Control i monitorització de l'energia en una planta solar fotovoltaica

Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés Titulació: GRAU EN ENGINYERIA ELECTRÒNICA I AUTOMÀTICA Alumne: MÍRIAM GARCÉS ORTEU Títol del Projecte de Final de Grau: CONTROL I MONITORITZACIÓ DE L’ENERGIA EN UNA PLANTA SOLAR FOTOVOLTAICA. Director: JORDI ZARAGOZA BERTOMEU Convocatòria d’entrega del PFG: 10 de Gener de 2015 Contingut d’aquest volum: Memòria Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 2 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 3 ÍNDEX 0. INTRODUCCIÓ AL PROJECTE ...................................................................................... 9 0.1. Finalitat ............................................................................................................................. 9 0.2. Objectius .......................................................................................................................... 9 0.3. Abast ............................................................................................................................... 10 1. INTRODUCCIÓ A L’ENERGIA SOLAR ....................................................................... 11 2. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ........................................................................... 12 2.1. Conceptes bàsics ......................................................................................................... 12 2.2. Avantatges i inconvenients de l’energia solar fotovoltaica ..................................... 14 2.3. Funcionament ............................................................................................................... 15 2.4. Aplicacions ..................................................................................................................... 16 2.5. L’energia solar fotovoltaica a Europa ........................................................................ 17 2.6. L’energia solar fotovoltaica a Espanya ..................................................................... 19 3. SISTEMA D’ADQUISICIÓ DE SENYALS .................................................................... 24 3.1. Introducció ..................................................................................................................... 24 3.2. Circuit de tensió ............................................................................................................ 26 3.3. Circuit de corrent .......................................................................................................... 33 3.4. Test i validació .............................................................................................................. 40 3.4.1. Circuit de tensió ........................................................................................................ 41 3.4.2. Circuit de corrent ...................................................................................................... 44 4. PLATAFORMA EXPERIMENTAL................................................................................. 47 4.1. Seguidor solar ............................................................................................................... 47 4.2. Targeta d’adquisició ..................................................................................................... 48 4.3. Sensor d’irradiació ........................................................................................................ 49 4.4. Sensor de temperatura ................................................................................................ 50 5. INTRODUCCIÓ A LABVIEW ......................................................................................... 53 5.1. Estructura de LabVIEW ............................................................................................... 54 5.2. Creació d’un VI ............................................................................................................. 54 5.2.1. Panell de Control (Front Panel) .............................................................................. 54 5.2.2. Diagrama de blocs (Block Diagram) ...................................................................... 56 5.3. Programació en LabVIEW ........................................................................................... 59 5.4. Execució d’un VI ........................................................................................................... 60 5.5. Estructures ..................................................................................................................... 61 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 4 6. PROGRAMA REALITZAT .............................................................................................. 62 6.1. Finalitat ........................................................................................................................... 62 6.2. Interfície d’usuari .......................................................................................................... 62 6.3. Codi................................................................................................................................. 65 7. CONCLUSIONS ............................................................................................................... 75 8. PRESSUPOST ................................................................................................................. 76 9. TREBALL FUTUR............................................................................................................ 77 10. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 78 Annex I: Circuit acondicionador de tensió i corrent ............................................................. 80 Annex II: Codi LabVIEW .......................................................................................................... 81 Annex III: Fulles de característiques principals ................................................................... 83 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 5 LLISTA DE FIGURES Figura 1: Esquema de l’estructura del projecte. ............................................................................... 10 Figura 2: Esquema dels tipus de radiació solar. [8] ......................................................................... 14 Figura 3: D’esquerra a dreta: Cèl·lula monocristal·lina, cèl·lula policristal·lina, cèl·lula amorfa. [10] .............................................................................................................................................. 16 Figura 4: Evolució de les instal·lacions fotovoltaiques al món [13]. .............................................. 17 Figura 5: Taula que mostra les dades d’energia fotovoltaica obtingudes al 2014 [13]. ............. 18 Figura 6: Capacitat fotovoltaica instal·lada acumulada connectada a la xarxa a diversos països europeus a finals de 2008 [15]. ................................................................................. 20 Figura 7: Esquema del circuit de tensió en alterna. ......................................................................... 24 Figura 8: Esquema del circuit de tensió en contínua. ...................................................................... 24 Figura 9: Esquema del circuit de corrent en alterna. ....................................................................... 25 Figura 10: Esquema del circuit de corrent en contínua. .................................................................. 25 Figura 11: Circuit generador de corrent. ............................................................................................ 26 Figura 12: Transductor de tensió LV 25-P. ....................................................................................... 26 Figura 13: Esquema de connexió del transductor LV 25-P. ........................................................... 27 Figura 14: Esquema de l’Etapa 0 del circuit de tensió. ................................................................... 29 Figura 15: Filtre RC. .............................................................................................................................. 29 Figura 16: Amplificador operacional seguidor. ................................................................................. 30 Figura 17: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 0. ....................................................... 30 Figura 18: Amplificador inversor. ........................................................................................................ 30 Figura 19: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 1. ....................................................... 31 Figura 20: Amplificador inversor i sumador. ...................................................................................... 32 Figura 21: Forma d’ona final resultant del circuit de tensió. ........................................................... 