UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Electrnica

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIN

AUTNOMO PARA ESPACIOS EXTERIORES CON CELDAS

SOLARES

Por

Mariel Desiree Rivas Yerena

Sartenejas, Noviembre de 2005

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Electrnica

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIN

AUTNOMO PARA ESPACIOS EXTERIORES CON CELDAS

SOLARES

Por

Mariel Desiree Rivas Yerena

Realizado con la Asesora de

Tutor Acadmico: Prof. Julio Walter

Tutor Industrial: Ing. Oscar Garzn

PROYECTO DE GRADO

Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Electrnico

Sartenejas, Noviembre de 2005

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Electrnica

Diseo e Implementacin de un Sistema de Iluminacin Autnomo para espacios exteriores con celdas solares

PROYECTO DE GRADO presentado por Mariel Desiree Rivas Yerena

REALIZADO CON LA ASESORIA DE: Prof. Julio Walter y el Ing. Oscar Garzn

RESUMEN

El presente trabajo est motivado a solventar parte del problema de electrificacin rural

existente en Venezuela. En nuestro pas existen comunidades remotas a las que hasta ahora no

se ha podido proveer de electricidad por el difcil acceso a las zonas geogrficas en las que se

encuentran, por lo que llevar un tendido elctrico resulta prcticamente imposible. El objetivo

de este trabajo es desarrollar un sistema de iluminacin totalmente autnomo de la red

elctrica utilizando una fuente de energa alterna. La fuente de energa elegida es la solar ya

que, por su ubicacin geogrfica, Venezuela dispone de sta a lo largo del ao. El sistema

desarrollado fue del tipo fotovoltaico, de modo que se utilizaron dos paneles solares para

convertir la luz solar en corriente elctrica, la cual es almacenada por un banco de bateras que

en la noche provee a la luminaria la energa necesaria para generar luz. Para el control de los

paneles, bateras y lmpara se diseo un circuito que ejerce las funciones de: encendido y

apagado de la lmpara, carga y descarga de la batera y configuracin de parmetros del

sistema. El prototipo es capaz de manejar cargas de 12VDC y cargas AC por medio del

desarrollo de un convertidor DC/AC de 120Vrms. El proyecto se llev a cabo en todas sus

fases, desde diseo hasta implementacin y los resultados obtenidos por el sistema instalado

fueron ptimos.

PALABRAS CLAVES Iluminacin, Energa Alternativa, Efecto Fotovoltaico, Desarrollo Sustentable.

Sartenejas, Noviembre de 2005

ii

DEDICATORIA

A Dios, a mi Mam, a mi Pap y a mi Hermana por todas sus enseanzas y su apoyo durante

estos 23 aos

iii

AGRADECIMIENTOS

A mi mam, pap y hermana por su cario, apoyo incondicional, y por alentarme en

momentos difciles.

Al Prof. Julio Walter, a quien admiro y respeto, por todo lo que me ense en este

perodo, y porque siempre estuvo con buena disposicin para ayudarme y aconsejarme.

Al Ing. Oscar Garzn, por darme la oportunidad de realizar este proyecto, por confiar

en mi, por todas sus enseanzas y por tratarme como una compaera de trabajo ms.

A Zorelly Gonzlez, por ayudarme desinteresadamente, por todo el cario y apoyo que

me ha dado en este tiempo y porque he podido aprender de ella muchas cosas a nivel

profesional.

Al Ing. Miguel Arellano, porque fue l quien se qued a ayudarme en los momentos

difciles del proyecto, por sus enseanzas y por su amistad.

A Fernando Vera, porque me ayud a resolver problemas que van ms all de la

electrnica, por estar pendiente de que todo quedara bien y por alentarme.

A Rubn Fernndez, por su confianza, por sus palabras de impulso cuando las necesit,

por darme oportunidades y sobre todo por su cario.

A Maria Elena Fernndez, por todas las oportunidades que me ha dado y por su cario.

Al Prof. Luis Emilio Suberviola, por que sus enseanzas fueron la clave para el

desarrollo de mi pasanta, y por la donacin por parte de su empresa, INTELEC, para la

realizacin de mi proyecto.

A Yanina, Christian, Kharem y Olguita por apoyarme y por compartir mis tristezas y

alegras durante la realizacin de este proyecto.

A Giuseppina, Gilda, Cecilmat, Hermes y Gliver, porque me ayudaron de manera

desinteresada, sintieron todas mis vivencias y me hicieron rer.

A mi amigo Juan Luis, porque aunque no nos hemos visto en todo este tiempo siempre

estuvo pendiente de cmo iba todo y sus palabras de confianza y aliento me ayudaron a seguir.

