sistema de regulacion y control de carga para...
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Sistema de regulacion y control de carga paraaerogenerador de baja potencia
Yonatan F. Ochoa V. Jhon S. Rodriguez R.
[email protected] [email protected]
Fredy H. Martınez S.
Grupo de investigacion ARMOS (COL0029956)
Tecnologıa en Electricidad
Facultad Tecnologica
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas
Bogota D.C., Colombia
Resumen—Este artıculo presenta el diseno y construccion deun modulo de regulacion y control de carga para un aerogene-rador de baja potencia. Este proyecto fue realizado con ayudadel grupo de investigacion ARMOS, para ser implementado en elaerogenerador que tiene la Universidad Distrital Francisco Josede Caldas sede tecnologica. El esquema electrico del modulocuenta con cuatro etapas: La primera es rectificacion de lasenal generada por el motor Brushless; la segunda Control de lasenal rectificada; la tercera es el almacenamiento de la energıagenerada por medio de un banco baterıas compuesto de dosbaterıas de acido de plomo; la cuarta y ultima etapa es laconversion de la senal DC a AC por medio de un inversor Push-pull. El modulo esta controlado por una placa programable deocho bits, para el correcto funcionamiento de los componenteselectronicos. Tambien cuenta con un display para mostrar lasvariables importantes para el modulo y un adaptador de microSD para guardar los datos recolectados por la placa de Arduino.
Palabras Clave: control senal de salida, zonas nointerconectadas, energıa almacenada, modulo, placaprogramable.
Abstract—This article presents the design and constructionof a load regulation and control module for a low powerwind turbine. This project was carried out with the helpof the ARMOS research group, to be implemented in thewind turbine that has the Francisco Jose de Caldas DistrictUniversity technological headquarters. The electrical diagramof the module has four stages: The first is the rectificationof the indicator generated by the motor Without brush; Thesecond control of the rectified signal; The third is the storageof power generated by means of a bank batteries composedof two batteries of lead acid; The fourth and final step is theconversion of the DC signal to an AC by means of a push-pullinverter. The module is controlled by an eight-bit programmableboard for the correct operation of electronic components. It alsohas a display to display important variables for the module anda micro SD adapter to store the data collected by the Arduinoboard.
—Keywords: output control, non-interconnected zo-
nes, stored energy, module, programmable board.
I. INTRODUCCION
En la actualidad segun el IPSE [1],en Colombia hay un
deficit en la prestacion del servicio de energıa electrica debido
a que el 52 % del territorio nacional no esta dentro del
Sistema Interconectado Nacional (SIN), que corresponde a
90 municipios, 20 territorios biodiversos y fronterizos, 1448
localidades, 39 cabeceras municipales y 5 capitales departa-
mentales, debido a sus condiciones son zonas muy dispersas
y con poca poblacion, los recursos de estas personas son muy
limitados y su consumo energetico es muy bajo. En el territorio
colombiano se cuenta con abundantes recursos naturales como
la energıa solar y eolica. La generacion de energıa electrica
por medio de la utilizacion de tecnologıas no convencionales,
como son el uso de paneles solares fotovoltaicos y aeroge-
neradores estan dando solucion a la problematica de estas
comunidades. Tambien se debe aprovechar el recurso solar
en las ciudades principalmente en los edificios para reducir
el consumo energetico de la red principal, implementado
paneles solares en las partes mas altas para no desperdiciar esa
fuente que esta disponible durante el dıa [2]. En el contexto
internacional se han venido optando por diferentes soluciones
y tecnicas utilizadas como lo son la MCGP (metodo de
programacion por metas multi-respuesta), que es la encargada
de seleccionar la forma de energıa renovable mas adecuada,
seleccionando tambien la ubicacion exacta donde el impacto
ambiental y social sea el mas bajo posible, ya que son aspectos
muy importantes a tener en cuenta [3] con este metodo fue
realizado el parque eolico en Taiwan. Uno de los paıses que
mas inversiones hace en este tipo de soluciones energeticas es
Alemania [4], ya que allı este tipo de energıas son un buen
negocio [5], porque las fuentes de energıas renovables se usan
para alimentar la red de forma autonoma y ası suministrar la
energıa electrica a viviendas que esten muy alejadas del (SIN).
