Energía SOLAR, aprovechando los excedentes

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.

Interface WEB del interruptor inteligente

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.

Logo: PCBWay

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Climatización GRATIS… automatizando los excedentes de energía Solar

Actualización del firmware del reloj de precisión (ESP32), para controlar el encendido y apagado automático de dos equipos de aire acondicionado. Automatizando el consumo eléctrico en función de los excedentes de energía Solar, se puede reforzar el sistema de climatización de una vivienda a coste cero.

Excedentes de energía Solar

Cuando se instalan paneles solares en una vivienda, es muy importante adaptar los hábitos del consumo con los de mayor producción solar, porque esta es la forma más rápida de amortizar la inversión. Hay electrodomésticos que no se pueden adaptar a las horas de sol, como son los frigoríficos y cocinas, pero hay otros que sí. Por ejemplo: lavadora, lavaplatos, secadora, plancha y los equipos auxiliares de climatización.

La ventaja principal de una instalación solar orientada al autoconsumo de una vivienda, es que durante el día se podría disponer de una potencia de pico superior a la contratada. Además esta energía es gratis, y se genera en los periodos en los que el precio de la electricidad es más cara, produciendo así un ahorro mayor en la factura.

Por otra parte, con la energía solar sobrante se podría mejorar el sistema de climatización de la vivienda, consiguiendo así un mayor confort a coste cero. La climatización de una vivienda siempre es mejorable, porque intentaremos reducir su coste al mínimo imprescindible, limitando el uso de la calefacción en el invierno y del aire acondicionado en verano.

Automatizar el consumo eléctrico

Hacer un uso eficiente de la energía solar sobrante para aplicarla a la climatización no parece complicado, el problema es que la radiación solar es muy variable y podría provocar picos de consumo extra cuando cambian las condiciones meteorológicas. La solución sería automatizar la conexión y desconexión de los sistemas de climatización y agua caliente auxiliares, adaptándolos a los excedentes de producción solar. Así estos elementos de climatización auxiliar utilizarían la energía sobrante y se desconectarían rápidamente de forma automática. Por ejemplo al aumentar el consumo en la vivienda por haber conectado la lavadora, o debido a la caída de la producción solar al paso de nubes.

Hace unos meses hice una adaptación del reloj de precisión construido con un módulo ESP32, para poder visualizar los valores de producción solar en su display. Esta información es muy útil, porque muestra la energía sobrante que podríamos utilizar a coste cero.

Supervisor solar Fronius

En esta ocasión haré unas modificaciones sobre el firmware anterior, para poder controlar el encendido y apagado automático de dos equipos de aire acondicionado. En concreto lo voy a controlar los dos splitter de un equipo SAMSUNG, modelo AM18A1E09. A través del interface Web de control del ESP32, es posible configurar los umbrales de encendido y apagado de forma individual, configurando a uno de ellos como principal y al otro como secundario.

Así el equipo configurado como 1 será el principal, se conectará el primero y se apagará el último, provocando menos cortes de encendido/apagado que el número 2. Según el fabricante SAMSUNG, cada splitter consume aproximadamente 0,87 kW. Así la configuración de encendido del equipo principal se hará cuando el excedente de potencia sea superior a 1,5 kW, y se desconectará cuando el excedente sea inferior a 100W. El equipo secundario se conectará cuando el excedente de potencia sea superior a 1,7 kW y se desconectará cuando el excedente sea inferior a 300W.

