Inversores Victron Multiplus - Configurando la Frecuencia

Los Equipos Victron han demostrado ser robustos y muy buenos en aplicaciones industriales. Un inversor transforma la corriente y voltaje en continua o directa en corriente y voltaje alternos con una tensión y frecuencia dados. Dependiendo del país la configuración de la frecuencia debe darse en 50Hz ó 60Hz. Lo versátil de los Equipos Victron es que permiten (en la mayoría de equipos desde la gama media en adelante) realizar la configuración de la frecuencia a través de una computadora ó con los dips internos de programación en estos equipos. El procedimiento es sencillo, el mismo se detalla en el manual que puede descargarse desde www.victronenergy.com.es. En este post resumiremos el cambio de frecuencia mediante los dips internos.
Para hacerlo debemos quitar la tapa frontal. Al retirar la tapa se podrán ver los pines ubicados (en este caso en el Multiplus 12/1600/35-16) en la posición mostrada en la foto. Debajo se muestran tres ejemplos de programación.
Los DIPS 1 y 2 son para configurar el modo (operación desde Panel, Remoto ó Conmutador. Los DIPS 3 y 4 sirven para elegir los niveles de voltaje para los procesos de carga de las baterías. El DIP 5 sirve para configurar la frecuencia. El DIP 6 activa o descativa el modo de búsqueda. Para el ahorro de energía, una especie de Modo Stand-by. El DIP 7 selecciona el límite de entrada AC, para limitar la sobre-carga de la fuente AC. El DIP 8 sirve para guardar la configuración programada en los DIPS.
PROCEDIMIENTO: Para configurar la frecuencia, por ejemplo, de 50Hz a 60Hz; colocamos el DIP 5 en posición ON para configurar en 60Hz y con el equipo prendido movemos el DIP 8 desde OFF a ON y lo regresamos en OFF. Para confirmar la aceptación de la programación los leds de ‘Charge’ and ‘Alarm’ parpadearán.

Controladores MPPT - Sobre-dimensionamiento

Las especificaciones de operación de los módulos solares han cambiado rápidamente en los últimos años. Esto ha sido debido a las nuevas configuraciones de celdas disponibles, incremento de la eficiencia de las celdas y la creciente demanda del mercado por módulos diseñados para conexión a red. Con tantos fabricantes de módulos en el mercado, una amplia gama de opciones de módulos están disponibles para satisfacer las necesidades de los diferentes mercados mundiales. Los controladores MPPT tienen un amplio rango de entrada de voltaje con lo cual estos controladores pueden usar la mayoría de módulos para cargar baterías en el mercado off-grid (sistemas aislados). Sin embargo encontrar la mejor configuración y saber cómo dimensionar estos es a veces un reto.  Este artículo trata sobre el dimensionado de módulos, potencias nominales y responde algunas de las preguntas frecuentes con el fin de ayudar a elegir correctamente de las muchas opciones disponibles en el mercado.

P1. Los controladores PWM tienen las capacidades nominales en Amperios solamente, pero los controladores MPPT tienen ambos; corriente de salida y potencia de entrada nominal en Watts. ¿Cómo fueron determinadas estas capacidades?

La salida nominal de corriente es un valor constante e indica la corriente máxima de carga, en Amperios, para ambos controladores PWM y MPPT.

Para los controladores PWM la entrada de corriente es igual a la corriente de salida, haciendo referencia a la corriente proveniente de los módulos y de salida a baterías.

Un controlador MPPT transforma un voltaje alto y una corriente pequeña en la entrada hacia un voltaje de batería menor y una corriente de carga  grande en la salida.

V_paneles > V_bat.   y    I_paneles  < I_bat.

Tomando como ejemplo los controladores de Morningstar, quienes son la fuente en ingles de este artículo, la potencia nominal del arreglo solar depende del voltaje nominal del banco de baterías. Este valor indica realmente la máxima potencia de carga típica, pero así como el voltaje nominal del banco de baterías, la máxima potencia de carga no es una constante.