33 Figura 22: Transductor de tensió LA 25-NP. .................................................................................... 33 Figura 23: Esquema de connexió del transductor LA 25-NP. ........................................................ 35 Figura 24: Etapa 0 del circuit de corrent. ........................................................................................... 35 Figura 25: Filtre RC. .............................................................................................................................. 36 Figura 26: Amplificador operacional seguidor. ................................................................................. 36 Figura 27: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 0. ....................................................... 37 Figura 28: Amplificador inversor. ........................................................................................................ 37 Figura 29: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 1. ....................................................... 38 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 6 Figura 30: Amplificador sumador. ....................................................................................................... 39 Figura 31: Forma d’ona final resultant del circuit de tensió. ........................................................... 40 Figura 32: Circuit previ dut a terme. ................................................................................................... 41 Figura 33: Esquema circuit total. ........................................................................................................ 41 Figura 34: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 0. ....................................................... 42 Figura 35: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 1. ....................................................... 43 Figura 36: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 2. ....................................................... 43 Figura 37: Esquema del procés d’acondicionament de tensió. ..................................................... 43 Figura 38: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 0. ....................................................... 44 Figura 39: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 1. ....................................................... 45 Figura 40: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 2. ....................................................... 45 Figura 41. Esquema del procés d’acondicionament del corrent. ................................................... 46 Figura 42: Seguidor solar de dos eixos. ............................................................................................ 47 Figura 43: Pins de la NI USB-6008. ................................................................................................... 48 Figura 44: Borns de connexió en el sensor d’irradiació. ................................................................. 50 Figura 45: Aspecte del sensor de irradiació Spektron 300. ............................................................ 50 Figura 46: Esquema del TPM36. ........................................................................................................ 51 Figura 47: Pins del TPM36 (vista des de baix). ................................................................................ 51 Figura 48: Voltatge de sortida respecte la temperatura. ................................................................. 51 Figura 49: Connexions del circuit de temperatura. .......................................................................... 52 Figura 50: Panell Frontal i Diagrama de Blocs. ................................................................................ 54 Figura 51: Paleta de controls. ............................................................................................................. 55 Figura 52: Menú all controls. ............................................................................................................... 55 Figura 53: Paleta de funcions. ............................................................................................................. 57 Figura 54: Paleta d’eines. .................................................................................................................... 58 Figura 55: Barra d’eines del Panell Frontal. ...................................................................................... 60 Figura 56: Aparença del botó de Run amb mode d’execució. ....................................................... 60 Figura 57: Barra d’eines del Panell Frontal. ...................................................................................... 60 Figura 58: Botó d’aturada i de pausa. ................................................................................................ 61 Figura 59: Estructures. ......................................................................................................................... 61 Figura 60: Panell Frontal (Front Panel). ............................................................................................ 62 Figura 61: Pestanya Graphs del Front Panel. .................................................................................. 63 Figura 62: Pestanya Load data del Front Panel. .............................................................................. 64 Figura 63: Pestanya Config del Front Panel. .................................................................................... 64 Figura 64: Seqüència d’adquisició de dades. ................................................................................... 66 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 7 Figura 65: Mètode d’aturada del programa. ...................................................................................... 67 Figura 66: Continuació de la seqüència d’adquisició de dades. .................................................... 68 Figura 67:Cas True. .............................................................................................................................. 70 Figura 68: Cas False. ........................................................................................................................... 70 Figura 69: Seqüència de sincronització. ............................................................................................ 70 Figura 70: Seqüència que calcula el temps del programa. ............................................................ 71 Figura 71: Seqüència Run. .................................................................................................................. 71 Figura 72: Seqüència que retorna el nombre d’iteracions del While. ........................................... 71 Figura 73: Event Timeout. .................................................................................................................... 72 Figura 74: Event Load Data. ................................................................................................................ 73 Figura 75: Event Stop. .......................................................................................................................... 73 Figura 76: Seqüència que retorna el nombre d’iteracions de l’Event. .......................................... 74 Figura 77: Seqüència que retorna la data i l’hora. ........................................................................... 74 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 8 LLISTA DE TAULES Taula 1. Resum de les condicions establertes pel RD 661/2007 per a instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa [14].................................................................. 20 Taula 2. Resum de les condicions establertes pel RD 1578/2008 per a instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa. .................................................................... 21 Taula 3. Principals dades elèctriques transductor LV 25-P. .............................................. 27 Taula 4. Dades elèctriques del transductor LA 25-NP. ...................................................... 34 Taula 5. Taula de característiques. ....................................................................................... 34 Taula 6. Classificacions elèctriques en condicions de prova estàndards. ...................... 47 Taula 7. Principals característiques de la NI USB-6008. ................................................... 48 Taula 8. Connexió de les senyals a la targeta d’adquisició de dades. ............................ 