Compatibilidad con el funcinamiento en modo manual

Este controlador de encendido y apagado es totalmente compatible con el funcionamiento manual del aire acondicionada, ya sea a través del pulsador de encendido del splitter, o de su mando a distancia. Cuando se conecta el aire acondicionado utilizando el mando a distancia o su pulsador de encendido, el módulo de control detectará que está funcionando en modo manual, y no tomará el control del equipo. Cuando se desconecte el equipo de forma manual, después de 3 minutos, el módulo ESP32 tomará el control automático de encendido y apagado. En caso de que no se quisiera conectar el aire acondicionado en ningún momento, por ejemplo en invierno, se podría deshabilitar la función de control mediante el interface Web del ESP32, o desconectar la alimentación del módulo de control mediante su interruptor. Con el fin de proteger el compresor del equipo, he fijado el intervalo de tiempo mínimo entre dos maniobras en 3 minutos. Esta limitación es sólo en modo automático, porque desde el interface Web del ESP32, el mando a distancia o el pulsador del splitter, se podrá encender y apagar el equipo en cualquier momento.

Montaje del controlador y sus conexiones, en un equipo SAMSUNG modelo AM18A1E9

Aunque este equipo de aire acondicionado sea doble, cada evaporador funciona de forma independiente y habría que montar su propio controlador.

Este control automático está construido con un módulo ESP32 y un pequeño display OLED. Como el firmware del módulo ESP32 es totalmente compatible con el reloj de precisión, sería posible montar también el display de 8 dígitos y el amplificador de audio.

Este circuito está formado por 3 bloques: el interface de entrada, el circuito de control (ESP32) y el interface de salida:

Interface de entrada

Es el circuito detector de estado del evaporador o splitter, y es necesario para informar al módulo de control si el equipo está funcionando o parado. Como el ventilador del evaporador siempre estará alimentado cuando el equipo funciona, lo he tomado como referencia. El ventilador de este equipo tiene dos devanados, entre los hilos azul y amarillo he medido una tensión alterna de 120V aproximadamente, y entre los hilos azul y rojo de 160VAC. Ambas tensiones apenas varían con la velocidad del ventilador, pero he tomado como referencia la tensión de los hilos azul y rojo, porque me han parecido más estables. Para aislar la tensión de red del circuito de control, he intercalado el opto-transistor H2210. He utilizado este modelo porque tengo varios, pero podría utilizarse cualquier otro. El LED del opto-transistor se encenderá al recibir la tensión alterna del ventilador, pero esta tensión alterna de 160V hay que convertirla a continua y reducirla a 1 voltio aproximadamente. De esto se encarga el rectificador de media onda junto con la resistencia limitadora y el condensador de filtro. Al rectificar en media onda, la disipación en la resistencia es menor y con una resistencia de 47K 1/4W funciona perfectamente. El condensador de filtro de 1000uF es muy importante, porque hay que evitar que el rizado de 50Hz se transmita al circuito de salida. El transistor de salida del opto-acoplador conducirá cuando el evaporador esté funcionando, provocando que el siguiente transistor deje de conducir y entregue un nivel alto en el pin IO2 del módulo ESP32. He utilizado este pin porque va conectado con el LED azul del módulo ESP32, y esta indicación es muy útil para hacer pruebas. Para evitar posibles transiciones de estado debido a ruidos de la fuente de alimentación o inducciones generadas por el propio módulo ESP32, he añadido en la propia placa del módulo un condensador cerámico de 100nF. A pesar de que el módulo ESP32 funciona con 3 voltios, no hay problema en conectar la resistencia de colector del transistor a 5V, porque hay una resistencia en serie de 10K y la corriente será muy baja.

Hay que tener en cuenta que la placa de control de este equipo de aire acondicionado realiza un test cada vez que se da la orden de puesta en marcha, y tarda alrededor de 8 segundos en alimentar el ventilador del evaporador. Al apagar no sucede lo mismo, porque corta la alimentación del ventilador de inmediato. Para gestionar adecuadamente los estados desde el controlador y no producir falsas maniobras, en el firmware se produce una pausa de 10 segundos desde que se da la orden de arranque, antes de comprobar si el ventilador está alimentado. Cuando se da la orden de apagado, esta pausa se reduce a 2 segundos, es el tiempo necesario para mostrar la orden en el display OLED, antes de presentar el estado de funcionamiento del equipo.