Pero estas tecnologıas todavıa no son muy confiables debido
a la intermitencia de las fuentes. Para solucionar el problema
se estudia la mejor manera de desarrollar oportunamente las
tecnologıas para hacerlas competitivas frente a las generacion
de energıa tradicional, un ejemplo de ello, es el uso de modulos
en los que incorpore bancos de baterıas que sean recargables
y ası dar mayor confiabilidad al usuario [6], y energizar
zonas rurales donde no llega el (SIN), en India se empieza a
implementar este tipo de configuraciones para tener un sistema
electrico optimo y confiable [7].
El 20 % del consumo total de energıa electrica en Dinamarca
puede ser suministrado por generadoras eolicas, con la meta de
llegar a mitigar la generacion de energıa electrica por medio
de los combustibles fosiles en el 2050 [8], por lo cual se
viene desarrollando mejoras continuas en las tecnologıas para
hacer que esta forma de generar energıa sea competitiva frente
a las formas convencionales de producir energıa electrica.
Por ende, la construccion de los nuevos aerogeneradores ha
cambiado principalmente en el rotor, con campo de imanes
permanentes o doblemente alimentados, son los tipos que se
pueden encontrar hoy en dıa[9]. En la Facultad Tecnologica de
la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, se encuentra
un aerogenerador desarrollado por estudiantes de Tecnologıa
Mecanica [10]. Este cuenta con un transformador a la salida
de las terminales del motor, que funciona como generador. Es
un sistema ineficiente ya que no cuenta con un sistema de
almacenamiento de energıa. Lo que se quiere lograr con este
proyecto es aprovechar de una manera mas eficaz la energıa
generada por el aerogenerador, brindandole una autonomıa
en el momento que no haya viento al usuario. Por lo que
el sistema tendra un banco de baterıas, el cual se ve mas
adelante, el modulo tiene como finalidad el alumbrado para
viviendas que esten en las Zonas No Interconectadas(ZIN), por
eso se disena pensando en una carga resistiva de 120 W lo que
equivaldrıa a dos bombillas incandescentes de 60 W cada una.
Por tal motivo se disena y construye un modulo de regulacion
de tension y carga de baterıas, para darle un valor agregado
sistema de generacion eolico y estabilizar la senal generada.
En la actualidad se vienen desarrollando proyectos de diseno e
implementacion de modulos que puedan aprovechar al maximo
la generacion mediante fuentes renovables, como es el caso
particular de Carlos Alejandro Ramırez Gomez [11]. Que
desarrolla una metodologıa para disenar convertidores DC/DC
y controladores, utilizados para aerogeneradores de baja po-
tencia ubicados en zonas urbanas, pero este no cuenta con
sistema dinamico y programable. Por ello se va implementar
una placa programable que facilita la interaccion del sistema
y el usuario. El aerogenerador de la Facultad Tecnologica de
la Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, cuenta con
un sistema mecanico que esta compuesto por una turbina de
eje vertical tipo Savonius, motor electrico brushless trifasico
para bicicleta de 48V y 350W con acople de plato, cadena y
tensor de bicicleta como se muestra en la Fig. 1.
El artıculo se estructura de la siguiente manera, en primer
lugar se hablara de la problematica que se desea solucionar
y el planteamiento de dicha solucion. Luego se dara una
explicacion breve de algunos conceptos del prototipo, seguido
Figura 1. Prototipo de aerogenerador instalado en la Facultad Tecnologica[10].
de una explicacion del funcionamiento del modulo que se
implementara, para continuar con el diseno de regulacion y
carga para el aerogenerador de baja potencia. Posteriormente
seguira con la construccion de las pruebas que se le practicaran
al mismo y se terminara con el analisis de los resultados de las
pruebas realizadas al prototipo y conclusiones del proyecto.
II. DISENO DEL PROTOTIPO
Se cuenta con un sistema mecanico de aerogenerador que
por medio de una adaptacion de transmision, genera un
movimiento a un motor de bicicleta que va a funcionar como
generador en nuestro sistema, mientras haya viento suficiente
para girar la turbina. La senal generada por el motor pasara por
un proceso de rectificado, para ser controlada por medio de
un convertidor DC/DC. Su funcion sera mantener una tension
de salida constante y continua, por medio de sensores de
tension. Esta senal pasara por la etapa de almacenamiento de la
energıa en las baterıas. El sistema tendra algunas restricciones
de corriente y tension, que mas adelante se veran al detalle.
