Diseño de sensor de potencia para seguidores solares

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño de sensor de potencia para seguidores solares Departamento de Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 Autor: Jesús Mª Alba Perdigones Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño Manuel Gil Ortega Linares iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Electrónica, Robótica y Mecatrónica Diseño de sensor de potencia para seguidores solares Autor: Jesús Mª Alba Perdigones Tutores: Manuel Gil Ortega Linares Luis Fernando Castaño Castaño Departamento de Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 v Trabajo Fin de Grado: Diseño de sensor de potencia para seguidores solares Autor: Jesús Mª Alba Perdigones Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño Manuel Gil Ortega Linares El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El secretario del Tribunal vii Agradecimientos Me gustaría agradecer en primer lugar la oportunidad brindada por Fernando Castaño y Manuel Gil para realizar este proyecto, gracias por haberme brindado todas las herramientas necesarias y por haberme solucionado cada duda con la paciencia que lo habéis hecho. En segundo lugar, me gustaría agradecer a mis padres el esfuerzo que han hecho durante todos estos años, su compresión en los momentos difíciles y sus sabios consejos, sin los que jamás podría haber llegado hasta aquí. Por otro lado, me gustaría agradecer a mi pareja su apoyo durante todos estos años y su fe ciega en mi, ha sido un pilar básico para poder lograr esta meta. En definitiva, agradecer a amigos, familiares y sobretodo a mis abuelos allá donde estén, ellos siempre confiaron en mí, me apoyaron en los momentos más difíciles y me enseñaron que nunca hay que darse por vencido, por muy difícil que parezca. Sin ellos, hubiera sido imposible. Jesús Mª Alba Perdigones Sevilla, 2018 ix Abstract The objective of this project focuses on designing a power sensor that allows to know in a precise way the power given by the solar trackers at every moment. The simplest way to know this power is to first know the voltage and intensity that the solar tracker is yielding at each moment, then multiply these measurements and know precisely the power that this yields. The measurements of the voltage and the intensity that the solar tracker yields will be made in an analogical way, through a voltage transducer and a current transducer respectively. Once both measurements are obtained, they will be multiplied through an electronic device. This device works as an analog multiplier, that is, it is responsible for multiplying two input signals, dividing its value by a constant, in order to maintain the same scale as the input signals. Being able to know the power given by the solar tracker in each instant will allow to know precisely the position for which the solar tracker produces a greater amount of power. .... -translation by google- ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Seguidor solar 12 Figura 2 Seguidor solar de 1 eje 13 Figura 3 Seguidor solar de 2 ejes 13 Figura 4 Curva característica V-I de una célula solar 15 Figura 5 Esquema completo del sistema de seguimiento solar 17 Figura 6 Esquema básico del vatímetro 18 Figura 7 Amplificador no inversor para el transductor de corriente 23 Figura 8 Amplificador no inversor para el transductor de tensión 24 Figura 9 Esquema del multiplicador 25 Figura 10 Package del transductor de corriente HY15P 27 Figura 11 Symbol del transductor de corriente HY15P 28 Figura 12 Device del transductor de corriente HY15P 28 Figura 13 Librería creada del transductor de corriente HY15P 29 Figura 14 Esquemático del vatímetro 30 Figura 15 Layout del vatímetro 32 Figura 16 Multímetro 33 Figura 17 Protoboard para las pruebas de simulación 33 Figura 18 Fuente de alimentación de 5V 34 Figura 19 Fuente de alimentación carga 34 Figura 20 Insoladora de doble cara de mano 37 Figura 21 Efecto insolación 37 Figura 22 Revelado 38 Figura 23 Ataque con ácido 38 Figura 24 Eliminación de los residuos de barniz 39 Figura 25 Aplicación de laca protectora 39 Figura 26 Mecanizado de la placa 40 Figura 27 PCB completada 41 xvii Notación VIout Ksensor Ilinea VIintensidad 𝐾𝑖 Rin 𝑉 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑝𝑚𝑎𝑥 Rm 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎 Vtt,out Is 𝐾𝑉 Ʌ𝑉𝑜 Ʌ𝑉𝑖 Vtt,out,amp R1, R2 R3, R4 Iconsumo Iti Itt Iampli Imult Itraco Vcarga Icarga Itt,in Itt,out Vtt,out Vtt,amp Vti,out Vti,amp Vmult Tensión dada por el transductor de