Módulo de control ESP32

Es el encargado de gestionar las órdenes de control y mostrar la información en el display OLED, y de forma opcional en otro de 8 dígitos de 7 segmentos. Durante las pruebas, en alguna ocasión se quedó colgado el módulo ESP32 al conectar su alimentación, pero sólo sucedía cuando lo alimentaba con la fuente conmutada. Para solucionar este problema, he colocado un condensador de 10uF en los terminales de entrada de 5V del módulo ESP32.

Interface de salida

Es el encargado de enviar la orden de cambio de estado al evaporador del equipo de aire acondicionado. He utilizado el pin rotulado como TMS, el cual se corresponde con el GPIO14.

Este circuito actúa como si se pulsara el botón de encendido/apagado del evaporador, y lo hace mediante un transistor NPN en modo Open-Collector. Si medimos la tensión en el PCB de control del evaporador, entre los dos terminales del pulsador hay 5V de tensión continua y uno de los dos terminales es GND. Así el transistor de este módulo de control puede conectarse en paralelo de forma permanente, sin interferir al funcionamiento normal del equipo. Es importante conectar cada terminal en su sitio, el colector del transistor de salida se conecta con el terminal del pulsador en el que hemos medido +5V (terminal superior del pulsador).

Al alimentar el circuito de control me encontré con un problema, porque también se encendía el aire acondicionado. Cuando se reinicia el módulo ESP32 aparece una tensión alta en el pin TMS durante algo menos de 1 segundo, el tiempo que tarda el ESP32 en cargar los estados de inicio de sus pines, pero este tiempo es suficiente para crear una pulsación y provocar un cambo de estado en el evaporador. Para evitar este problema, he añadido un circuito RC en la entrada del transistor de control, compuesto por una resistencia de 100K y un condensador de 100uF. De esta forma es necesario recibir una tensión alta durante 2 segundos como mínimo, para provocar que el transistor empiece a conducir y se genere el cambio de estado. Como es lógico, los impulsos de control del cambio de estado los he tenido que configurar a 3 segundos.

Fuente de alimentación

Este control automático se alimenta con 5 voltios de continua, tensión que podría haber tomado de la placa de control del evaporador, pero es más seguro y fiable montar una fuente de alimentación aparte.

Los 230VAC de la fuente de alimentación se toman de los terminales 1 y 2 del evaporador, intercalando un pequeño interruptor en serie para poder desconectar por completo el circuito en cualquier momento.

Conexiones con el evaporador

He utilizado una placa aislante, para montar todos los componentes externos con el módulo ESP32. En un lateral está la clema de 4 conexiones, para conectar la alimentación de 5V (2 conexiones), la detección de encencido del evaporador GPIO2 y la salida TMS-GPIO14 para conectar con el transistor 2N2222 que contralará el encendido y apagado del evaporador (pulsador).

Las otras 3 clemas de 2 conexiones, son los 6 hilos que unen el controlador con el evaporador:

1 – Alimentación del controlador (230VAC)

Marrón: FASE
Azul: NEUTRO

2 – Tensión de los ventiladores (160VAC)

Naranja: FASE
Azul: NEUTRO

3 – Pulsador ON/OFF del evaporador

Rojo: +5
Negro: GND

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/Solar-controller-with-ESP32

Caja 3D

El fichero .stl que necesitas para fabricar esta caja, lo puedes descargar desde el siguiente enlace: https://www.thingiverse.com/thing:6118679

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Privacidad-Domótica + Cierre automático

Pérdida de privacidad al instalar dispositivos conectados a Internet (Domótica). Construcción de un temporizador programable, para el cierre automático de una puerta de garaje. Este temporizador está construido con el micro controlador ATTiny, y puede acoplarse con cualquier sistema de control de acceso que disponga de un pulsador de apertura/cierre manual.