Estas potencias máximas nominales están basadas en el voltaje nominal de carga de 13.3V para un banco de baterías de voltaje nominal en 12V. Así la Potencia nominal máxima = (Corriente Máxima de Salida) x (Voltaje nominal de carga).

P2. ¿Se puede exceder la potencia nominal de los controladores MPPT?  - ¿Se anularía la garantía?

Los controladores Morningstar MPPT (se extiende para la mayoría de controladores MPPT del mercado) se pueden dimensionar por sobre la máxima capacidad de potencia solar sin dañar el controlador y sin que la corriente exceda a máxima corriente de carga nominal. El controlador puede limitar la corriente y funcionar al 100% de su capacidad de corriente nominal sin superarla. Estos controladores han sido diseñados con esta función de limitar la potencia y cuando sea sobre-dimensionado en paneles sin anular la garantía.

P3. ¿Existe alguna razón para sobre-dimensionar los paneles solares?

Sí, hay muchos beneficios para hacer esto, estos se describen a continuación. Deben notar que hacer esto es una decisión parcialmente económica; pueden comprar más potencia de la que el controlador puede usar y esto contribuirá a una mejor disponibilidad y reducirá la posibilidad de una desconexión por bajo voltaje (LVD) y un corte de energía. Solamente hay que considerar (en algún punto) la disminución del retorno que se tiene con la limitación de potencia.

Algunos de los beneficios en exceder la potencia nominal de un controlador MPPT incluyen:

1.Efecto de limitar la máxima potencia de carga del Controlador Morningstar sobre un arreglo sobre-dimensionado:

a. Mejor producción en las mañanas y en las tardes del día.

b.Operación a la máxima potencia nominal del controlador obteniendo todo el potencial de carga del controlador MPPT con mayor frecuencia.

c. Mejor producción durante periodos de baja insolación (clima nublado).

d. Limita la máxima corriente de carga.

2. Buenas razones para utilizar un arreglo solar mayor al de la capacidad máxima del controlador:

a. Los niveles de radiación máximos diarios son típicamente menores que las condiciones estándar (STC) nominales de los módulos solares.

Inclinación, acimut, la hora del día o del año, tiempo, el clima, el polvo, la contaminación y otros son factores que reducen la potencia de salida del arreglo dejando parte de la capacidad del controlador sin utilizar.

b. El aprovechamiento de energía durante periodos de menor producción (días nublados) es a menudo más valioso que durante los periodos en que el arreglos solar puede operar al 100% de su capacidad (día soleado).

c. Capacidad para utilizar arreglos solares de gran tamaño para encontrar la mejor cadena de módulos para el arreglo.

d. Utilizar menos módulos, pero de gran potencia, en lugar de unos más pequeños tiene un costo más efectivo.

e. La disponibilidad y el menor costo de módulos de 60 celdas (Vmp=30V) provenientes del mercado de conexión a red.

f. Niveles de corriente de carga más consistentes (gracias a la operación del controlador en niveles máximos).

g. Limitando la corriente de carga para pequeños bancos de batería sin exceder la máxima corriente de carga.

Los detalles del sistema pueden ser revisados para determinar si la operación cercana a la máxima capacidad del controlador tendrá un costo efectivo. Por ejemplo, pérdidas del 10% por 5% del tiempo cuando no es necesario puede ser como 0.5% de la pérdida de carga. La habilidad para sobre-dimensionar el arreglo permite mayores opciones al diseñador.

P4. Por el lado de la Potencia a condiciones estándar (STC) ¿Qué especificaciones del arreglo son importantes cuando dimensionamos un controlador MPPT?

a.  El mínimo voltaje de máxima potencia del arreglo (Vmp) compensado por temperatura debería estar por encima el máximo voltaje de batería para que una recarga efectiva ocurra.

b. El máximo voltaje de circuito abierto del arreglo (Voc) nunca debería ser mayor que el máximo voltaje nominal del controlador (ya que el controlador se dañara).