corriente Ganancia del sensor de corriente Corriente que circula por la línea de alta potencia Tensión dada por el sensor de corriente después de la etapa ampificadora Ganancia de la etapa amplificadora para el transductor de corriente Resistencia de entrada del transductor de tensión Tensión máxima dada por las líneas de alta potencia Corriente máxima generada por el transductor de tensión Resistencia de salida del transductor de tensión Tensión máxima deseada a la salida del transductor de tensión Tensión máxima a la salida del transductor de tensión Corriente máxima generada por el transductor de tensión Ganancia de la etapa amplificadora para el transductor de tensión Rango de tensión de salida del transductor de tensión después de amplificar Rango de la tensión de salida del transductor de tensión Tensión a la salida del transductor de tensión después de amplificar Valor de las resistencias para amplificar la salida de transductor de corriente Valor de las resistencias para amplificar la salida del transductor de tensión Corriente total consumida por todos los integrados Corriente consumida por el transductor de corriente Corriente consumida por el transductor de tensión Corriente consumida por el amplificador Corriente consumida por el multiplicador analógico Corriente suministrada por el convertidor DC/DC Tensión suministrada por la carga de prueba Corriente suministrada por la carga de prueba Corriente generada por el transductor de tensión a la entrada en función de la tensión de la carga Corriente generada por el transductor de tensión a la salida en función de la tensión de la carga Tensión en la resistencia de salida del transductor de tensión Tensión en la resistencia de salida del transductor de tensión amplificada Tensión de salida generada por el transductor de corriente Tensión de salida generada por el transductor de corriente amplificada Tensión generada por el multiplicador analógico 1 INTRODUCCIÓN esde el comienzo de la civilización el sol ha sido objeto de adoración. Capaz de aportar luz, calor y seguridad a la humanidad, siempre ha despertado el interés del hombre su aprovechamiento. Ya en los orígenes de la humanidad tenía un papel fundamental para la agricultura, así como para evaporar el agua salada y producir la sal, moneda de cambio durante un largo periodo de tiempo. Sin embargo, los usos del sol por parte del hombre no siempre han sido tan honorables, pues también se empleaba como instrumento de tortura, para cegar a los pobres incautos que no debían haber visto ciertos elementos sagrados, e incluso como arma, tal y como cuenta la leyenda de la lupa gigante de Arquímedes. No obstante, no es hasta la revolución industrial cuando el hombre hacer un mayor esfuerzo por dominar las ventajas que dicha forma de energía podía propiciarle, auspiciado por la enorme contaminación que los combustibles fósiles causarían a medio plazo. 1.1. El seguimiento solar El sol es capaz de ceder a la tierra en un año 4000 veces más energía que la consumida por la humanidad en dicho periodo de tiempo, por lo que el interés que despierta como fuente de energía está totalmente justificado. Es por ello por lo que comienzan a aparecer durante el siglo XIX las primeras células solares, capaces de transformar la potencia solar en energía eléctrica. Las mejoras fueron graduales con el paso de los años, sin embargo, este éxito fue también la razón de que los costos se mantuvieran altos, ya que los usuarios de aplicaciones espaciales estaban dispuestos a pagar las mejores células solares, sin tener ninguna razón para invertir en las de menor costo. Su precio estaba determinado principalmente por la industria de los semiconductores, por lo que no es hasta la aparición de los circuitos integrados, en la mitad del siglo XX, cuando se consiguió la disponibilidad de lingotes más grandes a precios más bajos. No obstante, la técnica aun no ha alcanzado la madurez y están siendo exploradas muchas vías de investigación, que permitan resolver problemas como el costo de la electricidad producida, la D No hay emoción más intensa para un inventor que ver una de sus creaciones funcionando. - Nikola Tesla- Introducción 12 12 resistencia de los materiales y la pérdida de potencia cuando los rayos no inciden perpendicularmente en la superficie de silicio, entre otros. Una solución adoptada para este último problema consiste en dotar a las células de un sistema de seguimiento de alta precisión que consiga que las células apunten directamente al sol en cada instante. Dado que las células son extremadamente sensibles al ángulo de incidencia de los rayos con la superficie, el problema de control será la parte crítica para la obtención de un alto rendimiento en el panel solar. Figura 1 Seguidor solar Existen diversos tipos de seguidores solares. Una clasificación atendiendo al giro que realiza la superficie del seguidor sería el siguiente: • En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. • En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. • Eje acimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. • En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. 