49 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 9 0. INTRODUCCIÓ AL PROJECTE 0.1. Finalitat Aquest projecte consisteix en la monitorització i control d’un panell fotovoltaic. Aquest panell està situada dins del laboratori d’Electrònica de la segona planta del TR2, a l’Escola d’Enginyeria de Terrassa. El panell solar utilitzat, serà el de la marca BP Solar, model BP350U el qual està compost per 72 cel·les policristal·lines. Es durà a terme el disseny d’una placa acondicionadora que convertirà les magnituds de tensió i corrent rebudes pel panell solar fotovoltaic, així com la realització de les connexions oportunes per a les mesures d’irradiació i temperatura. Es realitzarà una interfície d’usuari i el codi pertinent per tal d’adquirir dades, tractar-les, interpretar-les i emmagatzemar-les. Es programarà amb LabVIEW, software amb el qual es realitzarà el codi mitjançant una programació gràfica. S’ha decidit emprar aquest software per les múltiples avantatges que es detallen a l’apartat 5 (Introducció a LabVIEW) d’aquest projecte. D’altra banda, es profunditzarà en el concepte d’energia solar fotovoltaica i es detallarà com ha evolucionat tant a nivell Europeu com a nivell Espanyol. 0.2. Objectius El nostre planeta pateix cada dia els efectes adversos de la pol·lució i escalfament global i cada cop amb major concentració. Per tant, és de vital importància fer una cerca i aplicació de noves fonts d’energia que respectin el medi ambient. L’energia solar fotovoltaica és una de les millors opcions per a complir aquest objectiu. Per tant, els objectius que es plantegen en aquest projecte són els següents: - Involucrar-me en la cura del medi ambient. - Conèixer el context profunditzant en l’energia solar fotovoltaica. - Comprendre l’estructura d’una estació fotovoltaica. - Participar en la realització tant de software com de hardware. - Desenvolupar una interfície d’usuari mitjançant LabVIEW per a monitoritzar l’estació solar fotovoltaica. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 16 de tipus díode, anomenats cèl·lules solars fotovoltaiques que, al rebre radiació solar s’exciten i provoquen salts electrònics, generant així una petita diferència de potencial als seus extrems. El material més comú que s’empra en les cèl·lules fotovoltaiques és el silici. L’acoblament en sèrie o en paral·lel d’aquests díodes donen lloc a plaques solars fotovoltaiques que, en conjunt, formen panells solars fotovoltaics permetent d’aquesta manera l’obtenció de voltatges majors. Les plaques solars fotovoltaiques es divideixen en 3 grups. - Monocristal·lines: Plaques compostes per seccions d’un únic cristall de silici, recognoscibles per la seva forma circular o hexagonal. - Policristal·lines: Plaques formades per petites partícules cristal·litzades. - Amorfes: Plaques compostes per silici no cristal·litzat. Figura 3: D’esquerra a dreta: Cèl·lula monocristal·lina, cèl·lula policristal·lina, cèl·lula amorfa. [10] Com es pot veure a la Figura 3, cadascun dels tipus de cel·les té un aspecte diferent. Com més grans siguin els cristalls major és la seva efectivitat, però també el seu gruix, pes i cost. El rendiment de les plaques monocristal·lines pot arribar al 20%, mentre que les amorfes pot no arribar a l’1%. No obstant, el seu cost i pes és molt inferior. 2.4. Aplicacions Les instal·lacions fotovoltaiques es poden diferenciar en dos grups tenint en compte la seva aplicació [11]: instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica i instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica. - Instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica L’energia que es produeix és utilitzada per a cobrir baixos consums elèctrics al mateix lloc on es genera la demanda. Es troben en el cas d’aplicacions Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 17 com la electrificació d’habitatges allunyats de la xarxa elèctrica convencional, aplicacions relacionades amb l’agricultura i el bestiar, serveis i enllumenat públic, i senyalització i comunicacions. - Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica Novament, podem agrupar-les en dos casos. Centrals fotovoltaiques en les que l’energia elèctrica generada s’entrega directament a la xarxa elèctrica, com en una altra central convencional de generació elèctrica, i sistemes fotovoltaics en edificis o indústries, connectats a la xarxa elèctrica, en els que una part de l’energia generada s’inverteix en el mateix autoconsum de l’edifici, mentre que l’energia excedent s’entrega a la xarxa elèctrica. També és possible entregar tota l’energia a la xarxa. L’usuari rebrà llavors l’energia elèctrica de la xarxa, de la mateixa manera que qualsevol altre abonat al subministrament. 2.5. L’energia solar fotovoltaica a Europa La demanda d’energia solar [12] està experimentant un fort augment a tot el món, especialment a la Unió Europea. L’energia fotovoltaica és ara, després de la hidroelèctrica i la eòlia, la tercera font d’energia renovable més important pel que fa a capacitat instal·lada en termes totals. Així com a l’inici del projecte s’exposava que a Espanya s’està desincentivant el desenvolupament d’instal·lacions fotovoltaiques degut a les legislacions implantades. Tot el contrari està succeint a Europa, on a la majoria de països hi ha un fort impuls de la potència fotovoltaica instal·lada. La Figura 4 mostra l’evolució de la potència instal·lada al món, on s’hi pot observar un creixement exponencial en el nombre d’instal·lacions fotovoltaiques. Figura 4: Evolució de les instal·lacions fotovoltaiques al món [13]. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 18 Al 2013 es van instal·lar un total de 37.000MW, que van suposar un augment del 35% respecte l’any anterior. La tecnologia fotovoltaica deixa de ser una aposta pròpiament europea per convertir-se en una alternativa competitiva en les principals potències econòmiques. Així, durant el 2013 la regió Àsia-Pacífic, Xina i Japó van liderar el rànquing de nova potència fotovoltaica instal·lada. Els resultats de l’estudi de la AIE (Agencia Internacional de l’Energia) [13] mostren que el mercat fotovoltaic va tornar a créixer al 2014, setè any de la crisis financera. Segons aquest estudi, el sector solar fotovoltaic global va instal·lar al 2014 al voltant de 38,7 GW de potència arreu del món, recordem que la potencia instal·lada al 2013 va ser de 37,6GW, una xifra una mica menor. La addició de potència al 2014 va elevar la capacitat fotovoltaica instal·lada al món fins als 177GW. La regió d’Asia-Pacífic va ser, per segon any consecutiu, el més important del mercat mundial 2014, amb un 59% del global. Europa, pel contrari, va veure com minvava fins al 18%, quan al 2012 amb prou feines es movia al voltant del 59% del mercat global. Segons la AIE, la caiguda del pes europeu al mercat fotovoltaic mundial es deu a dos factors: la reducció objectiva del mercat domèstic europeu i el creixement del mercat global, que ha relativitzat el pes del continent. El mercat americà també ha crescut, amb Estats Units, Canadà i Xile al cap. L’Orient Mitjà roman latent, mentre que Àfrica està creixent – mil megawatts al 2014 – gràcies a la locomotora sud-africana. Però el més important, segons la AIE al seu informe, és que la Xina, que va haver de revisar les seves previsions de creixement a la baixa al 2013 (aquell any va créixer únicament 10,95GW), l’any següent va tornar a enregistrar una lleugera caiguda, fins els 10,6 GW. A Àsia, la segona major potència del 2014 va ser el Japó, que va sumar al seu parc solar fotovoltaic 9,7GW. Seguidament la van seguir, a la resta del món, els Estats Units (6,2GW) i tres mercats europeus: Regne Unit (2,3GW), Alemanya (1,9GW) i França, amb al voltant d’1GW instal·lat al llarg del 2014. Les dades exposades es mostren a la Figura 5. Figura 5: Taula que mostra les dades d’energia fotovoltaica obtingudes al 2014 [13]. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 19 Segons la consultora IHS, el 2015 serà, sense cap dubte, el millor any per a la indústria fotovoltaica, excepte pel mercat Espanyol. Es preveu que es tancarà el 2015 amb una pujada de la demanda del sector fotovoltaic que rondarà el 25%. Amb aquestes xifres es creu que, al llarg del 2015, s’haurà instal·lat uns 55GW arreu del món. Geogràficament, els mercats més grans seran, un cop més, la Xina, Japó i Estats Units, mentre que els majors contribuïdors en termes de creixement absolut serà la Xina, Estats Units i la Índia. Però el més significatiu, en quant a mercat, serà el canvi de lideratge mundial en quant a penetració en la indústria fotovoltaica. Alemanya perdrà el primer lloc al rànquing de producció d’energia a favor de Califòrnia, que s’haurà convertit en la regió que més electricitat generi al 2015 gràcies a la font solar. Es preveu que la fotovoltaica aporti un 10% de l’electricitat generada en aquest estat, un percentatge que supera àmpliament les xifres d’Alemanya o Itàlia. 