INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COMALCALCO INGENIERÍA MECATRÓNICA SISTEMA DE MONITOREO REMOTO PARA SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO INFORME DE RESIDENCIA PROFESIONAL PRESENTA FELICIANO ÁLVAREZ GONZÁLEZ ASESOR INTERNO MTRO. ERNESTO ALONSO OCAÑA VALENZUELA ASESOR EXTERNO MC. LUIS FERNANDO HERNÁNDEZ DOMÍNGUEZ Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Agradecimientos Gracias a Dios por permitirme tener y disfrutar a una bella familia, gracias a ellos por apoyarme en cada decisión y proyecto a lo largo de este camino, a la vida porque cada día me demuestra lo hermosa que es y lo justa que puede llegar a ser; me siento satisfecho de mi familia por permitirme cumplir con excelencia en el desarrollo de esta meta. Es por ello que doy las gracias por creer en mí y principalmente a Dios por permitirme vivir y disfrutar de cada día. No ha sido sencillo el camino hasta ahora, pero sus aportes, su amor, su inmensa bondad y apoyo, lo complicado de lograr esta meta se ha tornado menos difícil. Les agradezco, y hago presente mi gran afecto hacia ustedes. Gracias a mis padres por ser los principales inspiradores de mis sueños, gracias por cada día confiar y creer en mí y en mis altas expectativas, a mi madre por estar dispuesta a acompañarme cada larga y agotadora noche de estudio, agotadoras noches en las que su compañía y la llegada de un buen café era para mí como agua en el desierto; mi padre, por siempre desear y anhelar siempre lo mejor para mi vida, gracias por cada consejo y por cada una de sus palabras que me guiaron durante este trayecto, sin dudar que lo seguirá haciendo con mucho cariño. Expreso también mi gratitud a mi novia, por entenderme en todo, por estar en todo momento quien fue un apoyo incondicional en mi vida, fue la felicidad encajada en una sola persona. Mi más sincera gratitud a mi novia, nunca podré terminar de reconocer los tantos esfuerzos compartidos. 2 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad las energías alternas constituyen un factor de cambio determinante para el mejoramiento y desarrollo de las actividades de la industria energética. La tecnología a nivel mundial, siempre ha sido parte importante dentro de la sociedad y el desarrollo energético, donde las empresas independientes forman parte integral de este proceso, en el ámbito de la implementación y desarrollo, en la actualidad la compañía utiliza un sistema de monitoreo presencial. El desarrollo del sistema de monitoreo será un mejoramiento dentro de la empresa. En la actualidad, se incorporan estas nuevas tecnologías al proceso de mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, ahorrando tiempo y maximizando la vida útil de dicho sistema. La compañía “energía solar de México, se perfila en concordancia con estos nuevos avances en el área de tecnología, por medio de la incorporación de nuevos proyectos enmarcados al desarrollo de sistema de monitoreo remoto usando la comunicación gsm. En el capítulo dos se detalla los antecedentes históricos de la empresa al igual que su objetivo y misión de la misma. El siguiente punto que se abarca es el planteamiento general del proyecto y sus objetivos generales y específicos. El capítulo cuatro detalla el marco teórico y los antecedentes del proyecto en el capítulo cinco se menciona las actividades y los procedimientos para resolver la problemática que fue planteada previamente. En seguida en el capítulo seis se muestran los resultados de las actividades al igual que las simulaciones para llegar el penúltimo capítulo que menciona las conclusiones y recomendaciones para manejo y actualización del proyecto. Por último el capítulo ocho son las referencias bibliográficas 3 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Contenido 2. Antecedentes Históricos de T-SOLAR MÉXICO ....................... 6 3. Generalidades del proyecto ............................................................ 8 4. Marco teórico.................................................................................... 10 5. Procedimientos y descripción de las actividades realizadas .............. 21 6. Resultado .......................................................................................... 27 7. Conclusiones, recomendaciones y experiencia ....................... 31 8. Fuentes de información ................................................................. 32 4 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Índice de figuras. Figurar 4.1. ............................................................................................... 13 Figura 4.2. ................................................................................................ 13 Figura 4.3. ................................................................................................ 14 Figura 4.4. ................................................................................................ 14 Figura 4.6. ................................................................................................ 15 Figura 3.7. ................................................................................................ 