Abstract This project deals with the application of solar panels or photovoltaic cells for the production of electricity by

absorbing light and radiation from the sun, so it implemented a

circuit control PWM (Pulse Width Modulation), which was

designed for a 120V / 60Hz, to minimize the harmonic content,

based on the minimization of the THD (Total harmonic

Distortion). This will be implemented by two loads that are

within and variation in brightness of a bulb.

Palabras clavesEnerga renovable, celda fotovoltaica,

energa elctrica, impacto ambiental, modulacin por ancho de

pulso, distorsin armnica, vatio pico (Wp).

I. INTRODUCCIN

ste documento es acerca de una de las amplias

aplicaciones de paneles solares donde la radiacin por

parte del sol hacia la tierra es una fuente de energa que es

aprovechada mediante paneles solares o celdas fotovoltaicas,

esta aplicacin resulta ventajosa para el medio ambiente ya

que el impacto ambiental es mnima donde se destaca

principalmente su naturaleza inagotable, renovable y su

utilizacin libre de polucin. Pero su principal desventaja en

su utilizacin es tener en cuenta su naturaleza intermitente, su

variabilidad esta fuera del control del hombre y su baja

densidad de potencia. Donde estas dificultades conllevan a la

necesidad de almacenar la energa obtenida en una batera para

despus ser usada. Para tener una mejor obtencin de luz y

radiacin del sol es mejor realizar un estudio del ambiente en

donde se va a implementar para no tener problemas de dficit

de luz y radiacin solar.

II. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

La generacin de electricidad con energa solar empleando

sistemas fotovoltaicos ha estado siempre dirigida al sector

rural, en donde los altos costos de generacin originados

principalmente en el precio de los combustibles, hacen que la

generacin solar resulte ms econmica en el largo plazo y

confiable. [6]

La energa solar fotovoltaica es una fuente de energa

renovable, una de las ventajas fundamentales de esta energa

es que permite la obtencin de electricidad sin recurrir a

ningn tipo de combustin. [7]

A. Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas

Existen cuatro rangos de potencia representativos de los

distintos tipos de instalaciones de generacin fotovoltaica:

Instalaciones pequeas, de 3KWp como planta tipo,

con rango hasta de 5KWp. Son aplicaciones rurales

aisladas como una solucin limpia y mucha veces

econmica.[7]

Instalaciones medias, de 30KWp como planta tipo,

con rango entre 5 y 100KWp. Son generadores en

electrificaciones rurales centralizadas. [7]

Instalaciones grandes de 300KWp como planta tipo,

con rango entre 100KWp y 1MWp. Generalmente

estn conectadas a la red, con extensas superficies, y

en su mayora estn promovidas por empresas. [7]

Centrales fotovoltaicas, de 3MWp como planta tipo,

con rango entre 1 y 50MWp. Son centrales de

generacin promovidas por empresas.[7]

B. Desventajas:

La necesidad de industrias extractivas para la

obtencin de las materias primas utilizadas para la

fabricacin de los mdulos. Los impactos son

limitados, debido a que las celdas fotovoltaicas estn

constituidas preferentemente por silicio. [7]

El proceso industrial a que se somete el silicio hasta

la obtencin de las clulas fotovoltaicas es una

actividad, que puede generar impacto en el entorno,

por lo que debe ser limitado y corregido, al igual que

cualquier otra actividad de produccin. [7]

Durante el cambio de las bateras en instalaciones

aisladas de la red se debe ser especialmente

cuidadoso con la retirada de las mismas, ya que

contienen elementos que pueden resultar muy

perjudiciales para el entorno. [7]

Alay R. Adrian

Ingeniera Mecatrnica, sexto nivel

Universidad de las fuerzas armadas ESPE-L, Latacunga-Ecuador

E-mail: adrian_alay07@hotmail.com

Aplicacin de paneles fotovoltaicos mediante un circuito de control PWM a 120V/60Hz.

E

III. CIRCUITOS INVERSORES CC/AC

A. Inversores

La funcin es cambiar un voltaje de entrada cd a un voltaje simtrico de salida de CA, con la magnitud y frecuencia

deseada [1]

Los inversores nos generan corriente AC a partir de una fuente

en DC, en la figura 1, podemos observar como varan cada

transistor en medio ciclo es decir, si M1 y M2 conduce en

medio ciclo y M3 y M4 conducen en la otra mitad del ciclo

obtendremos una seal AC cuadrada como observamos en la

figura. [2]

Fig. 1 Convertidor cd-ca monofsico

Los inversores con tiristores pueden clasificarse en diversos

tipos:

Inversores no autnomo

Que son los rectificadores controlados que funcionan con un

retardo de disparo superior a 90 inyectando Fuente a la red

desde una Fuente continua.

