Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa

TREBALL FI DE GRAU Grau en Enginyeria Electrònica Industrial i Automàtica UNITAT DE MONITORIZACIÓ DEL SISTEMA D’ALIMENTACIÓ FOTOVOLTAIC D’UN HABITATGE UNIFAMILIAR AÏLLAT DE LA XARXA Memòria Tècnica Autor: Gerard Giménez Garcia Director: Manuel Andrés Manzanares Brotons Convocatòria: Juny 2020 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa i Resum El següent projecte es basa principalment en l’elaboració d’una unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa. Per tal de dissenyar aquesta unitat de monitorització, primer de tot, es fa un estudi de l’energia solar i dels diferents sistemes d’alimentació fotovoltaics existents. Seguidament, es dissenya la unitat de monitorització. I finalment, es mostra un exemple d’aplicació d’aquesta unitat en un habitatge aïllat de la xarxa. El disseny de la unitat de monitorització està compost per l’explicació de les funcions que serà capaç de dur a terme aquesta unitat, les quals es basen principalment en la captació, visualització i emmagatzematge dels diferents paràmetres a mesurar, el disseny del hardware, el qual conté tots els components necessaris per mesurar els paràmetres i informar a l’usuari, i finalment, el disseny del software tant de la placa Arduino com de l’aplicació per a telèfons intel·ligents, per tal de processar tota la informació rebuda des del hardware. En quant a l’exemple d’aplicació en un habitatge aïllat de la xarxa, s’escull una localització i un casa aleatòries, i es fa el dimensionat d’aquesta per tal de seleccionar els components idonis i comprovar el correcte funcionament de la unitat de monitorització. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa ii Resumen El siguiente proyecto se basa principalmente en la elaboración de una unidad de monitorización del sistema de alimentación fotovoltaico de una vivienda unifamiliar aislada de la red. Para diseñar esta unidad de monitorización, antes que nada, se hace un estudio de la energía solar y los diferentes sistemas de alimentación fotovoltaicos existentes. Seguidamente, se diseña la unidad de monitorización. Y finalmente, se muestra un ejemplo de aplicación de esta unidad en una vivienda aislada de la red. El diseño de la unidad de monitorización está compuesto por la explicación de las funciones que será capaz de llevar a cabo esta unidad, las cuales se basan principalmente en la captación, visualización y almacenamiento de los diferentes parámetros a medir, el diseño del hardware, el cual contiene todos los componentes necesarios para medir los parámetros e informar al usuario, y finalmente, el diseño del software tanto de la placa Arduino como de la aplicación para teléfonos inteligentes, a fin de procesar toda la información recibida desde el hardware. En cuanto al ejemplo de aplicación en una vivienda aislada de la red, se escoge una localización y una casa aleatoria, y se hace el dimensionado de ésta a fin de seleccionar los componentes idóneos y comprobar el correcto funcionamiento de la unidad de monitorización. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa iii Abstract The following project is mainly based on the development of a monitoring unit for the photovoltaic power system of a single-family house isolated from the electric distribution network. To design this monitoring unit, first of all, a study is made of solar energy and the different existing photovoltaic power systems. Then, the monitoring unit is designed. And finally, an example of application of this unit in a house isolated from the electric distribution network is shown. The design of the monitoring unit is made up of the explanation of the functions that this unit will be able to carry out, which are mainly based on the capture, display and storage of the different parameters to be measured, the design of the hardware, which contains all the necessary components to measure the parameters and inform the user, and finally, the design of the software for both the Arduino board and the smartphone application, in order to process all the information received from the hardware. As for the application example in a house isolated from the electric distribution network, a location and a random house are chosen, and the dimensioning of this is done in order to select the suitable components and check the correct operation of the monitoring unit. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa iv Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa v Agraïments Principalment m’agradaria agrair al meu tutor Manuel Manzanares per tot l’esforç que ha dedicat per la correcte realització d’aquest projecte, aportant-me la informació necessària, resolent dubtes i orientant-me en tot moment. A més a més, també m’agradaria agrair a la meva família i els meus amics i amigues que m’han ajudat sempre que ho he necessitat i m’han recolzat per tal de treure aquest projecte endavant. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa vi Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa vii Índex RESUM ........................................................................................................................................... I RESUMEN ...................................................................................................................................... II ABSTRACT .................................................................................................................................... III AGRAÏMENTS ................................................................................................................................ V 1. OBJECTE DEL TREBALL .......................................................................................................... 16 2. ABAST DEL TREBALL ............................................................................................................. 17 3. MOTIVACIÓ ......................................................................................................................... 18 4. INTRODUCCIÓ ...................................................................................................................... 19 4.1. ENERGIA SOLAR .......................................................................................................................... 19 4.2. CÈL·LULA SOLAR .......................................................................................................................... 19 4.3. PANELL SOLAR ............................................................................................................................ 21 4.4. INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA ........................................................................................................ 23 4.5. ELEMENTS INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA ......................................................................................... 24 4.5.1. Bateries ............................................................................................................................... 24 4.5.2. Regulador ............................................................................................................................ 26 4.5.3. Inversor ............................................................................................................................... 28 4.6. TIPUS INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA ................................................................................................ 29 4.6.1. Aïllada de la xarxa .............................................................................................................. 29 4.6.2. Connectada a la xarxa ........................................................................................................ 31 4.7. APLICACIONS DE LES INSTAL·LACIONS FOTOVOLTAIQUES .................................................................... 32 4.7.1. Aplicacions instal·lacions aïllades ....................................................................................... 32 4.7.2. Aplicacions instal·lacions connectades a la xarxa .............................................................. 32 5. ESPECIFICACIONS BÀSIQUES ................................................................................................. 33 5.1. DESCRIPCIÓ DEL PROBLEMA .......................................................................................................... 33 5.2. SISTEMA MONITORITZACIÓ ........................................................................................................... 33 5.2.1. Paràmetres a monitoritzar ................................................................................................. 33 5.3. INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA AÏLLADA DE LA XARXA .......................................................................... 34 5.3.1. Elements instal·lació solar fotovoltaica aïllada de la xarxa ............................................... 34 5.3.2. Factors pel disseny d’una instal·lació fotovoltaica aïllada de la xarxa .............................. 34 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa xiv Índex Taules Taula 7.2.1.1. Consum elèctric de tots els components de l’habitatge.....................................................85 Taula 7.2.2.1. Nivell de voltatge del mòdul fotovoltaic en funció de les necessitats de consum de potència..................................................................................................................................86 Taula 7.2.4.1. Valors mitjos mensuals d’irradiància global horitzontal i en l’angle òptim, i de temperatura.......................................................................................................................................90 Taula 7.2.4.2. Mitjana d’irradiància solar de desembre en els diferents angles (intervals de 10°)..........90 Taula 7.2.5.1. Valors mitjos mensuals d’irradiància global horitzontal, en l’angle òptim i en l’angle escollit, i de temperatura..........................................................................................................92 Taula 7.2.6.1. Valors d’hores solar pic amb els valors d’irradiància global amb l’angle escollit (67 °).....93 Taula 7.2.11.1. Resum valors dels paràmetres més importants calculats fins ara...................................98 Taula 7.3.5.1. Trams de cable i les seves respectives característiques...................................................108 Taula 7.3.5.2. Resum de les característiques del cablejat de cada tram................................................112 Taula 7.3.6.3.1. Taula 2 de la normativa ITC-BT-18 del RBT...................................................................116 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 15 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 16 1. Objecte del treball L’objecte del treball és dissenyar una unitat de monitorització en base a un microcontrolador que obtingui dades rellevants, com l’estat de les bateries, la temperatura, el nivell d’irradiància y la producció energètica, d’una casa unifamiliar aïllada de la xarxa. A més a més, també es realitzarà l’emmagatzematge i la visualització dels diferents paràmetres a través dels diferents components del hardware. També es dimensiona una instal·lació solar fotovoltaica en una casa sobre la que treballaria la unitat de monitorització, s’estudia el mètode de captació de dades per part d’aquesta, es seleccionen els components més adients i es fa un estudi econòmic de la unitat de monitorització. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 17 2. Abast del treball El projecte té 3 parts: el disseny de la unitat de monitorització, el disseny de la instal·lació fotovoltaica i el disseny del prototip de proves que exemplificarà com seria el funcionament real. Cal destacar que es dissenyarà una unitat de monitorització que es pugui adaptar a aquest tipus d’habitatges, és a dir, que no serà exclusiva de la casa escollida per exemplificar-ho. Es determinaran totes les característiques pel seu disseny, com per exemple el software, el hardware, l’alimentació dels components... Per a realitzar el disseny de la instal·lació fotovoltaica, el projecte es basarà en una casa fictícia que servirà d’exemple per dur a terme l’aplicació de la unitat de monitorització. Les característiques d’aquesta casa, com la localització, el tipus d’habitatge i el consum diari, estan especificades a l’apartat 7. Exemple d’aplicació a una instal·lació solar d’un habitatge. El domicili no disposa de servei bàsic d’electricitat, ja que aquest es substituït per la instal·lació fotovoltaica. Per tal que la instal·lació s’ajusti el màxim possible a les característiques de la casa, es tindran en compte paràmetres com demanda total d’energia elèctrica de la instal·lació, la potència que s’haurà de subministrar a l’habitatge, el efectes de la temperatura, les hores de sol... Per últim, a l’apartat de disseny del prototip de proves de la unitat de monitorització, s’explicarà el disseny creat per tal d’exemplificar el que seria el funcionament real de la unitat de monitorització en una instal·lació fotovoltaica. Es dissenya un prototip de proves degut a que hi ha components que s’utilitzarien a la instal·lació real que degut al seu preu, disponibilitat o per la no possibilitat de recrear les mateixes condicions que un habitatge real, no es possible adquirir-los. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 18 3. Motivació En una època on la crisi mediambiental sempre és un dels temes del dia, és important valorar tots els sistemes de subministrament d’energies renovables, en aquest cas la fotovoltaica, per tal d’ajudar a superar aquesta crisi i trobar fonts d’aquest tipus d’energies rentables i eficients. Aquest projecte deixa palès, que en el cas de l’energia fotovoltaica, podem aconseguir que un habitatge que utilitzi aquesta energia renovable per l’autoconsum estigui aïllada d’una xarxa de distribució. A més a més, gràcies a la captació de les diferents dades de la instal·lació podem valorar i estudiar si el funcionament és correcte i quins son els punts forts i els punts febles d’aquesta per tal de millorar-la en el futur. També es possible estudiar el comportament dels dos components més importants de la instal·lació: les plaques solars i les bateries. Amb tota la informació adquirida, podrem determinar les millors condicions perquè les plaques solars rendeixin el màxim possible (inclinació, enfocament, quantitat...) i comprovar si les característiques del fabricant, com per exemple la vida útil, s’ajusten al comportament de les plaques solars. En el cas de les bateries, podrem valorar quines són les més adients per aquest tipus d’instal·lacions gràcies a la possibilitat d’estudiar factors com els cicles de càrrega i descàrrega o la vida útil. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 19 4. Introducció 4.1. Energia Solar L’energia solar és l’energia que prové del sol en ones electromagnètiques. La utilització d’aquesta energia és renovable, ja que l’energia rebuda pel Sol no es transformada pel fet de ser utilitzada. Actualment, i a causa de la crisi climàtica, l’energia solar és més popular, sent cada cop més important en els diferents sectors que l’utilitzen per generar electricitat. La radiació rebuda a través del sol té un valor de potència que varia segons les condicions atmosfèriques, la latitud i el moment del dia. Normalment, i en bones condicions d’irradiació, el valor és superior als 1000 W/m² a la superfície terrestre. Hi ha dos mètodes d’aprofitar l’energia del sol: • Mètodes Indirectes: El sol s’aprofita per escalfar un fluid i convertir-lo en vapor, amb la finalitat de produir electricitat mitjançant el moviment d’un alternador. La producció d’electricitat es realitza mitjançant un cicle termodinàmic convencional. • Mètodes Directes: La llum del sol es convertida directament en electricitat mitjançant l’ús de cèl·lules solars. Hi ha dos tipus d’energia solar: • Energia Solar Fotovoltaica: El gran avantatge és que no necessita d’una gran instal·lació per una bona eficiència en la producció d’electricitat. • Energia Solar tèrmica: Es pot aprofitar convertint-la en electricitat o utilitzant-la sense transformació prèvia. 