A mi amiga Aracelys, a Willy y a Juan Carlos por sus consejos y nimos.

A Zhirley y a Jose, por su gran amistad, porque estuvieron conmigo de principio a fin,

por todo lo que hemos vivido juntos y lo que nos queda por vivir.

iv

Al Ing. Luis Rodrguez, a Marco Gmez y a Pedro Vega, por sus enseanzas y

asesora.

Al Ing. Jos Manuel Rodrguez, al Ing. Gean Carlos Cataldo, al Prof. Guillermo

Villegas y al Prof. Julio Viola, que me ayudaron a resolver problemas durante el desarrollo de

mi pasanta.

Al Prof. Orlando Sucre y al Prof. Juan Muci, por sus consejos y su confianza en m.

Al Sr. David Delgado de la empresa Exportica C.A, que de manera desinteresada don

la luminaria necesaria para el desarrollo del proyecto.

En general a todas aquellas personas que de una u otra manera intervinieron en la

realizacin de este proyecto, gracias.

NDICE GENERAL

RESUMEN ...................................................................................................................................i

DEDICATORIA......................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS............................................................................................................. iii

NDICE GENERAL....................................................................................................................v

NDICE DE TABLAS............................................................................................................. viii

NDICE DE FIGURAS ..............................................................................................................ix

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS .........................................................................xi

CAPTULO 1 INTRODUCCIN............................................................................................1

1.1 Planteamiento del Problema ......................................................................................3

1.2 Importancia y Justificacin........................................................................................4

1.3 Antecedentes..............................................................................................................4

1.4 Limitaciones ..............................................................................................................5

CAPTULO 2 - OBJETIVOS.....................................................................................................6

2.1 Objetivo General .......................................................................................................6

2.2 Objetivos Especficos ................................................................................................6

CAPTULO 3 MARCO TERICO .........................................................................................7

3.1 Iluminacin................................................................................................................7

3.1.1 Luz.............................................................................................................................7

3.1.2 Propiedades Cromticas de la luz..............................................................................9

3.1.3 Magnitudes y Unidades Luminosas.........................................................................11

3.1.3.1 Flujo Luminoso. ......................................................................................................11

3.1.3.2 Intensidad Luminosa ...............................................................................................11

3.1.3.3 Iluminancia o Nivel de Iluminacin ........................................................................12

3.1.3.4 Luminancia ..............................................................................................................12

vi

3.1.4 Lmpara ...................................................................................................................12

3.1.4.1 Criterios que definen el rendimiento de una lmpara..............................................13

3.1.4.2 Principales Tipos de Lmparas................................................................................14

3.1.5 Luminarias ...............................................................................................................23

3.1.5.1 Clasificacin de las Luminarias...............................................................................24

3.2 Energa Solar ...........................................................................................................27

3.2.1 Efecto Fotoelctrico y Efecto Fotovoltaico. ............................................................28

3.2.2 Celdas Solares. ........................................................................................................28

3.2.2.1 Tipos de Celdas Solares...........................................................................................30

3.2.2.2 Circuito Equivalente de una Celda Solar.................................................................31

3.2.2.3 Curva Caracterstica ................................................................................................32

3.2.2.4 Influencia de la Radiacin en la Eficiencia de una Celda Solar..............................34

3.2.2.5 Influencia de la Temperatura en la Eficiencia de una Celda Solar..........................34

3.2.3 Paneles o Mdulos Solares. .....................................................................................35

3.2.3.1 Orientacin de un Panel Solar. ................................................................................36

3.2.3.2 ngulo de Inclinacin de un Panel Solar. ...............................................................36

3.2.4 Sistema Fotovoltaico. ..............................................................................................37

3.2.4.1 Topologas de Sistemas Fotovoltaicos ....................................................................37

3.2.4.2 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos .............................................................................39

3.2.4.3 Elementos de un Sistema Fotovoltaico....................................................................40

3.2.4.3.1 Arreglos Fotovoltaicos ............................................................................................40

3.2.4.3.2 Reguladores de Carga..............................................................................................41

3.2.4.3.3 Acumuladores o Bateras.........................................................................................43

3.2.4.3.4 Inversores ................................................................................................................46

vii

CAPTULO 4 METODOLOGA...........................................................................................49

4.1 Seleccin del Tipo de Lmpara. ..............................................................................49

4.1.1 Estudio del rea a iluminar. .....................................................................................49