Finalmente, la senal DC pasa a un inversor (Convertidor
DC/AC) cambiara la senal DC continua, a una senal alterna
para el suministro especialmente de iluminacion, con una carga
que no supere 120 W. Se disena una carcasa protectora para
los diferentes componentes electronicos.
II-A. Rectificacion de la senal generada
La senal de salida obtenida del motor Brushless funcionando
con generador se muestra en la Fig. 2. Y cuando este girando
a su velocidad nominal tendra una tension maxima de 48 V.
Se puede observar claramente que la onda generada por el
motor es una onda sinusoidal, posee tres bobinas en el estator
desfasadas 120 donde estan las terminales que alimentaran al
modulo.
Figura 2. Senal de las fases ab-bc del motor.
Se implementa un rectificador trifasico de onda completa
como se muestra en la Fig. 3, para la adecuada conversion de
la senal que sera entregada al convertidor DC/DC.
Figura 3. Circuito rectificador trifasico de onda completa.
Para hallar el valor de tension que se tendra a la salida del
rectificador trifasico, se usa la ecuacion dos.
V dc =1
π/3∗
∫ π/2
π/6
√3 ∗ V fase ∗ cos(ωt)dωt (1)
Como se menciono anteriormente, la carga para la cual se
disena el modulo es una carga resistiva y la tension de salida
se obtiene mediante la ecuacion tres, por lo cual la ecuacion
dos, queda de esta manera:
V dc =3 ∗
√3
π∗ V fase (2)
V dc =3 ∗
√3
π∗ 48V = 79,4V (3)
Donde:
Vdc= Tension de salida
Con este valor de tension y teniendo en cuenta que la carga
de salida tiene una potencia de 120 W se procede a calcular la
corriente en la salida del rectificador con la ecuacion cuatro.
IDC =P
V(4)
IDC =120W
79,4V(5)
IDC = 1,51A (6)
Donde:
IDC= Corriente de salida
La corriente que pasa por cada diodo se calcula con la ecuacion
cinco.
IDCdiodo =IDC
3(7)
IDCdiodo = 0,50A (8)
Donde:
IDCdiodo= Corriente que circula por cada diodo
Conociendo estos valores de tension y corriente se eligen los
diodos adecuados para el rectificador trifasico de onda comple-
ta. Las caracterısticas que deben tener los diodos son: tension
de 80 V y una corriente de 0.5 A. Se eligio implementar dos
puentes rectificadores como se muestra en la Fig. 3 ya que su
ensamble es mas sencillo.
Figura 4. Puente rectificador[12].
Los puentes rectificadores se acoplan de tal manera que el
sistema vea un rectificador trifasico de onda completa como
se puede ver en la Fig. 5, estos puentes rectificadores se
encuentran en el mercado de acuerdo a su nivel de corriente
maxima que soportan, algunos de estos valores de corriente
son: 10, 15, 25, y 50 A, para la implementacion en el modulo
se elige el que mas se acerca al valor de corriente requerido
que es el de 10A.
Figura 5. Puente rectificador.
II-B. Control de la senal rectificada
El convertidor DC/DC se usa para convertir la entrada de
CC no regulada a una salida controlada en el nivel de tension
que se quiere obtener a la salida. Se elige para el modulo
un convertidor tipo buck, puesto que las caracterısticas de
diseno que proporciona este tipo de circuito, facilita tener
una tension de salida fija de acuerdo al funcionamiento del
modulo y maneja potencia requerida. Cosa que otro tipo de
convertidor no podrıa hacer por las condiciones en las que
esta expuesto el convertidor. Para el funcionamiento adecuado
y restricciones de este, la tension de entrada puede variar en el
rango de 30V a 0V, segun el caso, por ello no es constante y
se tiene que garantizar que la tension de salida del convertidor
sea maxima de 15V para la alimentacion de las baterıas y el
inversor (convertidor DC/AC). Para el desarrollo y diseno de
este convertidor DC/DC, es necesario asumir algunos valores
iniciales de operacion maxima del modulo como lo son:
Vin=30 V
Vout=15 V
Imax=8 A
Imin=800 mA
Delta Vout < 150 mV
f=180 kHz
Con estos parametros iniciales se procede a calcular los valores
ideales de los componentes de el convertidor buck necesarios
para el diseno, primero se debe tener en cuenta el ciclo de
trabajo del convertidor para lo cual se asume que el interruptor
es ideal y la caıda en el diodo es despreciable.