4.2. Cèl·lula solar La cèl·lula solar és un dispositiu electrònic que permet transformar, mitjançant l’efecte fotovoltaic, l’energia solar en energia elèctrica. Destaca per convertir els fotons de la llum del sol directament en electricitat. És l’element principal de qualsevol instal·lació d’energia solar, és a dir, és el generador d’electricitat. El comportament d’una cèl·lula solar és el mateix que el d’un díode. Per tant, té una part N, que és l’exposada a la radiació solar, i una part P, que està situada a la zona obscura. La capa N és la capa superior i es compon de silici dopat tipus N. Al ser una capa amb dopatge N, hi ha un nombre d’electrons lliures més gran que a una capa de silici pur. En canvi, la capa P és la inferior i es compon Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 20 de silici dopat tipus P. Al ser una capa amb dopatge tipus P, hi ha una quantitat d’electrons lliures menors que una capa de silici pur. El principi de funcionament és el següent: El semiconductor de la cèl·lula és exposat a la llum provocant que un fotó d’energia arrenqui un electró, i per tant creï un forat. La clau del funcionament és obligar els electrons i els forats a avançar cap al costat oposat del material en comptes de recombinar-se, així es produirà una diferència de potèncial i per tant una tensió entre les dues parts del material. Amb això, aconseguim que es creï un camp elèctric permanent entre dues capes dopades P i N. En el moment de la creació de la unió PN, els electrons lliures de la capa N entren a la capa P i es recombinen amb els forats a la regió P. Hi haurà així durant tota la vida de la unió, una càrrega positiva a la regió N al llarg de la unió (perquè falten electrons) i una càrrega negativa a la regió P al llarg de la unió (perquè els forats han desaparegut), el conjunt forma la zona de càrrega d'espai i hi ha un camp elèctric entre les dues, de N a P. Aquest camp elèctric fa de la zona de càrrega d'espai un díode, que només permet el flux de corrent en una direcció: els electrons poden moure's de la regió P a la N, però no en la direcció oposada i per contra els forats només passen de N a P. En funcionament, quan un fotó arrenca un electró a la matriu creant un electró lliure i un buit, sota l'efecte d'aquest camp elèctric cada un va en direcció oposada: els electrons s'acumulen a la regió N (que es converteix en pol negatiu), mentre que els forats s'acumulen a la regió dopada P (que es converteix en el pol positiu). Aquest fenomen és més eficaç a la zona de càrrega d'espai, on gairebé no hi ha portadors de càrrega (electrons o forats), ja que són anul·lats, o a la proximitat immediata a la zona de càrrega d'espai. Quan un fotó crea un parell electró - buit, es van separant i és improbable que trobin el seu oposat, però si la creació té lloc en un lloc més allunyat de la unió, l'electró (convertit en buit) manté una gran oportunitat per recombinar abans d'arribar a la zona N. El paràmetres fonamentals d’una cèl·lula solar són els següents: • Corrent d’il·luminació: Corrent generat quan incideix la radiació solar sobre la cel·la. • Corrent d’obscuritat: Degut a la recombinació de portadors que produeix el voltatge extern necessari per poder entregar energia a la càrrega. • Tensió a circuit obert (VOC): Tensió màxima que s’obté als extrems de la cel·la quan no està connectada a cap càrrega. Aquesta depèn de material amb el que està creada la cèl·lula solar. • Corrent de curtcircuit (ISC): Corrent màxim que pot circular per la cel·la solar. S’aconsegueix quan els seus terminals estan curtcircuitats. • Intensitat màxima(Im). • Tensió màxima (Vm). • Factor de forma (FF): És el quocient entre la màxima potència que pot entregar la cel·la a la càrrega i el producte de la tensió en circuit obert (VOC) i la intensitat de curtcircuit(ISC). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 21 La intensitat i tensió màxima seran les corresponents a quan obtenim la potència màxima, i mai seran superiors a VOC i ISC. Figura 4.2.1. Estructura de la cèl·lula solar (Font: http://www.ujaen.es) 4.3. Panell Solar Un panell solar està format per un conjunt de cèl·lules solars connectades elèctricament, encapsulades i muntades sobre una estructura de suport o marc. A la seva sortida de connexió proporcionen una tensió continua, i es dissenyen per valors concrets de tensió (6 V, 12 V, 24 V...) que definiran a la tensió que treballarà el sistema fotovoltaic. Principalment hi ha dues tecnologies de fabricació de les cel·les solars les quals determinen el tipus de panells solars. Aquestes són les següents: • Silici Cristal·lí (Monocristal·lí i policristal·lí): Monocristal·lí s’obté del silici pur fos i dopat amb bor. La diferència amb el policristal·lí és que aquest s’obté amb menys fases de cristal·lització. El rendiment és una mica superior en els monocristal·lins. • Silici amorf: S’obté dipositant-se en forma de làmina prima i sobre un substrat como vidre o plàstic. El rendiment és inferior que en els altres dos casos. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 22 Figura 4.3.1. Parts d’un panell fotovoltaic (Font: https://www.areatecnologia.com) La principal finalitat del panell solar és proporcionar la potència necessària al sistema fotovoltaic de la instal·lació. Com que una cèl·lula individualment no pot complir la demanda de potència, s’associen varies cel·les creant el panell solar. Segons com associem aquestes cèl·lules hi ha dos tipus de panells: • Connexió en sèrie: Permeten augmentar la tensió final en els extrems de la cèl·lula. Dues cèl·lules en sèrie, la tensió de l’associació és el doble que la d’una cèl·lula individual. • Connexió en paral·lel: Permeten augmentar la intensitat total del conjunt. Dues cèl·lules en paral·lel, la intensitat del conjunt és el doble que la d’una sola cèl·lula. Les característiques elèctriques d’un panell solar són les següents: • Tensió en el punt de màxima potència (Vmpp). • Intensitat en el punt de màxima potència (Impp). • Intensitat de curtcircuit (ISC). • Tensió en circuit obert (VOC). Si es necessita una potència elevada que no es pot obtenir amb un únic mòdul fotovoltaic, s’implementa la connexió en grup de diversos panells solars. La connexió es realitza per la part posterior, a una caixa preparada per fer aquesta funció. A més a més, aquesta caixa conté els díodes de protecció (díodes de bypass), que només deixen passar el corrent en un sentit. Amb aquests díodes de protecció s’aconsegueix que les bateries no es descarreguin a través dels panells, s’evita que el flux de corrent s’inverteixi entre blocs interconnectats en paral·lel quan en algun d’ells es produeix una ombra i protegeix individualment cada panell de possibles danys ocasionats per ombres parcials que es produeixen per circumstancies especials. Finalment, també hi ha els díodes de bloqueig, que s’implementen en les associacions en paral·lel per evitar que branques amb diferents tensions de treball converteixin els mòduls o cèl·lules en receptors, dissipant potència i augmentant la temperatura. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 23 Finalment, és important remarcar que l’eficiència d’un mòdul solar no superarà mai el 25%, ja que és el límit teòric del Silici, y a la pràctica aquest percentatge encara és inferior segons la tecnologia utilitzada y la puresa del material. 4.4. Instal·lació fotovoltaica Una instal·lació fotovoltaica normalment s’ajusta a l’esquema de la figura 4.4.1 i està formada pels següents elements: • Bateries • Regulador • Inversor • Mòduls fotovoltaics Figura 4.4.1. Esquema general d’una instal·lació fotovoltaica aïllada (Font: https://www.helioesfera.com) La finalitat d’aquestes instal·lacions en l’àmbit de l’edificació és reduir el consum elèctric dels edificis. Però hi ha dos problemes a l’hora de portar-ho a terme: • Un sistema fotovoltaic depèn de la radiació solar, i aquesta no està sempre disponible. Per aquest motiu, es necessita un sistema auxiliar de generació elèctrica que asseguri cobrir la demanda. • L’energia ha de consumir-se, acumular-se o transportar-se en el moment de la seva generació. Les bateries no poden emmagatzemar l’energia perpètuament y per tant hi haurà unes pèrdues entre el que és generat i el consumit. La millor manera de resoldre aquests dos problemes seria consumir l’energia elèctrica al mateix moment de la seva generació, autoconsum instantani. Però això només és possible quan consum i Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 30 L’encarregat de determinar quan el corrent és emmagatzemat o consumit per la càrrega és el regulador de càrrega. Els tipus de sistemes aïllats són els següents: • Sistemes aïllats sense acumulació: només generen intensitat quan la radiació solar és suficient, per tant, el consum és instantani. Normalment s’utilitza per sistemes amb potencies entre 1 i 100W. Són sistemes més senzills però també menys utilitzats. Figura 4.6.1.2. Esquema sistema fotovoltaic aïllat sense acumulació (Font: http://construye2020.eu) • Sistemes aïllats amb acumulació: disposen de bateries on s’emmagatzema el corrent generat pel generador fotovoltaic. Poden produir corrent continu o corrent altern (amb un inversor). Figura 4.6.1.3. Esquema sistema fotovoltaic aïllat amb acumulació (Font: http://construye2020.eu) • Sistemes amb acumulació i sistema de recolzament: tenen un equip auxiliar que garanteix el subministrament elèctric independentment de les condicions climatològiques o talls del subministrament principal. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 31 Figura 4.6.1.4. Esquema sistema fotovoltaic aïllat amb acumulació i sistema de recolzament (Font: http://construye2020.eu) 4.6.2. Connectada a la xarxa Les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa estan destinades o a la venda d’electricitat, o al consum instantani o a una barreja d’ambdues. Aquestes instal·lacions han de treballar sempre amb corrent altern i amb una tensió similar a la de la xarxa. Figura 4.6.2.1. Esquema sistema fotovoltaic connectat a la xarxa (Font: http://construye2020.eu) La mida d’una instal·lació fotovoltaica connectada a la xarxa no ve només imposada pel consum de l’edifici, si no que també ve imposada per la potència màxima que el regulador elèctric permet connectar a la xarxa. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 32 4.7. Aplicacions de les instal·lacions fotovoltaiques Les aplicacions de les instal·lacions fotovoltaiques les podem separar segons si són instal·lacions aïllades o connectades a la xarxa. 4.7.1. Aplicacions instal·lacions aïllades Segons el lloc que volem dotar d’energia elèctrica es poden diferenciar 2 blocs: • Aplicacions espacials: per alimentar elèctricament elements col·locats a l’espai pels éssers humans, com satèl·lits. • Aplicacions terrestres:  Telecomunicacions: telefonia rural, repetidors...  Zones rurals i aïllades: per zones on no hi ha accés a la xarxa elèctrica comercial.  Senyalització: sobretot senyals de trànsit.  Enllumenat públic: per llocs on es difícil portar una línia elèctrica convencional.  Bombeig d’aigua: sobretot per granges. Tant per aigua potable com per sistemes de reg.  Xarxes VSAT: xarxes privades de comunicació que actuen a través de satèl·lit.  Telemetria: permet realitzar mesures sobre variables físiques i transmetre la informació a una central. 4.7.2. Aplicacions instal·lacions connectades a la xarxa En aquestes instal·lacions, el productor no utilitza l’energia directament, sinó que es venuda a l’organisme encarregat de la gestió de l’energia en aquell país. Els principals llocs on s’utilitza són aquests: • Centrals fotovoltaiques i horts solars: recintes on es concentra un número determinat d’instal·lacions fotovoltaiques de diferents propietaris amb la finalitat de vendre l’electricitat produïda a la companyia elèctrica amb la qual s’ha establert el contracte. • Edificis fotovoltaics: combinen l’element constructiu i el productor d’electricitat en projectes arquitectònics. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 33 5. Especificacions bàsiques Primer de tot, i abans de començar amb una explicació més tècnica del sistema de monitorització i de l’exemple d’instal·lació fotovoltaica, es presentarà la descripció del problema, els paràmetres mínims a monitoritzar per part del sistema de monitorització i els elements i factors més importants a tenir en compte per a la instal·lació. 5.1. Descripció del problema La principal característica del projecte és que serà una instal·lació aïllada de la xarxa elèctrica, i per tant, haurà de tenir la capacitat de subministrar la suficient electricitat a l’habitatge sense l’ajuda de la xarxa. Per a complir-ho, haurà de tenir un generador d’electricitat, que en aquest cas seran les plaques solars, i un sistema d’emmagatzematge suficientment potent com per a mantenir el subministrament d’electricitat a la casa quan no hi ha radiació solar o aquesta és mínima. A més a més, també haurà de ser capaç de donar informació a l’usuari sobre alguns paràmetres que afecten la instal·lació, com poden ser la temperatura, la radiació solar, el voltatge i la intensitat en diferents punts del circuit elèctric... 5.2. Sistema Monitorització El sistema de monitorització és l’encarregat de captar mitjançant sensors tota la informació possible de la instal·lació fotovoltaica. Les dades obtingudes li permetran saber si la instal·lació està funcionant correctament o si hi ha alguna anomalia. A més a més, a través d’una interfície, mostrarà la informació important per a l’usuari perquè aquest estigui informat en tot moment de l’estat de la instal·lació fotovoltaica. 5.2.1. Paràmetres a monitoritzar A la secció 4.3 del plec de condicions tècniques d’instal·lacions aïllades de la xarxa (PCT) es determinen les variables que com a mínim ha de proporcionar un sistema de monitorització d’aquest tipus d’instal·lacions. Apart d’aquestes variables, cada sistema de monitorització pot afegir la monitorització dels paràmetres extres que vulgui. Les variables obligatòries que ha de proporcionar són les següents: • Tensió i corrent CC del generador. • Potència CC consumida, incloent l’inversor com a càrrega CC. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 34 • Potència CA consumida si n’hi hagués, sempre i quan no sigui per instal·lacions l’aplicació de la qual és exclusivament el bombeig d’aigua. • Comptador volumètric d’aigua per instal·lacions de bombeig. • Radiació solar en el pla dels mòduls mesurada amb un mòdul o una cèl·lula de tecnologia equivalent. • Temperatura ambient a l’ombra. D’acord amb l’apartat 4.3.2 del plec de condicions tècniques d’instal·lacions aïllades de la xarxa les dades es representaran en forma de mitjanes horàries. Els temps d’adquisició, la precisió de les mesures i el format de presentació de les mateixes es farà conforme el document del JRC-Ispra “Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants – Document A”, Report EUR 16338 EN. 5.3. Instal·lació fotovoltaica aïllada de la xarxa 5.3.1. Elements instal·lació solar fotovoltaica aïllada de la xarxa Com s’ha comentat anteriorment a l’apartat 4.4. Instal·lació fotovoltaica, els elements bàsics que ha de tenir una instal·lació solar fotovoltaica aïllada de la xarxa són els següents: • Sistema emmagatzematge energia (bateries). • Regulador. • Inversor. • Generador electricitat (plaques solars). Si volem que la instal·lació funcioni correctament no només ens hem d’assegurar que tingui aquests elements, sinó que també ens hem d’assegurar que s’adeqüin a les condicions de la nostra casa. Per això, és important tenir presents els factors que s’explicaran en el següent apartat per a escollir els models d’aquests elements, ja que determinaran les característiques de cada un d’aquests i permetran que si la tria es correcta, la instal·lació funcioni perfectament. Tots els components que no siguin els esmentats anteriorment completaran i milloraran la instal·lació, però no són estrictament necessaris. 5.3.2. Factors pel disseny d’una instal·lació fotovoltaica aïllada de la xarxa A l’hora de dissenyar una instal·lació fotovoltaica aïllada de la xarxa hem de tenir presents uns factors que determinaran les característiques d’aquesta i dels seus components. Aquests factors són els següents: • Potència necessària. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 35 • Consum. • Període d’utilització. • Localització i clima Primer de tot, s’ha de fer un llistat amb el conjunt d’equips i aparells que han de ser alimentats per la instal·lació. De cada un d’aquests és necessari saber la potència , el consum i el període d’utilització. Si no es pot saber exactament el valor d’algun d’aquests paràmetres es fa una aproximació. Amb el valor dels paràmetres de cada equip i aparell, es podrà saber el consum i potència total de l’habitatge, i per tant, el consum i la potència que ha d’abastir la instal·lació fotovoltaica. L’altre factor a tenir en compte és la localització de la casa i el clima del territori on està aquesta. Amb aquesta informació podrem saber la mitjana de radiació solar diària i anual i les hores de sol pic de les quals disposem durant l’any. Aquestes dades ens permetran determinar quins son els panells més adequats per la nostra casa i quanta electricitat podrem aconseguir envers la radiació que rebem. A partir de fer l’estudi previ sobre el disseny de la instal·lació fotovoltaica aïllada de la xarxa s’escolliran els elements més adequats pel nostra habitatge. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 36 6. Disseny Prototip En aquest apartat s’exposarà el disseny de la unitat de monitorització, la qual serà dissenyada per a cases aïllades de la xarxa elèctrica. Primer de tot, s’explicarà el funcionament de les unitats de monitorització i es farà un estudi de mercat de les més utilitzades actualment. Seguidament, es presentarà la unitat de monitorització dissenyada i les funcions que durà a terme. Per això, s’exposaran tots els components i sensors que seran utilitzats. Finalment, s’explicarà l’adquisició de dades per part de cada sensor i el posterior processament d’aquestes per part del microprocessador. 6.1. Unitat de Monitorització 6.1.1. Definició La unitat de monitorització és l’encarregada de captar i processar la informació més important de la instal·lació fotovoltaica. Està formada per dues parts, el hardware i el software. El hardware està compost per tots els sensors i elements que capten informació dels paràmetres a mesurar, els quals normalment són o paràmetres meteorològics (temperatures, radiacions, vent...) o elèctrics (intensitats, voltatges, potencies...), i els components encarregats de mostrar la informació d’aquests sensors a l’usuari (pantalla LCD, teclat...). A més a més, algunes unitats de monitorització també inclouen alarmes, tant amb components lluminosos com sonors, per tal d’avisar d’algun comportament anòmal de la instal·lació. El software està compost del microprocessador, el qual és el cervell del sistema de monitorització, i s’encarrega de rebre tota la informació dels component del hardware, processar-los i enviar-los als components del hardware encarregats de mostrar-los a l’usuari, i el codi de programació, el qual és un conjunt de línies de text amb les indicacions que ha de seguir el sistema de monitorització. Els sistemes de monitorització són molt útils en les instal·lacions fotovoltaiques ja que donen informació imprescindible per tal de saber si aquesta està funcionant correctament o si hi ha alguna anomalia. 6.1.2. Estudi de mercat Actualment hi ha diversos sistemes de monitorització al mercat, els quals depenen de la marca que els fabrica. Tot i això, es diferencien principalment en dos grups: els que són equips independents, és a dir, que només fan la funció de monitoritzar i/o controlar els diferents paràmetres de la instal·lació, i els Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 37 inversors que porten inclòs el sistema de monitorització, i per tant ens permeten no haver d’incloure un altre component a la instal·lació. Alguns dels sistemes de monitorització independents més utilitzats del mercat són els següents: • PV-Monitor-M És un gestor energètic destinat a monitoritzar instal·lacions fotovoltaiques d’autoconsum instantani. Aquest equip permet conèixer, a temps real, la producció fotovoltaica, l’estalvi energètic i els consums de l’habitatge, així com emmagatzemar dades històriques per fer anàlisis periòdics. A més a més, també es pot complementar amb un sensor de temperatura de superfície (mòduls fotovoltaics), un sensor de radiació solar i un sensor de temperatura ambient. Aquests extres permeten calcular el rendiment de la instal·lació. Els principals avantatges del PV-Monitor-M són les següents:  Detecció de baix rendiment de la instal·lació fotovoltaica.  Balanç energètic instantani del consum respecte a la generació fotovoltaica.  Càlcul del percentatge d’autoconsum mes en curs (fracció solar).  Alarmes generals de la instal·lació fotovoltaica per advertir d’un funcionament erroni.  Reducció de l’energia consumida de la xarxa elèctrica.  Reducció d’emissions CO2 a l’atmosfera.. Figura 6.1.2.1. Gestor energètic PV-Monitor-M (Font: http://circutor.es) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 38 • Color Control GX Color Control GX ofereix informació a temps real i permet controlar tots els productes connectats a ell. Mostra molt visualment paràmetres com l’estat de càrrega de les bateries, consum elèctric anual, producció d’energia dels mòduls fotovoltaics, energia provinent del generador... Un de les principals avantatges és que permet accedir a la totalitat dels controls i ajustos de tots els components del sistema. A més a més, també permet fer diagnòstics i anàlisis de la informació arxivada al sistema. Aquest sistema de monitorització també és pot programar per tal que arranqui automàticament el generador en cas de baixa tensió, alta demanda o per l’estat de les bateries. Finalment, també gestiona els sistemes d’emmagatzematge d’energia. Manté les bateries de reserva al 100%, arranca en cas d’apagada i deriva l’excés d’energia solar a l’autoconsum, estalviant així diners. Figura 6.1.2.2. Sistema de monitorització Color Control GX (Font: https://www.victronenergy.com.es) • Domodata Monsol El sistema de monitorització Domodata Monsol ofereix les dades bàsiques de la instal·lació fotovoltaica com són les de l’inversor, el comptador i l’estació meteorològica. També cal destacar que es pot ampliar per adquirir altres dades de gran utilitat. Està dissenyada per realitzar un control estàndard de la instal·lació, oferint un sistema fiable, eficaç i de baix cost d’implantació. Degut a la mida més reduïda de la instal·lació, la quantitat de dades i senyals que s’obtenen és inferior a la d’altres sistemes de monitorització. Resumint, les instal·lacions acostumen a ser menys complexes, el que permet implementar fórmules més estandarditzades de software que ofereixen una solució molt completa i de menor dificultat. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 39 Els equips tenen un sistema propi de Back Up de dades i no es solen instal·lar sistemes auxiliars de subministrament o emmagatzematge. Una característica interessant d’aquest sistema és que a través de trucades telefòniques obté dades del comptador. Amb 3 trucades de 15 segons al dia al mòdem obté l’històric acumulat en el comptador, al mateix temps que s’actualitza la base de dades. Amb aquestes dades ofereix la informació següent:  Històrics de producció.  Facturació o comparativa amb la facturació real.  Generació d’alarmes en cas d’una evolució anòmala en la facturació o en la producció diària, que denotaria un error físic de la planta.  Generació d’alarmes automàtiques en cas de desviacions sobre el normal funcionament.  Càlcul de l’eficiència de la planta utilitzant les dades meteorològiques.  Gràfics de producció i anàlisis. Finalment cal destacar que aquest sistema s’implementa en caixes de concentració, les quals incorporen i fusionen elèctricament un sistema de monitorització de sèries que permet mesurar la intensitat de cada una de les sèries individualment i comunicar les dades via RS485 o radio, estalviant costos en la monitorització i simplificació de la instal·lació. Figura 6.1.2.3. Caixa de concentració del sistema de monitorització Domodata Monsol (Font: https://monsol.net/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 46 • Arduino NANO Placa especialment dissenyada per projectes de reduït cost i on la mida sigui molt important. Les seves dimensions són només de 18,5x43,2 mm, tot i això, és una placa completa, però necessita un cable mini-USB i no té connector d’alimentació externa. Les seves característiques més importants són:  Microcontrolador ATmega328 que funciona a 5 V.  Les sortides treballen amb un voltatge recomanat entre 7-12 V, però és capaç de treballar entre 6-20 V.  14 pins digitals I/O (Entrada/Sortida), 6 d’aquests són sortides PWM. 8 pins d’entrada analògics. Els pins poden treballar amb intensitats de fins a 40 mA.  32 kB de memòria Flash. Una de les plaques més limitades en quant a memòria. Noves versions han passat de 32 kB a 16 kB per tal d’aconseguir un menor consum.  Velocitat de rellotge 16 MHz. Figura 6.1.4.4. Arduino Nano (Font: Font: http://roboticclassroom.blogspot.com/2017/04/) • Arduino DUE És la primera placa d’Arduino basada en ARM, més en concret en un microcontrolador ARM CortexM3 de 32 bits, programable mitjançant el familiar IDE d’Arduino. Aquest microcontrolador augmenta la potència de càlcul disponible mantenint el llenguatge el més compatible possible. La principal característica d’aquesta placa és que a diferencia de les altres funciona a 3,3 V. Si es proporciona més voltatge als pins digitals es pot danyar la placa. Altres característiques són:  Microcontrolador AT91SAM3X8E que funciona a 3,3 V.  Les sortides treballen amb un voltatge recomanat entre 7-12 V, però és capaç de treballar entre 6-20 V.  54 pins digitals de I/O (Entrada/Sortida), 12 d’aquests són sortides PWM. 12 pins d’entrada analògics i 2 pins de sortida analògics.  Intensitat total de sortida DC en totes les línies I/O: 130 mA.  Intensitat DC pel pin de 3,3 V i 5 V: 800 mA.  512 kB de memòria Flash.  Velocitat del rellotge de 84 MHz. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 47 Figura 6.1.4.5. Arduino Due (Font: https://www.miki.pro/arduino-due.php) Un cop s’ha valorat algunes de les plaques amb més reputació dins del món Arduino, degut a la seva quantitat de pins, que permet la connexió de molts perifèrics tant d’entrada com de sortida, i la seva capacitat de memòria flash, que permet la creació d’un codi molt complet, la placa escollida serà l’Arduino Mega. És una placa ideal per aquest tipus d’instal·lacions fotovoltaiques, ja que al tenir una quantitat tan gran de pins, sempre es podrà millorar l’aplicació ampliant la quantitat de perifèrics per obtenir més informació de la instal·lació. A més a més, només necessita d’una alimentació de 9 V per funcionar, i en cas d’haver de canviar el codi per tal d’adaptar-nos a les característiques d’algun habitatge, és tan fàcil com connectar el PC mitjançant el port USB, canviar el codi i tornar-lo a carregar a la placa. 6.1.5. Funcions En aquest apartat s’exposaran totes les funcions que serà capaç de fer el sistema de monitorització dissenyat per habitatges aïllats de la xarxa elèctrica. Aquestes funcions caracteritzaran la unitat de monitorització per tal que sigui el màxim de completa possible i que proporcioni tota la informació imprescindible a l’usuari sobre el funcionament de la instal·lació. Les diferents funcions que serà capaç de dur a terme estaran dividides en tres grups que són els següents: captació de variables, interacció amb l’usuari i alarmes i senyals lluminosos. • Captació de variables Per tal de complir el plec de condicions i proporcionar les variables mínimes obligatòries, aquesta unitat de monitorització serà capaç de proporcionar les següents variables:  Voltatge i intensitat dels mòduls solars.  Voltatge i intensitat de les bateries.  Voltatge i intensitat del domicili (càrrega).  Energia Consumida.  Potència del domicili (càrrega). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 48  Temperatura ambient.  Temperatura de les bateries.  Temperatura de treball dels mòduls solars.  Radiació solar captada per les plaques solars.  Radiació solar captada en un punt allunyat de les plaques solars. • Interacció amb l’usuari El sistema de monitorització disposarà d’un teclat i una pantalla LCD, els quals seran els encarregats de permetre a l’usuari moure’s per un menú amb totes les funciones del sistema de monitorització. Cal destacar que aquest menú estarà disponible en 3 idiomes (català, espanyol i anglès). Els botons del teclat tenen les següents funcions:  A: Menú en català.  B: Menú en castellà.  C: Menú en anglès.  1: Estat de les bateries (%).  2: Temperatura ambient i temperatura de treball de les plaques solars (°C).  3: Voltatge (V) i intensitat (A) de les bateries.  4: Voltatge (V) i intensitat (A) de les plaques solars.  5: Voltatge (V) i intensitat (A) del domicili.  6: Temperatura de les bateries (°C).  7: Radiació solar en un punt allunyat (W/m²).  8: Radiació solar de les plaques solars (W/m²).  9: Potència del domicili (W) i energia consumida (Wh).  0: Comprovació de la brutícia de les plaques solars.  *: Retorn al menú d’escollir funció.  #: Retorn al menú d’escollir idioma. El menú comença amb l’opció d’escollir l’idioma amb el que es vol que es mostrin totes les funcions. L’idioma s’escull amb les lletres del teclat, i sempre que es vulgui es pot tornar a aquest menú amb el botó #. Un cop escollit l’idioma, apareix el menú amb les funcions de la unitat de monitorització, les quals s’escullen amb els números del teclat, i sempre que es vulgui es pot tornar a aquest menú amb el botó *. A més a més de la pantalla i el teclat, el sistema de monitorització també disposarà de dos interruptors, un que serà l’interruptor general, el qual encén o apaga el sistema, i l’interruptor de connexió Bluetooth, el qual quan es posa en mode ON activa la connexió entre la placa Arduino i Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 49 un dispositiu amb connexió Bluetooth. Aquesta última funció ens permet disposar de tota la informació a través d’una aplicació Android. • Alarmes i senyals lluminosos Les alarmes i senyals lluminosos seran les encarregades de donar-nos informació més visual sobre les dades obtingudes a través dels sensors, i d’informar-nos del correcte funcionament de la instal·lació. Primer de tot, destacar que la unitat de monitorització tindrà un display TM1637 on serà mostrada l’hora (hores i minuts) en tot moment. A més a més, quan encenem el sistema també serà mostrada la data a la pantalla LCD. En quan a components lluminosos, hi haurà diversos LEDs, els quals ens donaran informació sobre l’estat del sistema, l’estat de les bateries i la temperatura. En el primer cas, un LED RGB s’il·luminarà de color verd quan el sistema estigui encès, de color vermell quan estigui apagat i de color blau quan estigui en mode Bluetooth. En el segon cas, hi haurà 3 LEDs (verd, groc i vermell). El LED verd s’encendrà quan les bateries estiguin a més del 50%, el groc quan estiguin entre el 25% i el 50%, i el vermell quan estiguin a un valor inferior al 25%. I finalment, en el tercer cas, hi haurà 3 LEDs (blau, blanc i vermell), els quals s’encendran segons la temperatura. Si la temperatura és alta s’encendrà el LED vermell, si és moderada el blanc i si és baixa el blau. D’aquests últims LEDs cal destacar que no utilitzen els mateixos intervals per les diferents temperatures mesurades, ja que el que seria una temperatura ambient elevada, no té perquè serho en el cas de les plaques solars o de les bateries. Finalment, el sistema de monitorització disposarà de dues alarmes, una per informar que les plaques solars estan brutes (fent una comparació de les dues radiacions solars) i una altre per informar del robatori d’aquestes (amb un final de carrera). La primera d’elles només s’activarà en cas d’estar dins de la funció brutícia de les plaques solars del menú. En canvi, la segona s’activarà en qualsevol moment degut a la seva importància. Quan una de les dues alarmes s’activi, sonarà un brunzidor cada 350 ms en el primer cas i cada 200 ms en el segon cas, i s’encendrà un LED vermell. Cal destacar, que en el cas d’estar amb el mode Bluetooth, només funcionaran els LEDs que indiquen l’estat de les bateries i l’alarma de robatori de plaques solars, ja que es creu que són les dues informacions més importants perquè es mostrin en les dues interfícies. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 50 6.1.6. Hardware Per tal que el sistema de monitorització pugui dur a terme totes les funcions exposades a l’apartat anterior necessita els components i sensors adients. Aquests estaran connectats a la placa Arduino, a la qual li enviaran tota la informació. Per tal d’exposar tots els components i sensors que composen el hardware, es faran servir els grups de l’apartat anterior. És important destacar que en aquest apartat només s’exposaran els tipus de sensors que s’utilitzaran i es farà una petita explicació de la seva connexió amb la placa, però no s’esmentarà res sobre l’alimentació i/o condicionament del senyal, que seran explicats en apartats posteriors. A l’apartat 1.2 dels plànols és pot veure amb detall tot el circuit elèctric del sistema de monitorització. • Captació de variables Per la captació de variables s’utilitzaran 4 tipus de sensors que són: sensors de temperatura, sensors de radiació solar, sensors de voltatge i sensors d’intensitat. A més a més, també s’utilitzarà un rellotge RTC per saber l’hora i la data, i un final de carrera relatiu a l’alarma de robatori de plaques solars. o Sensors de temperatura Degut a que el sistema de monitorització captarà la temperatura a 3 llocs diferents (ambient, plaques solar i bateries), es necessitaran 3 sensors diferents els quals s’adaptin el màxim possible a les condicions de treball. El sensor de temperatura de les plaques solars anirà junt amb el sensor de radiació solar d’aquestes, ja que el sensor inclou les dues funcions, i serà explicat a l’apartat de sensors de radiació solar. Per mesurar la temperatura ambient, es farà servir el següent sensor: ▪ DHT22 El DHT22 és un sensor de temperatura i humitat amb unes prestacions que l’apropen molt a les d’alta precisió. Les seves característiques més importants són: • Alimentació de 3,3 V a 6 V. • Consum de corrent de 2,5 mA. • Senyal de sortida digital. • Rang de temperatura de -40 °C a 125 °C. • Precisió per mesurar temperatura a 25 °C de 0.5 °C de variació. • La resolució per mesurar temperatura es de 8-bit, 0,1 °C. • Freqüència de mostreig de 2 mostres per segon: 2 Hz. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 51 Com es pot observar a les figures 6.1.6.1 i 6.1.6.2 el sensor té 3 patilles, una de les quals és d’alimentació 5 V, l’altre per la presa de terra, i la restant, la del mig, anirà connectada a un pin digital de la placa Arduino. Hi ha molts sensors de temperatura que es podrien utilitzar, com per exemple el LM35, DHT11, PT1000, però aquest sensor, a més a més de tenir bones prestacions, és ideal per projectes amb plaques Arduino. Figura 6.1.6.1. Sensor temperatura DHT22 (Font: https://www.hwlibre.com/dht22/) Figura 6.1.6.2. Esquema elèctric de la connexió del sensor de temperatura DHT22 (Font: Pròpia) Per mesurar la temperatura de les bateries és farà servir el següent sensor: ▪ PT1000 Aquest sensor s'utilitza generalment per al mesurament de temperatura en superfícies. El muntatge del sensor a un costat de les bateries permet mesurar la temperatura d'aquesta. Les característiques més importants són les següents: • Rang de mesura: -20 °C a 150 °C (4 a 20 mA). • Tolerància: ±0,8 °C (en el rang de -20 °C fins a +100 °C). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 52 • Sensor autoadhesiu per mesures en superfícies. • Dimensions: 50x100 mm. • Cable de connexió: 3 m de cable de coure; 2x0,5 mm, silicona aïllada, extrems lliures, casquets, resistent a raigs UV. • Màxima longitud de cable: 20 m. El model escollit és de dos fils i anirà connectat al transmissor de PT1000 a 4-20 mA. Aquest transmissor converteix els senyals del sensor de temperatura en senyals de corrent (4-20 mA), per tal que puguin ser llegides per la placa. El transmissor té 5 terminals, els 3 inferiors estan connectats amb el sensor de temperatura PT1000, un dels restants és alimentat a 24 V i l’últim, i amb dues resistències en paral·lel la funció de les quals s’explicarà a l’apartat 6.1.8 Adquisició de dades del sensor, a un pin analògic de la placa. L’esquema elèctric de la connexió del sensor es pot observar a la figura 6.1.6.4. Figura 6.1.6.3. Sensor temperatura PT1000 i transmissor Pt1000 a 4-20 mA (Font: https://www.fronius.com/ i https://www.instructables.com/id/Medicion-De-Temperatura-Con-RTD-PT100-Transmisor-4/) Figura 6.1.6.4. Esquema elèctric de la connexió del sensor de temperatura PT1000 (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 53 o Sensors de radiació solar S’utilitzaran 2 sensors de radiació solar, un per mesurar la radiació en un punt allunyat de la placa solar, i l’altre just al costat de la placa solar. Aquest últim sensor també serà l’encarregat d’informar de la temperatura dels mòduls fotovoltaics. El sensor que estarà més allunyat de la placa solar és el següent: ▪ Sensor Si Els sensors d’irradiació solar de silici ofereixen una solució econòmica però robusta i fiable per mesurar els nivells de radiació solar, especialment per a monitoritzar sistemes fotovoltaics. Les seves característiques més importants són les següents: • Rang de mesura constant de la radiació solar de 0 a 1500 W/m² (4 a 20 mA). • Rang de mesura constant de la temperatura interna de la cel·la del sensor de -40 °C a +90 °C. • Incertesa de mesura al voltant de 5 W/m² ± 2,5% de lectura. Hi ha diversos models d’aquest sensor del fabricant SENSOVANT, el que s’escollirà serà el Si-I-420TC, el qual només mesurarà radiació solar, i tindrà 3 pins. Un pin anirà a terra, l’altre pin anirà a l’alimentació de 24 V i l’últim pin, i amb dues resistències en paral·lel la funció de les quals s’explicarà a l’apartat 6.1.8 Adquisició de dades del sensor, a un pin analògic de la placa. L’esquema elèctric de la connexió del sensor es pot observar a la figura 6.1.6.6. Figura 6.1.6.5. Sensor irradiació solar Si (Font: http://sensovant.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 54 Figura 6.1.6.6. Esquema elèctric de la connexió del sensor de radiació solar Si (Font: Pròpia) ▪ PIKO Sensor És un sensor de temperatura ambient, de temperatura del mòdul solar i de radiació solar complint amb la funció de piranòmetre. Un piranòmetre també seria útil per tal d’obtenir la radiació solar, però és una opció molt menys econòmica. Aquest sensor es composa dels següents components: un sensor de radiació i temperatura ambient que s’instal·larà sobre de la placa solar sense que li faci ombra, un sensor de temperatura del mòdul amb adhesiu que serà enganxat a la part posterior de la placa solar i el cable amb les connexions. Les seves característiques més importants són: • Rang de mesura de la radiació solar: 0-1500 W/m² (0 – 3,125 V). • Rang de mesura de la temperatura ambient i del mòdul fotovoltaic: -35 °C a + 125 °C (0 a 5 V). • Precisió del sensor: ± 5 %. • Consum: Aprox. 30 mW. • Dimensions: carcassa 80x80x60 mm. Placa de muntatge 131x78x2 mm. Aquest sensor té 5 pins, un per alimentació (blanc), 5 V, un per la presa de terra (gris), un per la radiació solar (groc), un per la temperatura del mòdul (verd) i l’últim per la temperatura ambient (marró). Aquest últim no estarà connectat, ja que la temperatura ambient la mesurarem amb un altre sensor. El pin verd i el marró aniran connectats cada un a un pin analògic de la placa Arduino. La connexió del sensor es pot observar a la figura 6.1.6.8. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 55 Figura 6.1.6.7. PIKO sensor (Font: https://www.efimarket.com/piko-sen-sor-medidor-de-tem-per-atura-y- radiacion-solar-300-010) Figura 6.1.6.8. Esquema elèctric de la connexió del sensor de radiació solar PIKO sensor (Font: Pròpia) o Sensors de voltatge Hi haurà 3 sensors de voltatge, un per les bateries, un pels mòduls solars i un per la sortida de l’inversor. Pels dos primers casos, aquests sensors normalment han de mesurar voltatges de 24 V o 48 V, en canvi, per la sortida de l’inversor, els voltatges acostumen a ser de 230 V. Depenent de les característiques de l’habitatge, aquests valors de voltatge poden canviar, i per tant, el condicionament del senyal d’entrada o el model del sensor s’hauria de canviar per tal que s’adaptés a les característiques el millor possible. Els sensors amb els quals es poden mesurar les característiques elèctriques de les bateries i de les plaques solars de la majoria de cases són els següents: ▪ Sensor FZ0430 El mesurador de voltatge FZ0430 és un simple divisor de tensió amb resistències de 30K i 7K5, el que suposa que la tensió percebuda pel mòdul sigui dividida per un factor de 5 (7.5 / (30 + 7.5)). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 62 Figura 6.1.6.18. Esquema elèctric de la connexió del mòdul RTC DS1307 (Font: Pròpia) o Final de carrera Els finals de carrera són sensors de contacte que mostren un senyal elèctric davant la presencia d’un moviment mecànic. Un final de carrera té dos estats, normalment obert o normalment tancat. En aquest cas es farà servir amb el primer estat, ja que la placa normalment estarà pressionant el mecanisme i per tant el circuit estarà obert, sense donar cap senyal. Quan una placa és robada, el mecanisme deixa d’estar pressionat, es tanca el circuit i envia un senyal elèctric a la placa. Un final de carrera té 3 patilles, però només és necessari connectar-ne dues, les quals variaran segons si es vol que l’estat sigui normalment obert o normalment tancat. A més a més, s’afegirà una resistència de pull-down entre una de les patilles, el pin digital de la placa i la presa de terra per tal que el pin digital no quedi en un estat indefinit. A la figura 6.1.6.20 es pot observar la connexió de diversos finals de carrera, cada un situat a una placa solar, i els quals estan connectats al mateix pin digital, i per tant, en cas que una placa solar sigui robada s’activaria l’alarma de robatori. Figura 6.1.6.19. Final de carrera (Font: https://www.electronicaembajadores.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 63 Figura 6.1.6.20. Esquema elèctric de la connexió dels finals de carrera (Font: Pròpia) • Interacció amb l’usuari Els components que s’utilitzaran per a la interacció amb l’usuari són un teclat, una pantalla LCD, interruptors i un mòdul HC-05. o Teclat Matricial S’utilitzarà un teclat matricial, el qual segueix un esquema de codificació que li permet tenir menys pins de sortida que tecles. Si fos un teclat lineal necessitaria un pin per a cada tecla i un pin més de terra. Aquest teclat té un total de 16 tecles, les qual es divideixen en 4 files i 4 columnes. Cada pin va associat a una fila o a una columna, i per tant, té un total de 8 pins, que aniran connectats a 8 pins digitals de la placa Arduino. A la figura 6.1.6.21 es pot veure l’associació entre pins i files o columnes. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 64 Figura 6.1.6.21. Teclat matricial Arduino (Font: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/) o Pantalla LCD 16x2 Una pantalla LCD (Liquid Crystal Dysplay), és una pantalla de cristall líquid que s’utilitza per la visualització de diferents tipus de continguts o informació de manera gràfica mitjançant l’ús de diferents caràcters, símbols o dibuixos. És una pantalla amb retro il·luminació de LED i que pot mostrar dues files de fins a 16 caràcters cada una. La pantalla que s’utilitzarà té 16 pins de sortida, 6 dels quals aniran connectats a pins digitals de l’Arduino (RS, E, D4, D5, D6 i D7) i els quals serveixen per enviar la informació que es vol mostrar a la pantalla des de la placa, un pin (VDD) a l’alimentació de 5 V, dos pins a la presa de terra (RW i VSS) i un pin al potenciòmetre (VEE) amb el qual es podrà controlar el contrast de la pantalla. L’esquema complet de connexió de la pantalla LCD es pot observar a la figura 6.1.6.23. Figura 6.1.6.22. Pantalla LCD 16x2 (Font: https://solectroshop.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 65 Figura 6.1.6.23. Esquema elèctric de la connexió de la pantalla LCD (Font: Pròpia) o Interruptors S’utilitzaran dos commutadors unipolars de dues posicions. Aquests commutadors tenen 3 terminals, un connectat a l’alimentació de 5 V, un connectat a la presa de terra i un connectat a un pin digital de la placa Arduino. A través d’aquest pin digital la placa està informada sobre l’estat de l’interruptor. L’esquema de connexió tant de l’interruptor general com l’interruptor de connexió Bluetooth es pot observar a la figura 6.1.6.25. Figura 6.1.6.24. Interruptor unipolar dues posicions (Font: https://www.cetronic.es/) Figura 6.1.6.25. Esquema elèctric de la connexió dels dos interruptors (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 66 o Mòdul HC-05 El mòdul bluetooth HC-05 és un mòdul mestre-esclau, és a dir, que a més a més de rebre connexions des d’un PC o mòbil, que acostumen a ser dispositius mestres, i per tant ell actua com a esclau, també és capaç de generar connexions com a dispositiu mestre cap altres dispositius bluetooth (esclaus). Aquest mòdul té 6 pins, però es connectaran només 4 a la placa, 2 dels quals són els encarregats de la connexió serial amb la placa Arduino (Rx i Tx), un dels restants anirà connectat a l’alimentació de 5 V i l’altre a la presa de terra. L’esquema de connexió del mòdul HC-05 es pot observar a la figura 6.1.6.27. Aquest tipus de mòdul és ideal per utilitzar-lo en tot tipus de projectes on es necessiti una connexió sense fil fiable i senzilla d’utilitzar. La configuració es duu a terme mitjançant ordres AT. Figura 6.1.6.26. Mòdul connexió Bluetooth HC-05 (Font: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/) Figura 6.1.6.27. Esquema elèctric de la connexió del mòdul Bluetooth HC-05 (Font: Pròpia) • Alarmes i senyals lluminosos Els components que s’utilitzaran per tal de donar informació a l’usuari de forma sonora i lluminosa seran LEDs, brunzidors i un display TM1637. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 67 o LEDs Un LED (Light-Emitting Diode) és un díode emissor de llum. És un dispositiu semiconductor que emet llum incoherent d’espectre reduït quan se’n polaritza de forma directa la unió PN i és travessat per corrent elèctric. S’utilitzaran un total de 9 LEDs, dels qual 4 són vermells, 1 verd, 1 blanc, 1 blau, 1 groc i un LED RGB. Aquest últim té 4 patilles, de les quals tres es connecten a 3 pins digitals amb una resistència prèvia, i la restant es connecta a la presa de terra si volem que la connexió sigui de càtode comú o a l’alimentació si volem que la connexió sigui d’ànode comú. El gran avantatge dels LEDs RGB és que amb un sol LED podem aconseguir tota la gamma de colors. Els altres LEDs tenen dues patilles, una de les quals va a terra (càtode) i l’altre connectada a un pin digital de la placa amb una resistència prèvia (ànode). Amb les resistències connectades entre el pin digital i la patilla del LED, es limita la quantitat de corrent que circula pel díode perquè aquest no sigui destruït. Segons el color del LED, aquesta resistència és d’un valor o d’un altre. Els LEDs vermells, verds, taronges i el RGB utilitzaran una resistència de 220 Ω, en canvi, els LEDs blaus i blancs utilitzaran una resistència de 100 Ω. L’esquema elèctric de la connexió de tots els LEDs de la unitat de monitorització es pot observar a la figura 6.1.6.30. Figura 6.1.6.28. LEDs de diferents colors (Font: https://www.electrorem.es/) Figura 6.1.6.29. LED RGB (Font: http://deimoshackelectronica.blogspot.