16 Figura 4.8. ................................................................................................ 18 Figura 4.9. ................................................................................................ 19 Figura 4.10. .............................................................................................. 20 Figura 4.11. .............................................................................................. 20 Figura 5.1. ................................................................................................ 23 Figura 5.2. ................................................................................................ 24 Figura 5.3. ................................................................................................ 25 Figura 7.4. ................................................................................................ 26 Figura 6.1. ................................................................................................ 28 Figura 6.2. ................................................................................................ 29 Figura 6.3. ................................................................................................ 30 18 5 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 2. Antecedentes Históricos de T-SOLAR MÉXICO T-SOLAR MÉXICO inicia sus operaciones en 2009 en la ciudad de Paraíso, Tabasco como una empresa enfocada al suministro de equipos eléctricos y de instrumentación de procesos, enfatizando el uso de los sistemas de energías alternas, aprovechando de esta manera los recursos naturales y motivando el cuidado del medio ambiente. Con la visión de desarrollar soluciones integrales en energía y automatización apoyándose de personal especializado y alianzas estratégicas con fabricantes de equipos, rápidamente se posicionó en la región como un referente en el desarrollo de proyectos de energías alternas en las áreas fotovoltaica y eólica. Así mismo, en el desarrollo y supervisión de proyectos electromecánicos para la industria y el comercio. En 2012 inicia la fabricación de equipos de generación de energías alternas con diseños propios, soportados por su departamento de diseño e Innovación. La marca con la que se fabrican todos los desarrollos de la empresa es JOULEMEX®. El departamento de Diseño e Innovación inicia con la investigación y desarrollo de vehículos eléctricos convencionales y propulsados por Hidrógeno para minimizar el impacto ambiental y en búsqueda de movilidad con cero emisiones. Con la meta que a finales de 2019 se tenga su primer vehículo probado y autorizado para circular en las calles de México. En 2017 obtiene la certificación de calidad en sus procesos ISO 9001:2015. Los equipos de trabajo en las diferentes áreas son altamente especializados ya que se cuenta con capacitación permanente y el soporte de fabricantes reconocidos para poder ofrecer al público productos y servicios de mayor calidad y con el mejor precio del país 2.1 Objetivos 1. Concluir los programas de capacitación. Para el desarrollo integral del personal en materia de atención al cliente, salud, seguridad y medio ambiente. 2. Reducir el índice de incidencia de riesgos de enfermedades. 6 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Promoviendo la calidad de vida laboral implementando un sistema de gestión de seguridad y salud en el trabajo. 3. Reducir el índice de incidencia de riesgos de accidentes de trabajo. Promoviendo la calidad de vida laboral implementando un sistema de gestión de seguridad y salud en el trabajo. 4. Aumentar el grado de satisfacción de nuestros clientes. Cumpliendo con las especificaciones técnicas y los plazos pactados, mediante el seguimiento de la ejecución de los procesos de la empresa. 5. Programar actividades de manejo de residuos. Que permita mitigar los aspectos ambientales, a través de campañas de concientización. 6. Reducir el consumo de agua. Respecto al año anterior, para mitigar los aspectos ambientales, a través de programas, planes y campañas de concientización. 7. Reducir el consumo de energía. Respecto al año anterior, para mitigar los aspectos ambientales, a través de programas, planes y campañas de concientización. 8. Implementar actividades de reciclaje. Para mitigar los aspectos ambientales, a través de programas, planes y campañas de concientización. 2.2 Misión Desarrollo de proyectos integrales de construcción, generación de energías alternas y automatización con un enfoque claro en el ahorro de energía y optimización de recursos. 2.3 Visión En Tecnología Solar de México buscamos ser una empresa líder mundial en el desarrollo de proyectos integrales de construcción, generación de energía alternas y automatización, apoyados por nuestro equipo de trabajo altamente especializado y alianzas estratégicas que inspiren a nuestros clientes al ahorro de energía y la optimización de recursos. 