D =V o
V i(9)
D =15V
30V(10)
D = 0,5 (11)
A continuacion, se debe calcular el valor del inductor en el
modo continuo mas desfavorable por lo que se tiene:
Lc =(1−D) ∗ V out
2fIomin(12)
Lc =(1− 0,5) ∗ 15V
2 ∗ 180kHz ∗ 800mA(13)
Lc = 26,06µH (14)
Se toman un margen de seguridad del 25 % con lo que
obtenemos un valor de Lc = 32µH para el inductor.
C >(1−D) ∗ V out
8Lf2∆V out(15)
C >(1− 0,5) ∗ 15V
8 ∗ 47µH (180kHz)2 ∗ 0,15V(16)
C > 12,6µF (17)
Donde:
D= Ciclo de trabajo
Lc= Inductor
C= Condensador
Con el valor de 12 µF para el condensador y de 32 µH se rea-
liza el circuito ideal del convertidor buck. Para la construccion
del convertidor buck se escoge el integrado XL4016 como se
observa en la Fig. 6, ya que esta en capacidad de soportar una
corriente de 8A, lo cual es muy util para la alimentacion de
las baterıas y el convertidor DC/AC, en la Fig. 6 se observa
como esta compuesto el integrado y sus pines son:
pin 1:GND referencia o tierra
pin 2:FB control del PWMpin 3:sw salida del convertidor
pin 4:VC referencia para el comparador
pin 5:alimentacion del convertidor buck
Figura 6. Circuito intregado XL4016 [13].
Es recomendable para el optimo funcionamiento del inte-
grado usar el montaje que recomienda el fabricante, como se
aprecia en la Fig.7, el cual tiene unos valores de condensador
e inductor distintos al calculado. Por consiguiente, se simula
el circuito recomendado por el fabricante para observar el
comportamiento que presenta la tension de entrada con res-
pecto a la de salida, para ello de opta por tener 4 valores
distintos de tension en su alimentacion. Adicionalmente se
mostrara el comportamiento de la corriente de salida. Como
ya se menciono anteriormente el objetivo del convertidor buck
es mantener la tension de salida en un valor constante de 15
V, para que esto se cumpla, se controla el integrado XL4016
por medio del pin 2 el cual se encarga modificar el PWM que
maneja el integrado, para que a la salida obtengamos el valor
de tension requerido.
Figura 7. Circuito convertidor Buck.
Se toman cuatro simulaciones para verificar el funciona-
miento del convertidor buck.
La primera simulacion se toma como valor de entrada
una tension de 30 V (grafica verde) y un ciclo util PWM
del 50 % como muestra la Fig. 8.
Figura 8. Curva del convertidor buck con 30V de alimentacion.
De acuerdo a la tension suministrada, se obtiene una senal
(grafica azul), un pico de tension de 26 V en los primeros 2.5
ms, luego se estabiliza el transitorio en 7.5 ms y se mantiene
en 15 V. Es lo esperado segun los calculos que se realizaron.
En la segunda simulacion Fig. 9 se reduce la tension de
alimentacion a 20 V grafica verde, al reducir la tension
en la entrada del convertidor es necesario aumentar el
ciclo util del PWM al 75 %.
Figura 9. Curva del convertidor buck con 20V de alimentacion.
Como se observa en la Fig. 9, la tension de entrada se redujo
a 20 V y la tension de salida se mantuvo con las mismas
caracterısticas de la anterior grafica
Se toma como tension de alimentacion 15 V pero como
es igual al valor de salida, se asume como un convertidor
ideal, es necesario que el ciclo util sea del 100 %.
Figura 10. Curva del convertidor buck con 15 V de alimentacion..
