Unidad 15 Introducción a la ESF para sistemas … cargas normalmente usan AC o un nivel diferente...

Introducción a la ESF Introducción a la ESF para sistemas autónomos de para sistemas autónomos de

telecomunicacionestelecomunicaciones

Alberto Escudero-Pascualaep@it46.se IT+46 – 1 Octubre 2007

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Unidad 15Unidad 15

TRICALCAR | www.wilac.net/tricalcar - Versión: febrero 2008 2

ÍndiceÍndice

Breve introducción a los sistemas de ESFComponentes✔ Paneles solares✔ Baterías✔ Reguladores✔ Convertidores e inversores✔ Las cargas

Medidas de los componentes

El sistema aislado o autónomoEl sistema aislado o autónomo

Aislado = autónomo✔ no esta conectado a la red eléctrica

Fotovoltaico✔ El uso de energía solar para producir energía

eléctrica

Sistema ESF aisladoSistema ESF aislado

Panel SolarPanel Solar

Compuesto por la celdas fotovoltaicasRecoge la energía solar y la convierte en electricidadLa asociación de varios paneles forman el sistema de captación o campo de panelesLa cantidad de corriente depende del número de celdas y de la radiación solar en el momentoLos paneles no pueden almacenar energíaSe necesitan baterías

Batería (Acumulador)Batería (Acumulador)

Almacena la energía que no se consume en el momentoSe almacena en forma de energía química (reacción química reversible)La mayoría de las instalaciones usan baterías sin mantenimiento de plomo-ácido, tambien se las conoce comoRecombinantesVRLA (valve regulated lead acid)

Regulador - ControladorRegulador - Controlador

La corriente de los paneles y las baterías es DCLas cargas normalmente usan AC o un nivel diferente de DC

DC/AC (inversor)La energía se pierde durante la conversión

Los conversores de continua DC/DC se usan para adaptar niveles de DC

Regulador - ControladorRegulador - Controlador

Convertidores DC/DC✔ Perdidas de energia!✔ Diseña tu sistema para que funcione al nivel de DC

de tus cargas

Las CargasLas Cargas

Los equipos/dispositvos que consumen la energía producida y/o almacenadaEquipos de telecomunicaciones, routers, estaciones de trabajo, lamparas, VSATs, switches etc.

Es fundamental calcular-estimar los consumos de tus cargasImpacto en el tamaño del campo de paneles y las baterías, etc

Siempre piensa en equipos debajo consumo

Empecemos ahora de nuevo... Empecemos ahora de nuevo... veamos los componentes veamos los componentes

al detalleal detalle

Paneles solaresPaneles solares

Diseño físicoDiseño físico

Generalmente entre 32 y 36 celdas solares de cristal de silicioDependiendo del tamaño de las celdas el panel tiene una superficie entre 0'1 y 0'5 m² Dos contactos eléctricos (+ positivo y negativo)

Diseño físicoDiseño físico

Contactos para instalar diodos de paso (optional)✔ protege el panel del efecto “hot-spot” (punto

caliente)✔ ocurre cuando parte del panel se queda en sombra

y se comporta como una carga (consume energía)✔ Incrementa la temperatura(85- 100ºC)

Eficiencia energéticaEficiencia energética

Curva característica IV ✔ Todos los valores posible de voltaje/corriente

✔ La curva depende:TemperaturaRadiación recibida

La corriente es directamente proporcional a la radiación solar (G)

Eficiencia energéticaEficiencia energética

El voltaje se reduce ligeramente con el incremento de la temperatura El punto de trabajo del panel depende de la “carga” en sus extremos/contactos. Un buen regulador intenta que el panel trabaje en el punto de máxima potencia.Estos reguladores se conocen como MPT = Maximum power tracking

Eficiencia eléctrica (10-13%) Eficiencia eléctrica (10-13%)

Parámetros del panel solarParámetros del panel solar

1. Corriente de cortocircuito (ISC)

La corriente máxima del panelCuando ponemos los terminales en “corto”

2. Corriente de circuito abierto (VOC)

El voltaje máximoCuando medimos sin cargaGeneralmente alrededor de 19-22 V para paneles que van a trabajar a 12 V

3. Punto de máxima potencia Pmax = Ipmax . Vpmax Se mide en Watts (W) or Watts pico (Wp) Recuerda! El panel no suele trabajar a la potencia de Wp debido a la influencia de las cargasLos valores de VPmax y IPmax suelen ser un poco inferiores a los de Isc y Voc

4. Factor de forma (FF)La relación entre la Pmax y el producto de ISC . VOCNos da una idea de la calidad del panelBuscamos valores de FF cercanos a 1Valores normales entre 0'7 y 0'8.

