Medición de arreglo de paneles solares de tipo A.

Objetivo

Efectuar la medición del voltaje, corriente, potencia y energía de un arreglo de paneles solares, empleando sensores y otros componentes diseñados para ello.

Introducción

Se nos propuso realizar la medición de dichas magnitudes físicas a un arreglo de paneles Solar World SW 50 Poly-RMA con la siguiente configuración: 3 paneles conectados en serie, los cuales estaban conectados en paralelo a otro arreglo de 3 en serie. Lo primero que se hizo fue encontrar las características eléctricas de dicho panel. A continuación se presentan los parámetros encontrados:

Largo	680 mm
Ancho	680 mm
Altura	34 mm
Marco	Aluminio
Peso	5.6 kg

 

Potencia máxima	Pmax	50 Wp
Voltaje de circuito abierto	Uoc	22.1 V
Voltaje máximo punto de potencia	Umpp	18.2 V
Corriente de corto circuito	Isc	2.95 A
Corriente máxima punto de potencia	Impp	2.75 A

Desempeño a 800 W/m² 

Potencia máxima	Pmax	50 Wp
Voltaje de circuito abierto	Uoc	22.1 V
Voltaje máximo punto de potencia	Umpp	18.2 V
Corriente de corto circuito	Isc	2.95 A
Corriente máxima punto de potencia	Impp	2.75 A

Por lo tanto, debemos calcular los voltajes y corrientes máximos que se pueden obtener de acuerdo a la configuración de los paneles. Para los paneles en serie tenemos que la corriente se mantiene igual y los voltajes se suman, entonces:

(3)(22.1) = 66.3V

Luego, al estar en paralelo con la otra serie de 3, el voltaje no cambia y ahora las corrientes se suman:

 (2)(2.75) = 5.5A

Después de obtener los cálculos, le dejamos cierta cantidad de más por seguridad, entonces los valores son:

70V

7A

Desarrollo

La primera magnitud a medir será el voltaje, para la cual se dividió en 3 partes: División del voltaje total, medición de dicho voltaje, aislamiento y filtrado. Para la primera parte se decidió hacer un divisor de voltaje, de tal manera que tengamos un voltaje que pueda manejar nuestro microcontrolador. A continuación se presenta el diagrama con las resistencias:

 

R1 = 50 kΩ   R2 = 1 MΩ

Entonces, el valor del voltaje en la resistencia 2 es:

 

Como valor máximo de voltaje en nuestra resistencia tenemos uno que está en el rango de entrada de nuestro ADC. De esta forma y despejando V_D, podemos conocer el voltaje que nos entrega el arreglo. Se eligieron resistencias de 0.1% de precisión.

Una vez hecho esto, se procedió a la etapa de medición por medio de un amplificador de instrumentación. El componente elegido fue el modelo INA118, el cual es un amplificador de instrumentación de propósito general y de bajo consumo que ofrece excelente precisión. Es fabricado por BURR-BROWN© y es ideal para un amplio rango de aplicaciones. Su alimentación es desde ±1.35V hasta ±18V y permite un voltaje de entrada de ±40V. Es posible elegir una ganancia de 1 a 10,000 por medio de una resistencia externa.

 

 

A continuación se eligió el componente para aislar la parte de potencia del microcontrolador. Para esto se ocupó un amplificador de aislamiento modelo ISO120. Dicho componente es un amplificador de aislamiento de precisión fabricado por Texas Instruments©. Es sencillo de usar y tiene un rango de alimentación desde ±4.5V hasta ±18V. Es ideal para este tipo de mediciones. En la siguiente imagen se muestra el diagrama de conexión que usaremos, con la única diferencia que en la etapa previa al ISO 120 usaremos los componentes mencionados con anterioridad.

 

De esta manera, es posible obtener un rango de medición de -2 a +5 V para el amplificador de aislamiento, dentro del cual se encuentran nuestros voltajes máximos y mínimos a medir.

Posteriormente se diseñó la parte del filtro. Para esta parte, se recurrió a la literatura usada en ocasiones anteriores.

 

En esta imagen se ve el circuito de un filtro activo pasabajas de uso común. El filtrado se hace con el circuito RC y el amplificador es de ganancia unitaria. Se eligió una frecuencia de corte ω_c= 1 Hz y se seleccionó un capacitor de C = 0.001 µF. Despejando la siguiente fórmula se halló el valor de la resistencia:

 

Al terminar esta etapa, es posible tomar la salida del filtro e introducirla al microcontrolador. Como hemos comentado, ya que durante las etapas hemos mantenido ganancia unitaria el voltaje máximo que puede arrojarnos la medición es de 3.3V. 

Diseño del PCB

 

En la imagen del PCB se puede apreciar las conexiones entre amplificador de instrumentacion, el amplificador de aislamiento, el filtro para la señal y un divisor de voltaje, que nos ayuda a regular el voltaje que necesitamos para mandar a la tarjeta.