Estos niveles de voltaje máximos y mínimos están relacionas al coeficiente de temperatura de las celdas (la temperatura de celda puede ser mucho mayor que la temperatura ambiente). Morningstar tiene una calculadora (http://www.morningstarcorp.com/en/strings/calc.php) que puede proporcionar los niveles máximos y mínimos para un arreglo basado en un registro de temperaturas mínima y máxima promedio. Usando esta herramienta de diseño,  con el controlador y módulo seleccionado, ayudará asegurar una operación correcta  y confiable.

P5. ¿Se puede utilizar un módulos de 240Wp (60 celdas y Vmp=30V) con un controlador Sunsaver MPPT?

Sí. A pesar de que el controlador SunSaver MPPT, en un sistema de 12 V está clasificado nominalmente para arreglo solar de 200Wp, se puede utilizar un arreglo solar de mayor potencia, por ejemplo un módulo fotovoltaico de 240Wp.

Para sistemas de 12Vdc el controlador Sunsaver MPPT es una opción aceptable debido a su habilidad de disminuir el voltaje del panel y cargar un banco de batería de 12Vdc muy efectivamente. (Nota: todos los controladores MPPT de Morningstar son conversores robustos – estos pueden disminuir la tensión, pero no aumentarla, el cual se conoce como un convertidor tipo boost. Por esta razón, el Voltaje de máxima potencia del módulo (Vmp) debe estar por encima de la tensión de la batería en todo momento o el proceso de carga no ocurrirá o terminará.

Para sistemas de 24Vdc el uso de este módulo con un controlador Sunsaver MPPT no es una opción ya que el voltaje (Vmp=30V) es demasiado bajo para un solo módulo y que este pueda cargar correctamente (Vmp no es suficiente) y el Voltaje de circuito abierto (Voc) de dos módulos en serie es demasiado alto ya que podría exceder el máximo de 75Voc de estos controladores.

El siguiente gráfico ilustra los niveles de potencia de salida de un controlador Sunsaver MPPT – comparando dos módulos; uno de 200Wp y otro de 240Wp – funcionando un dia claro y soleado a condiciones estándar de máxima potencia.

• Aunque la potencia que se está entregando a la batería está limitada a 200 W y el área roja en la parte superior de la curva de producción se pierde, el módulo más grande produce más energía, como se muestra en verde.

• El módulo más grande proporcionará una mejor producción, con la curva recortada, temprano y tarde en el día, en comparación con un módulo más pequeño.

• En este caso, casi el doble de energía que es aprovechada (zona verde) en comparación con la energía perdida (área roja) con un 12,5% más de energía disponible para cargar las baterías que el módulo de 200Wp.

Un días nublados (o de sol intermitente) habrá poco o ninguna limitación de potencia y la potencia extra será mejor aprovechada por la batería obteniendo más energía producida. El siguiente gráfico usa datos reales de un arreglo y está a escala para un módulo de 200Wp y de 240Wp.

• En este día hay menos de 1% de pérdidas debido a la recorte de potencia (energía sobre la línea roja), así más del 95% del exceso de potencia sobre el módulo de 200Wp puede ser utilizado para la recarga.

• En días claros es probable que esta pérdida de potencia – por el recorte - no sea importante.

• Una excepción a notar está donde las pérdidas de energía por recorte de potencia  podrían darse por más de un factor – en climas fríos con inclinación de invierno.

• En estas condiciones (días cortos, temperaturas frías y ángulos de incidencia de 90º) el arreglo operará sobre el máximo de las condiciones estándar (STC).

• Niveles de radiación y las pérdidas de potencia podrían tener un gran impacto durante periodos del año cuando más se necesita.

También - para evitar el estrés innecesario en los componentes electrónicos del controlador - es recomendable que cuando el controlador sea instalado en climas con prolongada temperatura caliente, el controlador no funciona al 100% de su capacidad, acercar este a su máxima temperatura ambiente, para prolongados periodos de tiempo.

P6. ¿Se pueden sobre-dimensionar otras marcas de controladores MPPT?

Los controladores Morningstar Tristar MPPT y SunSaver MPPT son los únicos controladores que siempre limitan la corriente de salida respecto de los niveles de entrada. La tecnología patentada TrackStar de Morningstar es capaz de limitar la corriente de salida, mientras que otros fabricantes de controladores operan sobre su máxima corriente nominal a niveles de potencia mayores.