4.1.2 Estudio de los tipos de lmparas utilizados en sistemas fotovoltaicos....................50

4.1.3 Estudio de las lmparas existentes en el mercado. ..................................................54

4.2 Diseo del Sistema Foovoltaico. .............................................................................55

4.3 Diseo del Regulador de Carga de Bateras. ...........................................................63

4.4 Diseo del Inversor..................................................................................................75

4.5 Diseo del Poste de Iluminacin .............................................................................80

4.6 Caracterizacin del Panel Solar existente en la empresa.........................................82

CAPTULO 5 RESULTADOS ..............................................................................................91

CAPTULO 6 CONCLUSIONES..........................................................................................95

CAPTULO 7 - RECOMENDACIONES ................................................................................97

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................................98

GLOSARIO.............................................................................................................................101

APNDICES ...........................................................................................................................103

APNDICE 1 ..........................................................................................................................104

APNDICE 2 ..........................................................................................................................107

APNDICE 3 ..........................................................................................................................110

APNDICE 4 ..........................................................................................................................113

APNDICE 5 ..........................................................................................................................118

APNDICE 6 ..........................................................................................................................121

viii

NDICE DE TABLAS

Tabla 3. 1 Apariencia de color vs Temperatura de color ...........................................................9

Tabla 3. 2 ndice de rendimiento cromtico de acuerdo a la fuente de luz. .............................10

Tabla 3. 3 Clases de Luminarias segn su Proteccin Elctrica. ..............................................25

Tabla 3. 4 Tipos de Alcance .....................................................................................................26

Tabla 3. 5 Tipos de Apertura ....................................................................................................27

Tabla 3. 6 Tipos de Control. ......................................................................................................27

Tabla 3. 7 ngulo de inclinacin ptimo segn la latitud.........................................................37

Tabla 4. 1 Cuadro Comparativo de Lmparas...........................................................................53

Tabla 4. 2 Cuadro caracterstico de la lmpara a utilizar en el prototipo. .................................54

Tabla 4. 3 Cargas del sistema fotovoltaico................................................................................58

Tabla 4. 4 Bateras disponibles para el Sistema Fotovoltaico. ..................................................58

Tabla 4. 5 Paneles Solares disponibles para el Sistema Fotovoltaico. ......................................59

Tabla 4. 6 Factor de temperatura ...............................................................................................62

Tabla 4. 7 Valores predeterminados de los tiempos de autonoma diarios. ..............................74

Tabla 4. 8 Resultados obtenidos en la Prueba N1 del Panel Solar SM144-18 ........................86

Tabla 4. 9 Resultados obtenidos en la Prueba N2 del Panel Solar SM144-18 ........................88

Tabla 5. 1 Costos del Sistema Fotovoltaico ..............................................................................94

ix

NDICE DE FIGURAS

Figura 3. 1 Espectro electromagntico .......................................................................................8

Figura 3. 2 Intensidad Luminosa ...............................................................................................11

Figura 3. 3 Luminancia de una Superficie ................................................................................12

Figura 3. 4 Lmpara Incandescente Convencional ..................................................................14

Figura 3. 5 Lmpara Fluorescente Tubular ..............................................................................16

Figura 3. 6 Lmpara Fluorescente compacta vs. Lmpara Incandescente Convencional. ........17

Figura 3. 7 Lmpara de Mercurio a Alta Presin. .....................................................................17

Figura 3. 8 Lmpara de Luz Mixta. ..........................................................................................19

Figura 3. 9 Lmpara de Vapor de Sodio a Baja Presin............................................................20

Figura 3. 10 Lmpara de Sodio a Alta Presin..........................................................................20

Figura 3. 11 Esquema Bsico de un Led. .................................................................................21

Figura 3. 12 Estructura del Chip de un LED .............................................................................21

Figura 3. 13 Caractersticas Mecnicas de las Luminarias........................................................25

Figura 3. 14 Alcance Longitudinal. ..........................................................................................26

Figura 3. 15 Apertura Transversal. ............................................................................................27

Figura 3. 16 Corte Transversal de una Celda Solar ..................................................................29

Figura 3. 17 Celdas de silicio monocristalino vs. celdas de silicio policristalino .....................31

Figura 3. 18 Circuito equivalente de una Celda Solar...............................................................32

Figura 3. 19 Curva corriente vs. tensin de una celda solar......................................................32

Figura 3. 20 Variacin de la corriente y tensin con la radiacin. ............................................34

Figura 3. 21 Variacin de la corriente y tensin con la temperatura.........................................34

Figura 3. 22 Topologa de sistema fotovoltaico para cargas DC ..............................................38