7 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 3. GENERALIDADES DEL PROYECTO 3.1 Planteamiento del problema La compañía solar de México realiza actividades relativas con el diseño e implementación de sistemas fotovoltaicos, unos de los principales es el diseño de sistemas aislados, el cual es el más demandado por los clientes principales de la empresa. A pesar de que la compañía “TECNOLOGÍA SOLAR DE MÉXICO” cuenta con mucha experiencia, aún no cuenta con sistemas de monitoreo remoto que le permitan tener el estado de los sistemas fotovoltaicos sin necesidad de ir a las instalaciones. Debido a que por norma la empresa realiza una inspección cada 3 meses, pero en diversas situaciones requiere una supervisión en menor tiempo para asegurar la vida útil de las baterías. La Implementación de un sistema de monitoreo es que reduzca los tiempos de la obtención del estado de dicho sistema con el fin de proveer beneficios económicos tanto para el cliente como para la institución, permitiendo dar un mantenimiento más apropiado conforme a situación de los componentes, adaptando así el mantenimiento estándar de cada 3 meses a un plan de mantenimiento personalizado conforme a la demanda y uso de los dispositivos. 3.2 Objetivo de investigación “Desarrollo de un sistema para el monitoreo de sistemas fotovoltaicos autónomos remotos” 3.2.1 Objetivo general. “Desarrollar un sistema de monitoreo para sistemas fotovoltaicos autónomos remotos para su fácil diagnóstico y la programación de cualquier tipo de mantenimiento (preventivo o correctivo).” 3.2.2 Objetivos específicos. “Obtener el estado de los sistemas remotos” 8 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco “Desarrollar una interfaz gráfica cómoda y fácil de usar” “Implementar comunicación inalámbrica” “Programar preventiva y correctivamente” 3.3 Justificación Obtener el estado de los sistemas fotovoltaicos aislados es una parte muy importante para su óptimo funcionamiento ya a que se planea y ejecuta el mantenimiento , sin embargo, la obtención de esos datos demanda un extra de tiempo y recursos para llegar a la ubicación del sistema debido que en muchos casos se encuentran en lugares remotos de difícil acceso y los sistemas no tiene conexión a una red de internet. Usando un monitoreo remoto a través de una comunicación GSM será un ahorro considerable en horas hombre y recursos financieros debido a que no se tendrá que ir a la ubicación física, esto se logrará con el desarrollo de un circuito que obtenga los datos de como: Producción de energía del panel, suministro de energía del controlador, estado de la batería y el consumo demandado al sistema. La aplicación de este monitoreo remoto será un avance considerable para optimización del trabajo. 3.4 Alcances y limitaciones El presente trabajo explora la realización de un sistema de monitoreo para la empresa tecnología solar de México basado en la plataforma de arduino debido a su bajo costo y a que la empresa ya ha trabajado con dicha tecnología. El proyecto abarcara únicamente obtención de los datos técnicos de las instalaciones fotovoltaicas aisladas como la producción, es estado del controlador y la utilidad del banco de baterías. Por otro lado, una limitación consiste en la falta de una conexión a internet debido al área don se instalas dichos equipos promueve la utilización de una comunicación más limitada como lo es la comunicación GSM. De igual manera, la situación de falta de tiempo y la restricción para la para el uso de equipo para pruebas limita mucho la realización del proyecto. 9 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4. Marco teórico El monitoreo de los sistemas es parte fundamental a través de la historia para el óptimo funcionamiento de los equipos ya sea con el jefe de mantenimiento revisando los equipos periódicamente o realizando un plan de mantenimiento. Las tecnologías han ido avanzando y por lo tanto los equipos son más complejos demandando más atención y consumiendo más horas hombre. Pero, así como los equipos ganan complejidad el monitoreo va evolucionando para mantener un mayor control de dichos equipos pasando de revisiones manuales a el desarrollo e implementación de sistema de monitoreo a distancia para el mayor control de los sistemas. Existen experiencias muy interesantes en el monitoreo remoto de instalaciones fotovoltaicas, entre las más destacables se tienen: En el año 2002, la Universidad Pontificia de Comillas de Madrid desarrolló un sistema para la monitorización y difusión en Internet del funcionamiento de la central solar fotovoltaica existente a través de un equipo de captura y una aplicación web para el almacenamiento y publicación de los datos. La propuesta realizada utiliza el software que le proporciona el fabricante del inversor para la adquisición de datos por lo que no se puede tener control de todas las variables a medir y genera dependencia del fabricante para la monitorización (Riesco et al., 2002). [1] En el año 2010, la Universidad de New York desarrolló el proyecto SIMbalink Project con el objeto de proporcionar un sistema de monitorización remoto de las instalaciones fotovoltaicas aisladas de bajo coste. SIMbaLink suministra información de interés sobre el estado de descarga de la batería y empleo del 10 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco uso diario. Los datos se transmiten a través de telefonía móvil al personal cualificado para realizar el diagnóstico oportuno sobre el funcionamiento de las instalaciones fotovoltaicas y adaptar las medidas correctivas necesarias (Schelling et al., 2010). Sin embargo, la innovación propuesta sólo proporciona información en algunos momentos del día. Por tanto, no presenta la suficiente información para realizar un adecuado seguimiento del comportamiento de la instalación fotovoltaica y detectar las averías durante la operación de la misma.