Los controladores MPPT de Morningstar pueden operar con un arreglo sobre-dimensionado que es muchas veces mayor que la potencia nominal máxima del arreglo solar, mientras continúa limitando la máxima corriente de batería a la máxima corriente nominal del controlador. Muchos otros controladores MPPT en el mercado no pueden reaccionar lo suficiente rápido  debido a los cambios de las condiciones de radiación solar. Incluso a los niveles máximos de potencia publicados, estos controladores son conocidos por superar sus máximos de salida nominales de corriente y pueden disparar por error la protección de sobre-corriente y apagar el controlador durante condiciones de alta potencia.

Fuente: www.morningstarcorp.com

EFECTO SKIN EN CONDUCTORES

El efecto pelicular es un efecto eléctrico muy curioso. Se da únicamente en corriente alterna, y consiste en que la densidad de corriente se da principalmente por el exterior del conductor.
En corriente continua, la densidad de corriente es similar en todo el conductor (figura a), pero en corriente alterna se observa que hay una mayor densidad de corriente en la superficie que en el centro (figura b). Este fenómeno se conoce como efecto pelicular, efecto skin o efecto Kelvin. Hace que la resistencia efectiva o de corriente alterna sea mayor que la resistencia óhmica o de corriente continua.

Este efecto es apreciable en conductores de grandes secciones, especialmente si son macizos. Aumenta con la frecuencia, en aquellos conductores con cubierta metálica o si están arrollados en un núcleo ferromagnético.

Una forma de mitigar este efecto es el empleo en las líneas y en los inductores del denominado hilo de Litz, consistente en un cable formado por muchos conductores de pequeña sección aislados unos de otros y unidos solo en los extremos. De esta forma se consigue un aumento de la zona de conducción efectiva.

Otra forma de reducir su efecto es fabricar los conductores huecos, las llamadas barras de las subestaciones que son conductores rígidos en vez de los conductores habituales.

El efecto piel es que en la transmisión de corriente alterna entre mas alta sea la tensión es mas visible este efecto lo que pasa es que la corriente no se transmite en toda el área de sección transversal del conductor, sino que la mayor parte se hace por la periferia, en los conductores de muy alta tensión para evitar la perdida del material conductor se hacen huecos, ya que por el centro no conduce corriente, o son muy bajas casi despreciables. Por eso el ACSR. El alma de acero no es para transmitir corriente, es para  mejorar las propiedades mecánicas del conductor al que esta expuesto.

Hay 4 palabras claves para entender este concepto:

Frecuencia, profundidad de piel, flujo de electrones e impedancia del conductor.

Como sabemos no es lo mismo la corriente que circula por un alambre recto que por uno enrollado. Concentrémonos en el alambre recto:

Su hay una corriente en este alambre recto y dicha corriente es alterna se produce en Campo magnético E, que se expande y contrae a lo largo del conductor, y provoca un voltaje el cual se opone al flujo de corriente, bueno esto se conoce como auto-inductancia.

Ahora Imaginemos que este voltaje que se opone a la corriente en el centro(ES UNA IMPEDANCIA) del conductor, se hace mas grande con la frecuencia, provocando que el flujo de electrones tome el camino mas fácil,(donde la impedancia es menor) que es cerca del exterior. Por otra parte, la profundidad de piel en el conductor en el cual la densidad corriente de la onda portadora cae (1/e) , o el 37% de su valor a lo largo de la superficie, es conocida como profundidad de piel y es función de la frecuencia, permeabilidad y conductividad del medio.

Así, diversos conductores, tales como plata, aluminio, y cobre, tienen diversas profundidades de piel. El resultado neto del efecto piel es una disminución eficaz en el área de la superficie transversal del conductor, y por lo tanto, un aumento neto en la resistencia de AC del alambre .Por ejemplo para el cobre, la profundidad de piel es aproximadamente 0. 85 cm en 60 Hz y 0. 007 cm a 1Mhz, el flujo de electrones pierde la profundidad en el centro y tiende a viajar por las orillas, se redujo completamente el área transversal de conducción. Observando este ejemplo de otra forma, el 63% del flujo de corriente de RF en el alambre de cobre fluirá a una distancia de 0. 007 cm del borde exterior del cable.