5. Eficiencia (h)La relación entre la potencia eléctrica máxima que entrega el panel y la radiación solar incidente (PL)

Valores típicos entre 10-12%La eficiencia depende del tipo de materiales y construcción (silicio mono o polocristalino, amorfo o thin film)h = PM / PL = FF. ISC . VOC / PL

Valores que nos da el fabricante: ISC, VOC, IPmax y VPmax

En condiciones estandar de:✔ Irradiancia (G) = 1000 W/m2✔ Temperatura (T) de las celdas de 25oC✔ A nivel del mar

IV CurveIV Curve

IV Curve vs GIV Curve vs G

IV curve vs temperaturaIV curve vs temperatura

Parámetros que necesitamos para Parámetros que necesitamos para el dimensionadoel dimensionado

Cálculo del número de paneles✔ Corriente y Voltaje en el punto de máxima potencia

(IPmax y Vpmax)

Como el panel no trabaja en este punto, asumimos siempre unas perdidas del 5%

Interconexión de panelesInterconexión de paneles

Campo de paneles ✔ Paneles en serie o paralelo sobre una estructura de

soporte común

Es importante que todos los paneles sean lo más parecidos posible (iguales)

✔ Misma marca y características✔ Una dispersión en los parámetros tiene un impacto en el

“campo” total

Gracias al interconexionado podemos conseguir:

✔ Un nivel de voltaje que es cercano (pero superior) al de las baterías

✔ Un nivel de corriente suficiente para alimentar nuestros equipos y cargar las baterías

Como elegir un buen panel...Como elegir un buen panel...

En lugares con mucho polvo✔ Paneles especialmente construidos para no adherir polvo

Revisa la construcción del panel✔ El cristal tiene que ser resistente y el marco de aluminio

robusto y bien construido✔ Los paneles pueden durar hasta 20 años pero eso no

significa que no sean frágiles

Como elegir un buen panel...Como elegir un buen panel...

Asegúrate que tienes acceso a todas las curvas IVRevisa las garantías y la potencia de salida después de “X” mesesCalcula el precio del panel por Wp

BateríasBaterías

La bateríaLa batería

Reacción química reversible✔ Permite el almacenamiento de energía eléctrica

Las baterías más comunes son las de Plomo-ácido que consisten en: ✔ Compuestas por un número de vasos en serie✔ Dos electrodos de plomo en una disolución de agua

y ácido sulfúrico✔ La baterías más comunes de ESF son las de 12-

Función de la bateríaFunción de la batería

Ofrecer energía a las cargas cuando no tenemos radiación solarProceso cíclico de carga y descarga

✔ Con sol: el exceso se carga en la batería✔ Sin sol: Toda la energía proviene de la batería

(descarga)

Autonomía: Autonomía: Costo vs DisponibilidadCosto vs Disponibilidad

Autonomía: por cuanto tiempo queremos que los equipos funcione en ausencia absoluta de solEl nivel de autonomía depende de: ✔ el tipo de instalación✔ infraestructura vs CPE

Un sistema sobredimensionado es:✔ Caro✔ Ineficiente

Tipos de bateríasTipos de baterías

Las baterías más adecuadas para sistemas de ESF son las diseñadas con las siguientes características:✔ una posición fija (estacionarias)✔ escenarios con un consumo “irregular”✔ no necesitan suministrar corrientes altas en poco

tiempo✔ descargas profundas

Tipos de bateríasTipos de baterías

Electrolito alcalino (como Niquel-Cadmium)✔ Caras pero de calidad

Electrolito ácido (Plomo-ácido) ✔ Baratas, pero lo suficientemente buenas

Las baterías de coche/carro Las baterías de coche/carro (baterías de tracción)(baterías de tracción)