2.6. L’energia solar fotovoltaica a Espanya Les característiques del mercat energètic espanyol al principi del present segle estaven determinades bàsicament per una forta dependència respecte del petroli, el gas, el carbó i l’energia nuclear (les renovables representaven menys del 5% del consum energètic global). Aquesta combinació tradicional de fonts d’energia suposava importants inconvenients, incloent l’emissió de grans quantitats de diòxid de carboni. Els factors positius eren la disponibilitat de fonts d’energia renovables a gran escala, l’existència d’una indústria de renovables a alt nivell tecnològic fort creixement i la presència d’una comunitat investigadora experta. El desenvolupament del mercat fotovoltaic havia estat molt limitat fins al maig de 2007, quan el Ministeri d’Indústria, Comerç i Turisme va fer públic el Reial Decret RD 661/2007 per a la regulació de la producció d’energia en el règim especial [14]. EL RD 661/2007 va establir una tarifa d’injecció a la xarxa (TIR) de l’ordre de 0,40€/kWh, depenent de la potència nominal de la instal·lació, revisable anualment segons la inflació durant els primers 25 anys, més una reducció escalonada posteriorment. La següent taula (Taula 1) resumeix les condicions establertes per l’esmentat text legal. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 20 Taula 1. Resum de les condicions establertes pel RD 661/2007 per a instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa [14]. El RD 661/2007 va establir un marc legal que tenia: TIR ben establertes, una regla clara d’actuació i una garantia a llarg termini. Aquestes condicions es van afegir als factors positius citats a la secció anterior, de manera que el sector fotovoltaic experimentà un desenvolupament molt important. El marc era vàlid fins a 371MW de potència nominal instal·lada en total. Tant aviat com s’aconseguís el 85% d’aquest límit un nou reial decret hauria de substituir a l’antic en un període no inferior a un any. Ja al juny de 2007, la frenètica activitat desencadenada mesos enrere havia donat lloc a una potència acumulada de 326 MW, així que al setembre de 2007 s’aprovà un període de validesa d’un any per al RD 661/2007. Tothom tenia present que les instal·lacions fotovoltaiques que estiguessin funcionant abans de setembre de 2008 es beneficiaria de tarifes d’injecció a xarxa garantides més elevades que les que poguessin correspondre a qualsevol altra instal·lada posteriorment. S’havien generat les condicions per a una febre de l’or fotovoltaica. El ritme de posada en marxa d’instal·lacions fotovoltaiques es va disparar fins a 500MW/mes, de manera que al setembre de 2008 la potència instal·lada acumulada havia arribat als 3116MW (Figura 6). Figura 6: Capacitat fotovoltaica instal·lada acumulada connectada a la xarxa a diversos països europeus a finals de 2008 [15]. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 21 S’havia produït un creixement del 500% en tant sols un any. Diversos factors varien afavorir aquesta explosiva evolució [16]: (a) ja havien aparegut els primers símptomes de la crisis financera, així que molts inversors estaven buscant productes financers alternatius; (b) el crèdit era barat i fàcil d’aconseguir; (c) el marc legal permetia construir grans instal·lacions compartides per molts petits propietaris que compartien serveis (granges solars); (d) l’evidència de que les condicions empitjorarien després de la data límit; € la disponibilitat de moltes hores de sol i terrenys; (f) el canvi de l’euro respecte el dòlar afavoria la importació de mòduls fotovoltaics. Quan al setembre de 2008 es va arribar a la data límit, es publicà un nou Reial Decret, el RD 1578/2008. Per primera vegada es tractava a les instal·lacions sobre coberta i a les de camp de forma diferent. Es van reduir les tarifes d’injecció a la xarxa, però el major impacte el causà la limitació de la potència instal·lada (Taula 2). Tipus d'instal·lació Coberta Camp Límit (total 400MW/any) 267MW/any 133MW/any Quota ≤ 20kW 10% 100% ≤ 20kW 90% TIR ≤ 20kW 0,34 € 0,32 € Taula 2. Resum de les condicions establertes pel RD 1578/2008 per a instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa. El nou decret devastà el mercat interior, que va créixer lleugerament fins a arribar a la capacitat instal·lada acumulada de 4711MW al 2009 [17]. El marc legal no fou l’únic factor que va afavorir el col·lapse del mercat fotovoltaic intern. Per afegiment a la contracció de la demanda forçada per decret, els preus de venda internacionals es van reduir dràsticament per simple dumping. Per desgràcia, la Comissió Europea i el Parlament Europeu van ser molt ineficients per a legislar a favor de la protecció de la indústria europea en tals circumstàncies. La Comissió Nacional d’Energia va ser, des del novembre de 2009, la encarregada de gestionar el pagament de les instal·lacions fotovoltaiques, i qui volgués cobrar pel seus kilowatts havia d’estar registrat als arxius de l’òrgan regulador. Al 2010 es va promulgar el Reial Decret 14/2010 per a l’energia solar fotovoltaica, l’anomenada “llei anti-fotovoltaica”. En general, aquesta llei va originar una sobtada reducció de tarifa del 45% per a les plantes fotovoltaiques en sol, el que va impedir una rendibilitat d’aquestes instal·lacions. Com a conseqüència, el volum total del mercat solar es va reduir a gairebé un 50%, que en termes d’energia van ser poc més de 250MW. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 22 Respecte les dades dels anys anteriors, la Comissió Nacional d’Energia reflexa que al 2009 es varen instal·lar a Espanya 17MW fotovoltaics, a diferencia del 2010, que es varen instal·lar 392MW. Aquest percentatge tan desorbitat reflexa més aviat l’enfonsament durant el 2009, no una evolució extraordinària del mercat al 2010. La realitat és que entre el 2009 i el 2010 el Govern va adjudicar 979MW dels quals no es varen instal·lar ni la meitat. Degut a la desconfiança generada per les normes retroactives aprovades al 2010 i la mala situació financera, gran part de la potencia assignada al 2010 no es va instal·lar al 2011. Per tant, davant d’aquesta situació, el que van fer les empreses del Sector Fotovoltaic nacional va ser intensificar la sortida cap a altres mercats exteriors per a desenvolupar la seva activitat, ja que la situació a Espanya no es corresponia amb el que succeïa més allà de les nostres fronteres. A l’any 2011 es va aprovar el Reial Decret 1699/2011, pel que es va regular la connexió a xarxa d’instal·lacions de producció d’energia elèctrica de petita potència (inferiors a 10kW). Al 2012 es va aprovar el RD 1/2012, que eliminava les primes a totes les instal·lacions projectades en aquell any i als següents, frenant així la progressió creada entorn a aquesta energia. Els citats decrets no van ser les úniques mesures legals aplicades per a frenar el desenvolupament de l’energia solar fotovoltaica a Espanya. Un cop el cost de l’energia fotovoltaica va disminuir suficientment com per ser competitiva, el lobby de les companyies elèctriques locals va pressionar el Govern per a que apliqués la reducció o eliminació retroactiva de les TIR, limités el nombre d’hores de funcionament e imposés importants peatges a l’ús de la xarxa elèctrica, tot amb l’objectiu de frenar el desenvolupament d’una font d’energia que no només és “massa” competitiva sinó que és massa fàcil d’adoptar per part dels usuaris finals, fent-los menys dependents de les grans companyies que exploten encara el negoci energètic tradicional. Mentre que al 2011 el sector fotovoltaic espanyol superava els 12.000 llocs de treball, a mitjans del 2013 aquest volum es va reduir a uns 4.500 llocs. El 9 d’Octubre de 2015 es va aprovar el Reial Decret 900/2015 [18] pel que es regulen les condicions administratives, tècniques i econòmiques de les modalitats de subministrament d’energia elèctrica amb autoconsum i de producció amb autoconsum, la qual és normativa vigent. Aquest decret afecta a tothom que produeixi energia elèctrica per a l’autoconsum, distingint dues modalitats ben diferenciades: la tipus A, aquell que produeix energia per consum propi i que no està donat d’alta com a productor (la gran majoria de les instal·lacions) i la tipus B, la instal·lació del qual està inscrita al registre de producció d’energia elèctrica. Els punts més importants d’aquest Reial Decret són els següents: - Article 6.1: exposa l’obligatorietat de notificació de les instal·lacions d’autoconsum. No afecta a les instal·lacions aïllades, és a dir, de les no connectades a la xarxa elèctrica. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 23 - Article 9.3: És necessari tenir dos comptadors, un que mesuri l’energia que prenem de la xarxa, i un altre que mesuri l’energia produïda per la instal·lació d’autoconsum. A més a més, no podrem tenir quelcom que consumeixi energia entre la instal·lació i el comptador. - Article 10.1: Indica que l’energia que no consumim procedent de la nostra instal·lació, i que abocarem a la xarxa, l’estarem “regalant”. - Article 10.3: Aquest article ens avisa que haurem de pagar un peatge extra per l’energia que produïm i consumim. En conclusió, degut a aquest decret no es rebrà compensació per l’energia que s’aboqui a la xarxa i s’haurà de pagar per la que consumim de la nostra instal·lació d’autoconsum. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 24 3. SISTEMA D’ADQUISICIÓ DE SENYALS 3.1. Introducció Esquema circuit de tensió: L’objectiu d’aquest circuit és acondicionar la tensió, és a dir, es vol que aquesta passi de ±400V a 0-5V en alterna i de 400V a 2,5-5V en senyal contínua. Com es pot observar a la Figura 7, a l’entrada del sensor s’hi ha connectat una tensió de ±400V en alterna que correspondria al cas genèric. A la Figura 8, a l’entrada del sensor s’hi ha connectat una tensió que s’ha decidit que sigui de 400V en contínua ja que s’ha considerat aquesta tensió màxima en els panells fotovoltaics. Aquesta tensió és convertida a ±5V (en el cas de la Figura 7) i a 5V (en el cas de la Figura 8) mitjançant el transductor LV 25-P. Seguidament aquest valor es divideix a la meitat gràcies al circuit atenuador, d’aquesta manera el senyal passarà a ser de ±2,5V en alterna i 2,5V en contínua. Finalment la tensió passa per un circuit inversor i sumador que afegirà un offset de 2,5V, per tant, el valor del rang de la tensió final serà de 0-5V en alterna i 5V en contínua. Figura 7: Esquema del circuit de tensió en alterna. Figura 8: Esquema del circuit de tensió en contínua. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 25 Esquema circuit de corrent: De la mateixa manera que al circuit de tensió l’objectiu del de corrent és acondicionar la senyal, és a dir, es vol que aquesta passi de ±8A a 0-5V en alterna i de 0-8A a 2,5-5V en senyal contínua. Els càlculs estan realitzats tenint en compte el cas genèric, és a dir, que la tensió d’entrada seran 400V. Com es pot observar a la Figura 9 i Figura 10, a l’entrada del sensor s’hi ha considerat connectar un corrent de ±8A en alterna i de 8A en contínua, que correspon amb el corrent màxim d’entrada. Aquest valor és convertit a ±5V en alterna i 5V en contínua i mitjançant el transductor LA 25-NP. Seguidament aquest valor es divideix a la meitat gràcies al circuit atenuador, d’aquesta manera el senyal passarà a ser de ±2,5V en alterna i 2,5V en contínua. Finalment la tensió passa per un circuit inversor i sumador que afegirà un offset de 2,5V, per tant, el valor del rang de la tensió final serà de 5V en alterna i 2,5-5V en contínua. Figura 9: Esquema del circuit de corrent en alterna. Figura 10: Esquema del circuit de corrent en contínua. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 32 VCC -VCC VCC R12 R13 P4 R10 R11 R15 8K2 15v 110K 470K 4 9 10 11 GND 1K 8 470K 2K TL084J Figura 20: Amplificador inversor i sumador. Amb el potenciòmetre se li entrarà 1,8KΩ, d’aquesta manera a la part inferior de l’OPAM obtindrem una resistència de 10KΩ. Rp=Rentrada pel potenciòmetre Rx= R13+Rp= 8,2kΩ+1,8kΩ=𝟏𝟎𝐤𝛀 El valor de les resistències R10 i R11 ha de ser el mateix, de tal manera que, quan analitzem l’operacional, marxin les dues. S’ha establert que R10=R11=470kΩ. Ara ja podem resoldre el divisor de tensió: V+=15V·10kΩ 110kΩ+10kΩ=52=𝟏.𝟐𝟓𝐕 i1=Vin−V− R11 ; i2=V−−Vout R10 Si i1= i2 i V−= V+=1.25V → Vin−1.25 470kΩ = 1.25−Vout 470kΩ Vin−1.25 = 1.25−Vout→ Vout= −Vin+1.25+1.25 Vin correspon a l’Vout anterior que tenia valor ±2.5V, per tant: Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 33 Si 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝐸1=Vin=2.5V∶ Vout= −2.5 + 1.25+1.25=𝟎𝐕 Si 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝐸1=Vin=−2.5V∶ Vout= 2.5 + 1.25+1.25=𝟓𝐕 D’aquesta manera, a la sortida de E2 tenim 5V. A la Figura 21 es mostra la forma d’ona final que en resulta del circuit de tensió. Cas tensió alterna: Cas tensió contínua: 0V 5V 2,5V Figura 21: Forma d’ona final resultant del circuit de tensió. 3.3. Circuit de corrent El transductor de tensió LA 25-NP s’empra en el mesurament electrònic de corrents. Té un aïllament galvànic entre el circuit primari i el secundari. El seu aspecte es pot observar a la Figura 22. Figura 22: Transductor de tensió LA 25-NP. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 34 - Característiques: Transductor de corrent de llaç tancat que usa l’efecte Hall. De la mateixa manera que s’ha vist al transductor LV 25-P, té un recobriment de plàstic aïllant que compleix la UL 94-V0, la qual és la norma de seguretat d’inflamabilitat de materials plàstics per a les peces de dispositius i electrodomèstics. - Principals dades elèctriques: A continuació es mostra una taula (Taula 4) amb les dades elèctriques més rellevants del transductor de corrent LA 25-NP. IPN Corrent eficaç nominal primari 25 At ISN Corrent eficaç nominal secundari 25mA VC Tensió d’alimentació ±15V IC Consum de corrent 10+ IS [mA] Taula 4. Dades elèctriques del transductor LA 25-NP. Com que s’ha decidit que se li connectaran 8A, el qual serà el valor màxim d’entrada, la connexió recomanada per aquest transductor és la següent: Taula 5. Taula de característiques. Com es pot observar a la Taula 5, el rati de voltes (Turns ratio) és: KN=3 1000=0.003 Per tant, ISN=KN·IPN=0.003· 8=𝟐𝟒𝐦𝐀 ~ 𝟐𝟓𝐦𝐀 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 35 A continuació es calcularà el consum però, per a obtenir nombres “rodons”, suposarem que el corrent nominal de sortida (ISN) és de 25mA. Consum=10+ISN=10+25mA=𝟑𝟓𝐦𝐀 L’esquema del transductor de corrent model LA 25-NP és mostra a la Figura 23. Figura 23: Esquema de connexió del transductor LA 25-NP. Establim que el valor de corrent que alimentarà l’entrada del circuit del LA 25-NP sigui 8A. L’esquema del circuit de corrent està dividit en tres etapes:  Etapa 0 (E0): Comprèn tant el filtre RC com l’amplificador seguidor (Figura 24). 4 J1 C1 VCC -VCC VCC -VCC T_corriente 2 11 12 13 M + - 680nF Jumper 3 21 8 4 LA 25-NP GND 3 4 6 7 8 9 10 5 3 2 1 1 GND R1 200 Figura 24: Etapa 0 del circuit de corrent. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 36 Calculem la resistència de mesura (R1), que correspon a la resistència RM esmentada anteriorment. R1=V ISN=5 V 25 mA=5 V 25·10−3 A=𝟐𝟎𝟎𝛀 A continuació es mostra un esquema (Figura 25) del filtre RC del qual es compon aquesta etapa: Figura 25: Filtre RC. Càlcul de la freqüència de tall del filtre RC: fc=1 2πRC=1 2·π·200Ω·680nF=𝟏𝟏𝟕𝟎𝐇𝐳 De la mateixa manera que al circuit de tensió, hi ha un amplificador operacional seguidor per separar ambdós circuits (Figura 26). VCC -VCC Figura 26: Amplificador operacional seguidor. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 37 Per tant, a la sortida d’aquesta etapa la tensió és de 5V. A la Figura 27 es mostra la forma d’ona que en resulta d’aquesta etapa del circuit. Cas corrent alterna: Cas corrent contínua: 5V -5V 5V 0V Figura 27: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 0.  Etapa 1 (E1): Aquesta etapa comprèn l’amplificador inversor (Figura 28), que divideix a la meitat la tensió, atenua. VCC -VCC R2 R3 10K 2 3 GND 1K P1 5K 4 1 TL084J 11 Figura 28: Amplificador inversor. Amb el potenciòmetre se li entrarà 4KΩ, d’aquesta manera a la part superior de l’OPAM obtindrem una resistència de 5KΩ. Rp=Rentrada pel potenciòmetre R= R2+Rp= 1kΩ+4kΩ=𝟓𝐤𝛀 Analitzem l’amplificador: i1=Vin−V− R3 ; i2=V−−Vout R Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 38 𝑆𝑖 𝑉−= 𝑉+=0 → i1=5V 10kΩ ; i2= −Vout 5kΩ 𝑖1= 𝑖2 5𝑉 10𝑘Ω=−𝑉𝑜𝑢𝑡 5𝑘Ω → 𝑉𝑜𝑢𝑡=5𝑉·5𝑘Ω 10𝑘Ω=5𝑉·0.5=2,5𝑉 → 𝑽𝒐𝒖𝒕=𝟐,𝟓𝑽 Per tant, a la sortida de l’etapa 1 tenim 2,5V. A la Figura 29 es mostra la forma d’ona que en resulta d’aquesta etapa del circuit. Cas tensió alterna: Cas tensió contínua: 2,5V -2,5V 2,5V 0V Figura 29: Forma d’ona de la tensió a la sortida de l’etapa 1.  Etapa 2 (E2): Comprèn l’amplificador sumador (Figura 30), que suma un offset. De la mateixa manera que amb el circuit de tensió es sumarà un offset de 2,5V a la tensió resultant de l’etapa anterior. Per a que això sigui possible, V+ haurà de ser 1,25V. Novament, per a que es compleixi l’anterior premissa, R6 hauria de ser 110kΩ i Rx 10kΩ. La comprovació de la validesa dels valors esmentats es mostrarà a continuació, quan es resolgui el divisor de tensió. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 39 VCC -VCC VCC R6 R7 P2 R4 R5 R14 8K2 15v 110K 470K 4 6 5 11 GND 1K 7 470K 2K Figura 30: Amplificador sumador. Amb el potenciòmetre se li entrarà 1,8KΩ, d’aquesta manera a la part inferior de l’OPAM obtindrem una resistència de 10KΩ. Rp=Rentrada pel potenciòmetre Rx= R13+Rp= 8,2kΩ+1,8kΩ=𝟏𝟎𝐤𝛀 El valor de les resistències R10 i R11 ha de ser el mateix, de tal manera que, quan analitzem l’operacional, marxin les dues. S’ha establert que R4=R5=470kΩ. Ara ja podem resoldre el divisor de tensió: V+=15V·10kΩ 110kΩ+10kΩ=52=𝟏.𝟐𝟓𝐕 i1=Vin−V− R11 ; i2=V−−Vout R10 Si i1= i2 i V−= V+=1,25V → Vin−1,25 470kΩ = 1,25−Vout 470kΩ Vin−1,25 = 1,25−Vout→ Vout= −Vin+1,25+1,25 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 40 Vin correspon a l’Vout anterior que tenia valor 2,5V, per tant: Si 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝐸1=Vin=2,5V∶ Vout= −2,5V+1,25+1,25=𝟓𝐕 Si 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝐸1=Vin=0V∶ Vout= 0 + 1,25+1,25=𝟐,𝟓𝐕 D’aquesta manera, a la sortida de E2 tenim 5V. A la Figura 31 es mostra la forma d’ona final que en resulta del circuit de tensió. Cas tensió alterna: Cas tensió contínua: 0V 5V 2,5V Figura 31: Forma d’ona final resultant del circuit de tensió. 