13 Figura 2 Seguidor solar de 1 eje Figura 3 Seguidor solar de 2 ejes 1.2. Problema de seguimiento de la trayectoria solar A pesar de que en un primer momento se puede pensar que realizar un control sobre la trayectoria seguida por el sol es un problema trivial, son varios los factores que lo complican, ya que dicha trayectoria puede variar de forma notable a lo largo de su recorrido. Dicho movimiento es dependiente de la época del año en la que nos encontramos y de la latitud y longitud del lugar de instalación. Razón por la cual en primer lugar es necesario conocer unas ecuaciones bastante precisas que definan la posición del sol en cada instante. Se podría pensar por tanto como primera opción, realizar un control en bucle abierto en el que sólo se tuviera en cuenta dichas ecuaciones del movimiento solar y el tiempo transcurrido, pero de esa forma se desconsideraría perturbaciones tan importantes como serían los movimientos provocados por el viento, las oscilaciones de la placa… Otra opción sería efectuar un control en bucle cerrado con el que se determinara la posición del sol en función de las medidas de algún tipo de sensor, como sería por ejemplo un sensor de luz o de potencia recibida. Pero este control se enfrentaría a una amplia gama de perturbaciones como sería la luminosidad, la climatología… ya que se perdería la referencia de dicho controlador. Las ventajas y desventajas de uno y otro tipo de control se analizan en la siguiente tabla: Tabla 1 Tipos de control para seguimiento solar Tipos de control Ventajas Desventajas Control en bucle cerrado (Seguidor por sensores) Facilidad implementación de algoritmo del seguimiento Poca Fiabilidad Pequeñas ganancias de producción en días nubosos Control en bucle abierto (Ecuaciones solares) Robustez Dificultad para implementar el algoritmo de seguimiento Fiabilidad del sistema Introducción 14 14 1.3. El sistema híbrido La solución aportada para realizar un control de seguimiento solar de mayor precisión y fiabilidad es una mezcla de los dos métodos anteriormente descritos. Es decir, el sistema hará uso en un principio de las ecuaciones solares para conseguir una primera aproximación del sol. Posteriormente conseguiremos una aproximación mucho más precisa haciendo uso de un sensor de potencia, que nos permitirá conocer en cada instante la potencia cedida a la red. Nuestro objetivo será que la potencia entregada por el panel sea máxima, pues de esa forma sabremos a ciencia cierta que estamos apuntando al sol directamente y que el panel solar se encuentra funcionando a máximo rendimiento. La labor de este proyecto consistirá en realizar una medida de la potencia cedida por los paneles lo suficientemente rápida y precisa para que pueda ser procesada por el microcontrolador, contribuyendo así a la labor de las ecuaciones de movimiento solar. 15 2 EL SISTEMA FÍSICO l objetivo de este proyecto, como se ha comentado anteriormente, se basará en la medida de la potencia eléctrica cedida por paneles solares en cada instante. Los elementos necesarios para generar energía eléctrica a través de un panel fotovoltaico son los siguientes: • Panel fotovoltaico • Servomotores • Sensor de potencia • Módulo inversor (DC/AC) • Microcontrolador o PLC 2.1 Panel Fotovoltaico Compuesto por un conjunto de células solares en serie y paralelo, constituye la parte central del proyecto. Sus células pueden estas formadas por semiconductores de varios elementos, siendo las más comunes las de silicio cristalino, silicio policristalino y silicio amorfo. Dichas células se encuentran al mismo tiempo protegidas contra la humedad y el calor por un encapsulado. En su parte frontal hay una capa de vidrio antireflexivo y otra capa de protección frente a los rayos ultravioletas. Todo el conjunto queda montado sobre una estructura de aluminio para aligerar su peso. Si los valores de potencia luminosa y la orientación del panel permanecen constantes, la corriente de