Como resultado en la Fig. 10, se tiene un pico de 26 V a los
2 ms y se demora un poco mas en la estabilizacion de la senal
hasta los 15 ms, manteniendo ası la senal de los 15 V.
Como se puede apreciar en la ultima simulacion Fig. 11,
la tension de entrada se redujo a 10 V .
Figura 11. Curva del convertidor buck con 10V de alimentacion..
Cuando la tension de entrada se reduce por debajo de la
tension de operacion de 15 V, se tiene mas ruido en la senal
de salida y por consiguiente se demorara en este caso un 50 %
mas en estabilizarse hasta los 15 ms. Y esta de acuerdo a lo
esperado.
II-C. almacenamiento de la energıa generada
El tipo de baterıa que se opto por implementar en el modulo,
es la baterıa de acido de plomo, ya que este tipo de baterıas
tienen unos 2000 ciclos de carga y descarga, su eficiencia es
del 75 % ademas pueden soportar descargas del 80 % y tener
una vida de unos 15 anos [14]. Ademas, tienen un bajo costo
en el mercado.
Figura 12. bateria seleccionada [15]
Las baterıas que se van a usar se ve en la Fig.12 y sus
caracterısticas son:
Tension nominal: 12 VDC
Capacidad nominal: 7 Ah
Sellado altamente seguro
Celdas de larga vida
Terminales de 1,06 cm
Soporta hasta 300C
Color: negro Dimensiones: 9,4cm × 15cm × 6,5cm Peso
total: 2.18 kg EAN: 7501483135898 Marca: Steren
Con las caracterısticas anteriores se halla la energıa que se
puede almacenar en las baterıas como se muestra a continua-
cion:
E = V × Ih (18)
E = 12V × 7Ah (19)
E = 84Wh (20)
ET = 84Wh× 2 (21)
ET = 168Wh (22)
Donde:
E= Energıa entregada por una baterıa
ET= Energıa total compuesta por las dos baterıas
Teniendo en cuenta que para no deteriorar prematuramente la
vida util de la baterıa solo se va descargar maximo un 50 %,
por lo que de 168 Wh solo se podra usar 84 Wh. Con esto
se procede a calcular la autonomıa que va tener el sistema
cuando el viento no es suficiente para hacer girar las aspas del
aerogenerador. Para hallar el tiempo se usa una carga resistiva
de 120 W como ya menciono anteriormente.
A =E
Pd(23)
A =84Wh
120W(24)
A = 0,7h (25)
A = 42min (26)
Donde:
A= Autonomıa suministrada al sistema
E= Energıa entregada por las baterıas
Pd= Potencia de salida del sistema
Las baterıas estan en capacidad de mantener en funciona-
miento la carga durante 42 minutos en condiciones donde
el aerogenerador no pueda generar la tension requerida para
alimentar el inversor.
Se debe tener en cuenta la forma en que se carga las baterıas,
ya que la forma optima de cargalas es controlando el valor
de tension de alimentacion, que debe estar por encima en
aproximadamente un 10 % de su tension nominal, tambien se
debe medir la corriente de carga que cuando llegue a un valor
cercano a 0 se debe desconectar la alimentacion.
Para nuestra aplicacion se controla este nivel tension por
medio de convertidor buck como se menciono se vio en la
parte de control de la senal rectificada.
II-D. Conversion de la senal DC a AC
La conversion de la senal viene dada por un inversor que se
va a implementar en el modulo, de acuerdo a las caracterısticas
de diseno se debe tener en cuenta 2 formas de operacion:
Cuando el aerogenerador este funcionando en optimas
condiciones, es decir, cuando hay viento para hacer
girar las aspas, simultaneamente debe estar alimentando
el inversor y cargar las baterıas. Por consecuencia, el
inversor tendra una tension de entrada que estara en el
rango de 12 a 15 VDC. Debe entregar una tension de
salida que debe estar en el rango de 110 V a 127 VAC
Cuando las condiciones climaticas no puedan hacer girar
las aspas del aerogenerador: En este caso, si las baterıas
estan cargadas al 100 % tendra una autonomıa de 42
minutos aproximadamente como se menciono anterior-
mente. Tendra una tension de entrada de 12 VDC y una
tension de salida de 120 VAC, hasta que la baterıa llegue
al 50 % de carga y se desactivara el modulo.