3.4. Test i validació Primerament, cal remarcar que el panell solar ens aportarà un corrent continu, per tant, totes les representacions d’ona seran, a partir d’ara, en aquest tipus de corrent. Com s’ha esmentat a la introducció d’aquest punt del projecte, es connectarà un circuit generador de corrent (Figura 33) en sèrie al circuit de la placa el qual consta de dos resistències de 75Ω en sèrie, de manera que la resistència total és: 𝑅 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝑅 2=75 Ω 2=𝟑𝟕,𝟓 𝛀 I senzillament, amb la llei d’Ohm calculem el corrent teòric que circularà per aquest circuit: 𝑉=𝐼· 𝑅  30V = I · (75/2)Ω  I = 0,8A S’ha mesurat el valor de les resistències amb un multímetre i s’ha observat que el valor real de les dues resistències en paral·lel és de 38,2Ω (Figura 32). Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 41 Figura 32: Circuit previ dut a terme. . Apliquem novament la Llei d’Ohm per a calcular la intensitat que passarà realment pel circuit previ al de corrent: 𝑉=𝐼· 𝑅  𝑉 𝑅=𝐼  30𝑉 38,2Ω=0,7853𝐴 Figura 33: Esquema circuit total. 3.4.1. Circuit de tensió  Etapa 0 (E0): Un cop muntada i soldada la placa comprovem que funcioni correctament. Alimentem la TracoPower amb 24V connectant-la al canal 1 de la font d’alimentació en mode de funció independent. Recordem que als càlculs anteriors s’ha establert que la tensió primària nominal sigui 400V i la tensió secundària nominal sigui 5V. Si, com hem dit, li entréssim una tensió de 400V, obtindríem una tensió a la sortida del transductor equivalent a 5V. Ara bé, com que a la pràctica no aplicarem 400V sinó 30V, es farà un reescalat que implicarà que a la sortida del transductor s’obtinguin 0,375V. 400 V  5 V X = 0,375 V 30 V  X Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 48 4.2. Targeta d’adquisició Es tracta d’un dispositiu d’adquisició de dades de la marca National Instruments model NI USB-6008. Aquest model proporciona vuit entrades analògiques (AI), dos canals de sortida analògica (AO), dotze canals DIO i un comptador de 32 bits amb una interfície USB d’alta velocitat (Figura 43). A la Taula 7 es mostren les principals característiques d’aquesta targeta d’adquisició. Resolució AI 12 bits diferencial, 11 bits singleended. Rati de mostres AI màxim per a un sol canal 10kS/s Rati de mostres AI màxim per a múltiples canals 10kS/s Taula 7. Principals característiques de la NI USB-6008. Figura 43: Pins de la NI USB-6008. En el cas d’aquest projecte, es volen obtenir valors de 5 senyals diferents i, per tant, s’ha de dur a terme la configuració no diferencial, és a dir, l’anomenada single-ended. A continuació es mostra una taula (Taula 8) on s’hi estableix les senyals connectades a cada entrada analògica. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 49 Número d’entrada Nom de l’entrada Senyal corresponent 1 GND 2 AI 0 Irradiació 3 AI 4 Corrent 4 GND 5 AI 1 Temperatura exterior 6 AI 5 7 GND 8 AI 2 Temperatura panell 9 AI 6 10 GND 11 AI 3 Tensió 12 AI 7 13 GND 14 AI 0 15 AI 1 16 GND Taula 8. Connexió de les senyals a la targeta d’adquisició de dades. Pel que fa a la font d’alimentació, la NI USB-6008 subministra 5V i 200mA a la sortida. Es pot emprar aquesta font per alimentar components externs. A continuació es calcula la resolució d’aquest dispositiu tenint en compte que s’usarà en mode no diferencial (single-ended): Resolució=±10 V 211−1=𝟗,𝟕𝟕𝐦𝐕 4.3. Sensor d’irradiació L’adquisició dels valors d’irradiació es durà a terme amb el Spektron 300 el qual és un sensor de silici que s’empra per a la mesura d’irradiació solar. Aquest dispositiu permet varies possibilitats per a l’avaluació d’una irradiació de 0 a 1500W/m2, però en el nostre cas està acondicionat per tal d’obtenir una sortida de tensió de 0 a 10V. Disposa de quatre cables de sortida els quals són:  Cables blaus: corresponen a massa (GND) (born nº6).  Cable vermell: alimentació VDD de +12 a +30V (born nº4). Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 50  Cable negre: Sortida de la tensió U10 (born nº1).Per a l’ús d’aquesta sortida de tensió el circuit ha d’estar proveït de corrent. La tensió d’alimentació VDD ha d’estar en un marge entre +12V i +30V, en relació amb GND. La tensió de mesura resultant és: U10=E· 10 V 1500W m2 L’ocupació de les connexions d’aquest sensor es mostra a la Figura 44 i el seu aspecte real a la Figura 45. Figura 44: Borns de connexió en el sensor d’irradiació. Figura 45: Aspecte del sensor de irradiació Spektron 300. S’ha col·locat el sensor d’irradiació Spektron 300 a la cantonada dreta del panell fotovoltaic. 4.4. Sensor de temperatura Per a dur a terme la mesura de la temperatura s’emprarà el sensor TPM36. Es tracta d’un dispositiu que simplement ens retorna un valor de tensió proporcional a la temperatura al que està sotmès. Les principals característiques del TPM36 són: - Mesura la temperatura en graus centígrads. - Funciona entre -40ºC i +125ºC. - Té una precisió de ±1ºC. - L’esquema d’aquest sensor és el de la Figura 46. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 51 Figura 46: Esquema del TPM36. Aquest sensor disposa de tres pins (Figura 47). Figura 47: Pins del TPM36 (vista des de baix). Figura 48: Voltatge de sortida respecte la temperatura. Utilitzar aquest sensor és senzill, simplement es connectarà el pin esquerre, +VS, a una font d’alimentació proporcioni de 2,7 a 5,5V. El pin dret es connectarà a massa i el pin central anirà connectat a l’entrada de la targeta d’adquisició de dades NI USB-6008 ja que proporcionarà un voltatge analògic que serà directament proporcional a la temperatura. Per a convertir el voltatge a temperatura s’utilitzarà la funció següent: Temperatura[ºC]=Vout[mV]−500 10 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 52 L’equació anterior l’extraiem del gràfic anterior (Figura 48), ja que es pot veure que a 0ºC tenim un offset de 500mV i també sabem que el voltatge incrementarà 10mV per cada grau centígrad. D’aquesta manera, si tenim una temperatura de 23ºC a la sortida es mostraran 0,73V. A continuació es mostra les connexions dutes a terme amb una placa Protoboard (Figura 49). Figura 49: Connexions del circuit de temperatura. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 53 5. INTRODUCCIÓ A LABVIEW LabVIEW constitueix un revolucionari sistema de programació gràfica per a aplicacions que involucrin adquisició, control, anàlisi i representació de dades. Les avantatges que proporciona l’ús de LabVIEW es resumeixen en els següents punts: - Es redueix el temps de desenvolupament de les aplicacions, com a mínim de 4 a 10 cops, ja que és molt intuïtiu i fàcil de comprendre. - Dota de gran flexibilitat al sistema, permetent canvis i actualitzacions tant del hardware com del software. - Dóna la possibilitat als usuaris de crear solucions completes i complexes. - Amb un únic sistema de desenvolupament s’integren les funcions d’adquisició, anàlisi i presentació de dades. - El sistema està dotat d’un compilador gràfic per a aconseguir la màxima velocitat d’execució possible. - Té la possibilitat d’incorporar aplicacions escrites en altres llenguatges. LabVIEW és un entorn de programació destinat al desenvolupament d’aplicacions, similar als sistemes de desenvolupament comercials que utilitzen el llenguatge C o BASIC. No obstant, LabVIEW es diferència dels altres programes en l’important aspecte que la resta de llenguatges de programació es basen en línies de text per a crear el codi font del programa, mentre que LabVIEW empra la programació gràfica o llenguatge “G” per a crear programes basats en diagrames de blocs. Per a l’ús de LabVIEW no es requereix gran experiència en programació, ja que s’empren icones, termes i idees familiars per a científics i enginyers, i es recolza sobre símbols gràfics en lloc de llenguatge escrit per a construir les aplicacions. Per a això resulta molt més intuïtiu que la resta de llenguatges de programació convencionals. LabVIEW posseeix extenses llibreries de funcions i subrutines. A més a més de les funcions bàsiques de tot el llenguatge de programació, LabVIEW inclou llibreries específiques per a l’adquisició de dades, control d’instrumentació VXI, GPIB, comunicació en sèria, anàlisi i emmagatzemament de dades. LabVIEW també proporciona potents eines que faciliten la depuració dels programes. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 54 5.1. Estructura de LabVIEW Els programes desenvolupats mitjançant LabVIEW es denominen Instruments Virtuals (VIs) ja que la seva apariència i funcionament imiten als d’un instrument real. No obstant, són anàlegs a les funcions creades amb els llenguatges de programació convencionals. Els VIs tenen una part interactiva amb l’usuari i una altre part de codi font, i accepten paràmetres procedents d’altres VIs. Tots els VIs tenen un Panell Frontal i un Diagrama de Blocs. Les paletes contenen les opcions que s’empren per a crear i modificar els VIs. A continuació es procedirà a realitzar una breu descripció d’aquests conceptes. 5.2. Creació d’un VI Per a l’elaboració d’un programa nou obrirem un nou VI: New/Blanc VI. Apareixen dos finestres noves, la de Front Panel i la de Block Diagram (Figura 50). A la finestra de Front Panel es defineixen les variables d’entrada/sortida del programa, en forma de controls, displays, etc. A la finestra de Block Diagram s’escriu el codi font del programa. Figura 50: Panell Frontal i Diagrama de Blocs. 