Se pueden usar si no tenemos baterías estacionarias, pero NO son recomendablesDiseñadas para suministrar mucha corriente instantánea, no para suministrar corrientes bajas durante largos periodos de tiempoSu vida se acorta en sistemas ESFNecesitan mucho mantenimientoNo se pueden descargar más del 70% de su capacidad totalSolo se puede usar el 30%

Estado de cargaEstado de carga

Sobre-cargaSobre-descarga

SobrecargaSobrecarga

El agua en el ácido sulfúrico se rompe y produce oxigeno y hidrógeno(gasificación)Desventaja: El electrodo positivo se oxidaVentaja: La presencia del gas previene la estratificación del ácidoSe necesita un compromiso:✔ Se permite de manera periodica la sobre-carga

controlada✔ El regulador se carga de este proceso conocido

como ecualización

Sobre-descargaSobre-descarga

Desventaja: La batería se estropea✔ Se crean cristales de sulfato✔ Las placas pierden material activo

El regulador previene este estado✔ Cuando la batería llega a un límite, se desconectan

las cargas

Parámetros de la bateríaParámetros de la batería

1. Voltaje Nominal VNBat (12 V)

2. Capacidad Nominal CNBatLa máxima cantidad de energía que se puede extraer de la batería (Ah o Wh)Depende la velocidad de descarga La capacidad de batería se especifica a distintas velocidades de descarga (C100)

3. Máxima profundidad de descarga PdmaxEs el % de energía que se extrae de la batería en una descargaLo limitan los reguladores/controladores y están calibrados para un nivel de descarga típico de PD 70%

La vida útil de la batería depende de la profundidad de descarga en cada cicloEl vendedor debe suministrar el número de ciclos en la vida útil de la bateríaEvita la descarga profunda (más de 50%) y tan solo 30% se se trata de baterías de tracción

4. Capacidad Útil CUBatLa capacidad real (útil) de la bateríaEs el resultado de multiplicar la capacidad nominal (CNBat) por la profundidad de descarga máxima PdmaxEjemplo: Batería estacionaría de 120 Ah y PDmax del 70%, tiene una capacidad útil de 84 Ah.

Medición del estado de carga Medición del estado de carga de la batería de la batería

Asumimos: ✔ Batería sellada de plomo-ácido 12V ✔ Descarga lineal durante operación

Carga completa: 12.8 VCon carga (carga completa): 12.6 VDescargada: 11.6 V70% se alcanza cuando el voltaje es 11.9 V

Medición del estado de carga Medición del estado de carga de la batería de la batería

Protección de la bateríaProtección de la batería

Se debe proteger la batería de corto-circuitos✔ Interruptores termomagneticos✔ Fusibles

Los fusibles se deben dimensionar para el nivel de corriente máximo y el voltaje de usoEl nivel de corriente del fusible tiene que ser ligeramente superior (10%) al máximo esperado✔ Por ejemplo para un instalación de 4A usaremos un

fusible de 5 A

Nunca se debe reemplazar un fusible por un “cable” o un fusible de amperaje superiorDos tipos de fusible:✔ Lentos (aceptan sobrecargas más tiempo)✔ Rápidos (reacción casi instantánea)

Efectos de la temperatura en Efectos de la temperatura en bateríasbaterías

La capacidad de la batería varía con la temperaturaEs importante incluir sensores de temperatura en los cargadoresEs importante diseñar espacios para alojar las baterías✔ Sin luz directa✔ Secos

Temperaturas altasTemperaturas altas

La capacidad de la batería (normalizada a 25°C) incrementa en un 1%/°C En caso de temperaturas demasiado altas tiene lugar el mismo efecto descrito en “sobre-carga”✔ Oxidación

En regiones cálidas:✔ Nunca sol directo✔ Necesaria la refrigeración natural

Temperaturas bajasTemperaturas bajas

La vida útil incrementa pero también el riesgo de congelación del electrolito El punto de congelación depende de la densidad de la solución✔ La densidad depende del estado de carga de la

batería A mayor densidad menos posibilidad de congelación, es necesario no descargar tanto las baterías

Vida de la batería y sus ciclosVida de la batería y sus ciclos

Es el componente de la instalación que va a necesitar remplazoNunca descargar las baterías mas del 30% para aumentar su tiempo de vidaSi se descarga completamente la batería puede durar menos de un añoEs más barato comprar baterías de más capacidad que cambiarlas cada año!.