Control remoto

El control remoto de los dispositivos electrónicos facilita enormemente su uso. A nadie se le ocurriría ahora comprar un televisor sin su mando a distancia. Es muy cómodo acceder a una vivienda desde su garaje, abriendo la puerta con un mando a distancia y sin tener que bajar del coche.

Pero esa comodidad no debería poner en riesgo la seguridad, porque si la puerta del garaje se quedase abierta, de nada serviría la puerta blindada de acceso a la vivienda. En la mayoría de los sistemas de apertura y cierre de puertas se incluye un cierre automático temporizado. Con esto se evita que la puerta se quedase abierta por olvido, o por haber pulsado su mando a distancia de forma accidental.

Domótica en la vivienda

Internet ha revolucionado la fabricación de dispositivos inteligentes, empezando por las cámaras de seguridad y llegando hasta las bombillas de iluminación. La tecnología actual permite la instalación de multitud de dispositivos inteligentes a un precio muy bajo, pudiendo convertir cualquier vivienda convencional en una casa domótica.

El problema es que muchos fabricantes obligan a que su control remoto funcione a través de Internet, y la mayoría de ellos lo hacen a través de un servidor externo a la vivienda, normalmente ubicado en China.

Sería conveniente que la legislación actual obligara a informar a los clientes de la pérdida de privacidad de cualquier dispositivo inteligente que esté comercializado, igual que lo hacen los fabricantes de tabaco en sus cajetillas.

La seguridad y privacidad de una vivienda, es inversamente proporcional al número de dispositivos inteligentes que contiene

Esquema

Del control de este circuito se encarga el micro controlador ATTiny85, funcionando con su oscilador interno de 16 MHz. El ATTiny monitoriza el estado alto/bajo del pin 3 (PB4) para detectar si la puerta está abierta o cerrada, por lo que será necesario montar un interruptor fin de carrera, que cierre su contacto cuando la puerta esté totalmente abierta. El interruptor que he pintado en el esquema es mecánico, pero podría utilizarse otro de tipo magnético.

Cada segundo se detecta el estado del pin 3 (PB4) del ATTiny. Cuando pasa de estado alto a bajo se inicia el descuento del temporizador, y el LED lo indica parpadeando muy rápido (5 destellos por segundo). En condiciones de reposo, cuando el circuito está conectado y el pin 3 (PB4) está a nivel alto, el LED hace un parpadeo cada segundo.

El tiempo de retardo se puede configurar entre 1 y 2,5 minutos, mediante la posición de los puentes J1 y J2. El valor del tiempo de retardo se actualiza y configura al alimentar el circuito, y se muestra su estado contando el número de destellos del LED = con 1 destello si el retardo es de 60 segundos, y 4 destellos para 150 segundos.

Cuando la puerta del garaje permanece abierta más tiempo del configurado en el temporizador, el pin 5 (PB0) del ATTiny envía un impulso alto de 1 segundo al transistor y se cierra el contacto del relé. Como los contactos del relé están libres de tensión, se pueden conectar con los 2 hilos del pulsador manual de apertura/cierre de la puerta, sin interferir al circuito controlador del motor.

Aunque la puerta en la que se monte este circuito ya disponga de un interruptor fin de carrera, no podría utilizarse y habría que montar un segundo interruptor, porque este circuito inyecta una tensión de 5V para detectar la posición del pulsador.

Para alimentar este temporizador he utilizado una pequeña fuente conmutada de 230VAC/5VDC. En la caja incorporé un interruptor que corte en la alimentación de entrada, con el fin de poder anular fácilmente este automatismo de cierre.

Firmware

El firmware que necesitas para programar el ATTiny85, lo puedes descargar de forma gratuita desde el siguiente enlace:

https://github.com/J-RPM/ATTiny-Timer_Garage

Circuito impreso

Para hacer este montaje utilicé el mismo PCB que había encargado a PCBWay para montar el interruptor inteligente. En este circuito impreso están todos los componentes de este circuito, y sólo se tienen que adaptar las conexiones de entrada y salida para convertirlo en un temporizador.