[2] En el año 2011, en África, la Escuela Politécnica de Malawi desarrolló un sistema para el monitoreo remoto inalámbrico para la instalación fotovoltaica de la escuela rural Primaria de Malawi (Nkoloma et al., 2011). Por medio de sensores inalámbricos y mensajes de texto a través de la red celular basado en FrontlineSMS, Waspmote y el desarrollo de una aplicación web, basada en PHP y MySQL, para la gestión y publicación de los datos medidos. El monitoreo propuesto por la politécnica de Malawi utiliza tecnología GSM para la transmisión de datos de las variables a medir del sistema fotovoltaico, sin embargo, en el caso de las instalaciones fotovoltaicas pertenecientes al Proyecto Euro-Solar no existe una red celular por lo que no se podrá utilizar este sistema. [2] En el año 2012, la compañía coreana Hex Power System propuso un sistema de monitoreo móvil basado en servicios web (Ryu et al., 2012). El sistema recoge información empleando sensores inalámbricos, coordinados por un inversor. Los datos registrados son transferidos a un servidor central a través de un servidor web. El desarrollo de una aplicación específica, ubicada en el servidor, gestiona el sistema fotovoltaico en cualquier momento y desde cualquier lugar. [2] En el año 2014, en España, la Universidad de Oviedo desarrolló una red de sensores inalámbricos (WSN), adecuada para su inclusión en las plantas 11 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco fotovoltaicas con el fin de mejorar la eficiencia y optimizar la producción de energía. Esto se logra mediante el desarrollo de nodos de sensores inteligentes conectados a cada panel fotovoltaico en la planta y la definición de un protocolo de comunicación que tiene éxito en la toma de toda la información relativa a los paneles para un Centro de Control. Los sensores colocados en cada panel se suministran energía de los propios paneles solares. Una aplicación de MATLAB se ha desarrollado para recoger los datos de cada panel fotovoltaico (Prieto et al., 2014). Esta alternativa de establecer una red de sensores se puede tomar como base para la adquisición de datos de los paneles solares, la forma de transmitir datos al nodo central está limitada por la distancia y la manera de presentar esta información se ve condicionada al utilizar una aplicación de pago.[2] En el año 2014, en Corea del Sur, la Universidad Nacional de Andong, ha propuesto un sistema de monitoreo de PV utilizando XML. El sistema propuesto está diseñado para permitir al usuario monitorear en tiempo real la información del sistema fotovoltaico de manera estructurada y analizar los datos transmitidos a través de la Web (Lim & Lim, 2014). Aunque no se indica la forma como se realizará la adquisición de datos del sistema fotovoltaico. [2] 4.1 Sistema fotovoltaico autónomo Los sistemas fotovoltaicos autónomos fundamentalmente, son paneles fotovoltaicos, que constituyen el generador eléctrico con energía del sol, baterías para almacenar la energía para utilizarla en los momentos de ausencia de la radiación solar; con la ayuda de un equipo electrónico podemos convertir esa energía a los valores de tensión que usamos habitualmente en casa.[3] 12 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Figurar 4.1. representación de los elementos de un sistema fotovoltaico autónomo 4.1.1 Panel solar Formados por celdas que convierten la luz en electricidad y luego la transmiten mediante un cableado hacia una celda o pila fotovoltaica, que recibe la carga generada y la almacena, para suplir de electricidad a sus diversos usuarios locales. [4] Figura 4.2. panel solar. 4.1.2 Controlador de carga Un controlador de carga solar administra la energía que ingresa al banco de baterías desde la matriz solar al mismo tiempo se encarga de que las baterías de ciclo profundo no se sobrecarguen en el transcurso del día, y que la energía no corra en sentido inverso hacia a los paneles solares en la noche y drene las baterías. [5] 13 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Los parámetros de medición de los controladores de carga se dan en función de la potencia (w).[5] Figura 4.3. controlador de carga para un sistema fotovoltaico. 4.1.3 Batería Dispositivo capaz de almacenar energía en forma electroquímica. Existen de dos tipos: baterías primarias y baterías secundarias. Baterías primarias: se caracterizan por que la conversión de energía química a eléctrica es irreversible, o sea después que la batería se ha descargado completamente no se puede volver a cargar. Baterías secundarias: más conocidas como baterías recargables. Estas al descargarse, pueden ser recargadas inyectándoles corriente continua desde una fuente externa. para el caso práctico se tomará la definición de la batería secundaria ya que es el tipo que manejan las instalaciones fotovoltaicas.