Los valores maximos que no deben superar para el funcio-
namiento optimo en operacion del convertidor DC/AC son:
Vin: 15 VDC
Vout: 127 V
Imax: 1.5 A
Potencia: 150 W
F: 20 kHz
Forma de onda: Cuadrada
Para el diseno del inversor es necesario tener una senal de
excitacion (PWM) a los transistores, dos transistores Mosfet
de referencia 80nf70 ya que son ideales porque soportan una
corriente maxima de 98 A y una resistencia de conduccion
bastante pequena, que actuan en configuracion push-pull, sobre
un transformador elevador de 150 W con tap central en el
primario, como se muestra en la Fig. 13.
Figura 13. Circuito inversor
Configuracion Push-pull: Se usa un transistor para amplifi-
car el ciclo positivo de la senal de entrada, mientras que el
otro transistor se encarga de amplificar el ciclo negativo. Este
tipo de configuracion es usada para realizar la conmutacion de
los transistores y es la mas utilizada y efectiva para realizar
el cambio de tension continua a alterna.
Por medio del integrado SG3525a que es un modulador de
ancho de pulso y es el encargado de generar la excitacion
a los transistores Q1 y Q2 usando un reloj sincronizado,
proporcionando una senal cuadrada para la activacion y desac-
tivacion de los transistores. Adicionalmente para su adecuado
funcionamiento se debe conectar segun la configuracion del
fabricante, como se muestra en la Fig. 14.
La activacion de los transistores como se dijo anteriormente
depende de la senal del integrado, por ello, cuando la entrada
es positiva se tiene que Q1 conduce y Q2 esta en corte.
Mientras que si la entrada es negativa Q1 no conduce y Q2
conduce [17], esto permitira obtener la onda de salida como
se muestra en la FIG. 15
Figura 15. Conduccion de los transistores [17]
Para la simulacion del inversor fue necesario utilizar la
herramienta de SIMPLORER, reemplazando la senal del in-
tegrado (SG3525a) por 2 PWM para la senal de excitacion a
los transistores. Una fuente de tension DC, que sera nuestra
entrada al inversor y utilizando 2 transformadores para realizar
la configuracion de tap central en el primario, como se muestra
en la Fig. 16
Figura 16. Senal de salida del inversor
Por medio de los 2 PWM, se logro simular las dos senales
de activacion de los transistores desfasadas 180 y con una
frecuencia de 20kHz, como se muestra en la FIG. 17
Figura 14. Integrado SG3525A [16]
Figura 17. Senal de activacion de los transistores
Con una tension de 15 VDC que simula la alimentacion
del motor o de las baterıas de acuerdo al caso, se tiene que
finalmente en la salida del transformador de 150 W, se obtiene
una senal alterna cuadrada de 170 VAC pico, es decir, una
tension de salida de 120 VAC RMS. Y una frecuencia de
20KHz, como se observa en la FIG. 18
Figura 18. Circuito inversor (SIMPLORER)
II-E. Diseno de la carcasa
Se disena una carcasa para el modulo de regulacion y carga
del aerogenerador de baja potencia en la que se utiliza los
siguientes materiales:
Angulo 1/2”x3/16”Acrılico negro traslucido de 4mm
Se usa el angulo metalico como soporte estructural, el cual
tiene las siguientes dimensiones 50 cm de ancho x 15 cm de
alto x 20 cm profundidad como se observa en la Fig. 19 y
Fig. 20, se cubre el interior de la estructura por las laminas
de acrılico.
Figura 19. Chasis de la carcasa
Figura 20. Carcasa
En la carcasa se realizaron 5 perforaciones en las que estan
distribuidas: 2 en parte de adelante Fig. 21, uno es para el
tomacorriente y el otro es para el display. En la parte lateral
izquierda tendra una perforacion para un ventilador Fig. 22.