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 68 Figura 6.1.6.30. Esquema elèctric de tots els LEDs de la unitat de monitorització (Font: Pròpia) o Brunzidors Un brunzidor és un dispositiu electrònic equipat amb un circuit integrat que quan és connectat a un voltatge generen un so a una freqüència determinada. Hi ha dos tipus de brunzidors, els actius i els passius. El brunzidor actiu incorpora un oscil·lador simple i per tant, únicament és necessari subministrar corrent al dispositiu perquè emeti so. En canvi, els passius necessiten rebre una ona de la freqüència per emetre so. L’avantatge dels brunzidors actius és que resulta molt senzill de connectar i controlar. Però, el seu gran desavantatge és que no es pot variar el to del so emès, cosa que si que es pot fer amb un brunzidor passiu. Els dos tipus de brunzidor tenen dues patilles, una de les quals va connectada a un pin digital i l’altre a la presa de terra. L’esquema elèctric de la connexió d’aquests brunzidors es pot observar a la figura 6.1.6.32. Per aquest sistema de monitorització s’escolliran brunzidors passius, per tal de poder adequar el to de l’alarma a les necessitats de l’usuari. Figura 6.1.6.31. Brunzidors passius (Font: https://www.tiendatec.es/electronica/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 69 Figura 6.1.6.32. Esquema elèctric de la connexió dels dos brunzidors (Font: Pròpia) o Display TM1637 El TM1637 és un mòdul amb un display de 4 dígits i 7 segments que té diversos components inclosos, com per exemple un multiplexor, per tal de reduir al mínim el número de connexions. En el cas d’utilitzar un display de 4 dígits i 7 segments normal, es necessitaria una gran quantitat de pins digitals, a més a més d’un multiplexor. La comunicació amb aquest dispositiu és del tipus sèrie de dos fils. El protocol de comunicació consisteix en l’enviament d’una ordre que descriu l’operació a realitzar i si aquesta procedeix, a l’enviament i/o recepció d’informació del mateix. Cada byte de dades que s’envia, ja sigui d’ordre o de dades, va precedit per un senyal d’inici i seguit de la recepció d’un senyal d’estat i l’enviament d’un senyal de finalització Aquest component només té 4 pins, un per l’alimentació de 5 V, un altre per la presa de terra, un d’entrada serial de dades i l’últim d’entrada de senyal del rellotge. Els dos últims van connectats a pins digitals de la placa i els quals són els encarregats de la comunicació amb la placa Arduino. L’esquema elèctric de connexió del display TM1637 es pot observar a la figura 6.1.6.34. Amb aquest display, i amb l’ajuda del rellotge a temps real (RTC), es mostrarà l’hora exacte en tot moment. Figura 6.1.6.33. Display TM1637 (Font: https://www.indiamart.com/proddetail/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 70 Figura 6.1.6.34. Esquema elèctric de la connexió del display TM1637 (Font: Pròpia) 6.1.7. Alimentació En aquest apartat s’explicarà l’alimentació que ha de tenir cada un dels components del sistema de monitorització. La placa Arduino Mega pot ser alimentada o bé amb un adaptador d’alimentació de 9 V o bé pel port USB. L’alimentació a través del port USB requereix d’un dispositiu addicional on connectar, cosa per la qual es farà servir l’adaptador d’alimentació de 9 V. Per tal de simplificar el connexionat, hi haurà un endoll a prop de la placa Arduino per tal de connectar l’adaptador. Sempre que es vulgui es podrà modificar el codi de la placa Arduino connectant un ordinador a través del port USB. La placa Arduino Mega pot alimentar altres components amb 3,3 V o amb 5 V. La majoria dels components del hardware esmentats anteriorment necessiten una alimentació de 5 V, i per tant seran alimentats per la placa Arduino Mega. Aquests components són: • Pantalla LCD. • LEDs (tant els normals com el RGB). • Interruptors. • Brunzidors. • TM1637. • Mòdul HC05. • Sensor DHT22. • PIKO sensor. • Sensor FZ0430. • Mòdul sensor de voltatge AC monofàsic ZMPT101B. • Sensor de corrent ACS758 Gravity. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 71 • Sensor de corrent 20 A ACS712 Velleman. • DS1307. • Final de carrera. El sensor Si, el qual mesurarà la radiació solar en un punt allunyat de les plaques solars, i el transmissor PT1000 a 4-20 mA necessiten una alimentació de 24 V. Per tant, s’utilitzarà un adaptador d’alimentació de 24 V. 6.1.8. Adquisició dades dels sensors Per tal de rebre un senyal que la placa Arduino pugui entendre i processar, a vegades és necessari fer un condicionament del senyal enviat pel sensor. Hi haurà alguns sensors que no serà necessari degut a que ja envien el senyal corresponent perquè la placa Arduino la pugui processar. De tots els sensors que s’utilitzaran, n’hi ha que van connectats directament a un pin digital de la placa Arduino. Aquests sensors envien un senyal que, amb la utilització de la llibreria i directriu d’Arduino adient, és convertit als valors de la variable que estem mesurant. Els sensors amb aquestes característiques són els següents: • DHT22: Aquest sensor té un sistema de comunicació bidireccional mitjançant un únic conductor que utilitza senyals temporitzats. Cada enviament de mesura del sensor té un total de 40 bits. • Mòdul RTC DS1307: Aquest sensor es comunica a través del bus I2C, el qual té uns pins exclusius a la placa Arduino Mega que són els números 20 (SDA) i 21 (SCL). Tots els altres sensors, i per tant la gran majoria, aniran connectats a un pin analògic de la placa Arduino. Les entrades analògiques normalment estan configurades perquè vagin de 0 a 5 V, tot i que es poden configurar perquè vagin de 0 a 1,1 V, de 0 a 2,56 V o de 0 a un voltatge aplicat en un pin que serveix de referència, però no pot superar els 5 V. Per aquest sistema de monitorització serà utilitzada la configuració de sèrie (de 0 a 5V). A més a més, també és important destacar que les entrades analògiques tenen una resolució de 10 bits, el que proporciona 1024 nivells digitals, que a 5 V suposa que és capaç de detectar variacions del senyal d’entrada de quasi 5 mV. Això significa que quan és llegeix l’entrada analògica s’obté un valor entre 0 i 1024, el qual caldrà transformar en valors de la variable mesurada. Per tal de transformar el valor entre 0 i 1024 es farà servir una funció del llenguatge Arduino anomenada map. Aquesta funció canvia un número d’un interval a un altre. Per tant, si el sensor ens dona valors de -20 °C a 50 °C, aquesta funció convertirà el rang de 0 a 1024 en el rang de temperatures del sensor. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 78 Si és polsat el botó de radiacions solars apareix la pantalla següent: Figura 6.1.9.4 Pantalla de radiacions solars de l’aplicació mòbil amb els tres idiomes. (Font: Pròpia) On: 1) Mostra el valor de la radiació solar en un punt allunyat de les plaques solars. 2) Mostra el valor de la radiació solar al costat de les plaques solars. 3) Ens informa si les plaques estan brutes o netes segons si les radiacions anteriors són similars o no. 1 2 3 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 79 Si és polsat el botó de voltatges i intensitats apareix la pantalla següent: ç Figura 6.1.9.5 Pantalla voltatges i intensitats de l’aplicació mòbil amb els tres idiomes. (Font: Pròpia) On: 1) Mostra el valor del voltatge de les bateries (V). 2) Mostra el valor de la intensitat de les bateries (A). 3) Mostra el valor del voltatge de les plaques solars (V). 4) Mostra el valor de la intensitat de les plaques solars (A). 5) Mostra el valor del voltatge de càrrega del domicili (V). 6) Mostra el valor d’intensitat de càrrega del domicili (A). 7) Mostra la potència de càrrega del domicili (W). 8) Mostra l’energia consumida (Wh). 1 3 5 7 2 4 6 8 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 80 Finalment, i en el cas que es produeixi un robatori d’alguna de les plaques solars, surt el següent avís amb l’idioma escollit: Figura 6.1.9.6 Avís robatori de plaques solars a l’aplicació mòbil amb els tres idiomes. (Font: Pròpia) 6.1.10. Programes utilitzats Els programes utilitzats per realitzar el disseny del sistema de monitorització (esquemes elèctrics, codi de programació i aplicació Android) són els següents: • Arduino IDE: És un software amb el qual s’escriu el codi que posteriorment es carregarà a la placa Arduino. • Proteus: És un software simulador de circuits que s’utilitzarà pel disseny dels esquemes elèctrics del sistema de monitorització. • MIT app inventor: És un entorn de desenvolupament integrat per a aplicacions web subministrat originalment per Google, i ara mantingut pel Massachusetts Institute of Technology (MIT). Aquest software l’utilitzarem per crear tant el disseny de l’aplicació per telèfons mòbils com el codi de programació. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 81 7. Exemple d’aplicació a una instal·lació solar d’un habitatge En aquest apartat s’exposaran les característiques i es farà el dimensionat d’una instal·lació solar a una casa unifamiliar aïllada de la xarxa elèctrica. Servirà com exemple per tal de veure l’aplicació de la unitat de monitorització explicada a l’apartat anterior. Cal destacar que aquesta instal·lació només servirà com exemple, ja que la unitat de monitorització no només està dissenyada per aquesta casa, sinó per qualsevol habitatge del mateix tipus. L’apartat es dividirà en tres subapartats que són: les característiques de la instal·lació solar, el dimensionat i la selecció de components. El primer estarà format per la definició, la localització de la instal·lació i el clima del lloc on estarà situada. En quant al dimensionat, algunes de les característiques més importants són la tensió nominal de funcionament, el consum d’energia total, la radiació total diària per mes, el càlcul d’hores pic... Finalment, a l’apartat de selecció de components, i en base als valors obtinguts a l’apartat de dimensionat, s’escolliran els components que formen la instal·lació fotovoltaica, com són el regulador, l’inversor, els panells solars, les bateries... Cal destacar que tant la casa com la localització d’aquesta són fictícies, és a dir, no s’ha agafat una casa existent ni la seva pertinent localització, sinó que s’ha triat una casa aleatòria i una localització en la qual podria estar construïda perfectament. 7.1. Característiques instal·lació solar 7.1.1. Definició La casa la qual serà dotada de la instal·lació fotovoltaica per tal d’aïllar-la de la xarxa elèctrica és una casa fictícia amb les següents característiques principals: • 3 dormitoris • 2 banys • 1 cuina • 1 sala d’estar • 1 menjador • 1 despatx • 2 terrasses (1 gran i 1 petita) • 1 jardí Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 82 La superfície total d’aquesta serà de 250 m², dels quals 120 m² són construïts i els restants, 130 m², són de jardí. La superfície construïda és d’una sola planta i es divideix en 100 m² interiors, 14 m de la terrassa gran i 6 m de la petita. A la figura 7.1.1.1 podem observar la disposició de totes les habitacions de la casa. També cal destacar que al tenir jardí, podrem instal·lar els panells solars o a la teulada o al jardí segons el que sigui més convenient. Figura 7.1.1.1. Plànol de l’habitatge escollit (Font: https://www.abitaredecoracionblog.com/) 7.1.2. Localització i clima L’habitatge està situat a la població de Corbins, província de Lleida, Catalunya. Les coordenades geogràfiques exactes en graus decimals són: 41,687065; 0,699528. I està a una altitud sobre el nivell del mar de 211 m. Figura 7.1.2.1. Localització de l’habitatge escollit (Font: https://www.google.es/maps) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 83 El clima de Lleida es classifica com un clima d’estepa local. Durant l’any hi ha poques precipitacions, amb una mitjana anual de 423 mm. En quant a temperatura la mitja anual és de 15,2 °C. Una altre característica a destacar del clima de Lleida és que la diferencia en les precipitacions entre els mesos més secs i mes humits és de 34mm i les temperatures mitjanes varien durant l’any en 19,2 °C. Si ens fixem en la radiació solar, i segons el Departament de Medi Ambient i Habitatge de la Generalitat de Catalunya, el municipi de Corbins té una radiació solar mitjana diària anual de 15587 kJ/m², sent una de les més altes de Catalunya com es pot observar en el mapa de la figura 7.1.2.2. Figura 7.1.2.2. Mapa radiació solar Catalunya (Font: http://icaen.gencat.cat/) A nivell estatal hi ha zones meridionals amb més radiació solar diària anual, sobretot Andalusia, com es pot veure a la figura 7.1.2.3. Tot i això , la zona de Lleida continua sent una de les zones amb més radiació solar. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 84 Figura 7.1.2.3. Mapa radiació solar Espanya (Font: http://www.aemet.es/) Amb aquesta informació podem arribar a la conclusió que la zona de Lleida, i més en concret la població de Corbins, és un territori ideal per instal·lar una casa aïllada de la xarxa elèctrica on l’electricitat és subministrada fotovoltaicament. 7.2. Dimensionat 7.2.1. Consum energia total de la instal·lació A la taula 7.2.1.1 es mostren tots els equips que consumiran electricitat a la casa, especificant la seva potència i el seu temps d’ús diari, amb els quals podrem saber tant el consum diari i anual de cada equip individualment com el de tot el conjunt de l’habitatge. És important senyalar que les dades del temps d’ús diari són una estimació, ja que no es poden determinar exactament i varien segons l’època de l’any. Per aquesta raó, l’estimació es fa amb la previsió de temps màxim d’ús diari de cada equip, per així tenir subministrament en el pitjor del casos. També cal destacar que com la casa és d’ús diari durant tot l’any s’agafen valors de consum mitjans de tot l’any. En el cas que estigués destinada a un ús exclusiu d’una època de l’any , com per exemple l’estiu, s’agafarien els valors mitjans dels mesos d’estiu. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 85 Taula 7.2.1.1. Consum elèctric de tots els components de l’habitatge. Equip (230 Vac) Potència Nominal (W) Número d’equips Potència Nominal Total (W) Temps d’ús diari (h) Demanda energia diària (Wh/dia) Demanda energia Anual (kWh/any) Il·luminació Habitació 1 5 2 10 3 30 10,95 Il·luminació Habitació 2 5 2 10 3 30 10,95 Il·luminació Habitació 3 5 2 10 3 30 10,95 Il·luminació bany 1 5 2 10 0,5 5 1,83 Il·luminació bany 2 5 2 10 0,5 5 1,83 Il·luminació cuina 10 2 20 2 40 14,60 Il·luminació sala d’estar 5 4 20 4 80 29,20 Il·luminació despatx 5 3 15 2 30 10,95 Il·luminació menjador 5 3 15 4 60 21,90 Il·luminació terrassa gran 2 4 8 2 16 5,84 Il·luminació terrassa petita 2 2 4 2 8 2,92 Nevera 150 1 150 12 1800 657,00 Rentadora 700 1 700 0,75 525 191,63 Rentaplats 1100 1 1100 0,75 825 301,13 TV 110 1 110 4 440 160,60 Ordinador 150 1 150 3 450 164,25 Càrrega Mòbil 10 2 20 1,5 30 10,95 Mòdem ADSL 20 1 20 24 480 175,20 Impressora 100 1 100 0,5 50 18,25 Microones 800 1 800 0,25 200 73,00 Altres Consums 200 - 200 - 200 36,50 Total - - 3482 - 5334 1946,91 Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 86 Després de fer el càlcul de consum elèctric de tots els equips, i afegint un coeficient de seguretat recomanable del 20%, podem concloure que el consum diari de la casa serà d’uns 6400,80 Wh/dia i el consum anual, suposant que el consum diari és constant durant tot l’any, serà d’uns 2336,30 kWh/any. També es pot observar que la potència total dels equip serà de 3482 W. És evident que el consum diari i la generació d’electricitat fotovoltaicament dependrà de l’època de l’any, sent aquesta última molt inferior a l’hivern que a l’estiu degut a les hores de sol. 7.2.2. Tensió nominal de funcionament A la taula 7.2.2.1 s’indiquen els nivells de voltatge del mòdul fotovoltaic en funció de les necessitats de consum de potència de l’habitatge. Taula 7.2.2.1. Nivell de voltatge del mòdul fotovoltaic en funció de les necessitats de consum de potència. Potència demandada (W) Tensió de funcionament del sistema fotovoltaic (V) < de 1500 W 12 V Entre 1500 W i 5000 W 24 V o 48 V ˃ 5000 W 120 V o 300 V Seguint les recomanacions de la taula anterior, la instal·lació fotovoltaica de la casa tindrà una tensió de funcionament de 24 V, ja que la potència demandada està entre 1500 W i 5000 W, i per tant es recomana que la tensió de funcionament sigui de 24 V o 48 V. 7.2.3. Estimació consum diari amb pèrdues incloses S’ha de tenir en compte que a la instal·lació hi haurà pèrdues pel rendiment de les bateries i de l’inversor i això influeix en l’energia necessària final. Generalment, per un bon dimensionat, suposarem un rendiment de la bateria del 95% , un 90% de l’inversor i un 100% del cablejat. Pel càlcul del consum mitjà diari es fa servir la següent expressió: 𝐿𝑚𝑑 =𝐿𝑚𝑑,𝐷𝐶 +𝐿𝑚𝑑,𝐴𝐶 𝜂𝑖𝑛𝑣 𝜂𝑏𝑎𝑡 · 𝜂𝑐𝑜𝑛 =0 + 6400,80 0,90 0,95 · 1 =7486,32 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎 (Eq 7.2.3.1) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 87 On: Lmd: Consum d’energia mig diari en Wh/dia. Lmd,DC: Consum mig d’energia diari de les càrregues en continua. Lmd,AC: Consum mig d’energia diari de les càrregues en alterna. ηinv: Rendiment de l’inversor. ηbat: Rendiment de les bateries. ηcon: Rendiment del cablejat. També es pot expressar com el consum d’energia mig en Ah/dia: 𝑄𝐴ℎ =𝐿𝑚𝑑 𝑉𝑏𝑎𝑡 =7486,32 24 =311,93 𝐴ℎ (Eq 7.2.3.2) On: QAh: Consum d’energia mig en Ah/dia. Vbat: Tensió nominal de funcionament. 