salida de un panel fotovoltaico varía con el valor del voltaje en la carga y su temperatura de trabajo. Esto se debe a las características intrínsecas de los materiales semiconductores y se puede apreciar en la siguiente figura: Figura 4 Curva característica V-I de una célula solar E El sistema físico 16 16 En dicha figura aparecen ciertos puntos importantes que definen las características de la célula solar: • Isc (Corriente de cortocircuito): Intensidad cedida por el silicio si cortocircuitamos la salida (V=0). • Voc (Tensión de circuito abierto): Tensión de la célula con intensidad nula (I=0). • MPP ó Pmax (Punto de máxima potencia): Define el cuadro de máxima área que se puede inscribir dentro de la gráfica, en otras palabras, es la relación entre la tensión y la intensidad de la célula que provoca una mayor potencia. El diseño de nuestro sistema está pensado para alcanzar unos elevados valores de potencia por lo que se decidió adquirir el módulo BSQ-D280. Dicho módulo era capaz de conseguir una tensión a circuito abierto (Voc) de 78V y una corriente de cortocircuito (Isc) de 4.3A. Dicho módulo ofrece unos valores de tensión y corriente que no nos permite alcanzar la potencia deseada, pero que si nos ofrece la posibilidad de unirlos en paralelo y en serie para conseguir aumentar dichos valores. Los valores eléctricos de cada módulo fotovoltaico están reflejados en la siguiente tabla: Tabla 2 Datos eléctricos del panel fotovoltáico Valores eléctricos Módulo Isc 6,35 A Voc 18,45 V Ipmax 5,73 A Vpmax 16,62 V Pmax 95W Celdas en paralelo 0 Celdas en serie 24 2.2 Módulo Inversor (AC/DC) El inversor será el encargado de volcar y transformar la potencia cedida por la placa, para ello transforma las componentes de tensión continúa proporcionadas por la placa (DC) en tensión alterna (AC) con las características de frecuencia, voltaje e impedancia propias de la red eléctrica española. 2.3 Microcontrolador o PLC Este controlador se encargará de controlar en primer lugar la posición de los diferentes motores que orientan la placa y en segundo lugar se encargará de hacer rápidas lecturas de los valores dados por el sensor de potencia. 17 2.4 Sensor de potencia Como se indicó anteriormente, para obtener una medida fiable de la potencia se optó por diseñar una placa electrónica que hiciera una medida analógica de la potencia. Este vatímetro analógico hace una medida en tiempo real de la corriente y de la tensión suministrada en cada instante por la placa, para posteriormentene multiplicarlas y obtener de esa forma la potencia. Dicha medida será empleada, como ya se ha indicado, por el PLC, para conocer si la placa está cediendo la mayor potencia posible. 2.5 Esquema General En la siguiente figura se puede observar con facilidad la conexión de los los diferentes dispositivos que forman el sistema: Figura 5 Esquema completo del sistema de seguimiento solar Elementos vatímetro 24 24 Empleando una configuración no inversora será posible conseguir la ganancia deseada y que el voltaje de salida cambie en la misma dirección que el voltaje de entrada. Figura 8 Amplificador no inversor para el transductor de tensión Nuevamente, haciendo uso de la ecuación que relaciona la tensión de salida con la de entrada es posible dimensionar las resistencias a emplear: 𝐾𝑉 = Ʌ𝑉𝑜 Ʌ𝑉𝑖 = 10 𝑉 8.25 𝑉= 1.2 = 1+ 𝑅4 𝑅3 (3.14) Por lo que unos valores posibles de las resistencias serían: R4=2 KΩ R3=10 KΩ A pesar de que los valores de las resistencias podrían tener cualquiera valor que proporcionara la ganancia deseada, se establecieron estos valores al ser los más comunes que existían en el mercado. 3.4 Multiplicador analógico AD633JNZ Una vez que se dispone de una tensión proporcional a la corriente y a la tensión medida por cada uno de los sensores descritos en el apartado anterior, es el momento de llevar a cabo una multiplicación analógica de dichas señales. El dispositivo encargado de realizar dicha multiplicación analógica de señales es el Multiplicador AD633JNZ de la empresa Analog Devices. Este dispositivo está diseñado para multiplicar de forma analógica dos señales de entrada, proporcionando además alta impedancia, tensión de salida en una escala nominal de 10V suministrada por un zener y una entrada sumatoria de alta impedancia. 