[6] Figura 4.4. Batería de 12v a 110ah para aplicación en sistemas fotovoltaicos 14 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.8 Inversor cd/ca Dispositivo electrónico cuya función es convertir la corriente directa generada por el panel fotovoltaico en corriente alterna adicionalmente realiza funciones tales como: Mantener la tensión de salida y frecuencia dentro de los rangos establecidos Limita la corriente de salida[7] Figura 4.5. inversor de corriente cd-ca. 4.4 Clemas de conexión Las clemas son un tipo de conector eléctrico en el que el cable se presiona contra una placa de conductor esto se realiza con un tornillo. En la mayoría de los casos al cable solo se le retira su aislamiento. [7] Figura 4.6. clemas de conexión de 2 pines 15 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.2 Corriente eléctrica Se llama corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material conductor, debido al desplazamiento de los electrones que orbitan el núcleo de los átomos que componen al conductor. Este movimiento de partículas se inicia una vez que en los extremos del conductor se aplica una tensión externa, como una batería, por ejemplo. Esta tensión genera un campo eléctrico sobre los electrones que, al poseer carga negativa, se ven atraídos hacia la terminal positiva, como se muestra en el siguiente ejemplo.[8] Figura 3.7. ejemplo simplificado de la corriente eléctrica 4.2.1 Tensión El voltaje es la magnitud que da cuenta de la diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos determinados. También llamado diferencia de potencial eléctrico o tensión eléctrica, es el trabajo por unidad de carga eléctrica que ejerce sobre una partícula un campo eléctrico, para lograr moverla entre dos puntos determinados. De acuerdo al Sistema Internacional (SI), la tensión eléctrica se mide en voltios (de allí el término voltaje).[9] 16 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.2.2 Masa De manera genérica la masa es simplemente una vía de retorno hacia la fuente eléctrica, la corriente en un circuito siempre tiene que volver de alguna manera u otra hacia la fuente. El propósito de un cable o pista de masa en un circuito es el de proveer un camino de baja impedancia de retorno hacia la fuente [9] 4.2.3 Potencia eléctrica. En lugar de trabajo, se refiere a la cantidad de energía transmitida por unidad de tiempo en un sistema o circuito. P(t) = I(t)*V(t), donde I es la corriente circulando, medida en amperios, y V es la diferencia de potencial (la caída de voltaje) medida en voltios. En caso de que se trate de una resistencia en lugar de un conductor de electricidad, la fórmula a emplear será P = I2R = V2/R, donde R es la resistencia del material, medida en ohmios.[10] 4.2.4 Ley de Ohm Postulada por el físico alemán Georg Simon Ohm, dicta que la diferencia de potencial (V) aplicada entre los extremos de un conductor específico será proporcional a la cantidad de corriente (I) que circula por el conductor, dependiendo de su resistencia. Esto fue plasmado en la siguiente fórmula: V = R*I, donde V es la tensión, I es la corriente y R la resistencia del material. Teniendo cualesquiera de las dos dichas variables, es posible calcular la tercera con facilidad. [8] 17 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.2.5 Divisor de Tensión Un Divisor de Tensión o Divisor de Voltaje es un circuito que divide la tensión de entrada en el circuito en otras dos diferentes y más pequeñas de salida. En electrónica y electricidad se usa para alimentar (proporcionar tensión de alimentación) a un aparato, con una tensión más pequeña que la que proporcionan las pilas o baterías disponibles (fuente de alimentación). En definitiva, sirve para obtener una tensión más pequeña partiendo de una tensión mayor.[11] 4.3 Arduino El sitio oficial de arduino lo describe como una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software fácil de usar. Las placas Arduino pueden leer entradas y convertirlas en unas salidas: activar un motor, encender un LED, publicar algo en línea. Puede decirle a su placa qué hacer enviando un conjunto de instrucciones al microcontrolador de la placa. Para hacerlo, utiliza el lenguaje de programación Arduino (basado en el cableado) y el software Arduino (IDE), basado en el procesamiento. Para este caso cuando se mencione arduino es para referir solamente a la placa programable, la que se muestra en la siguiente imagen.[12] Figura 4.8. Placa arduino uno. 18 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.3.1 ADC Un Conversor analógico a digital (ADC por sus siglas en inglés) es un sistema que transforma señales analógicas en señales digitales. Hablando de una entrada analógica de arduino obtienes una lectura cuyo valor varía entre 0 y 1023 es decir, que con 10 bits podemos obtener 1024 combinaciones binarias. Si suponemos que el ADC del arduino está compuesto por comparadores, este famoso número significa que tenemos 1024 comparadores.