Revisando las pistas de conexión por delante y por detrás, observamos que en los terminales del filtro de red están los hilos de alimentación, y estos llegan desde la conexión de salida máster del PCB. Para utilizar este PCB, es necesario cortar una pista del circuito impreso y realizar un puente por la cara superior.

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Acceso a los GERBER de este PCB

Link of my shared project

Caja 3D:

Supervisor solar Fronius

Desde hace unos meses tengo funcionando una instalación solar destinada al autoconsumo de la vivienda. Como el proceso de instalación fue bastante largo debido a la falta de material, junto con algunos problemas con la empresa instaladora, me dio tiempo a modificar los cableados a mi gusto, y añadir algunos medidores de control en el nuevo cuadro eléctrico antes de que la empresa instaladora diera de alta la instalación.

Detalles de la instalación solar

La instalación solar es trifásica, compuesta por un inversor Fronius Symo de 7KW y 20 paneles solares de 380 W. Los paneles están repartidos en las dos caras del tejado, un string con 12 paneles conectados en serie y el otro con 8 paneles.

Conexión con Internet

En una instalación solar es muy importante que el inversor disponga de una conexión estable con Internet, con el fin de controlar su correcto funcionamiento y poder controlar su rendimiento. La mejor solución sería conectar el inversor con un cable Ethernet al router de la vivienda, a no ser que el nivel de la señal WiFi que le llegase al inversor fuera muy bueno. En mi caso, como la distancia entre el inversor y el router es muy larga, junto con la tirada de los cables de continua que conectan los paneles con el inversor, añadí un cable RG174 de bajas pérdidas, y conecté una antena doble BIQUAD en el tejado, muy cerca y orientada hacia el router WiFi.

Cuadro eléctrico DC

En el cuadro de continua de la instalación solar, he montado 2 voltímetros para medir la tensión que genera cada string de los paneles solares. Como los medidores de tensión son digitales, es necesario alimentarlos para que funcionen. He utilizado una pequeña fuente de alimentación conmutada de 230 VAC a 5 VDC. La entrada de la fuente de alimentación está conectada a la tensión continua que genera el string de 8 paneles, los cuales producen una tensión continua máxima de 320V, tensión inferior a la máxima permitida por la fuente conmutada. Ambos medidores están conectados directamente con los cables de bajada de los paneles, antes de los fusibles de protección de 15A, pero la fuente y los dos medidores están protegidos con dos fusibles de 100 mA.

Cuadro eléctrico AC

En el cuadro de alterna he intercalado un relé trifásico de protección, el cual incluye un medidor de corriente y tensión por fase. Este relé contiene un pequeño microprocesador, pudiendo programar los umbrales de tensión y corriente máxima y mínima. Los medidores muestran la tensión y corriente que está generando el inversor en cada fase. Al ser un inversor trifásico, la potencia total generada se reparte de forma proporcional entre las 3 fases. Un inversor solar conectado a la red, aumenta ligeramente la tensión de salida a medida que aumenta su producción solar. De esta forma no está de más disponer de un voltímetro que muestre en tiempo real la tensión que hay en cada una de las fases.

Smart Meter de Fronius

La conexión entre el inversor Fronius y su medidor Smart Meter utiliza 3 hilos, los dos hilos de datos y el hilo de masa. He utilizado los 5 hilos sobrantes de la manguera para conectar las 4 salidas GPIO del inversor y un hilo con la salida +12V. Así puedo controlar el encendido de los 4 indicadores LED que he montado junto al medidor.

Las 4 salidas GPIO del inversor son Open-Collector y las he configurado para que se cierren cuando se superen 4 umbrales de potencia. Los 3 primeros indicadores LED los he asociado a la producción solar: 1, 2 y 3 kW y el tercer indicador, el LED rojo, se enciende cuando exista un excedente superior a 1 kW. Es decir, cuando se esté vertiendo a la red una potencia superior a 1KW.