25 Figura 9 Esquema del multiplicador Como se puede apreciar en el esquemático, cada una de las entradas diferenciales se multiplica analógicamente al mismo tiempo que se divide entre 10 para tener un rango de salida del multiplicador de 0 a 10 V. Posteriormente, es posible sumar al resultado de dicho producto una señal exterior (entrada Z) para hacer realimentaciones. Dado que en nuestro caso no es neceario tal fin y solo se desea realizar una multiplicación de señales, dicha entrada será anulada conectándola a tierra. En la última de las etapas antes de la salida, se puede observar un amplificador operacional con un montaje en seguidor de tensión, que se encarga de volcar la salida definitiva. La ecuación que define la salida proporcionada para este elemento sería la mostrada a continuación: W = (𝑋1−𝑋2)∗(𝑌1−𝑌2) 10 + Z (3–13) 3.5 Convertidor DC/DC TracoPower 3-0523 El vatímetro será alimentado con una tensión de 5V, pero todos los demás componentes necesitan una alimentación de +/-15V, por ello será necesario emplear un convertidor DC/DC que permita obtener dicho rango de tensiones para la alimentación de todos los integrados. El convertidor DC/DC elegido fue el TEN 3-0523 de la marca TracoPower. Dicho convertidor tiene un rango del voltaje de entrada de 4.5-9.0 Vdc (nominal 5 Vdc) y nos proporciona una tensión de salida de +/-15 Vdc. Este convertidor proporciona una corriente de 100 mA, superior a la suma de las corrientes consumidas por cada uno de los integrados que va a alimentar. Iconsumo = Iti + Itt + Iampli + Imult = 10 mA + 10 mA + 1 mA + 6 mA = 27 mA Itraco = 100 mA Itraco > Iconsumo Diseño de la placa de circuito impreso (PCB) 26 26 4 DISEÑO DE LA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO (PCB) na vez que ya se ha realizado la elección de los componentes que formarán parte de la placa de circuito impreso, es el momento de realizar el diseño del esquema del circuito, para lo que se hizo uso del software Eagle. Es un programa de diseño de diagramas y PCBs con autoenrutador, famoso en todo el mundo debido a su sencillez, a sus altas capacidades y a que muchas versiones de este tienen una licencia Freeware, así como una gran cantidad de bibliotecas de componentes alrededor de la red. 4.1 Creación de librerías en EAGLE Algunos de los componentes utilizados en el diseño tienen sus librerías ya implementadas en el software, mientras que otros, como los dos transductores y el multiplicador, se han tenido que crear desde cero. A continuación, se mostrará a modo de ejemplo como se creó la librería del transductor de intensidad HY-15P, siendo el procedimiento similar para todos los componentes que se deseen crear. En primer lugar, es necesario crear una nueva librería desde el panel de control. El nombre de esta librería será HY15P.lbr Una vez creada dicha librería, se puede observar desde el editor que consta de 3 partes: • Package: En esta parte es donde se esboza el encapsulado del componente, es decir, la forma geométrica que se verá en el layout (.brd). Para ello, será necesario disponer de las medidas del encapsulado, de forma que se realice un boceto del componente con una escala de medida adecuada, así como de las medidas de cada uno de los terminales del componente. Un recetario para la creación de la huella sería el siguiente: 1º Seleccionar el tipo de Pad del componente y adecuarle sus dimensiones (TH: drill y diámetro pad; SMD: largo x ancho). Previamente habrá que ajustar el grid a las dimensiones del componente (en inches/mils o en mm) 2º Colocar tantos pads como tenga el componente a la distancia correcta 3º Etiquetar cada 'pad' usando la herramienta 'Rename'(renombrar). 4º Crear la envoltura o contorno del componente (capa tplace). U 27 5º Poner las etiquetas '>NAME' (capa tNames) y '>VALUE' (capa tValues) en el diseño. 6º Escribir una breve descripción del componente (click en 'Description'). * Recordar centrar siempre el componente con la cruz central Figura 10 Package del transductor de corriente HY15P • Symbol: En este fichero es donde se crea el boceto que tendrá el componente en el esquemático (.sch). Para ello es necesario definir todos los pines de entrada y salida del componente, así como sus pines de alimentación Un recetario para la creación del symbol sería el siguiente: 1º Dibujar el contorno que tendrá nuestro símbolo nuevo. 2º Colocar los pines que tendrá el símbolo: El circulo verde será el punto de conexión de ese pin en el esquemático 3º Renombrar los pines. 4º Poner las etiquetas ‘>NAME’ y ‘>VALUE’ en nuestro diseño y decir a qué capas corresponde cada uno de ellos. 