[13] 4.3.2 Circuito Integrado Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, normalmente silicio, de algunos milímetros cuadrados de superficie (área), sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o de cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre el circuito integrado y un circuito impreso. [14] Figura 4.9. Ejemplo de circuitos integrados 19 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 4.3.3 Módulo GSM Las siglas GSM se corresponden al nombre en inglés del Sistema Global de Comunicaciones Móviles. Cuando se refiere a una comunicación GSM hace alusión a que se usará las infraestructura y tecnología de la comunicación móvil como una tarjeta sim y la señal telefónica, para este caso práctico se refiere a que la comunicación será por mensaje de texto telefónico mediante de una tarjeta.[15] Figura 4.10. Sim800c módulo de placa de desarrollo gsm 4.3.4 Proteus Un programa para la ejecución de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas: diseño del esquema electrónico, programación del software, construcción de la placa de circuito impreso, simulación de todo el conjunto, depuración de errores, documentación y construcción. Figura 4.11. Interfaz de Proteus con un proyecto con arduino 20 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 5. Procedimientos y descripción de las actividades realizadas 5.1 Análisis Identificación de la problemática. Debido al poco conocimiento previo del sistema fotovoltaico se realizó una investigación y una serie de cursos dada por parte de la empresa. Después de una serie de lluvia de ideas se planteó la realización de un sistema de monitoreo para sus sistemas fotovoltaicos, que fuera barato y que fuera con una tecnología que sus empleados tuvieran experiencia previa manejando dicha tecnología, por lo que se tomó la decisión que fuera en la plataforma de arduino esto se decido porque todos los técnicos trabajan con la plataforma, lo que hará más fácil y rápido su aprendizaje de nuevo sistema de monitoreo. La otra razón para es por la empresa ya cuenta con algunas placas y sus equipos de cómputo ya tiene la paquetería básica de arduino reduciendo costo para su implementación inicial. Cabe mencionar que la empresa no tiene ningún sistema de monitoreo para sus instalaciones fotovoltaicas aisladas debido a la dificultad de la conexión a internet, lo que presentó otra problemática de diseño, para lo cual se debía de buscar otra forma de obtener los datos. Se requería que fuese una forma fácil, económica y fácil de implementar. En conclusión, la comunicación GSM fue la que mejor se adaptaba a las necesidades que se tenían, lo que fue muy optimo ya que una tarjeta Sim900 para arduino brinda la solución para este caso en particular. Durante el periodo inicial de la residencia profesional se realizaron otras actividades que de forma benéfica ayudaron a entender la funcionalidad y la necesidad en los equipos y servicio que brinda la empresa. 21 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Requisitos de funcionamiento. El sistema debe ser económico. El sistema debe pequeño y manejable. El personal debe ser capaz de obtener la información en cual quien momento. Los datos deben ser claros y con una precisión óptima para asegurar el estado del equipo. El sistema debe ser implementado en un entorno donde los técnicos encargados de los sistemas fotovoltaicos aislados puedan adaptarse y aprender a configurar lo más rápido posible El sistema debe dar los parámetros del panel solar, controlador de carga y el estado de la batería. Debe contar con un manual para los empleados correspondiente. 5.2 Diseño 5.2.1 Medición de tensión. Para empezar el diseño del circuito lo principal es el análisis del circuito eléctrico, y la forma de obtener los datos deseados, con los conocimientos previos podemos decir que para medir la tensión se debe conectar el positivo de la fuente a una entrada analógica del arduino ya que puede medir valores de tensión en un rango de 0v a 5v y dividir eso valores en 1023 porque tiene un convertidor analógico digital de 10 bits, esto quiere decir que entre 0v y 5v nos darán 1023 valores distintos de tensión los que nos dará una resolución de 0.0048, por ejemplo si al arduino le conectamos 5v el arduino nos arrojara un valor 1023 y si le suministramos 0v, él nos dará un valor de 0 y así nos dará un valores proporcionalmente al valor de la tensión suministrada a la entrada analogía. Pero esto nos es óptimo debido a que el voltaje que se suministrada será mayor a los 5v y el arduino solo soporta 5v si sobrepasamos este rango la placa quemaría, 22 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco entonces lo óptimo es bajar la tensión pero que el arduino pueda interpretar el valor de la tensión original. Para esto se aplicará un divisor de voltaje que va entre el positivo y la masa como se muestra en la figura siguiente. Figura 5.1. Divisor de voltaje Para calcular el divisor de voltaje es muy fácil, pero pensando en los técnicos se usará una aplicación móvil llamada ElectroDroid que facilita mucho mal la obtención de los valores ya que solo se introduce los valores deseados para este mostrar un ejemplo se tomara un panel estándar de 24 volt como muestra la figura se da el valor de las resistencias que se deben usar para este caso. 23 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Figura 5.2. Ejemplo de divisor de voltaje con ElectroDroid. 