Reloj & Inverter

Para mostrar los datos de potencia del inversor he utilizado el reloj de precisión que hice con el módulo ESP32, el cual mostraba la fecha y hora en un display de 7 segmentos. Al diseño original le incorporé los avisos por voz, quedando la versión 1.46. A partir de ahí he ido depurando el código hasta optimizar al máximo las funcionalidades del nuevo display, llegando así a la versión que ahora publico, v1.51.

Con la primera versión del reloj, sólo se necesitaba una conexión a Internet al conectar la alimentación, para que pudiera conectarse con el servidor NTP de Internet y sincronizara la fecha y hora local del ESP32. Después el display podía funcionar de forma indefinida mostrando la hora del módulo ESP32, y ya no importaba si se perdía la conexión WiFi.

Reloj de precisión, 8 x 7 segmentos LED

Ahora sí es imprescindible mantener la conexión WiFi en todo momento, para permitir la conexión con el inversor Fronius y poder mostrar los datos en el display. Por ese motivo ahora se chequea cada 30 segundos la conexión WiFi, y si el módulo perdiera en algún momento la conexión, automáticamente se reiniciaría y no volvería a funcionar hasta que se conectase de nuevo con el servidor NTP de Internet, y sincronizara de nuevo el reloj del ESP32.

Al igual que en la versión original, con este código también se puede mostrar la información en un display de 7 segmentos y otro OLED de forma simultánea. Así es posible hacer diferentes versiones utilizando el mismo firmware. Actualmente utilizo esta versión de 3 formas diferentes:

Con un display de 7 segmentos y el módulo de voz.
Con un display de 7 segmentos, sin el módulo de voz y acoplando todo al reloj de pared de esfera rotante. En este caso el reloj del ESP32 también resincroniza la fecha y hora del reloj de esfera rotante. Lo hace a través del puerto serie y sincronizando la fecha y hora de forma alterna, entre los segundos 20 y 50 de cada minuto.
Versión reducida, utilizando sólo un display OLED para mostrar los datos.

Medidas de potencia en el display

El módulo ESP32 interroga al inversor cada 3 segundos, así las medidas de potencia que muestra el display se actualizarán cada 3 segundos. El módulo ESP32 se puede configurar mediante su servidor Web desde cualquier dispositivo móvil, permitiendo así que muestre en su display la información que más nos interese. Por defecto, entre los segundos 58 y 2 de cada minuto, el display de 7 segmentos siempre mostrará la hora, y cada 30 segundos comprobará la conexión WiFi. Aprovechando esta ventana de tiempo, el display podría mostrar la información de la fecha en caso de que estuviese habilitada su presentación. Si el módulo ESP32 está configurado para mostrar alguno de los valores de potencia del inversor, cada 30 segundos chequeará si el inversor presenta algún error o no ha respondido a la última consulta, para mostrar ese error si existe.

En condiciones normales durante el día, el display no debería mostrar ningún error, sólo de forma ocasional podría mostrar algún error de conexión, debido a la colisión en el tiempo de varios dispositivos que consultan al mismo tiempo. En mi caso, estoy consultando los datos del inversor Fronius de forma local desde 4 equipos diferentes: la Raspberry y desde los 3 displays que tengo funcionando.

Cuando el display muestra alguno de los valores de potencia del inversor, la letra que indica el valor de potencia puede aparecer fija, o parpadeando si existe un excedente de potencia superior a 1kW.

Leer los datos del inversor Fronius

Los datos del inversor Fronius se pueden obtener de dos formas diferentes, mediante una conexión TCP utilizando el protocolo ModBus, o realizando las consultas definidas en la API de Fronius. Yo he utilizado ambos métodos para obtener los datos más relevantes del inversor, y luego almacenarlos en una Raspberry PI que tengo conectada directamente en el router. Así dispongo de un archivo histórico muy completo, pudiendo generar gráficas y comprobar el rendimiento de la instalación en cualquier momento.