5º Escribir una breve descripción del componente (click en 'Description'). * Recordar centrar siempre el componente con la cruz central Diseño de la placa de circuito impreso (PCB) 28 28 Figura 11 Symbol del transductor de corriente HY15P • Device: Esta parte funciona como un organizador. En este fichero es donde se selecciona los símbolos que reúne el dispositivo y el encapsulado, y se hacen corresponder los pines entre el Package y el Symbol. Un recetario para la creación del Device del componente sería: 1º Click en 'new' y seleccionar el paquete que se desea utilizar para el dispositivo. Luego se acepta con “OK”. 2º Click en 'Add' para añadir el símbolo del componente. Importante colocarlo centrado con respecto a la cruz central. 3º Conectar los pines del 'package' con los del 'device'.Click en 'Connect', se conectará uno a uno cada uno de los pines. 4º Escribir una breve descripción del componente (click en 'Description'). * Recordar centrar siempre nuestro componente con la cruz central Figura 12 Device del transductor de corriente HY15P 29 Por último, es necesario guardar la librería. Para comprobar que se han realizado todos los pasos correctamente, será necesario verificar desde la pantalla principal de Eagle que la librería creada contiene los tres tipos de archivos comentados. Figura 13 Librería creada del transductor de corriente HY15P 4.2 Diseño esquemático del vatímetro A través de este software se puede realizar una representación de las interconexiones eléctricas de todos los componentes comentados hasta ahora, Primero es necesario crear un nuevo proyecto en el que trabajar: File>New>Project Una vez creado el proyecto, es necesario crear un nuevo esquematico para ese proyecto: File>New>Schematic. Una vez creado dicho esquemático es conveniente guardarlos con un nombre adecuado ('Save'). Para esta parte del diseño es muy importante saber qué componentes se van a necesitar para nuestro diseño, cuántos y cómo van a estar interconectados. En primer lugar, se irán añadiendo cada uno de los componentes desde la biblioteca en la que se encuentran definidos. Una vez añadidos todos los componentes, se conectarán a partir de la herramienta wire. Luego se hará uso del botón de errores para comprobar si se ha cometido algún error. Una vez que se han realizado todos estos pasos, el esquema final sería el mostrado a continuación: Diseño de la placa de circuito impreso (PCB) 30 30 31 Figura 14 Esquemático del vatímetro La figura anterior representa una visión esquemática de nuestro vatímetro. Cabe destacar en primer lugar que la alimentación de los integrados se realizará con una línea externa de 5 V, que se conectará al convertidor DC/DC antes comentado, para así obtener +/- 15V y tierra con un aislamiento de seguridad para la conexión de los diferentes integrados. Además, la línea de alimentación de 5V será encargada de encender un LED, de forma que estemos seguros de que la alimentación se está realizando de forma adecuada. A continuación, se encuentran los bloques de los transductores de tensión e intensidad, cuyas salidas se encuentran conectadas con el amplificador. Por último, las salidas de los amplificadores usados son conectadas a las entradas libres del multiplicador. Como nuestra señal no es diferencial las entradas libres del multiplicador se conectan directamente a tierra. La salida de este bloque será nuestra medida de la potencia suministrada por la placa. 4.3 Diseño layout de la PCB Una vez que tenemos diseñado nuestro esquemático pasamos a generar el Layout de nuestra PCB. Llegados a este punto tendremos que decidir la ubicación de los componentes, pues conseguir ubicarlos de forma óptima nos permitirá reducir considerablemente el tamaño final de la PCB. Se utilizará un ancho de pista mayor para las de tensiones mas elevadas, se evitarán los cambios de direcciones de 90º y se guardará cierta distancia entre cada uno de los componentes para evitar acoplamientos de tensiones. El resumen de las dimensiones se muestra en la siguiente tabla: Tabla 7 Dimensiones de la PCB Elemento Descripción Medida (mm) Ancho PCB Ancho placa estándar 87 Alto PCB Alto placa estándar 96 Ancho alta potencia Ancho pistas de entrada de alta potencia 10 Ancho pistas Ancho pistas estándar 1 Separación alta potencia Separación pistas de entrada de alta potencia >3 Separación pistas Separación pistas estándar 0,5 Agujeros Diametro agujeros para atornillar a caja 4 Diseño de la placa de circuito impreso (PCB) 32 32 Con ayuda de las herramientas de rutado proporcionadas por Eagle conseguimos hacer la distribución del conexionado. El resultado tras rutar las pistas de cobre puede verse en la siguiente figura: Figura 15 Layout del vatímetro Como se puede apreciar, el diseño se ha realizado a doble