En la parte trasera tendra 2 perforaciones las cuales constan,
una para la caja de conexiones al motor y la otra para un
ventilador, como se muestran en la Fig. 23
Figura 21. Parte frontal de la carcasa
Figura 22. Parte lateral izquierda de la carcasa
Figura 23. Parte trasera de la carcasa
En el interior de la carcasa tiene un soporte para la tarjeta
de componentes electronicos y un compartimiento para poner
2 baterıas las cuales deben tener por cada una, un area de 15
cm de largo x 6,5 cm de ancho y una altura maxima de 15
cm como se aprecia en la Fig. 24.
Figura 24. Interior de la carcasa
En la Fig. 25 se muestra el modulo funcionando con las
dimensiones anteriormente descritas.
Figura 25. Modulo Completo
II-F. Diseno del programa
Figura 26. Placa programable arduino mega[18]
Como se aprecia en la Fig.27 la energıa generada por el
motor brushless funcionando como generador, pasa por varias
etapas como los son: rectificacion de la senal de entrada,
control de la senal rectificada por medio de un convertidor
DC/DC , almacenamiento y conversion de la senal. En cada
una de estas etapas se sensa tension y corriente para poder
controlar el prototipo adecuadamente.
Los componentes implementados que tendran senales analo-
gas necesarias para la programacion de la placa arduino mega
Fig.26 son:
Sensores de tension consta de un divisor resistivo a la
salida de cada etapa.
Sensores de corriente que estara presente en las baterıas
y la salida del inversor.
La ejecucion del programa viene dado segun el diagrama
de flujo de la Fig.28. Como se puede ver en el diagrama hay
dos restricciones importantes para proteger los componentes
electronicos y las baterıas una de ellas es que las baterıas no
pueden ser descargadas mas alla del 50 % por que la vida util
de las baterıas se deteriora mas rapidamente. Y la segunda es
que la corriente de salida no supere 1 A ya como se menciono
anteriormente por el inversor en el devanado primario del
transformador la corriente es de 8 A y es la corriente maxima
permitida por los componentes electronicos.
Figura 28. Diagrama de flujo
Figura 27. esquema electrico del modulo de regulacion y carga para un aerogenrador de baja potencia
Para el analisis del comportamiento del sistema se hace uso
del adaptador de memoria micro SD que arduino ofrece Fig29,
el cual guarda los datos de los sensores y de la frecuencia de
generacion, el tratamiento de los datos depende del criterio
y objetivos de la que persona que haga el analisis como por
ejemplo: se puede ver en que momentos del dıa se puede
aprovechar mas el modulo sin que las baterıas entren en
funcionamiento.
Figura 29. adaptador micro SD arduino [19]
El modulo cuenta con una pantalla LCD 16 × 2 Fig30, la
cual permite mostrar en pantalla las variables importantes del
modulo como la frecuencia de generacion, el porcentaje de
carga de las baterıas y el valor que leen los sensores, para que
le usuario puede ver en el momento que desee estos valores.
Figura 30. display lcd[20]
III. EVALUACION DE DESEMPENO
En esta seccion se daran las pautas para disenar la pruebas
a las baterıas y al modulo para ver el comportamiento ante
estas pruebas y se analizaran los resultados para poder mejor
el programa de ser necesario y aplicar cambios antes de darlo
por terminado.
III-A. Diseno pruebas de las baterias
Lo primero que se disena son las pruebas a las baterıas,
como ya se vio anteriormente estas deben estar en un rango
de descarga cercano al 80 % para no disminuir su vida util,
pero como en algunos casos se complica estar en este rango de
operacion, para nuestro prototipo se dara un margen un poco
mas alto de un 50 % debido a la aplicacion que tendra.
Teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante, la
corriente maxima de carga es de 1.4 A, a una tension constante
de 15 V con estos datos se disena dos tipos de pruebas a
las baterıas, una prueba es para ver como se encuentra las
bacterias para ser cargadas y la otra prueba es para verificar
comportamiento al momento de aplicar una descarga teniendo
en cuenta la potencia de salida va del prototipo es 120 W a
120 V por consiguiente se tiene una corriente de 1A pero la
corriente que se le estara exigiendo a las baterıas debido al
inversor sera de:
R = 120V/15V (27)
R = 8 (28)
Iin = Iout ∗R (29)
Iin = 1A ∗ 8 (30)
Iin = 8A (31)
Segun la curva de la Fig. 31 proporcionada por el fabricante
las baterıas con una descarga de 8 A tendra un tiempo de 12
min pero como son dos bacterias en paralelo sera una corriente
de 4 A lo cual aumenta bastante el tiempo de descarga a 50
min.