Figura 3. 23 Topologa de sistema fotovoltaico para cargas DC y AC ....................................38

Figura 3. 24 Sistema Fotovoltaico conectado a la Red .............................................................40

Figura 3. 25 Arreglo fotovoltaico ..............................................................................................41

Figura 3. 26 Regulador tipo serie ..............................................................................................42

Figura 3. 27 Regulador tipo paralelo .........................................................................................43

Figura 3. 28 Diferentes formas de onda de corriente alterna a 60Hz. .......................................47

x

Figura 4. 1 Diagrama esquemtico del regulador de carga desarrollado...................................65

Figura 4. 2 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Carga de la Batera.........................67

Figura 4. 3 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Descarga de la Batera. ..................68

Figura 4. 4 Pantalla Principal ....................................................................................................72

Figura 4. 5 Inversor de Onda Senoidal Modificada. .................................................................76

Figura 4. 6 Onda Senoidal Modificada......................................................................................77

Figura 4. 7 Diseo de la Onda Senoidal Modificada.................................................................78

Figura 4. 8 Ondas PWM y seal resultante del proceso de conmutacin. ................................79

Figura 4. 9 Diseo del Poste de Iluminacin o Farola Solar. ....................................................81

Figura 4. 10 Condiciones iniciales del panel solar a ser evaluado. ...........................................84

Figura 4. 11 Condiciones finales del panel solar a ser evaluado...............................................84

Figura 4. 12 Diagrama del Circuito Sumidero de Corriente......................................................85

Figura 4. 13 Curva Corriente vs Tensin del Panel SM144-18 obtenida en la Prueba N1 a

100lx. .................................................................................................................................87

Figura 4. 14 Curva Corriente vs Tensin del Panel SM144-18 obtenida en la Prueba N2 a

100lx. .................................................................................................................................88

Figura 4. 15 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante...................................89

Figura 4. 16 Curva del panel SM144-18 @ 800W/m2 suministrada por el fabricante vs. curva

obtenida experimentalmente en la Prueba N1. ................................................................89

Figura 4. 17 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante vs la obtenida en la

experimentalmente en la Prueba N2. ...............................................................................90

Figura 5. 1 Sistema de iluminacin autnomo para espacios exteriores con celdas solares. ...93

xi

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

A Ampere, unidad de corriente.

C Grados Centgrados, unidad de temperatura.

K Grados Kelvin, unidad de temperatura.

A/D Anlogo a Digital.

AC Alternating Current, corriente alterna.

Bs Bolvares, moneda venezolana.

cal Calora, unidad de energa.

Cd Cadmio.

DC Direct Current, corriente continua.

Hz Hertz, unidad de frecuencia.

m Metro, unidad de distancia.

m2 Metro cuadrado, unidad de rea.

mA Unidad de corriente equivalente a 10-3A.

ms Unidad de tiempo equivalente a 10-3 segundos.

Ni Nquel.

nm Unidad de distancia equivalente a 10-9 metros.

Pb Plomo.

rms Root Mean Square, valor efectivo de una seal alterna.

T Perodo

V Voltio, unidad de tensin.

VDC Voltaje de corriente continua.

VPrimario Tensin en el primario del transformador.

Vrms Voltaje efectivo o tensin efectiva.

VSecundario Tensin en el secundario del transformador.

W Watt (Vatio), unidad de potencia.

Gamma, tercera letra del alfabeto griego.

Fi, vigsimo primera letra del alfabeto griego.

Omega, vigsimo cuarta letra del alfabeto griego.

CAPTULO 1 INTRODUCCIN

La iniciativa del hombre de desarrollar sistemas de energa autnomos nace de la necesidad de

suministrar energa en sitios a los cuales llevar un tendido de red elctrica convencional

resultara costoso, y en algunos casos hasta imposible por razones de ubicacin y

caractersticas geogrficas. Este es el caso de comunidades rurales remotas y aplicaciones

espaciales. Es por esto que comienzan a surgir los desarrollos de sistemas autnomos que no

dependan de centrales elctricas convencionales ubicadas a miles de kilmetros de distancia,

sino que sean sistemas capaces de tener en un mismo sitio todos los elementos que se

necesitan para generar la energa que se requiere. Por ser sistemas desarrollados para trabajar

en zonas de difcil acceso, son pensados para soportar condiciones extremas y para estar en

funcionamiento largos perodos de tiempo sin requerir mantenimiento.