cara. La razón de haber elegido esta opción es que la PCB irá atornillada, una vez que esté terminada, a una caja de unas medidas específicas, por lo que de esta forma se consigue un mayor aprovechamiento del espacio. La única diferencia con respecto a realizar una PCB de una sola cara, es que habrá que utilizar vías para poder conectar las pistas de las caras superior e inferior. Las pistas de color azul pertenecen a la parte inferior de la PCB (bottom) mientras que las pistas de color rojo pertenecen a la cara superior de la PCB (top). Todos los componentes se colocarán siempre sobre la cara superior, con el objetivo de no dificultar el atornillado de la PCB a la caja. 33 5 PRUEBAS CON PROTOBOARD ntes de realizar el diseño físico de la tarjeta es conveniente hacer una prueba del esquema diseñado a través de una tarjeta de prototipos, con el fin de verificar que el diseño ha sido realizado correctamente. Para ello es necesario utilizar una protoboard en la que se monte el circuito con las mismas conexiones que las mostradas en el esquemático de la PCB. Se utilizará una fuente de tensión para que proporcione los 5V de alimentación, otra fuente de alimentación de mayor tensión y corriente para la bombilla que actuará como carga y un multímetro, que permita comprobar si las medidas del vatímetro diseñado se corresponden con las corrientes y tensiones aplicadas a la carga. Figura 16 Multímetro Figura 17 Protoboard para las pruebas de simulación A Fabricación PCB 40 40 6.5 Mecanizado Una vez que se haya realizado todo el proceso comentado pasamos a realizar el mecanizado. Con la ayuda de un punzón afilado se marca levemente el cobre en el lugar donde habrá que hacer todos y cada uno de los taladros (normalmente el centro de cada pad). No es necesario, ni conveniente apretar demasiado porque corremos el riesgo de desprender el trozo de cobre. Estas pequeñas hendiduras nos van a permitir hacer luego los taladros con precisión, es decir, sin que la broca baile. Hacer los taladros en su sitio exacto no es sólo una cuestión estética; por ejemplo, un zócalo forzado puede dar lugar a falsos contactos que son muy difíciles de localizar y corregir. Con la broca adecuada montada en la taladradora, se hacen todos los agujeros aprovechando las hendiduras que se han realizado para no desviarse. Antes de pasar a la soldadura de los componentes, es necesario probar que todos aquellos encajan en sus respectivos lugares. Hacerlo cuando ya se hayan soldados algunos componentes es mucho más engorroso. Figura 26 Mecanizado de la placa 6.1 Soldadura de componentes El último paso del proceso de fabricación de la PCB es la soldadura de los componentes. El proceso de soldar un componente consta de tres pasos: • Insertar el componente • Soldar sus patas 41 • Cortar la parte sobrante de éstas Si el mecanizado de la placa se ha hecho bien, no habrá ninguna dificultad en insertar los componentes. Sólo hay que darle forma a las patas para que el componente entre con suavidad y hacer que entren por los agujeros destinados a ellas. Con un poco de práctica esto se hace muy rápido, y con un poco más de práctica se aprende a darles una forma tal que al dar la vuelta a la placa para soldar, el componente no se salga de su sitio. En general los componentes deben entrar hasta el fondo, es decir, hasta estar en contacto con la placa, pero hay excepciones: componentes que se calienten mucho (para facilitar su refrigeración se deja un espacio entre ellos y la placa), la mayoría de los transistores, reguladores, puentes rectificadores, circuitos integrados sin zócalo, etc. Al insertar los componentes es muy importante ponerlos en la postura que indica el esquema, ya que la mayoría tienen polaridad (de hecho, salvo las resistencias y algunos condensadores, el resto tienen que ir en una postura determinada). Una vez insertado el componente hay que soldarlo. Para ello, se pone la punta del soldador en diagonal, de forma que haga contacto con la pata y la zona de cobre que hay alrededor, y luego se acerca el hilo de estaño, que debe fundirse y distribuirse por si mismo sobre todo el pad de cobre. Una soldadura correcta debe tener forma de carpa de circo, en la cúspide de la cual sobresale la pata del componente. Nunca debe dejarse una soldadura con forma abombada o esferoide, pues puede ser lo que se llama una soldadura fría o falsa soldadura, en la que no hay contacto eléctrico entre la pata y el estaño, porque ha quedado una película de resina que recubre y aisla eléctricamente la pata del estaño. Este error