Para la consulta de los valores de potencia a través del módulo ESP32, he utilizado dos consultas de la API de Fronius. El inversor responderá a las consultas de la API enviando los datos formateados en un archivo JSON. Para facilitar la lectura de las respuestas que envía el inversor, he utilizado la librería: ArduinoJson.h

Potencias del inversor

Esta es la consulta que realiza el módulo ESP32, para obtener los datos de potencia (la IP es la del inversor Fronius):

http://192.168.1.112/solar_api/v1/GetPowerFlowRealtimeData.fcgi

Alarmas del Inversor

Esta es la consulta que realiza el módulo ESP32, cuando el inversor no genera potencia solar o su «StatusCode» es diferente a 7 (la IP es la del inversor Fronius):

http://192.168.1.112/solar_api/v1/GetInverterInfo.cgi

A través de esta consulta se obtiene el estado de alarma del inversor. Durante la noche, podrían a parecer los códigos de error 306 o 307

307: El valor de tensión DC que generan los paneles es demasiado bajo para arrancar el inversor.
306: La tensión DC de los paneles solares es suficiente, pero falta potencia para poder arrancar el inversor.
Status:2 Error:0 >>> Cuando la consulta coincide en el momento que el inversor está chequeando los valores de tensión/potencia de los paneles solares.

Descargas del firmware

ESP32_Clock-Fronius

Reloj LED de pared

Reloj LED de pared, compatible con ESP32 (Reloj & Inverter):

Reloj_V6.1_(22MHz_15x15).HEX

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Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), 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.

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Reparar Panel LED

Hace justo ahora 4 años monté dos paneles LED, y ahora uno de ellos apenas luce. Calculando que habrán estado encendidos una media de 5 horas al día, serían 7300 horas, y me parece muy poco. La vida útil de un LED de iluminación suele estar siempre por encima de 20000 horas. El problema es que los plafones llevan muchos LED en serie, y la probabilidad de fallo es muy alta. Con un sólo LED que falle, el plafón deja de iluminar.

Panel LED – 25W

Esquema del panel LED de 25W

A continuación se muestra el esquema de conexión de los 90 LED que lleva el panel LED de 25W según el fabricante, porque si hacemos los cálculos serían: 56,3V x 0,3A = 16,89W

Es un montaje serie-paralelo, esta formado por grupos de 5 LED en paralelo y los 18 grupos conectados en serie.

En principio podría parecer que este montaje es robusto, por que si se fundiera un LED la corriente pasaría por los 4 LED restantes del grupo, y el panel seguiría funcionando. Pero hay un problema, si quitamos un LED de un grupo, los 300mA que circulan por la serie se tienen que repartir entre los 4 LED restantes, en lugar de 5, y ese exceso de corriente provocaría un recalentamiento en esos 4 LED y se quemarían de uno en uno hasta interrumpir el paso de corriente… y eso es lo que ha sucedido, se han quemado los 5 LED de un grupo, y el panel LED ha dejado de lucir.

¿Es contraproducente puentear un LED ?

Cuando se utiliza un driver de corriente constante para alimentar un conjunto de LED en serie, lo más sencillo es puentear el LED que interrumpa el paso de corriente. Esta reparación no provoca que el resto de los LED trabajen con más corriente de la calculada por el fabricante.

En este plafón LED, al puentear un grupo de 5 LED la tensión de salida del driver bajará, ya que es un driver de corriente constante. Así los 85 LED restantes seguirán funcionando con su corriente nominal, y lo único que se habrá perdido será un 6% de luminosidad. En estas condiciones el plafón LED podría funcionar sin problemas durante algunos años más, aumentamos su vida útil, y colaboramos con el medio ambiente.

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