Controlando la conexión y desconexión de una toma de enchufe, en función de los excedentes de energía eléctrica que genera una instalación solar, es posible adaptar los consumos de la vivienda de forma automática, y reducir el coste de la factura.
Hace unos días monté un controlador de encendido y apagado automático en dos equipos de aire acondicionado, para aprovechar una parte de la potencia excedente que generan los paneles solares en mejorar la climatización de la vivienda.
Climatización GRATIS… automatizando los excedentes de energía Solar
Toma de enchufe inteligente
Ahora complementaré este sistema de control, añadiendo una toma de alimentación portátil. Esta toma de red la utilizaré para conectar equipos auxiliares, los cuales no necesiten permanecer siempre encendidos, consiguiendo así un ahorro extra en la factura eléctrica.
La toma de red se podría conectar a una regleta múltiple, y controlar varios dispositivos a la vez. La corriente máxima que soporten los contactos del interruptor que utilice, definirán la potencia máxima de uso. La electrónica de este controlador de red no varía en función de la potencia que maneja, sólo se necesita definir los umbrales de encendido y apagado en el firmware, antes de cargarlo en el módulo ESP32.
Los posibles usos que podría tener esta toma de red son muchos. Por ejemplo para alimentar un termo de agua caliente auxiliar, un calefactor o radiador portátil, la depuradora de una piscina y su climatización, el punto de carga para un coche eléctrico… y cualquier otra cosa que se nos ocurra. Para el uso que yo le voy a dar, he fijado sus dos preset de encendido por excedente de potencia solar en 1,2kW y 2,2kW. Una vez programado el módulo, se podrá elegir el preset de funcionamiento a través del interface Web del ESP32. La desconexión automática de ambos preset es la misma, y siempre desconectará la carga cuando la potencia solar excedente sea inferior a 100W.
En el montaje anterior, como protección para el aire acondicionado, configuré el intervalo de tiempo mínimo entre dos conmutaciones automáticas consecutivas con 3 minutos. En este caso, como la toma de red la utilizaré para otros usos, he reducido el tiempo de protección a 1 minuto, consiguiendo así un control de encendido/apagado más rápido.
Los interruptores de RED
Los interruptores de red más utilizados son los de tipo mecánico, principalmente por su bajo precio y gran aislamiento cuando los contactos están abiertos. Para automatizar la conexión y desconexión eléctrica de cualquier dispositivo se utilizan relés, también llamados contactores.
Los relés funcionan a partir de una tensión de control de baja corriente, normalmente suministrada por un autómata o circuito micro-controlador. El accionamiento que permite el paso de corriente a la salida de un relé, puede ser mecánico o electrónico.
El problema principal de un relé de tipo mecánico, es la degradación de sus contactos cuando trabaja con corrientes altas, pudiendo producir con el tiempo falsos contactos y chisporroteo. Otro inconveniente es que su tiempo de accionamiento, al ser mecánico es lento y su retardo no siempre es el mismo, quedando limitando su uso para controlar equipos que no requieran velocidad ni precisión en sus maniobras.
Relé de estado sólido (SSR)
Los relés de estado sólido, también conocidos por su abreviatura en inglés SSR, no tienen partes móviles, son silenciosos, rápidos y no sufren degradación. El inconveniente principal es que no soportan picos de corriente superior al definido por el fabricante, porque se averían. En caso de avería, los relés SSR normalmente se quedan con sus dos salidas en cortocircuito, manteniendo la carga permanentemente conectada a la red eléctrica y consumiendo energía.
Al igual que los relés electromecánicos, los SSR se accionan con una pequeña corriente en su entrada. La tensión y su rango de funcionamiento, tanto de entrada como salida, dependen del modelo de SSR que se elija.