Inversores Autnomos

Genera una tensin alterna sobre una carga pasiva o

trabajando en vaco.

Inversores de Bloqueo Natural

En los que los tiristores se bloquean en el transcurso normal de

funcionamiento del circuito de potencia por anulacin

espontanea de la intensidad.

Inversores de Bloqueo Forzado

Se bloquean mediante componentes auxiliares especialmente

dispuestos al efecto. [3]

FIT

FII

B. Inversor de Onda Cuadrada

Genera una tensin de salida de forma de onda cuadrada, cabe

recalcar que la forma de onda de la corriente de salida depende

nicamente de los componentes de la carga. [4]

Fig. 2 Formas de Onda de la corriente en estado permanente

de una carga R-L

C. Anlisis Mediante Series de Fourier

Suele ser la manera ms prctica de analizar la corriente de la

carga y de calcular la potencia absorbida en una carga, y

mucho ms cuando una carga es ms compleja que una carga

resistiva, R-L, se puede realizar este anlisis si no existe

componente de continua en la salida.

() = 4

(), (1)

D. Distorsin Armnica Total

Como en el inversor se desea alimentar una carga alterna

mediante una Fuente en continua es necesario obtener la

calidad de la tensin o corriente de la carga en alterna, esto se

lo logra mediante trminos del factor DAT, suponiendo que no

hay componentes de continua a la salida, y esta expresado

mediante:

=

2 1,2

1, (2)

E. Inversor De Medio Puente

La figura 1 muestra la configuracin de un inversor de medio

puente, llamado as debido a que solo dispone de dos

interruptores los cuales conmutan de manera que se puede

obtener una salida AC.

Fig. 3 Inversor de medio puente.

El circuito consta de dos interruptores, cuando se enciende el

transistor 1 durante un tiempo 0/2, el voltaje instantneo 0 a travs de la carga es /2. Si el transistor 2 se enciende durante un tiempo 0/2, el voltaje en la carga ser /2. El circuito de disparo se debe disear de tal forma que 1 y 2 no se enciendan al mismo tiempo.[3]

A continuacin en la figura 2 se puede observar las formas de

onda de voltaje y corriente a la salida del inversor, cabe

destacar que las ondas mostradas son ideales, en la prctica

suele presentarse interferencias que presentan deformaciones.

Fig. 4 Formas de onda del inversor de medio puente.

IV. MODULACIN POR ANCHO DE PULSOS.

La modulacin por anchura de pulsos o abreviado PWM tiene

como objetivo disminuir el factor de distorsin armnico total

de la corriente en la carga. En la modulacin PWM, la

amplitud de la tensin de salida se puede controlar mediante

las formas de onda moduladoras, a pesar de la reduccin de

los armnicos y el control de la amplitud de salida los

circuitos de control de los interruptores son mucho ms

complejos. El control de los interruptores para una salida

sinusoidal PWM requiere una seal de referencia(seal

moduladora) y un seal portadora que controla la frecuencia

de conmutacin.[1, 4]

A continuacin analizaremos el funcionamiento de la

modulacin PWM para el circuito de la figura 5.

Fig. 5 Inversor de modo de conmutacin de una pata.

Como ya se haba mencionado, el disparo de los interruptores

depende de dos seales, una moduladora y otra portadora, las

cuales se muestran en la figura 6, as como su componente de

frecuencia fundamental.

Fig.6 a) Formas de onda de las seales moduladora y

portadora, b) Componente de frecuencia fundamental.

La frecuencia de onda triangular establece la frecuencia de

conmutacin del inversor, la seal moduladora es una forma

de onda sinusoidal con el fin de proporcionar una forma de

onda de salida con menos armnicos. Para comprender mejor

su funcionamiento es necesario entender los parmetros

involucrados en la modulacin.

Existen dos frecuencias que son fundamentales en la

modulacin PWM, el primero es la frecuencia de conmutacin

de la seal portadora y la frecuencia moduladora 1 establecida por la seal de control la cual modula la relacin

de trabajo de los interruptores. La relacin de modulacin de

amplitud se define como:

=

(3)

Donde es la amplitud pico de la seal de control, es importante destacar que mientras se mantenga en el rango de 0 a 1, la modulacin PWM trabajar en un rango lineal, si

supera la unidad se producir una sobremodulacin que generar armnicos indeseados. Otro parmetro importante es

la relacin de modulacin :

=

=

1 (4)

Al aumentar la frecuencia de la seal portadora, aumentara la

relacin de modulacin la cual tambin aumenta la frecuencia

a la que se producen los armnicos. [5]

La figura 6b muestra la conmutacin de los interruptores, la

cual es controlada por la seal portadora de la siguiente

manera:

> , + , 0 =1

2

< , , 0 = 1

2

V. PROCEDIMIENTO

1. Disear el circuito inversor por modulacin PWM.

2. Simular el circuito para poder observar sus grficas, y

verificar si la frecuencia y voltajes son los correctos.