5.2.1. Panell de Control (Front Panel) Es tracta de la interfície gràfica de l’VI amb l’usuari. Aquesta interfície recull les entrades provinents de l’usuari i representa les sortides proporcionades pel programa (son les variables d’entrada i sortida del programa). Un panell frontal esta format per una sèrie d’elements com són botons, polsadors o gràfics. Cadascun d’ells pot estar definit com un control o com un indicador. Els primers serveixen per a introduir paràmetres a l’VI, mentre que els darrers s’empren per a mostrar resultats obtinguts, a siguin dades adquirides o resultats d’alguna operació. Per a poder dur a terme la visualització de les diverses eines de visualització i control, s’ha de polsar sobre el Panell Frontal amb el botó dret del ratolí o al menú Windows/Show Controls Palette. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 55 Paleta de Controls (Controls Palette) S’utilitza únicament en el Panell Frontal. Conté tots els controls i indicadors que s’empraran per a crear la interfície de l’VI amb l’usuari (Figura 51). Figura 51. Paleta de controls. El menú All Controls (Figura 52) de la finestra corresponent al Panell Frontal conté les següents opcions: Figura 52. Menú all controls. 1. Numeric. – Per a la introducció i visualització de quantitats numèriques. 2. Boolean. – Per a l’entrada i visualització de valors booleans. 3. String & Path. – Per a l’entrada i visualització de text. 4. Array & Cluster. – Per a agrupar elements. 5. List & Table. – Per a visualitzar i/o introduir dades. 6. Graph. – Per a representar gràficament les dades. 7. Ring & Enum. – Per a seleccionar una llista d’opcions. 8. Containers. – Control de paràmetres. 9. I/O. – Dades digitals, VISA, IMAQ, DAQ. 10. Dialog Controls. – Controls variables. 11. Classic Controls. – Controls clàssics. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 56 12. Refnum. – Nombres de referència per a controls i indicadors. 13. Decorations. – Elements de demarcació. 14. User Controls. – Per a escollir un control creat pel propi usuari. 15. Select a Control. – Per a seleccionar qualsevol control. Al seleccionar objectes des del menú Controls aquests apareixen sobre el Panell Frontal, poden ubicar-se on convingui i, a més a més, tenen el seu propi menú desplegable que permet la configuració d’alguns paràmetres específics de cada tipus de control. 5.2.2. Diagrama de blocs (Block Diagram) El Diagrama de Blocs constitueix el codi font de l’VI. És on es du a terme la implementació del programa de l’VI per a controlar o realitzar qualsevol processat de les entrades i sortides que es varen crear al Panell Frontal. El Diagrama de Blocs inclou funcions i estructures integrades en les llibreries que incorpora LabVIEW. Al llenguatge “G” les funcions i les estructures són nodes elementals. Són anàlogues als operadors o llibreries de funcions dels llenguatges convencionals. Els controls i indicadors que es varen col·locar prèviament al Panell Frontal es materialitzen en el diagrama de blocs mitjançant els terminals. Paleta de Funcions (Functions Palette) La Paleta de Funcions s’empra en el disseny del diagrama de blocs. Conté tots els objectes que s’usaran en la implementació del programa del VI, ja siguin funcions aritmètiques, d’entrada/sortida de senyals, d’entrada/sortida de dades a fitxer, d’adquisició de senyals, de temporització de l’execució del programa, etc. Per a poder visualitzar les diferents eines de visualització i control s’ha de polsar sobre el Diagrama de Blocs amb el botó dret del ratolí o amb el mení Windows/Show Front Panel. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 57 Figura 53. Paleta de funcions. El menú All Functions (Figura 53) de la finestra corresponent al Panell Frontal conté les següents opcions: 1. Structures. – Mostra les estructures de control del programa, juntament amb les variables locals i globals. 2. Numeric. – Mostra les funcions aritmètiques i constants numèriques. 3. Boolean. – Mostra funcions i constants lògiques. 4. String. – Mostra funcios per a manipular cadenes de caràcters, així com constants de caràcters. 5. Array. – Conté funcions útils per a processar dades en forma de vectors. 6. Cluster. – És una agrupació de dades que poden ser de diferent tipus. Seria l’equivalent a una estructura en el llenguatge C. 7. Comparison. – Mostra funcions que serveixen per a comprar nombres, valors booleans o cadenes de caràcters. 8. Time & Dialog. – Conté funcions per a treballar amb quadres de diàleg, introduir comptadors i retards, etc. 9. File I/O. – Mostra funcions per a operar amb fitxers. 10. NI Mesuraments. – Pròpis. 11. Wareform. – Conté generadors de senyals. 12. Analyze. – Conté un submenú en el que es pot escollir entre una amplia gama de funcions matemàtiques d’anàlisis. 13. Instrument I/O. – Mostra un submenú d’VIs que facilita la comunicació amb instruments perifèrics que segueixen la norma ANSI/IEEE 488.2-1987, i el control del port sèrie. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 64 Figura 62. Pestanya Load data del Front Panel. La tercera pestanya, anomenada Config (Figura 63), conté una sèrie d’indicadors repartits en tres seccions: Figura 63. Pestanya Config del Front Panel. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 65  Configuration: Adquisition Time (s) – Temps d’adquisició de dades establert en segons. RSE channels – Desplegable en el qual es pot navegar i seleccionar el canal desitjat de tipus mode comú, és a dir, no diferencial. En aquest cas, s’ha establert que els canals diferencials siguin el 6 (temperatura exterior) i el 7 (temperatura panell) de la targeta d’adquisició de dades. Differential channels – Desplegable en el qual es pot navegar i seleccionar el canal desitjat de tipus diferencial. En aquest cas, s’ha establert que els canals diferencials siguin el 0 (tensió), 1 (corrent) i 2 (irradiació) de la targeta d’adquisició de dades. Save Data – Opció que guarda les dades generades. Un cop es seleccioni aquest botó, automàticament s’obrirà una finestra on es demanarà a l’usuari que li doni un nom al nou arxiu on es guardaran les dades obtingudes o que seleccioni un arxiu existent per sobreescriure’l. El fitxer estarà ubicat on l’usuari hagi decidit. File Path (dialog if empty) – Mostra la ruta de l’arxiu on es guardaran les dades obtingudes.  Alarms: Fa referència a les alarmes de temperatura. L’usuari pot modificar el valor de la temperatura amb el qual els LEDs d’alarma de la pestanya Panel s’activin.  Information: Program time – Temps que triga el programa en iniciar-se. Event – Indica el nombre d’iteracions que s’han realitzat del bucle Event. While – Indica el nombre d’iteracions que s’han realitzat del bucle While. 6.3. Codi El codi del programa es composa del diagrama de blocs que es mostra a continuació. El diagrama està dividit en dos bucles While. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 66 While inferior: Comença amb una seqüència que té el seu inici fora del bucle (Figura 64). Aquesta seqüència llegirà les dades dels canals físics indicats. Figura 64. Seqüència d’adquisició de dades. El bloc RSE channels fa referència els canals físics de tipus node comú connectats a la targeta de LabVIEW i el Differential channels als de tipus diferencial connectats a la targeta de LabVIEW. Aquests llegiran les dades de les entrades físiques de la targeta d’adquisició de dades i el bloc DAQmx Create Virtual Channel el conjunt de canals virtuals i els afegirà a la tasca del bloc següent. A les opcions d’aquest s’ha seleccionat que l’entrada sigui de tipus analògica i de voltatge el rang de la qual serà de -5 a 5V. Converteix la senyal d’analògica a digital. Les instàncies d’aquest bloc corresponen amb el tipus I/O com, per exemple, una entrada analògica, una sortida digital o un comptador de sortida, així com el mesurament o generació temperatura, voltatge, recompte d’esdeveniments. El DAQmx Sample Clock configurarà el nombre de mostres a adquirir o generar. En aquest cas s’ha definit que agafi 100 mostres i que el rati de mostreig, és a dir, el nombre de mostres per segon sigui 1000. El mode de mostreig s’ha definit com “Mostreig Finit“ (Finite Samples). Les instàncies d’aquest bloc corresponen amb el tipus de temporització a utilitzar per a la tasca. A continuació s’entra ja dins del bucle del While i es passa al bloc de DAQmx Start Task que iniciarà una transició de la tasca a l’estat d’execució per a començar la mesura o generació. Seguidament, es passa al bloc de lectura DAQmx Read Task, en concret el de tipus “Analog 2D DBL NChan NSamp, que s’encarregarà de llegir les mostres especificades de la tasca o dels canals virtuals especificats. Les instàncies d’aquest bloc especifiquen el format de mostres a retornar, ja sigui per llegir una sola mostra o múltiples alhora, o si es llegeixen d’un o diversos canals. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 67 El DAQmx Stop Task aturarà la tasca i la tornarà a l’estat en la qual es trobava anteriorment a l’inici del DAQmx Start Task. Si no s’utilitza el DAQmx Start Task i el DAQmx Stop Task, quan s’empri el DAQmx Read o el DAQmx Write diverses vegades, com en un bucle, la tasca s’iniciarà i s’aturarà repetidament. Iniciar i aturar la tasca repetidament redueix el rendiment de l’aplicació. Tant la informació de la tasca com la de l’error sortiran fora del bucle de manera que anirà a parar al bloc DAQmx Clear Task esborrarà la tasca. Abans d’esborrar, aquest bloc avorta la tasca si cal. No es pot utilitzar una tasca després d’haver dut a terme l’eliminació llevat que es torni a crear la tasca. La informació de l’error anirà a parar a un gestor d’error general (General Error Handler), aquest indicarà si hi ha hagut cap error i, en cas afirmatiu, mostrarà la seva descripció. S’han connectat els blocs anteriors amb l’eina Connect Wire, creant així una seqüencia. El cable lila representa els canals virtuals als quals se li apliquen les operacions. Si es proporciona una llista de canals virtuals NI-DAQmx crea automàticament una tasca. El cable verd representa l’error. Les entrades i sortides de l’error serveixen per comprovar aquests i especificar l’ordre d’execució connectant l’error out des d’un node a l’error in del següent node. Quan es tracta de l’entrada de l’error, error in, aquest descriu les condicions de l’error abans de que el següent bloc s’executi. Per defecte l’error és nul. Si es produeix un error mentrestant l’VI o la funció està en marxa aquesta VI o funció continua normalment i passa el valor de l’error in a l’error out. El bucle del While s’aturarà quan el botó d’Stop tingui el valor True (Figura 65). Figura 65. Mètode d’aturada del programa. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 68 Figura 66. Continuació de la seqüència d’adquisició de dades. Les dades obtingudes al bloc DAQmx Read són conduïdes a un Index Array (Figura 66) on s’ha establert que la primera entrada faci referència a la la temperatura ambient, la segona a la temperatura del panell, la tercera a la tensió, la quarta al corrent i la cinquena a la irradiància. Cada sortida de l’Index Array té un bloc Mean a la sortida, aquest s’encarrega de calcular la mitjana dels valors de la seqüència d’entrada. Per a la utilització del sensor d’irradiació Spektron 300 la tensió d’alimentació del born 4 ha d’estar en un marge entre +12V i +30V en relació a la massa. La tensió de mesura resulta: 𝑈10=𝐸·( 10𝑉 1500𝑊 𝑚2) Per tant, si s’obté la tensió U10 mitjançant la mesura de dades es pot calcular la irradiació E de la següent manera: 𝐸=𝑈10·1500𝑊 𝑚2 10𝑉  𝑦=𝑥·1500 10 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 69 D’aquesta manera, a la sortida que fa referència a la irradiància se li aplica l’operació anterior per a convertir la tensió a irradiació. En el cas de les temperatures, la funció que se li aplicarà serà la corresponent amb el sensor de temperatura TMP36: Temperatura[ºC]=Vout[mV]−500 10 Referent a la tensió la funció que calcularà el valor real és: 𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙=(𝑉−2,5)·400 2,5 I finalment, pel que fa al corrent, la funció duta a terme és: 𝐼𝑟𝑒𝑎𝑙=(𝑉−2,5)·8 2,5 Realment les funcions de tensió i intensitat anterior sorgeixen del procés invers dut a terme als circuits acondicionadors de l’apartat 4 d’aquest projecte. Per a cada sortida de l’Index Array es crearà una variable numèrica i un gràfic per tal de visualitzar els valors a la pestanya Graphs del panell frontal. S’emprarà la funció Build Array que afegirà els elements indicats a una matriu de dimensió n de tal manera que tornin a estar agrupats per a poder dur a terme la funció d’escriptura i posterior lectura d’aquests. La nova matriu creada entrarà dins d’un bucle de casos: - Cas True Com es pot observar a la Figura 67, quan es premi el botó de Save data del panell frontal, la matriu d’elements serà escrita per la funció Write to a Spreadsheet File que convertirà les cadenes d’enters dels quals es formen els elements a cadenes de text que seran escrites en un nou arxiu o en un arxiu existent. Finalment, retornarà la ruta d’arxiu, que serà emmagatzemada en una variable. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 70 Figura 67.Cas True. - Cas False S’estarà dins d’aquest cas quan no s’hagi premut el botó de Save data del panell frontal (Figura 68). S’hi ha establert un element anomenat Empty Path Constant per tal de que retorni una ruta buida. Figura 68: Cas False. Dins del bucle While també trobem una petita seqüència de sincronització (Figura 69), d’aquesta manera es controla el rati d’execució del programa. La variable que s’ha entrat referent al temps d’adquisició en segons és multiplicada per 1000 mitjançant una porta lògica de multiplicació, d’aquesta manera es convertirà el valor de segons a mil·lisegons. El valor resultant serà conduit al bloc Wait Until Next ms Multiple, aquest té la funció d’esperar fins que el valor en mil·lisegons del temporitzador sigui múltiple del valor especificat. Figura 69: Seqüència de sincronització. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 71 A la part inferior del bucle s’hi pot observar un bloc anomenat Tick Count (ms) (Figura 70), es tracta d’un temporitzador el qual es posarà en marxa quan el programa s’iniciï i guardarà el valor. A continuació hi ha un altre Tick Count (ms) dins del bucle. L’element de resta (Substract) que hi ha seguidament retornarà la diferència entre ambdós elements, aquest valor s’emmagatzemarà en una variable anomenada “Program Time” i s’interpreta com el temps en mil·lisegons que triga el programa a iniciar-se. Figura 70: Seqüència que calcula el temps del programa. S’ha creat dos indicadors de l’element Run, un de lectura i un altre d’escriptura (Figura 71). Figura 71.Seqüència Run. S’ha connectat el primer element, el de lectura, a una porta lògica NOT, per tant, patirà un procés d’inversió i el valor obtingut s’escriurà a l’indicador d’escriptura de manera que aquesta seqüència farà que el LED del panell frontal estigui en intermitència quan el programa estigui en execució. El bloc on dins hi ha una “i” blava conté el nombre d’iteracions realitzades del bucle While (Figura 72), que seran mostrades al quadre numèric de la pestanya de Load data del panell frontal anomenat While. Figura 72: Seqüència que retorna el nombre d’iteracions del While. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 72 While superior: Dins d’aquest segon While s’ha creat una estructura d’events composta per tres subdiagrames. Aquesta estructura espera fins que es produeix un esdeveniment, llavors executa el cas apropiat per a manejar-lo. Són situacions que es donen excepcionalment. Tenen preferència sobre el bucle While inferior. Els tres casos creats per a la programació d’esdeveniments són els següents: - “Timeout”: Està per defecte, no hi entrarà mai (Figura 73). Figura 73: Event Timeout. - “Load Data: Mouse Down”: Quan es polsa el botó Load Data del panell frontal el programa executa aquest cas (Figura 74). Per a programar-lo s’ha creat un indicador de l’element File Path, i s’ha establert que sigui de tipus lectura. El bloc Read From Spreadsheet File s’utilitza per a llegir el full de càlcul guardat en format de text. S’ha introduït una constant True a aquest bloc per tal de transposar les dades després d’haver-les convertit a una cadena de dades (String). Si no s’hagués connectat cap constant True, per defecte tindria el valor False. D’aquesta manera es llegirà l’arxiu que conté els valors d’irradiació, temperatures, tensió i corrent i es mostraràn en forma de gràfics al panell frontal. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 73 Figura 74: Event Load Data. - “Stop”: Quan es polsi al botó d’Stop del panell frontal, l’execució del programa finalitzarà (Figura 75). Figura 75: Event Stop. En aquest cas passa el mateix que amb el While anterior, el bloc amb la “i” blava conté el nombre d’iteracions realitzades pel bucle d’events. Per tant, cada cop que es produeixi un esdeveniment, com guardar les dades o polsar el botó d’Stop, se sumarà una unitat al quadre numèric “Event” de la pestanya Load data del panell frontal (Figura 76). Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés Annex I: Circuit acondicionador de tensió i corrent Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés Annex II: Codi LabVIEW Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 82 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 83 Annex III: Fulles de característiques principals 1. Sensor d’irradiació Spektron 300. 2. Sensor de temperatura LMP36. 3. NI USB-6008. 4. Transductor de voltatge LV 25-P. 5. Transductor de corrent LA 25-NP. Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 84 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 85 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 86 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 87 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 88 Control i monitorització de l’energia en una planta solar fotovoltaica Míriam Garcés 89