Figura 31. Grafica de descarga vs tiempo de descarga de las baterıas [15].
Para la prueba de descarga se usa una carga resistencia de
120 Ω y se llena la para analizar los resultados posteriormente
y verificar el buen estado de las baterıas TablaI.
TENSION [V] CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]
Tabla I
Para la carga de la baterıa se usa una tabla similar ya que es un
proceso opuesto, pero se tendra una tension constante de 15 V
de alimentacion y solo se toma los datos de corriente y tiempo
cuando esta llegue a un valor cercano a cero se considera
completamente cargada como se observa en la TablaII.
CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]
Tabla II
III-B. Analisıs de resultados
Para realizar la prueba de descarga de las baterıas se utilizo
solo una baterıa. Los valores que se muestran a continuacion
en la Tabla.III son con la baterıa totalmente cargada. Para
llegar aun valor de corriente de salida de 3.5 A, se uso una
resistencia de 120 Ω, los resultados se observan en la Tabla.III
TENSION [V] CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]15 3.5 013 3.5 511 3.5 259 3.5 45
Tabla III
De acuerdo a los resultados obtenidos en la prueba, se
deduce que al poner la baterıa a descargarse con una corriente
constante de 3.5 A, la duracion de descarga esta dentro de
los parametros esperados. Ya que en 45 minutos despues del
inicio de la descarga termino en 9 V.
Para realizar la prueba de carga de la baterıa, se uso una
fuente de tension DC de 15 V. La tension inicial de la baterıa
estaba en un 60 % de carga. Los datos recolectados se muestran
en la Tabla.IV.
CORRIENTE [A] TIEMPO [MIN]1.4 00.9 300.7 500.4 700.2 1300.1 240Tabla IV
Como se esperaba la corriente maxima de carga, en su valor
inicial es mayor. Mientras que paso 50 minutos se redujo a la
mitad la corriente de carga, y finalmente despues de 4 horas
la corriente se redujo a 0,1 A.
IV. CONCLUSIONES
Con la implementacion del modulo al aerogenerador se
consigue aprovechar la energıa generada por el motor en
un 80 % mas, ya que estabiliza la senal a 120 Vac en
periodos mas largos ya que la senal variaba con respecto
a la cantidad de viento.
Al integrar los sensores de tension y corriente, la placa de
programacion de ocho bits proporciona mayor confiabili-
dad al sistema, porque se controla la senal a la salida del
modulo de acuerdo a la programacion establecida, evi-
tando danos a los componentes electronicos del modulo.
Al usar el convertidor DC/DC (tipo buck) se garantizo
que las baterıas se cargaran debidamente sin que la ten-
sion de carga sea superior a la soportadas por las baterıas,
ya que el ciclo de carga y de descarga estan monitoreados
y controlados por medio de la placa programable de ocho
bits para evitar el desgaste prematuro de las baterıas.
Como se muestran en las tablas III y IV el tiempo de
carga y descarga esta en los rangos esperados funcio-
nando a condiciones nominales, es recomendable usar
cargas puramente resistivas o que cuenten con sistema
de filtrado.
V. TRABAJO FUTURO
El modulo se puede aprovechar de una manera mas con-
fiable y eficiente al implementarle otra forma de fuente de
energıa, como por ejemplo, utilizando celdas solares para que
de esta manera las baterıas esten cargadas y disponibles para
el usuario en horas donde esten presentes el sol y el viento.
Al convertirse en un modulo hibrido su eficiencia aumentarıa
en 30 % mas de lo que actualmente se puede aprovechar, una
mejora adicional como se menciono anteriormente, al cambiar
las baterıas por unas de litio el ciclo de descarga aumenta
considerablemente ya que estas se pueden descargar hasta
llegar 0 % de carga lo cual le da una autonomıa bastante mayor.
La tarjeta se podrıa mejorar, para no limitar la potencia de
salida a 120 W y aprovechar el maximo la potencia entregada
por el motor brushless, cambiando los convertidores por unos
de mayor potencia y ası aumentar la eficiencia del modulo.
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