7.2.4. Orientació i inclinació òptima dels panells solars És imprescindible escollir una orientació i una inclinació adequades dels panells solars, ja que una bona elecció permetrà als panells captar el màxim de radiació solar i convertir-la en electricitat. És important conèixer els dos angles que determinaran l’orientació i la inclinació dels panells solars. Aquests són l’angle d’inclinació (β) i l’angle azimut (α). El primer és l’angle que forma la superfície dels mòduls amb el pla horitzontal (0° per mòduls horitzontals i 90° per verticals) i el segon és l’angle entre la projecció sobre el pla horitzontal de la normal a la superfície del mòdul i meridià del lloc (0° per mòduls orientats al sud, -90° per mòduls orientats a l’est i +90° per mòduls orientats a l’oest). Es buscarà, en la mesura del possible, orientar el generador de forma que l’energia captada sigui màxima en el període de disseny (α=0°,βopt). Tot i això, no serà sempre possible orientar i inclinar el generador de forma òptima, ja que poden influir altres factors com l’acumulació de brutícia en els mòduls, la resistència del vent, les ombres... En aquest cas, se suposarà que es pot inclinar i orientar els panells en l’angle escollit, el qual es determinarà a continuació, gràcies a que l’habitatge té un jardí pla i amb suficient espai per fer-ho. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 94 Figura 7.2.6.1. Gràfica hores solar pic (Font: http://calculationsolar.com/blog/?cat=3) 7.2.7. Pèrdues per orientació, inclinació i ombres Primer de tot, es determinarà el factor d’irradiació per l’orientació i la inclinació (FI), que és el percentatge de radiació incident per un generador d’orientació i inclinació (α,β) respecte a la corresponent per una orientació i inclinació òptimes (α=0°, βopt). Amb aquest valor es podrà obtenir les pèrdues de radiació respecte a l’orientació i la inclinació, que venen donades per (1-FI). Per calcular el FI s’utilitzen les següents expressions aproximades: 𝐹𝐼 = 1 − [1,2𝑥10−4(𝛽 − 𝛽𝑜𝑝𝑡)2+ 3,5𝑥10−5𝛼2 𝑝𝑒𝑟 15° < 𝛽 < 90° 𝐹𝐼 = 1 − [1,2𝑥10−4(𝛽 − 𝛽𝑜𝑝𝑡)2 𝑝𝑒𝑟 𝛽 ≤ 15° (Eq 7.2.7.1) (Eq 7.2.7.2) I per tant, en aquest cas s’utilitzarà la primera expressió. 𝐹𝐼 = 1 − [1,2𝑥10−4(37 −67)2+ 3,5𝑥10−502= 0,90 =90 % 𝑃è𝑟𝑑𝑢𝑒𝑠 = 1 − 𝐹𝐼 = 1 − 0,90 = 0,10 =10 % (Eq 7.2.7.3) (Eq 7.2.7.4) Les pèrdues per orientació i inclinació seran d’un 10 %. Per obtenir les pèrdues per ombres es té en compte el factor d’ombrejat (FS), que és el percentatge de radiació incident sobre el generador respecte el cas d’absència total d’ombres. Amb aquest valor es podran obtenir les pèrdues d’ombrejat, que venen donades per (1-FS). En el cas de l’habitatge escollit, es suposarà que no hi ha pèrdues d’ombrejat, ja que ni hi ha cases pròximes, ni hi ha bosc al costat, ni el jardí té arbres que puguin fer ombres. Un altre factor que pot Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 95 generar ombres és la distancia entre panells solars. En l’apartat 7.3.1.1 Distancia mínima entre files consecutives es determinarà la distancia mínima perquè no hi hagi generació d’ombres entre panells. Per tant, el FS tindrà un valor 1 i les pèrdues seran del 0%. 7.2.8. Rendiment energètic de la instal·lació El rendiment energètic de la instal·lació o “performance ratio” (PR) és l’eficiència de la instal·lació en condicions reals de treball pel període de disseny, en aquest cas el mes de Desembre. S’obté amb la següent equació: 𝑃𝑅 =𝐸𝐷· 𝐺𝐶𝐸𝑀 𝐺𝑑𝑚(𝛼,𝛽)· 𝑃 𝑚𝑝 (Eq 7.2.8.1) On: GCEM: 1 kW/m². Pmp: Potència pic del generador (kWp). ED: Consum expressat en kWh/dia. Aquest factor considera les pèrdues en l’eficiència energètica degut a: • La temperatura. • El cablejat. • Les pèrdues per dispersió de paràmetres i brutícia. • Les pèrdues per errors en el seguiment del punt màxim de potència. • L’eficiència energètica, ηrb, d’altres elements en operació com el regulador, bateria, etc. • L’eficiència energètica de l’inversor, ηinv. • Altres. Segons el Plec de condicions tècniques d’instal·lacions aïllades de la xarxa (PCT) (IDAE), en sistemes amb inversor i bateria, com és el cas, i amb efectes de càlcul i simplicitat, es pot utilitzar valors de PR≈0,6. 7.2.9. Paràmetres del generador Segons el plec de condicions tècniques de d’instal·lacions aïllades de la xarxa (PCT) (IDAE), per a la selecció dels panells solars es necessitaran saber els següents paràmetres: irradiació sobre el generador (Gdm(α,β)) i la potència mínima necessària (Pmp,min). Per obtenir el primer paràmetre es farà servir la següent expressió: Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 96 𝐺𝑑𝑚(𝛼,𝛽)= 𝐺𝑑𝑚(0)·𝐾·𝐹𝐼 ·𝐹𝑆 (Eq 7.2.9.1) On: Gdm(0): Valor mig mensual o anual de la irradiació diària sobre la superfície horitzontal en kWh/(m²·dia). K: 𝐾 = 𝐺𝑑𝑚(𝛼=0,𝛽𝑜𝑝𝑡) 𝐺𝑑𝑚(0) . FI: Factor d’irradiació, obtingut anteriorment i amb valor de 0,90. FS: Factor d’ombrejat, obtingut anteriorment i amb valor de 1. Com s’utilitza el mètode del més crític (Desembre), es prendrà el valor mig d’irradiància diària de Desembre amb l’angle escollit i sobre la superfície horitzontal, aquests són: • Gdm,Desembre(0) = 1,7203 kWh/(m²·dia). • Gdm,Desembre (α=0, βopt)= 3,6565 kWh/(m²·dia). I per tant, el valor de la K: 𝐾 = 3,6565 1,7203 = 2,13 (Eq 7.2.9.2) Amb tots aquests valors s’obté la irradiació sobre el generador al mes crític: 𝐺𝑑𝑚,𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟(𝛼,𝛽)= 𝐺𝑑𝑚,𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑒(0)·𝐾·𝐹𝐼 ·𝐹𝑆 = 1,7203 · 2,13 · 0,9 · 1 = 3,2978 𝑘𝑊ℎ/(𝑚² · 𝑑𝑖𝑎) (Eq 7.2.9.3) Finalment, s’obté la potència mínima necessària amb la següent expressió: 𝑃𝑚𝑝,𝑚𝑖𝑛 =𝐸𝑑· 𝐺𝐶𝐸𝑀 𝐺𝑑𝑚,𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟(𝛼,𝛽) · 𝑃𝑅 =7,4863 · 1 3,2978 · 0,6 = 3,7835 𝑘𝑊𝑝 (Eq 7.2.9.4) On: GCEM: 1 kW/m². ED: Consum expressat en kWh/dia. PR: Rendiment energètic de la instal·lació. Gdm,Desembre(α,β): Irradiació sobre el generador al mes de Desembre. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 97 És important destacar que la potència nominal del generador ha de ser, com a màxim, un 20% superior al valor Pmp,min. Per tant, si fem el càlcul, el nostre generador no podrà superar la potència de 4,5402 kWp. 7.2.10. Paràmetres del sistema d’acumulació El sistema d’acumulació ha de respectar uns límits establerts pel PCT que són els següents: • L’autonomia mínima del sistema serà de tres dies. • Com a cas general, la capacitat nominal de la bateria no excedirà en 25 cops el corrent de curtcircuit en CEM del generador fotovoltaic. El valor de l’autonomia es calcula amb la següent expressió: 𝐴 = 𝐶20𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥 𝐿𝐷𝜂𝐼𝑖𝑛𝑣𝜂𝑟𝑏 (Eq 7.2.10.1) On: A: Autonomia del sistema en dies. C20: Capacitat de l’acumulador en Ah. PDmax: Profunditat de descàrrega màxima. LD: Consum diari mig de la càrrega en Ah. ηinv: Rendiment energètic de l’inversor. ηrb: Rendiment energètic del acumulador + regulador. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 98 7.2.11. Resum característiques de la instal·lació solar A la taula 7.2.11.1 es mostren els valors dels paràmetres més importants calculats fins aquest apartat. Taula 7.2.11.1. Resum valors dels paràmetres més importants calculats fins ara. Paràmetre Unitats Valor Municipi Corbins Latitud Graus 41,687065° Tensió funcionament Volts 24 ED kWh/dia 7,4863 Període de disseny Més crític Desembre (αopt,βopt) Graus (0°,37°) (α,β) Graus (0°,67°) HSPDesembre Hores 3,66 Gdm,Desembre(0) kWh/(m²·dia) 1,7203 FI 0,90 FS 1 PRDesembre 0,60 Gdm,Desembre(α,β) kWh/(m²·dia) 3,2978 Pmp,min kWp 3,7835 Pmp kWp 4,5402 7.3. Selecció components principals de la instal·lació fotovoltaica 7.3.1. Selecció panells solars Per a l’elecció dels panells solars s’ha de tenir en compte els següents paràmetres: la mida, el voltatge nominal de funcionament, la potència mínima necessària, l’energia diària necessària a produir, les condicions de radiació de cada mes i les condicions de la instal·lació. La mida dels panells solars acostuma a ser un dels paràmetres més importants, ja que quan s’instal·len al sostre d’una casa, les dimensions prenen un paper molt important. En aquest cas, i al instal·lar els panells al jardí, no serà un paràmetre molt important. Tot i això, s’agafarà el panell més petit per tal d’ocupar el mínim d’espai possible. El altres paràmetres per escollir els panells solars s’han determinat en apartats anteriors. Els seus valors són els següents: Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 99 • Voltatge nominal de funcionament: 24 V. • Potència mínima necessària: 3783,50 Wp. • Energia diària necessària: 7486,32 Wh/dia. S’han escollit dos panells diferents que compleixen aquestes condicions i es farà una petita comparació per escollir un d’ells. • Panell solar 340 Wp 24 V Policristal·lí ERA El panell solar 340 W 24 V policristal·lí ERA s’ajusta perfectament als diferents tipus de consums dels habitatges. Aquest panell solar 340 W 24 V, de 72 cèl·lules d'alt rendiment i de tipus policristal·lí permet una gran producció a un preu molt ajustat. El panell solar incorpora 90 cm de cable per cada pol a la part posterior del panell, per a poder-lo connectar més fàcilment. Les característiques tècniques més importants són les següents: o Potència del Panell Solar: 340W. o Tipus de cèl·lula del panell solar: Policristal·lí. o Rigidesa del panell solar: Rígid. o Dimensions del panell solar: 1956 x 992 x 40 mm. o Tensió màxima potència: 38.5 V. o Corrent en curtcircuit ISC: 9.45 A. o Eficiència del mòdul: 17.5%. o Ampers màxims de sortida IMP: 8.84 A. o Tensió en circuit obert: 46.4 V. o Voltatge de treball del panell solar: 24 V. o Pes del panell solar: 20.9 Kg. o Preu: 150 €. • Panell Solar 400 Wp El Panell Solar 400 W PERC Monocristal·lí ERA ofereix una bona opció per instal·lar la màxima potència en el menor espai. Degut a les seves cèl·lules monocristal·lines PERC d'elevat rendiment, té gairebé un 25 % més de producció respecte a un panell de 330W i amb la mateixa mida. És perfecte per diferents instal·lacions fotovoltaiques gràcies a la seva elevada eficiència. És un panell solar de 72 cèl·lules, el que ens indica que és de 24 V. Les característiques tècniques més importants són les següents: o Potència del panell solar: 400 W. o Tipus de cèl·lula del panell solar: Monocristal·lí PERC. o Rigidesa del panell solar: Rígid. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 100 o Dimensions del panell solar: 1979 x 1002 x 40 mm. o Tensió màxima potència: 41.7 V. o Corrent en curtcircuit ISC: 10.36 A. o Eficiència del mòdul: 20.17 %. o Ampers màxims de sortida IMP: 9.6 A. o Tensió en circuit obert: 49.8 V. o Voltatge de treball del panell solar: 24 V. o Pes del panell solar: 22.5 Kg. o Preu: 210 €. Els dos panells són molt similars en quan a característiques tècniques, però degut a que la diferència de preu és considerable, s’escollirà el primer d’ells. Un cop s’ha escollit el tipus de panells solars, és necessari saber la quantitat de panells que s’hauran d’instal·lar. A més a més de la quantitat, també és important saber quants es connectaran en paral·lel, els quals determinaran la potència total del conjunt de mòduls solars, i quants en sèrie, els quals determinaran a la tensió que treballa el conjunt de mòduls fotovoltaics. Per a saber-ho, es fan servir les següents expressions: 𝑁𝑃𝑚𝑖𝑛 =𝐸𝐷 𝐻𝑆𝑃𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑏𝑟𝑒 · 𝜂𝑡𝑟𝑒𝑏𝑎𝑙𝑙 · 𝑃 𝑚 (Eq 7.3.1.1) 𝑁𝑃𝑆=𝑉 𝑛𝑠 𝑉 𝑛𝑝 (Eq 7.3.1.2) 𝑁𝑃𝑃=𝑃𝑁 𝑁𝑃𝑆· 𝑃 𝑚 (Eq 7.3.1.3) 𝑁𝑃𝑇=𝑁𝑃 𝑠·𝑁𝑃𝑃 (Eq 7.3.1.4) On: NPmin: Número de panells solars mínim. ηtreball: Rendiment de treball. Té en compte pèrdues produïdes pel possible embrutiment i/o deteriorament dels panells fotovoltaics (normalment entre 0,7-0,8). Pm: Potència pic del mòdul fotovoltaic en Wp. NPS: Número de panells solars en sèrie. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 101 Vns: Tensió de funcionament de la instal·lació en V. Vnp: Tensió de funcionament del panell solar en V. NPP: Número de panells solars en paral·lel. PN: Potència nominal total de la instal·lació en W. NPT: Número de panells solars totals.. Amb els valors obtinguts en els apartats anteriors, s’obtenen el següents resultats: 𝑁𝑃𝑚𝑖𝑛 =7486,32 3,66 · 0,8 · 340 = 7,52 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑠 (Eq 7.3.1.5) 𝑁𝑃𝑆=24 24 = 1 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑙 𝑒𝑛 𝑠è𝑟𝑖𝑒 (Eq 7.3.1.6) 𝑁𝑃𝑃=3482 1 · 340 =10,24 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙 · 𝑙𝑒𝑙 (Eq 7.3.1.7) 𝑁𝑃𝑇= 1 · 10,24 =10,24 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑙𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑠 (Eq 7.3.1.8) Després d’obtenir els resultats, es conclou que seran necessaris 11 panells solars connectats en paral·lel, ja que és el número de panells que compleix amb tots els requisits exposats fins ara. Ara bé, si obtenim la potència total del generador (11·340 Wp), surt una potència total de 3740 Wp, que és inferior a la potència mínima que havia de tenir el generador, calculada anteriorment, i que tenia un valor de 3783,50 Wp. Per solucionar-ho, s’afegeix un panell solar més, aconseguint una potència total de 4080 Wp (12·340 Wp), la qual no supera el màxim de potència que pot tenir el generador (4540,2 Wp), i per tant, ara sí, complint tots els requisits. 7.3.1.1. Distància mínima entre files consecutives Per a determinar la distancia mínima entre files consecutives (d), mesurada sobre l’horitzontal, s’utilitzarà l’expressió 7.3.1.1.1. Aquesta distancia ha d’assegurar un mínim de 4 hores de sol al voltant del migdia del solstici d’hivern. I per tant, la distancia ha de ser superior a l’ obtinguda amb l’expressió: 𝑑 = ℎ/𝑡𝑔(61° − ɸ) (Eq 7.3.1.1.1) On: d: separació entre files. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 102 h: altura de l’obstacle o diferència d’altura entre la part alta d’una fila de panells solars i la part baixa de la següent. ɸ: Latitud del lloc. Figura 7.3.1.1.1. Distancia entre panells solars per evitar ombres (Font: https://elblogdelinstalador.com) El panell solar escollit té una altura de 1,956 m, la qual s’arrodonirà a 2 m per fer el càlcul. 𝑑 = 2 𝑡𝑔(61° −41,687065)= 5,70 𝑚 (Eq 7.3.1.1.2) Per tal de simplificar la instal·lació, la separació de files serà de 6 m. Per saber la longitud total que ocuparan les files es calcula la longitud horitzontal de cada una d’elles amb una simple llei trigonomètrica. Com la forma que fa el panell solar amb el terra és un triangle rectangle, se sap que la longitud horitzontal serà: 𝑥 = 𝐿 · 𝑐𝑜𝑠(𝛼)= 2 · 𝑐𝑜𝑠(67)= 0,78 𝑚 (Eq 7.3.1.1.3) La llargada total serà de 6,78 m. Finalment, es formaran dues files de 6 panells cada una, de tal manera que si cada panell te una amplada d’un metre aproximadament, el total d’amplada de la fila serà de 6 m. Per tant, el total de superfície que ocuparan els panells solars serà de 6,78 m de llargada per 6 m d’amplada, ocupant una superfície total de 41,22 m². Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 103 7.3.1.2. Condicionament voltatge plaques solars Degut a que el voltatge dels panells solars pot arribar a valors de quasi 50 V i el sensor escollit només pot mesurar fins a voltatges de 25 V, s’implementarà un divisor de voltatge entre els dos components per tal d’aconseguir valors que el sensor sigui capaç de mesurar. Per tant, per tal d’aconseguir que el voltatge de sortida sigui la meitat que el d’entrada, s’utilitzarà un divisor de tensió compost de dues resistències del mateix valor. Les resistències que s’utilitzaran seran de 10 kΩ, com es pot apreciar a la següent expressió: 𝑉𝑜𝑢𝑡 =10000 10000 +10000 ·50 =25 𝑉 (Eq 7.3.1.2.1) A la figura 7.3.1.2.1 es pot observar la connexió entre les plaques solars, el divisor de tensió i el sensor. Figura 7.3.1.2.1. Esquema de connexió plaques solars, divisor de tensió i sensor FZ0430. (Font: Pròpia) 7.3.2. Sistema d’acumulació Per escollir el sistema d’acumulació que es farà servir, s’ha de tenir en compte la capacitat total necessària, l’autonomia de les bateries, la tensió de funcionament i la capacitat nominal de la bateria. Primer de tot, s’exposaran dues bateries, per tal de fer els càlculs pertinents amb les dues i escollir la millor opció per la instal·lació fotovoltaica. Les bateries escollides són les següents: • Bateria Solar SCL Power DC-510 6V 510Ah Les bateries de cicle profund SCL Power DC estan especialment dissenyades per poder funcionar amb cicles de descàrrega superiors al 50%. Tenen un disseny òptim de plaques reforçades per augmentar la seva durabilitat, així com una òptima entrega d’energia. A més a més, les plaques Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 110 Figura 7.3.5.1. Taula seccions cables de coure segons intensitat màxima admissible (Font: http://www.f2i2.net/) • Tram panells solars-reguladors L= 12,5 m. Ip-r= 6 · 8,84: 53,04 A. ∆V= 0,36 V (1,5 %). 