Sistema ESF aisladoSistema ESF aislado

ReguladorRegulador

Se le conoce como:✔ controlador de carga✔ controlador de voltaje✔ controlador de carga-descarga✔ controlador de carga

Se instala entre:✔ el campo de paneles y las baterías✔ las baterías y las cargas/equipos

ReguladorRegulador

Se conecta en “serie” NUNCA en paraleloDesconectan el campo de paneles para evitar sobrecargaDesconectan las cargas para evitar sobredescargaEl sistema de desconexión es por interruptores:✔ Electromecánicos (relés)✔ Estado sólido (transistor bipolar, MOSFET)

ReguladorRegulador

Los reguladores modernos:✔ Pueden desconectar las cargas durante la noche✔ Sobrecarga las baterías para mejorar su vida útil

(equalización)✔ Utilizar un mecanismo conocido como pulse width

modulation (PWM) para evitar gasificación

Parámetros del reguladorParámetros del regulador

Corriente máxima de operación✔ Debe ser al menos el 20% mayor que la

corriente máxima del campo de panelesVoltaje de operación: 12, 24, or 48 V

Parámetros del regulador Parámetros del regulador (Avanzados)(Avanzados)

Valores de LVD, LRV y HVD Compensación por temperatura✔ Muestrea la temperatura y calcula los distintos

puntos de corte (desconexión y re-conexión) Sensores e instrumentación✔ Estado de carga, corriente, voltaje, etc✔ Alarmas

ConvertidorConvertidor

Dos tipos en sistemas de ESF✔ DC/DC ✔ DC/AC (inversores)

Pueden incorporar un cargador

Convertidor DC/DCConvertidor DC/DC

Convierte DC(Va) a DC(Vb)Se usa entre las baterías y las cargasDos tipos de conversión:✔ Linear (quema el resto de la energía)✔ Conversión (más complejo e eficiente, > 80%)

DC/AC InversorDC/AC Inversor

Cargas ACTrocea e invierte la corriente continuaDos tipos:✔ Onda cuadrada (senoidal modificada)✔ Onda senoidal pura

Los inversores de onda cuadrada son más eficientes pero no todos los equipos lo aceptan✔ Problemas con impresoras✔ Audio

Parámetros de un inversorParámetros de un inversor

Gestión de sobrecargasEficiencia de conversiónInclusión de “cargador”Cambio automático en presencia de diferentes fuentes de energía: red-solar, generador, etc

A tener en cuenta en equipos de A tener en cuenta en equipos de comunicacionescomunicaciones

Evitar el uso de ACInvestigar el voltaje de entrada de los equipos y la posibilidad de usar directamente alimentación en DC

Las cargasLas cargas

Consumos de cargasConsumos de cargas

Equipment Consumption [W]Portable computer 30-50

Low power lamp 6-10

WRAP (one radio) 4-10

VSAT modem 15-30

PC (without LCD) 20-30

PC (with LCD) 200-300

Switch (16 ports) 6-8

Equipos de radioEquipos de radio

Equipment Consumption [W]Linksys WRT54G (radio BCM2050) 6

Linksys WAP54 (radio BCM2050) 3

Orinoco/WavePoint II ROR (radio 30 mW) 15

Soekris net4511 (no radio/radio) 1.8/4.8

WRAP.1E-1 (no radio) 2.04/5.04

Routerboard 532 (no radio) 2.3/5.3

Inhand ELF3 (nonradio) 1.53/4.53

Senao 250 mW Radio 3

Ubiquity 400 mW Radio 6

El consumo tambien depende de:✔ el número de interfaces de red✔ tipo de memorias, HD y tráfico de red

Algunos números para recordar:✔ Placas 2-3 W ✔ Una radio de 200 mW va a consumir hasta 3 W✔ Un radio de alta potencia como la Ubiquity de 400

mW consume hasta 6 W✔ Una estación repetidora va a consumir como

mínimo de entre 8 y 10 W.

Dimensionado en 5 pasosDimensionado en 5 pasos

Carga: 12 W, Voltaje: 12 V, Corriente: 1 AConsumo día: 24 AhAutonomía (4 días): 24 x 4 = 96 AhBatería (máx 50%) = 194 Ah (200 Ah C100)Panel 80 Wp (Imax = 5 Ah)✔ 5 horas de sol-pico en el mes peor (25 Ah/dia)

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