se produce o bien porque la pata no se había calentado lo suficiente, de forma que la resina no se ha volatilizado, o porque se ha puesto demasiado estaño o un estaño de muy mala calidad. Añadiendo estaño nuevo y limpio es fácil retirar el exceso con la punta del soldador. El último paso es cortar el sobrante de la pata, con unas tenacillas, justo por encima de la soldadura. Figura 27 PCB Completada Salida para alimentar el display medidor MEDIDOR Medida de intensidad Medida de tensión Medida de potencia Entrada de alimentación Entrada de las líneas de potencia Salida de las líneas de potencia al inversor Pruebas de funcionamiento de la PCB 42 42 7 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE LA PCB na vez construida la PCB el último paso es probar su funcionamiento antes de situarla en el panel fotovoltaico. Para ello se utilizará de nuevo una fuente de tensión que proporcione los 5V de alimentación, otra fuente de alimentación para la carga (de nuevo volverá a ser una bombilla) y un multímetro para poder comprobar si los valores de tensión a la salida se corresponden con los valores teóricos antes calculado. La conexión realizada se muestra en la siguiente imagen: Figura 28 Esquema de conexión para prueba de la PCB Es necesario recordar que los valores teóricos calculados previamente para la medida de la tensión, la intensidad y la potencia eran sucesivamente: Vtt,amp = 220 mV Vti,amp = 2.47V Vmult = 543 mV U Fuente de alimentación para la carga Fuente de alimentación de 5V Multimetro Sensor de pontencia (PCB) 43 Mientras que los valores obtenidos a partir de las lecturas del voltimetro en la PCB para la tensión, la intensidad y la potencia han sido sucesivamente: Vtt,amp,real = 220,2 mV Vti,amp,real = 2.48V Vmult,real = 542,1 mV Conclusión y posibles mejoras 44 44 8 CONCLUSIÓN Y POSIBLES MEJORAS A la hora de soldar los componentes a la PCB hay que tener mucho cuidado en el momento de realizar las soldaduras, ya que si se realizan de forma defectuosa pueden dar origen a falsas soldaduras, provocando que la intensidad no recorra las pistas de forma correcta. Un desliz de este tipo ocurrió al soldar la resistencia de entrada del transductor de tensión, por lo que a la entrada de dicho transductor no llegaba ninguna señal y como consecuencia no se producía tensión a su salida. También es necesario prestar especial atención a la polaridad de los sensores. Es muy importante que las medidas de ambos coincidan en signo para que la multiplicación tenga el signo deseado. Como mejora se podría sustituir el transductor de corriente por otro que sea capaz de medir un rango de corriente mas cercano al que estemos trabajando, de forma que aprovechemos al máximo el rango de salida. Para ello es necesario saber de antemano la forma en que se van a conectar los paneles adqueridos, es decir, el número de paneles que se van a conectar tanto en serie como en paralelo. Es necesario destacar que para proteger la tarjeta y evitar accidentes se ha encapsulado en una pequeña caja, con una serie de conectores especiales tanto para la entrada de las líenas de alta tensión, como para la interfaz del microcontrolador. Además, se ha instalado un display para poder ver fácilmente la tensión, la corriente y la potencia que está suministrando el panel fotovoltaico en cada instante. También se ha realizado una prueba con valores de tensión y corriente próximos a los que proporcionaría la instalación solar. En estas pruebas se comprobó que la resistencia variable que se instalón a la entrada del transductor de tensión se sobrecalentaba, por lo tanto, fue necesario sustituir tal resistencia variable por una resistencia de cerámica que fuera capaz de soportar unos valores de tensión y de potencia mucho mayores. El valor de esta resistencia fue de 60kΩ, ya que era la única que existía en el mercado con un valor de resistencia próximo al deseado y que fuera capaz de soportar unos valores de tensión y potencia mayores que 450V y 4,5W respectivamente. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta este nuevo valor de la resistencia a la hora de calcular la tensión que está midiendo el transductor de tensión. 45 BIBLIOGRAFÍA [1] A.B. Meinel, Aplicaciones de la energía solar, 2014. [2] M. Carlos Tobajas, Energía solar fotovoltaica, 2012. [3] Tema5-NormasBasicasyRecomendacionesenDisenoPCB. Recuperado de: https://es.scribd.com/document/358388278/Tema5-NormasBasicasyRecomendacionesenDisenoPCB-pdf [4] José Francisco S. Requena, Luis Manuel Navas Gracia, Fundamentos de energía solar, 2010.