Cartas Solares - Sombras en paneles solares

Cuando se trata de evitar sombras sobre un conjunto de módulos fotovoltaicos: No existe aún en el mercado un programa que desarrolle curvas de nivel para diferentes iso-líneas (alturas) separadas cierta distancia según la disposición de los arreglos de módulos fotovoltaicos que se vayan a instalar. A excepción  del UO Solar Radiation Monitoring Laboratory (http://solardat.uoregon.edu./) que muestra las distancias para un solo obstáculo, las opciones son reducidas – El siguiente es un ejemplo.

Distancia Horizontal y Profundidad de la Sombra para todos los meses del año.

Estas iso-líneas que representarían la altura dependen de la latitud geográfica del lugar, el área del arreglo, la altura del mismo, la inclinación, etc, permitirían el diseño y ejecución de trabajos complementarios al sistema de energía solar, evitando que nuestro arreglo se vea perjudicado por alguna sombra. El cálculo en si mismo es sencillo, sin embargo, las aplicaciones son muy variadas (en un siguiente post adjuntaré un hoja de cálculo con el resultado del proceso para obtención de estas alturas vs distancias  que puede ser modificado por cualquier usuario con nociones de geometría y trayectoria solar). En la práctica la fuente principal para tener distribuciones confiables al momento de calcular sombras debe ser dada por la carta solar. De los siguientes links se pueden descargar dos programas muy útiles para estimar las trayectorias del sol.

Descargar GEOSOL: http://www.unsa.edu.ar/%7Ealejo/geosol/geosol.zip

Descargar SunPath: http://www.labeee.ufsc.br/downloads/softwares/sunpath

La carta solar cilíndrica consiste en un diagrama en el que se representa la posición del Sol sobre un lugar determinado para fechas diferentes y a diferentes horas, en función de la altura del Sol y el acimut del punto (orientación con respecto al Sur). En el eje vertical se sitúa la altura solar en grados sexagesimales y en el eje horizontal el acimut medido desde el Sur. Una de las aplicaciones de la carta solar es conocer el número de horas de sol teóricas (con cielo despejado) que reciben las diferentes fachadas de un edificio (o laderas de una montaña) cuando no ocurre ninguna obstrucción (no hay sombras proyectadas, así servirán para fachadas de edificios o laderas de elevada pendiente). Para ello únicamente hay que considerar que el acimut en grados sexagesimales del eje X del diagrama expresa las diferentes orientaciones de la superficie:

Carta Solar Cilíndrica para la zona de Sandia en Puno-Perú (14ºS – 70ºW).

Así, en función de la orientación a la que esté expuesta una u otra ladera, se puede diferencia claramente el número de horas de sol a la que está expuesta.

La ladera norte apenas cuenta con algo de sol a primeras horas y al final del día. De septiembre a marzo no hay ninguna hora. En las laderas orientadas al nordeste y noroeste hay un mayor número de horas de sol, en la ladera noreste recibe el sol únicamente por la mañana mientras que la ladera noroeste recibe el sol únicamente por la tarde. En la ladera oeste el soleamiento alcanza la mitad de las horas de día, en la ladera este se tienen las mismas horas de sol que en el oeste pero todas por la mañana. La ladera este presenta unas adecuadas condiciones de insolación. En la ladera sudeste la mayor parte de las horas de sol se producen por la mañana (desde el punto de vista arquitectónico es una orientación recomendable). La ladera sur recibe la práctica totalidad del número de horas de sol. En la ladera sudoeste recibe el mismo número de horas de sol que en la ladera sudeste, pero en este caso la mayor parte de las horas de sol se producen por la tarde, se puede producir un calentamiento perjudicial desde el punto de vista del confort climático en el sudoeste.