𝑆 = 2 · 12,5 · 53,04 0,36 ·56 =65,77 𝑚𝑚² (Eq 7.3.5.2) Per tant, fent servir la taula anterior, la secció normalitzada serà de 70 mm². El cable serà del tipus E, 2xPVC, i per tant, permeten una intensitat màxima de 202 A, que supera la intensitat del tram generador fotovoltaic-reguladors. • Tram reguladors-bateries L= 3 m. Ir-b= 85 A. ∆V= 0,36 V (1,5 %). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 111 𝑆 = 2 · 3 · 85 0,36 ·56 =25,30 𝑚𝑚² (Eq 7.3.5.3) Per tant, fent servir la taula anterior, la secció normalitzada serà de 35 mm². El cable serà del tipus C, 2xPVC, i per tant, permeten una intensitat màxima de 110 A, que supera la intensitat del tram regulador-bateries. • Tram bateries-Inversor El càlcul d’aquest tram de cable s’ha de fer segons la potència màxima de l’inversor, i no només la potència dels receptors de la instal·lació. L= 3 m. Ib-i= Pinv,max/(ηinv·Vn)= 4000 W (0,9·24 V)= 185,20 A. ∆V= 0,36 V (1,5 %). 𝑆 = 2 · 3 · 185,20 0,36 ·56 =55,05 𝑚𝑚² (Eq 7.3.5.4) Per tant, fent servir la taula anterior, la secció normalitzada serà de 70 mm². El cable serà del tipus C, 2xPVC, i per tant, permeten una intensitat màxima de 171 A, que no supera la intensitat de les bateries a l’inversor. Per això, s’escollirà una secció de 95 mm², la qual permet 201 A d’intensitat màxima, i ara sí que es compleixen tots els requisits. • Tram Inversor-Caixa de proteccions L= 15 m. Ib-i= PN/( VAC)= 3482 W/230 V= 15,14 A. ∆V= 3,45 V (1,5 %). 𝑆 = 2 · 15 ·15,14 3,45 ·56 = 2,35 𝑚𝑚² (Eq 7.3.5.5) En aquest tram no es farà servir la mateixa normativa que als trams anteriors, sinó que es farà servir la ITC-BT-15 del RBT, normativa per derivacions individuals. És a dir, la part de la instal·lació que subministra energia elèctrica a una instal·lació d’usuari. Aquesta normativa ens indica que la secció mínima d’aquest tram ha de ser de 6 mm², que serà la secció escollida, i que el diàmetre Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 112 mínim dels tubs ha de ser de 32 mm². Per aquest tram s’escollirà el cable Enerflex XL 6,0. Un cable d’alta seguretat, no propagador d’incendis, baixa emissió de fums i lliure d’halògens. Amb una tensió nominal en AC de 0,6/1Kv. A la taula 7.3.5.2, es mostra un resum del cablejat de tots els trams. Taula 7.3.5.2. Resum de les característiques del cablejat de cada tram. Tram Secció calculada (mm²) Secció normalitzada (mm²) Intensitat del tram (A) Intensitat màxima (A) Panells solars- Reguladors 65,77 70 53,04 202 Reguladors- Bateries 25,30 35 85,00 110 Bateries- Inversor 55,05 95 185,20 201 Inversor-Caixa de proteccions 2,35 6 15,14 40 Finalment, destacar que apart dels trams esmentats fins ara, també existirà el cablejat entre panells solars i el cablejat entre bateries. Aquests no han necessitat càlculs, ja que per connectar els mòduls fotovoltaics es farà servir els mateixos cables inclosos en aquests. I per les bateries, i tot i que la longitud entre elles es menor, s’utilitzarà una secció de 50 mm², perquè és necessari poder fer front a una demanda alta d’energia en un moment donat. Destacar també, que com el connexionat dels panells solars és en paral·lel es connectaran tots els pols positius per dalt i els pols negatius per baix, tal com mostra la figura 7.3.5.2. Figura 7.3.5.2. Connexió plaques solars en paral·lel (Font: https://www.mpptsolar.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 113 7.3.6. Proteccions Al plec de condicions tècniques d’instal·lacions aïllades de la xarxa de distribució elèctrica (PCT), indica el següent sobre les proteccions que ha de tenir la instal·lació: • Totes les tensions nominals superiors a 48 V tindran una presa de terra a la qual estarà connectada, com a mínim, l’estructura de suport del generador i els marcs metàl·lics de la mateixa. • El sistema de proteccions assegurarà la protecció de les persones davant de contactes directes i indirectes. En cas d’existir una instal·lació prèvia no es modificaran les condicions de seguretat de la mateixa. • La instal·lació estarà protegida contra curtcircuits, sobrecàrregues i sobretensions. Es prestarà especial atenció a la protecció de la bateria contra curtcircuits mitjançant un fusible, disjuntor magnetotèrmic o un altre element que compleixi aquesta funció. A les instal·lacions fotovoltaiques els fusibles són els elements de protecció més utilitzats degut al seu cost relativament econòmic en comparació amb els magnetotèrmics de corrent continu. El principal inconvenient és que tot fusible s’haurà de canviar després de cada curtcircuit que s’hagi produït. La intensitat nominal d’un fusible és el valor màxim de la intensitat de corrent continu que es capaç de suportar indefinidament. A més a més, per protegir les parts del circuit amb més longitud de cable de pics de voltatge superiors a la tensió nominal, s’utilitzaran varistors. Aquests són resistències dependents del voltatge les quals condueixen un corrent significatiu quan el voltatge és excessiu. Cada element de la instal·lació necessita una protecció diferent, però com a norma general, els dispositius que treballen amb corrent continu precisaran d’un fusible, i els que treballen amb corrent altern de magnetotèrmics. Per tant, es dividirà aquest apartat amb proteccions en corrent continu, proteccions en corrent altern i proteccions contra les persones. 7.3.6.1. Proteccions en corrent continu A la part de corrent continu, i com s’ha comentat anteriorment, s’utilitzaran fusibles i varistors. Existeixen diferents tipus de fusibles però per aquesta instal·lació, i degut a que són els més utilitzats a les instal·lacions fotovoltaiques, s’utilitzaran fusibles del tipus NH amb percutor, ja que asseguren una resposta més ràpida. Per tal d’escollir un fusible o un altre es tindran en compte els següents paràmetres: • Poder de tall: Intensitat màxima que pot interrompre el fusible. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 114 • In: Intensitat que pot suportar el fusible sense fondre’s. Aquesta ha de ser superior a la intensitat que recorre la línia on es troba el fusible. • If: intensitat de fusió del fusible. Pels panells solars, s’afegirà un fusible a cada un d’ells, ja que en instal·lacions on hi ha més de dos panells connectats en paral·lel es pot crear un corrent de retorn procedent dels altres panells quan hi ha un curtcircuit. Aquest corrent, si hi ha més de dos panells connectats serà major que el corrent de retorn admès i espatllarà els panells solars. Els panells d’aquesta instal·lació tenen una intensitat de curtcircuit de 9,45 A, i aplicant-li un coeficient de seguretat del 25%, obtenim una intensitat de 11,81 A. Per tant, i utilitzant els valors normalitzats d’intensitat dels fusibles, s’escollirà un fusible de 16 A per a cada panell (fusible 16 A 10x38 del fabricant Autosolar). Els panells aniran connectats com es mostra a la figura 7.3.5.2. Al tram entre el generador fotovoltaic i els reguladors també s’haurà de connectar un fusible. En aquest cas, la intensitat que ha de suportar és de 53,04 A, i afegint el coeficient de seguretat, obtenim una intensitat de 66,3 A. Per tant, s’utilitzarà un fusible de 80 A per a cada tram entre els panells solars i els reguladors (fusible 80 A 22x58 del fabricant Autosolar). En aquest tram, i degut a que és l’únic que està a l’exterior, també s’haurà d’instal·lar un dispositiu de protecció contra sobretensions, element de protecció que serveix per protegir la instal·lació i els equips de sobretensions d’origen atmosfèric, com per exemple un llampec atret per l’estructura metàl·lica del suport dels mòduls fotovoltaics. Com s’indica a la normativa ITC-BT-23 del RBT, el dispositiu de protecció contra sobretensions per aquesta instal·lació ha de ser del tipus II. El dispositiu escollit serà VP C40 Series del fabricant FANOX Electronic. Al tram entre els reguladors i les bateries, la intensitat és de 85 A, i aplicant el coeficient de seguretat del 25%, obtenim una intensitat de 106,25 A. Per tant, s’escollirà un fusible de 120 A (fusible solar 120 A del fabricant Wccsolar). Finalment, el tram entre les bateries i l’inversor, la intensitat és de 185,20 A, i afegint el coeficient de seguretat del 25%, obtenim una intensitat de 231,5 A. Per tant, s’escollirà un fusible de 250 A, el qual serà el mateix que el tram entre els reguladors i les bateries però per 250 A. (fusible solar 250 A del fabricant Wccsolar). A la figura 7.3.6.1.1 es pot veure l’esquema elèctric de la instal·lació amb les proteccions. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 115 Figura 7.3.6.1.1. Esquema elèctric de la instal·lació amb les proteccions. (Font: Pròpia) En quant als varistors, els quals es connecten amb paral·lel al circuit que es vol protegir, s’utilitzaran per protegir les entrades analògiques de la placa Arduino i l’entrada digital del sensor de temperatura DHT22, algunes de les quals tenen trams de cable bastant llargs. Aquests varistors protegiran de sobretensions les entrades de la placa Arduino, ja que aquestes treballen a 5 V i no es recomanable que superin aquestes tensions significativament. Per tant, s’utilitzaran varistors de voltatge màxim 11 V i intensitat màxima 10 A. El model és V11L14. A la figura 7.3.6.1.2 es pot veure la connexió d’un sensor amb el varistor corresponent. Figura 7.3.6.1.2. Esquema de connexió d’un sensor amb la protecció del varistor. (Font: Pròpia) Per últim, cal destacar que els cables de senyal dels sensors, els quals es connecten a les entrades analògiques i digitals de la placa Arduino, seran cables de parell trenats. Aquests són un tipus de cable que té dos conductors elèctrics aïllats i entrellaçats per tal d’anul·lar les interferències de fonts externes i diafonia dels cables adjacents. Amb aquest tipus de cable s’aconseguirà que els senyals arribin a la placa amb la major qualitat possible i no es vegin distorsionats per altres dispositius. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 116 7.3.6.2. Proteccions en corrent altern A la part de corrent altern del circuit elèctric de la instal·lació, i com s’ha comentat anteriorment, s’utilitzaran magnetotèrmics, els quals s’encarregaran de protegir als inversors de sobreintensitats i sobrecàrregues produïdes per curtcircuits. Aquests elements estaran instal·lats a la caixa de proteccions, i per tant el tram entre l’inversor i aquesta no tindrà cap element de protecció. La caixa de proteccions disposarà d’un interruptor de control de potència (ICP), el qual només s’utilitza per limitar la potència consumida per la casa i es dimensiona segons la potència contractada per l’habitatge. És un element de protecció obligatori en qualsevol casa. Aquest interruptor serà de 20 A, intensitat que permet potencies fins a 4,6 kW, superiors a la de la casa. També disposarà de l’interruptor general automàtic (IGA) i de l’interruptor diferencial (IG). Com la potència de la casa no supera els 5750 W, els dos interruptors tindran una intensitat de 25 A. 7.3.6.3. Protecció per a les persones A més a més de protegir els cables i els components elèctrics, és necessari protegir a les persones en front a contactes directes o indirectes. Amb aquest objectiu s’instal·laran interruptors diferencials, esmentats anteriorment, i la presa de terra. Per tal de dotar d’una millor seguretat la instal·lació, tots els elements de la instal·lació estaran connectats a la presa de terra per tal d’evitar diferencies de potèncial perilloses i descàrregues d’origen atmosfèric, i permetre la descàrrega a terra dels corrents de defecte. A més a més, s’ha de tenir en compte la secció del cablejat utilitzat per la presa de terra de cada element. Seran cables de màxim aïllament. La secció d’aquests vindrà determinada per la taula 2 de la normativa ITC-BT-18 del RBT: Taula 7.3.6.3.1. Taula 2 de la normativa ITC-BT-18 del RBT Secció dels conductor de fase de la instal·lació S (mm2) Secció mínima dels conductors de protecció Sp (mm2) S ≤ 16 16 < S ≤ 35 S > 35 Sp = S Sp = 16 Sp = S/2 Per tant, el tram dels panells solars als reguladors tindrà una secció de 35 mm², la dels reguladors a les bateries de 16 mm², la de les bateries al inversor de 50 mm² i de l'inversor a la caixa de proteccions de 6 mm². Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 117 7.3.7. Estructura de suport L’estructura de suport serà l’encarregada d’inclinar 67° els panells solars i de fixar-los al terra. L’estructura escollida serà el model 14.1 V del fabricant SUNFER, estructura ajustable a les necessitats de la instal·lació. Aquesta estructura s’ajusta als panells solars escollits, ja que permet panells de 72 cèl·lules i dimensions de 2000x1000x33-50 mm, característiques idèntiques a la dels mòduls fotovoltaics que s’instal·laran a la casa. Algunes de les característiques que han de complir les estructures de suport per tal d’ajustar-se al PCT són les següents: • L'estructura de suport i el sistema de fixació de mòduls permetran les necessàries dilatacions tèrmiques sense transmetre càrregues que puguin afectar la integritat dels mòduls, seguint les normes de fabricant. • L'estructura suport dels mòduls ha de resistir, amb els mòduls instal·lats, les sobrecàrregues del vent i neu, d'acord amb el que indica el Codi Tècnic de l'Edificació (CTE). • L'estructura es protegirà superficialment contra l'acció dels agents ambientals. La realització de trepants en l'estructura es durà a terme abans de procedir, si s'escau, al galvanitzat o protecció de la mateixa. • Els cargols emprats han de ser d'acer inoxidable. En el cas que l'estructura sigui galvanitzada s'admetran cargols galvanitzats, exceptuant els de subjecció dels mòduls a la mateixa, que seran d'acer inoxidable. • Els topalls de subjecció de mòduls, i la pròpia estructura, no llançaran ombra sobre els mòduls. • Si està construïda amb perfils d'acer laminat conformat en fred, complirà la norma MV102 per garantir totes les seves característiques mecàniques i de composició química. • Si és del tipus galvanitzada en calent, complirà les normes UNE 37-501 i UNE 37- 508, amb un gruix mínim de 80 micres, per eliminar les necessitats de manteniment i perllongar la seva vida útil. Figura 7.3.7.1. Estructura plaques solars (Font: https://www.teknosolar.com/) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 118 7.3.8. Manteniment En aquest apartat, i segons el PCT, s’indicaran les condicions generals mínimes que s’han de seguir per el manteniment de les instal·lacions d’energia solar fotovoltaica aïllades de la xarxa. Es defineixen dos esglaons d'actuació per englobar totes les operacions necessàries durant la vida útil de la instal·lació, per assegurar el funcionament, augmentar la producció i perllongar la durada de la mateixa: • Manteniment preventiu: operacions d’inspecció visual, verificació d’actuacions i altres, que aplicades a la instal·lació han de permetre mantenir, dins dels límits acceptables, les condicions de funcionament, prestacions, protecció i durabilitat de la instal·lació. Inclou una visita anual en la qual com a mínim, es realitzaran les següents activitats: o Verificació del funcionament de tots els components i equips. o Revisió del cablejat, connexions, platines, terminals, etc. o Comprovació de l'estat dels mòduls: situació respecte al projecte original, neteja i presència de danys que afectin la seguretat i proteccions. o Estructura suport: revisió de danys en l'estructura, deteriorament per agents ambientals, oxidació, etc. o Bateries: nivell de l'electròlit, neteja i greixatge de terminals, etc. o Regulador de càrrega: caigudes de tensió entre terminals, funcionament d'indicadors, etc. o Inversors: estat d'indicadors i alarmes. o Caigudes de tensió en el cablejat de contínua. o Verificació dels elements de seguretat i proteccions: preses de terra, actuació d'interruptors de seguretat, fusibles, etc. • Manteniment correctiu: totes les operacions de substitució necessàries per assegurar que el sistema funcioni correctament durant la seva vida útil: o La visita a la instal·lació en un termini de 48 h si la instal·lació no funciona o d’una setmana si el fallo no afecta el funcionament. o L’anàlisi i pressupost dels treballs i reposicions necessàries per al correcte funcionament de la mateixa. o Els costos econòmics del manteniment correctiu, amb l'abast indicat, formen part del preu anual del contracte de manteniment. Podran no estar incloses ni la mà d'obra, ni les reposicions d'equips necessàries més enllà del període de garantia. Com és evident, el manteniment ha de ser realitzat per personal tècnic qualificat sota la responsabilitat de l'empresa instal·ladora. I totes les operacions de manteniment realitzades es registraran en un llibre de manteniment. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 119 8. Disseny prototip de proves En aquest apartat s’explicarà el prototip de proves del sistema de monitorització, ja que per tal de demostrar que funciona, s’hauran de fer alguns canvis degut a que hi ha variables que sense la instal·lació completa no es poden mesurar. 8.1. Característiques El prototip de proves serà capaç de fer les mateixes funcions, esmentades anteriorment, que el prototip real. La gran diferència és que hi haurà variables que no seran reals, sinó que seran simulades amb potenciòmetres o altres components per tal de demostrar una bona lectura de les entrades analògiques de la placa Arduino Mega. Les variables que s’hauran de simular són les següents: • Estat de les bateries (%). • Voltatge i intensitat bateries. • Voltatge i intensitat de les plaques solars. • Voltatge i intensitat del consum de la xarxa de 230 V del domicili. • Temperatura de treball de les plaques solars. • Temperatura de les bateries. • Radiació solar de les plaques solars. • Radiació solar en un punt allunyat de les plaques solars. D’aquestes variables les que no seran simulades amb potenciòmetres seran les dues radiacions i la temperatura de treball de les plaques solars. Aquesta última es considera que normalment és 25 °C més gran que la temperatura ambient, i per tant, es simularà aplicant-li aquest increment a la temperatura ambient que serà mesurada amb un sensor de temperatura. Per les dues radiacions, es faran servir LDRs (Light-dependent resistor), per tal de simular l’efecte de rebre més o menys llum. Les variables restants seran simulades cada una amb un potenciòmetre, i per tant hi haurà un total de 7 potenciòmetres que simularan les variables següents per separat: • Estat de les bateries (%) i voltatge bateries (Potenciòmetre A0). • Intensitat bateries (Potenciòmetre A1). • Voltatge plaques solars (Potenciòmetre A2). • Intensitat plaques solars (Potenciòmetre A3). • Voltatge del consum de la xarxa de 230 V del domicili (Potenciòmetre A4). Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 126 • Diferents modes de la unitat de monitorització o Apagat On es pot observar el LED RGB de color vermell i tots els altres components apagats menys el TM1637 que sempre marca l’hora. Figura 8.3.5. Imatge de la unitat de monitorització quan està apagada. (Font: Pròpia) o Encès On es pot observar el LED RGB de color verd, els LEDs de l’estat de la bateria encesos i el menú a la pantalla LCD. Figura 8.3.6. Imatge de la unitat de monitorització quan està encesa. (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 127 o Bluetooth On es pot observar el LED RGB de color blau, els LEDs de l’estat de les bateries encesos i el missatge a la pantalla LCD informant que la unitat de monitorització està en el mode Bluetooth. Figura 8.3.7. Imatge de la unitat de monitorització quan està en mode Bluetooth. (Font: Pròpia) • Menú pantalla LCD o Text de benvinguda Es mostra un text de benvinguda amb els tres idiomes i la data i hora en aquell moment. Figura 8.3.8. Imatge de la pantalla de benvinguda. (Font: Pròpia) o Menú d’escollir idioma Menú on es mostra l’opció d’escollir un dels tres idiomes (A= Català, B= Español i C= English). La fila inferior de la pantalla es va desplaçant per tal d’anar mostrant les tres opcions. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 128 Figura 8.3.9. Imatge de la pantalla del menú d’idiomes. (Font: Pròpia) o Menú d’escollir funcions Pantalla que indica que es pot escollir l’opció que es desitja visualitzar. Figura 8.3.10. Imatge de la pantalla per escollir l’opció de les funcions de la unitat de monitorització. (Font: Pròpia) Quan es polsa el número de la funció que es vol visualitzar, apareix una pantalla durant 2 segons indicant l’opció escollida, com es pot observar a la figura 8.3.11. Després d’aquests 2 segons, es mostra el valor del paràmetre que mesura aquella opció, com es pot observar a la figura 8.3.12. Figura 8.3.11. Imatge de la pantalla que indica l’opció escollida. (Font: Pròpia) Figura 8.3.12. Imatge de la pantalla que mostra els valors del paràmetre que mesura l’opció escollida. (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 129 o Alarma antirobatori Quan el final de carrera deixi d’estar polsat, i per tant voldrà dir que alguna placa ha estat robada, s’encendrà el LED vermell, sonarà el brunzidor cada 200 ms i sortirà el text següent a la pantalla LCD. Figura 8.3.13. Imatge de la pantalla LCD, el LED vermell i el brunzidor de l’alarma antirobatori quan aquesta s’activa. (Font: Pròpia) o Alarma plaques brutes Quan les dues radiacions solars no coincideixin, i per tant voldrà dir que les plaques solars estan brutes, s’encendrà el LED vermell, sonarà el brunzidor cada 350 ms i sortirà el text següent a la pantalla LCD segons l’idioma que hagi estat escollit. Figura 8.3.14. Imatge de la pantalla LCD, el LED vermell i el brunzidor de l’alarma de brutícia de les plaques solars quan aquesta s’activa. (Font: Pròpia) En canvi, si les plaques estan netes, apareixerà el següent missatge a la pantalla LCD. Figura 8.3.15. Imatge de la pantalla LCD, el LED vermell i el brunzidor de l’alarma de brutícia de les plaques solars quan aquesta no està activada. (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 130 9. Software Figura 9.1. Diagrama de flux del codi Arduino. (Font: Pròpia) Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 131 10. Comunicació Hi ha dos tipus de comunicació que s’utilitzaran en aquest projecte, la connexió Bluetooth a través del port sèrie de l’Arduino i la comunicació amb el bus I2C. Amb la primera d’elles s’aconseguirà que la placa Arduino enviï les dades del sensors a un dispositiu mòbil, i amb la segona s’aconseguirà que un rellotge RTC enviï els valors mesurats a la placa Arduino. • Comunicació Bluetooth Bluetooth és una especificació tecnològica per xarxes sense fil d’àrea personal (WPAN) que permet la transmissió de veu i dades entre diversos dispositius mitjançant una radiofreqüència segura (2,4 GHz). Existeixen quatre classes de Bluetooth: o Classe 1: Abast aproximat de 100 metres. Potència màxima permesa 100 mW. o Classe 2: Abast aproximat de 10 metres. Potència màxima permesa 2,5 mW. o Classe 3: Abast aproximat d’ 1 metre. Potència màxima permesa 1 mW. o Classe 4: Abast aproximat de 0,5 metres. Potència màxima permesa 0,5 mW. Per tal de connectar la placa Arduino amb un altre dispositiu mitjançant Bluetooth, s’utilitza el port sèrie, el qual envia informació mitjançant una seqüència de bits. Per aconseguir-ho, es necessiten com a mínim dos connector per realitzar la comunicació de dades, RX (recepció) i TX (transmissió). La placa Arduino Mega té 8 pins de comunicació del port sèrie, i per tant, 4 ports sèrie. o Port sèrie 0: Pins 0 (RX) i 1 (TX). o Port sèrie 1: Pins 18 (TX1) i 19 (RX1). o Port sèrie 2: Pins 16 (TX2) i 17 (RX2). o Port sèrie 3: Pins 14 (TX3) i 15 (RX3). En el cas de la unitat de monitorització que es dissenyarà, els pins connectats al mòdul Bluetooth HC-05 són el 18 i el 19, i per tant, s’utilitzarà el port sèrie 1. Per tal d’enviar la informació rebuda des dels sensors, es farà servir la funció Serial1.print(), la qual envia el valor de la variable especificada dins del parèntesis. S’enviarà una llista dels valors dels sensors al dispositiu mòbil per tal que aquest, a través de l’aplicació dissenyada sigui capaç de mostrar-los. Amb la finalitat que l’aplicació sigui capaç de diferenciar entre els valors d’uns sensors i els d’uns altres, aquests aniran separats per una barra (|). I després de l’últim valor de la llista hi haurà un salt de línia perquè l’aplicació no confongui entre un enviament de dades i el següent. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 132 • Comunicació bus I2C El circuit inter-integrat (I2C, Inter-Integrated Circuit) és un bus sèrie de dades desenvolupat al 1982 per Philips Semiconductors. S’utilitza principalment per la comunicació interna entre diferents parts del circuit, com per exemple, entre un controlador i circuits perifèrics integrats. Aquest bus és bastant interessant degut a la gran quantitat de dispositius que disposen de connexió mitjançant I2C, com per exemple acceleròmetres, brúixoles, displays, etc. El bus I2C només requereix de dos cables pel seu funcionament, un pel senyal del rellotge (CLK) i un altre per l’enviament de dades (SDA). En el bus, cada dispositiu disposa d’una direcció, que s’utilitza per accedir-hi de forma individual. Aquesta direcció pot estar fixada per hardware o per software. Aquest bus té una arquitectura del tipus mestre-esclau. És a dir, que el dispositiu mestre serà qui iniciï la comunicació amb els dispositius esclaus, podent rebre o enviar dades als esclaus, i en canvi, els dispositius esclaus en cap cas podran iniciar-la. El bus I2C és síncron. El mestre proporciona un senyal de rellotge, que manté sincronitzats a tots els dispositius del bus. D’aquesta forma, s’elimina la necessitat que cada dispositiu tingui un propi rellotge, de tenir una velocitat de transmissió comuna i mecanismes per mantenir la transmissió sincronitzada. Seguint el protocol I2C, s’utilitzen resistències de pull-up de les línies Vcc. Tot i això, amb les plaques Arduino es poden no utilitzar ja que la llibreria Wire activa les resistències internes de pull-up. El problema d’aquestes resistències de pull-up és que són molt dèbils, amb valors d’entre 20-30 kΩ. Que aquestes resistències siguin dèbils implica que el flancs de pujada del senyal seran més lents, i per tant s’hauran d’utilitzar velocitat i distancies de comunicació inferiors. Per realitzar la comunicació amb un sol cable de dades, el bus I2C utilitza una sèrie de bits amplia. La comunicació consta dels bits següents: o 7 bits per la direcció del dispositiu esclau amb el que es vol comunicar, amb els quals es possible accedir fins a 112 dispositius. o Un bit restant indica si es vol enviar o rebre informació. o Un bit de validació. o Un o més bytes són dades enviades o rebudes de l’esclau. o Un bit de validació. Els pins de la placa Arduino Mega per aquest tipus de comunicació són el 20 (SDA) i el 21 (SCK). Aquests pins aniran connectats al mòdul RTC DS1307, el qual enviarà les dades a la placa. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 133 11. Normativa En aquest apartat s’explicaran les normatives les quals ha de complir la unitat de monitorització dissenyada. Aquestes normatives són les següents: • Reglament de baixa tensió Té com a objectiu establir el marc de condicions tècniques i garanties que han de reunir les instal·lacions elèctriques connectades a una font de subministrament de baixa tensió, amb la finalitat de preservar la seguretat de les persones i els béns, i contribuir a la fiabilitat tècnica i l’eficiència econòmica de les instal·lacions. És considerada una instal·lació de baixa tensió aquella que es menor o igual a 1000 V en corrent altern o 1500 V en corrent continu. • Plec de condicions tècniques d’instal·lacions aïllades de la xarxa Té com a objectiu fixar les tècniques mínimes que han de complir les instal·lacions fotovoltaiques aïllades de la xarxa. Pretén ser una guia per instal·ladors i fabricants d’equips, definint les especificacions mínimes que ha de complir una instal·lació per assegurar la qualitat, en benefici de l’usuari i del propi desenvolupament d’aquesta tecnologia. L’àmbit d’aplicació d’aquest plec de condicions s’aplica a tots els sistemes mecànics, elèctrics i electrònics que formen part de la instal·lació. • RoHS (Restrictions of Hazardous Substances) Es refereix a la directiva 2011/65/UE de restricció de certes substàncies perilloses en aparells elèctrics i electrònics, adoptada al juny de 2011 per la unió europea. Aquesta normativa restringeix l’ús de sis materials perillosos en la fabricació de diversos tipus d’equips elèctrics i electrònics. Aquests sis materials són els següents: o Plom. o Mercuri. o Cadmi. o Crom VI. o PBB. o PBDE. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 134 Les concentracions màximes fixades són: o 0,1 % pel plom, mercuri, crom VI, PBB i PBDE del pes en materials homogenis. o 0,01 % pel cadmi del pes de material homogeni. • UNE 20324:1993/ EN 60529:1991 Té com a objectiu que els envoltants dels equips elèctrics garantissin una protecció contra els contactes elèctrics directes de les persones i una protecció del propi equip contra la penetració d’agents ambientals sòlids i líquids, i contra els impactes mecànics externs, evitant deterioraments que puguin afectar la seguretat dels usuaris o el funcionament i durabilitat de l’aparell. Les normes tècniques (UNE-EN) existents defineixen el grau de protecció dels envoltants estimant els següents conceptes: o Protecció contra penetració d’una part del cos humà o d’un objecte agafat per una persona i, simultàniament, contra la penetració d’objectes sòlids estranys. o Protecció contra la penetració d’aigua. o Protecció contra els impactes mecànics. • EMC 89/336/CEE El principal objectiu és garantir la lliure circulació d’aparells en l’àrea econòmica europea (EEE) i crear un ambient EMC acceptable. Aquesta normativa afecta als aparells que poden crear pertorbacions electromagnètiques o el funcionament dels quals es pot veure afectat per aquestes pertorbacions. Per tant, afecta a tots els aparells elèctric i electrònics, així com als equips i instal·lacions que continguin components elèctrics o electrònics. Unitat de monitorització del sistema d’alimentació fotovoltaic d’un habitatge unifamiliar aïllat de la xarxa 135 12. Anàlisi de l’impacte ambiental Actualment, hi ha un gran increment en la utilització d’energies renovables en comptes de les no renovables degut a la conscienciació mundial sobre el canvi climàtic i la crisi mediambiental. Una de les energies renovables més utilitzades és l’energia solar, amb la qual cada cop més s’aconsegueix el subministrament d’electricitat. Per tant, i a trets generals, la implantació d’un sistema fotovoltaic en un habitatge o en qualsevol edifici, té un impacte mediambiental positiu. Per tal de produir electricitat mitjançant la llum del sol no és necessari cap tipus de combustió , i per tant, no es produeix cap pol·lució tèrmica ni emissions de CO2 que afavoreixin l’efecte hivernacle. Un altre fet important és que la fabricació de cel·les fotovoltaiques es fa amb silici, material obtingut de la sorra i que acostuma a ser bastant abundant a la natura. L’avantatge de les cel·les fotovoltaiques és que en necessiten molt poc per la seva fabricació. La instal·lació de les plaques solars tampoc té cap efecte negatiu, ja que no s’ha d’excavar ni moure el terra. No té cap contaminant o abocament. I al no haver-hi cap residu no s’altera ni es contamina l’aigua. Amb l’increment d’habitatges aïllats de la xarxa elèctrica també s’aconsegueix la reducció de cables i torres elèctriques per tal de subministrar electricitat a totes les cases. Això ajuda a que l’impacte visual paisatgístic sigui menor i que moltes aus no morint electrocutades per aquestes estructures. A més a més de les plaques solars que s’ha comentat anteriorment, els altres components de la instal·lació i els de la unitat de monitorització no tenen cap impacte mediambiental negatiu per si sols. Únicament, i en el cas d’una producció seriada d’aquests components, si que el fabricant s’ha d’ocupar de complir totes les normatives en temes d’impacte mediambiental, ja que amb l’extracció de la matèria prima, el processat o el transport, es generen gasos d’efecte hivernacle. Un tema important envers els impactes mediambientals són els residus electrònics. En un món on cada cop es fan servir més aparells electrònics i on la vida útil d’aquests acostuma a ser curta, les deixalles electròniques s’acumulen greument. Tot i això, en el cas de les instal·lacions fotovoltaiques i de la unitat de monitorització dissenyada, la vida útil dels components és bastant llarga, i per tant les deixalles electròniques produïdes són ínfimes. En qualsevol cas, si és necessari desfer-se d’algun component, ens hem d’assegurar de reciclar-lo de la manera idònia per tal de contaminar el mínim possible. En cas d’un incendi provocat per les plaques solars, es generen bastants fums negres, els quals són difícils d’apagar degut a la dificultat de fer que la placa no generi voltatge si rep llum.