5.2.2 Medición de corriente Para la medición de corriente es importante saber que el arduino solo puede medir tensión no son capaces de medir corriente, pero hay una forma de medir corriente indirectamente mientras se mide tensión esto se logra mediante de la ley de Ohm. Sabemos que 𝐼 =𝑉𝑅 . Entonces si se hace circular una corriente (I) a una resistencia de la cual valor conocemos entonces tendremos el valor de la tensión que sícula por esa resistencia es decir V = I*R. Comprendiendo esto podemos medir la corriente de la siguiente manera, pondremos una resistencia la cual conozcamos su valor y mediremos la tensión mediante el arduino y con usa simple cuenta matemática podremos obtener el valor desaseado. Para poder implementar esto en necesario poner la resistencia en la masa y con esto medir la diferencia de potencial, ya que el arduino mide el potencial con respecto a masa, aunque produce una pequeña caída de tensión, pero como es tan pequeña no afecta al funcionamiento de la medición de tensión. A continuación, se muestra como se conectaría el divisor de voltaje y la resistencia a masa al panel solar. 24 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Figura 5.3. Conexión del panel solar al arreglo de resistencias Este procedimiento se repetirá en el controlador de carga ya que trabaja bajo el mismo concepto que el panel solar. Para el caso de la batería solo se tomará el voltaje para saber el de estado de la misma. 5.2.3 Medición de potencia Para medir la potencia dada por los paneles aplicamos la relación que es P=I*V y así tenemos la potencia dada. 5.2.4 Desarrollo del programa Para el desarrollo del programa se siguieron los procedimientos estándar para la elaboración del mismo, inicializar las librerías a usar, la declaración de las variables, iniciar la comunicación que se utilizara y el desarrollo del problema. Para el desarrollo del problema planteo el muestreo para cada valor en este caso es de 150, esto quiere decir que se medirá el valor ciento cincuenta veces y se tomara el promedio de esas mediciones. El siguiente paso es convertir la lectura del arduino a un valor de tensión esto se realiza multiplicando la entrada por cinco y dividiendo entre mil veinticuatro. El paso a seguir el aplicar la ecuación para la lectura del divisor de voltaje, como se muestra en la ecuación se toma el valor previamente convertido a valor de tensión (volt) y se dividirá entre el resultado de la resistencia dos dividida entre la suma de la resistencia uno y la resistencia 2 como se muestra a continuación. 25 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 = 𝑣𝑜𝑙𝑡 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 Figura 7.4. Ecuación para calcular voltaje. Para el cálculo de la corriente se aplica algo parecido al proceso del voltaje solo cambia la ecuación, aplicando la ley Ohm determinamos que dividiendo la tensión de entrada entre la resistencia nos dará la corriente. Ya que todos los componentes del sistema fotovoltaico funcionan bajo los mismos principios podemos aplicar estos pasos a los demás componentes. 26 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 6. Resultado Se presenta el resultado final durante el periodo de programación del diseño del programa de monitoreo remoto. 6.1 procedimiento anterior La empresa tecnología solar de México tiene su procedimiento para dar mantenimiento a sus equipos fotovoltaicos, que consiste es una supervisión trimestral durante el primer año a las instalaciones, donde el equipo de técnicos revisa todo el equipo. Esto demanda un coste extra de operación para toda la empresa considerando que estas revisiones pueden posponerse por imprevisto como asuntos más importantes de urgencia, la disposición de la compañía para dar autorización a los técnicos o inclemencias del clima. Sin contar que este proceso es lento y puede traer puede ser perjudicial para los equipos, el intervalo de tiempo es demasiado para prevenir fallas lo que da como resultado en la mayoría de los casos reparaciones o en los casos más grave un cambio en los equipos como las baterías. 6.2 Procedimiento implementado Como se menciona el procedimiento de la empresa es anticuado, lento y no es lo más óptimo para dar una vida útil prolongada a los equipos. El programa que se desarrolló para el monitoreo de los equipos pretende mejorar este procedimiento. El equipo monitorea los parámetros de los equipos y como se comparta en cualquier momento, para acceder a esta información resulta de lo más fácil solo tiene q poner una recarga mínima de diez pesos al mes esto da acceso a poder enviar un mensaje a la placa gsm y que la placa pueda responder mediante el arduino. 27 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Debido a la limitación de la capacidad para los mensajes de texto los mensajes deben ser claro y cortos. Los encargados de la operación de este sistema de monitoreo serán los técnicos capacitados y con experiencia previa en los equipos fotovoltaicos así que los datos recibidos son capaces de interpretarlo que con mucha facilidad y poder identificar cualquier tipo de fallas o irregularidades. como podemos ver en la siguiente imagen, la simulación muestra como los componentes están conectados al arduino, en este caso se muestran fuentes de voltaje actuando como los componentes del sistema fotovoltaico, esto se debe a que trabaja bajo el mismo principio ya que los componentes del sistema en teoría son fuentes de voltaje directo, se usó el mismo voltaje ya que se plantea sobre un sistema con un controlador de carga de tipo PDWM. Figura 6.1. Simulación del sistema de monitoreo Como pudimos observa se planteó un entorno ideal para las pruebas de sistema ya que esa es la desventaja de una simulación que en teoría todo es ideal. 