Antes de comprar un relé de estado sólido (SSR) es importante saber que existen tres tipos, tienen diferentes rangos de tensión en su entrada y salida, y su corriente de trabajo máxima está limitada. Los SSR se identifican en su referencia con las dos letras finales, indicando si se activan con tensión continua o alterna:
- DA: Tensión continua en la entrada y alterna en la salida
- AA: Tensión alterna en la entrada y en la salida
- DD: Tensión continua en la entrada y en la salida
Detalles del Montaje
Para hacer este interruptor automático, he utilizado un relé SSR-40 tipo DA. Es un relé sólido que se activa con una tensión continua en su entrada, y permite controlar el paso de una tensión alterna de 40A como máximo en sus dos terminales de salida. El inconveniente es que para soportar esa corriente máxima de 40A, sería necesario montarlo con un disipador. Como voy a utilizar este SSR sin disipador, con el fin de reducir el tamaño del circuito, he limitado su carga máxima intercalado un fusible rápido de 15A. Con esta corriente se podrían controlar consumos de hasta 3kW sin problemas, potencia más que suficiente para el uso que le quiero dar.
El rango de tensión de control de este SSR va desde 3 hasta 32V de tensión continua. Como lo voy a controlar con un ESP32 y funcionan a 3,3V, tensión muy próxima a la mínima de control de este SSR, he medido todo antes de diseñar el circuito. He comprobado que este SSR funciona conectando una tensión continua a partir de 2,5V, y consume aproximadamente 8mA. La corriente de control sube ligeramente a medida que sube la tensión de disparo, con 5V consume 10mA aproximadamente. Así que no habría problema para controlarlo directamente con el ESP32. Para proteger el pin de control del módulo ESP32, he intercalado un transistor NPN configurado en modo seguidor de emisor, conectando el colector del transistor al +5V de la fuente de alimentación. Así la corriente de control del SSR la suministrará la fuente de alimentación, y no pasará a través del pin de salida del módulo ESP32.
Los componentes que hay que añadir en este montaje son muy pocos, y al igual que hice con el controlador del aire acondicionado, los he montado y cableado todos en una placa aislante. He utilizado también los mismos pines del módulo ESP32, pero en este caso invirtiendo los pines de entrada y salida. He utilizado como salida el pin GIO2, porque así el LED azul del módulo ESP32 se encenderá cuando se esté disparando el control del SSR. Para disponer de esta indicación en el exterior y al mismo tiempo comprobar que el transistor funciona correctamente, he añadido otro LED junto con su resistencia limitadora, conectado en los terminales de entrada del SSR.
El pin TMS/GPIO14 está configurado como entrada en modo Pull-Up, y se utiliza con un interruptor a masa, para forzar su funcionamiento a modo manual. Cuando el interruptor está cerrado, el módulo ESP32 mantendrá de forma indefinida la tensión de salida de 230VAC, aunque la potencia del excedente solar sea inferior a 100W. De la misma forma, también es posible conectar y desconectar la tensión de salida en cualquier momento a distancia, utilizando el interface Web del ESP32.
Interface WEB
A través del interface Web del ESP32 es posible deshabilitar por completo el circuito de control, evitando así que el módulo SSR entregue tensión a su salida, incluso aunque estuviera su interruptor en modo manual. Cuando se deshabilita el control del SSR, el módulo ESP32 deja de realizar consultas al inversor y desaparecen las medidas de potencia, tanto en el interface Web como el display OLED. En este caso el display OLED funcionaría en modo reloj, mostrando únicamente la fecha y hora local con precisión.
Para evitar las molestias que podría ocasionar la luz del display OLED durante la noche, he añadido la opción de su apagado nocturno. Cuando el display OLED está configurado en modo día, nunca se apaga. Y si se configura en modo noche, el display OLED se encenderá a partir de las 7:00 y se apagará a partir de las 23:00. Esta modificación también la he añadido en la última actualización del firmware del controlador del aire acondicionado (v1.54).
Firmware del ESP32
El firmware que necesitas para programar el microcontrolador ESP32, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace:
https://github.com/J-RPM/Consumption-control-of-surplus-solar-energy
Caja 3D
Los ficheros .stl que necesitas para fabricar estas piezas, lo puedes descargar desde el siguiente enlace: https://www.thingiverse.com/thing:6135400
¿Dónde fabricar el PCB?
Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos, pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.