3. Los paneles solares se consiguieron en Colombia

para poder importarlos al pas.

4. Obtener los dems materiales a utilizar.

5. Se procedi a conectar los paneles solares para

conseguir el voltaje y corriente necesario para el

inversor.

6. Implementar el circuito inversor.

7. Realizar las conexiones del transformador para la

obtencin de la seal AC

8. Verificar de qu modo podamos tener la iluminacin

del sol los ms perpendicular posible.

9. Realizar Pruebas para verificar su funcionamiento.

10. Realizar el respectivo PAPER de la prctica con el

formato previamente establecido por la IEEE.

VI. MATERIALES

Foco de 100 w. Radio de Alterna. Protoboard. Cabes. Multmetro. Transformador 110V/60Hz a 12V-0-12V / 2A-. Transistores TIP122, 2N3055. Triac. CI 555. Flip-Flop 74L873. Paneles Solares. Estructura para paneles solares. Batera.

VII. SIMULACIN EN PROTEUS

A. Regulador de voltaje para el circuito

Fig. 7 Regulador a 5V

B. Circuito PWM

Fig. 8 Control PWM

C. Circuito de disparo para los interruptores.

Fig. 9 Circuito de disparo para el inversor de medio puente

D. Circuito de control de la carga

Fig. 10 Circuito de control de la carga

VIII. CONCLUSIONES

Para tener un mejor desempeo y mayor ganancia de la luz y radiacin del sol, utilizar los paneles solares

en una hora adecuada donde el sol este es su mximo

esplendor.

El circuito implementado dimmer, para la variacin del foco nos ayuda de manera que este se implementa

directamente despus del circuito de control sin

necesidad de rectificar.

La utilizacin de los MOSFET mejora la conmutacin de las corrientes en los transistores

implementados.

La corriente no disminuye de manera brusca al conectar una radio y el circuito de potencia para

variar el foco permitiendo el funcionamiento estable

de estos elementos.

Mediante este proyecto se motiva al lector a utilizar recursos renovables para ayudar al medio ambiente

sin la necesidad de causar un impacto ambiental.

REFERENCIAS

[1] D. W. Hart, Electrnica de potencia: Pearson

Educacin, SA, 2001.

[2] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins,

Electrnica de potencia: Convertidores, aplicaciones

y diseo: McGraw-Hill/Interamricana, 2009.

[3] M. H. Rashid, M. H. R. V. Gonzlez, and P. A. S.

Fernndez, Electrnica de potencia: circuitos,

dispositivos y aplicaciones: Pearson Educacin,

2004.

[4] M. Rashid, "Power Electronics Handbook: Devices,

Circuits, and Applications, Chapter 17. Multilevel

Power Converters," ed: Academic Press, 2007.

[5] A. F. L. VILLAMIZAR, J. L. D. RODRGUEZ, AND A. P.

GARCA, "MINIMIZACIN DE LA DISTORSIN

ARMNICA DE UNA MODULACIN PWM CON

ALGORITMOS GENTICOS," ITECKNE, VOL. 8, 2011.

[6] C. E. Marn, "La energa solar fotovoltaica en

Espaa," Nimbus: Revista de climatologa,

meteorologa y paisaje, pp. 5-32, 2004.

[7] H. R. MURCIA, "DESARROLLO DE LA ENERGA SOLAR

EN COLOMBIA Y SUS PERSPECTIVAS," REVISTA DE

INGENIERA, PP. 83-89, 2008.

Adrian Alay naci en La Man

provincia de Cotopaxi Ecuador, el

22 de agosto del 1993. Se gradu en

el colegio Instituto Tecnolgico

Superior La Man. Actualmente est

estudiando en la Universidad de las

Fuerzas Armadas ESPE Extensin

Latacunga. Sus campos de inters son la matemtica,

fsica, electrnica y automatizacin. Como deportista ha

recibido diplomas, medallas y copas.

ANEXOS

A. Paneles solares.

Fig. 11 Paneles solares acoplados a su estructura

Fig. 12 Interconexin de los paneles solares.

B. Circuito del inversor

Fig. 13 Circuito inversor PWM

C. Oscilador

Fig. 14 Oscilador de control

D. Transformador elevador

Fig. 15 Transformador 110V/60 a 12V/2A

E. Cargas aplicadas.

Fig. 16 Cargas aplicadas, radio reloj y foco.