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