102

Anexos

Anexo I. El Sol

Fig. 1 Trayectoria de la Tierra alrededor del Sol

Figura 2: Recorrido del Sol en el hemisferio norte

Page 115: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

103

Anexo II Energía Solar Fotovoltaica

Figura 1. Esquema simple de un sistema fotovoltaico

Figura 2. Conjunto de paneles fotovoltaicos típicos y su estructura metálica de soporte.

Page 116: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

104

Figura 3. Batería para sistemas fotovoltaicos.

Figura 4. Convertidor de corriente directa a corriente alterna.

Page 117: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

105

Anexo III. Datos del Fabricante de los módulos fotovoltaicos Isofotón I-100.

Page 118: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

106

Isofotón

Relación I / V en condiciones estándar de medida

Características eléctricas Isc = 6,54 A Voc = 21,6 V Imp = 5, 74 A Vmp = 17, 4 V Pmax = 100 W ± 10 % (*) a 1000 W/m², 25ºC y AM 1, 5 G TONC = 47 ºC (800 W/m², 20 ºC ambiente, AM 1,5 G y velocidad del viento de 1m/s)

Page 119: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

107

Variación de la relación I / V con la irradiancia

Variación de la relación I / V con la temperatura

Page 120: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

108

Variación de la potencia con la irradiancia

Variación de la potencia con la temperatura

Page 121: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

109

Anexo IV. Pantalla con los resultados del software de estado

estable.

Ventana de Entrada de datos y ventana principal para realizar los cálculos de cada

uno de los componentes.

Gráfico Horario de la carga eléctrica de la vivienda.

Page 122: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

110

Inversor del sistema fotovoltaico de la vivienda.

Banco de baterías del sistema fotovoltaico de la vivienda.

Page 123: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

111

Regulador de carga del sistema fotovoltaico de la vivienda.

Arreglo fotovoltaico del sistema fotovoltaico de la vivienda.

Page 124: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

112

Anexo V. Datos técnicos del fabricante de las baterías de ciclo profundo.

Page 125: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

113

Anexo VI. Datos técnicos del fabricante de los reguladores de carga Isofotón.

Page 126: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

114

Page 127: TRABAJO DE DIPLOMA Análisis dinámico de los sistemas

ANEXOS.

115

Anexo VII. Datos técnicos del fabricante de los Inversores.