28 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Lo siguiente q se muestra es como el arduino muestra los valores obtenidos en su puerto serial esto es para hacer las pruebas mientras se instala y configura el equipo, así los técnicos pueden observan y comparar los datos con algún punto de referencia como un multímetro. Figura 6.2. Simulación con terminal serial de arduino Lo sieguiente es la comunicación mediante el modulo gsm, como se muestra en la siguiente figura para lograr eso mandamos un mensaje, que en esta caso en el numero 1 el programa comparara y enviara el mesaje con los datos medidos atravez de un mensaje de texto 29 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Figura 6.3. Simulación con comunicación con gsm 30 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 7. Conclusiones, recomendaciones y experiencia Durante la elaboración del proyecto se amalizaba cada uno de los procesos que utilizaban los encargados de los sistemas autónomos mediante entrevistas y en la participación de los diseños e implementación de algunas pruebas sin embargo por la poca estadía en las instalaciones de la empresa no se puedo obtener una retro alimentación del diseño y funcionamiento del equipo. Durante el diseño del sistema se percibió con la inquietud por parte del equipo encargado del área, debido a la preocupación de implementar este pensado que será una carga extra laboral, debido que, aunque tienen experiencia trabajando con la plataforma de arduino su conocimiento de la misma no es extensa Con los resultados obtenidos se puede decir que se cumplió los objetivos principales que son los de mayor importación, ya que el diseño del sistema de monitoreo cumple con el objetivo reducir carga laboral para los empleados, ahorro de los recursos, un control mayor sobre la vida útil de los equipos y con un bajo costo para el desarrollo de este sistema y la poca capacitación que será necesaria para los técnicos. Cabe mencionar que, aunque el equipo facilite el monitoreo de las instalaciones fotovoltaicas será necesario implementar un plan de mantenimiento diseñado para esta nueva forma de monitoreo para poder obtener el mayor beneficio, Sin embargo, se recalca que sistema de monitoreo remoto para sistema fotovoltaico satisface la necesidad de la empresa de la forma más eficiente y económica. Aunque la estancia dentro de la empresa fue corta debido a circunstancia atenuantes fue una experiencia enriquecedora ver como se aplica el conocimiento académico adquirido en un ambiente laboral y de la misma manera la forma de convivir con las bases sociales que se adquieren en una institución educativa como los es la universidad 31 Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco 8. Fuentes de información [1] “Monitorización y difusión en la web de la central fotovoltaica de la universidad Pontifica Comillas”. Autor: Riesco, J., P. Romera, P. Linares. Disponible en: https://pascua.iit.comillas.edu/pedrol/documents/erasolar02.pdf Consultado: 28 de abril de 2020 [2] “Plataforma Cloud para monitoreo remoto de sistemas fotovoltaicos aislados en el Ecuador”. Autor: Santiago Manzano, Raúl Peña-Ortiz, David Guevara, Alberto Ríos Disponible en: https://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/21402/1/TIC.EC_14_Manzano% 20et%20al.pdf Consultado: 28 de abril de 2020 [3] “Energías renovables”. Autor: Kütral Solar Disponible en: https://www.kutralsolar.com.ar/notas/sistema-fotovoltaico-autonomo/ Consultado: 30 de abril de 2020 [4] “Panel Solar". Autor: María Estela Raffino. De: Argentina. Para: Concepto.de. Disponible en: https://concepto.de/panel-solar/. Consultado: 04 de mayo de 2020 [5] “Controlador de carga solar”: Conceptos básicos. Autor: Energía solar fotovoltaica. 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Para: Concepto.de. Disponible en: https://concepto.de/potencia-en-fisica/. Consultado: 10 de mayo de 2020. [11] “Divisor de tensión” Autor: AreaTecnologia. Disponible en: https://www.areatecnologia.com/electronica/divisor-de-tension.html Consultado: 10 de mayo de 2020. [12] “¿Qué es el arduino?” Autor: Arduino.cc Disponible en: https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction Consultado: 10 de mayo de 2020. [13] “Conversor analógico a digital – ADC” Autor: Enrique Gómez. Para: Rincón Ingenieril. Disponible en: https://www.rinconingenieril.es/conversor-analogico-adigital-adc/ Consultado: 15 de mayo de 2020. [14] "La historia del circuito integrado". Autor: Nobelprize.org. Disponible en: http://www.nobelprize.org/educational/physics/integrated_circuit/history/index.html Consultado: 20 de mayo de 2020. [15] “Qué es GSM” Autor: Equipo de Expertos. Para: Universidad Internacional de Valencia. 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