Los tipos de energa utilizados para sistemas autnomos son la energa solar, elica,

geotrmica, de biomasa y la producida por combustibles fsiles. La energa producida por

combustibles fsiles como petrleo, carbn y gas natural es la ms utilizada en el mundo

actual, sin embargo, es altamente contaminante debido a los residuos y gases que se generan

del proceso de combustin y entra en la clasificacin de energas no renovables, es decir,

provienen de fuentes que se agotan.

Los otros tipos de energa mencionados entran en la clasificacin de las denominadas energas

alternativas, las cuales se caracterizan por ser renovables y poco contaminantes. Las fuentes de

energas alternativas o renovables nacen de la necesidad de buscar fuentes energticas

inagotables, en un sentido no estricto, cuyo impacto al ambiente sea mnimo, con respecto al

producido por las fuentes tradicionales como es el caso de los combustibles fsiles.

La energa solar es la que se obtiene de la radiacin solar y es utilizada en dos tipos de

sistemas, los Fotovoltaicos y los Trmicos. Los Sistemas Fotovoltaicos, transforman la energa

suministrada por la radiacin solar en energa elctrica; entre sus principales reas de

aplicaciones tenemos iluminacin, comunicaciones, monitoreo, control de procesos, bombeo

de agua y proteccin catdica. Por otro lado, los Sistemas Trmicos, producen energa trmica

2

(calor) a partir de la radiacin solar; los principales usos de estos sistemas son el

calentamiento de agua sanitaria y la calefaccin.

Luego tenemos la energa elica, la cual, es obtenida del paso de corrientes de aire terrestre a

travs de molinos. La energa elica se deriva de la energa solar ya que el viento se origina

por una diferencia de presin, causada a su vez por una diferencia de temperatura entre las

masas de aire, la cual es provocada por la absorcin de energa solar. Entre sus aplicaciones

estn la generacin de energa elctrica y el bombeo de agua.

La energa geotrmica es la que se obtiene del calor producido entre las capas terrestres,

especficamente entre la corteza y el manto, debido a la desintegracin de elementos

radiactivos [1]. Dependiendo de la cantidad de calor producida, en algunos casos sta energa

llega a manifestarse en la superficie como agua caliente o vapor de agua, los cuales son

utilizados como fuentes de energa. El problema de la energa geotrmica es que al igual que

la energa hidrulica, dependen de una fuente de energa que no puede ser trasladada de sitio,

como es el caso de los ros, cadas de agua, etc., por lo tanto no es una energa apta para ser

utilizada en un sistema autnomo.

Por ltimo tenemos la energa de biomasa, que es la obtenida de recursos biolgicos, tales

como madera, estircol, desechos orgnicos, residuos agrcolas, entre otros. sta es una

importante fuente de energa en algunos pases.

Los tipos de energa alternativa ms comnmente usados en sistemas autnomos son energa

solar y elica. Existen sistemas solares, sistemas elicos y sistemas mixtos, abarcando estos

ltimos los dos tipos de energa.

Con el presente trabajo se pretende incursionar en sistemas de energa autnomos que utilicen

nicamente energa solar y sean destinados a alimentar sistemas de iluminacin para espacios

exteriores en comunidades rurales o remotas.

3

1.1 Planteamiento del Problema

El Instituto de Ingeniera propone dar un primer paso en el desarrollo de sistemas de

iluminacin con paneles solares, buscando como objetivo solventar el problema de

iluminacin exterior en comunidades remotas, en las cuales hacer llegar un tendido elctrico

no resulta viable. A su vez, el resultado obtenido ser el punto de partida para desarrollar

futuras aplicaciones ms complejas con fuentes de energas alternativas.

El proyecto consiste en el diseo e implementacin de un prototipo de sistema de iluminacin

autnomo para espacios exteriores, es decir, para reas pblicas, tales como: plazas, calles,

estacionamientos, etc. La finalidad e importancia del alumbrado en reas pblicas es el de

proveer servicio de luz a peatones y/o vehculos que transiten en ellas, permitiendo el

desarrollo de actividades nocturnas y evitando posibles accidentes.

El prototipo de sistema de iluminacin autnomo ser una farola o poste de luz, cuya nica

fuente de alimentacin ser un panel solar. El sistema deber contar con los siguientes

elementos: un panel solar, un banco de bateras, un circuito regulador de la carga de las

bateras, un conversor DC/AC o inversor y la carga del sistema que en este caso es una

lmpara.

El proyecto se dividir en varias fases:

Fase I. Realizar un estudio del tipo de lmpara a utilizar tomando en cuenta tipo de aplicacin, costo,

tiempo de vida y eficiencia.

Fase II. En esta fase se realizarn los clculos energticos para determinar el tipo de panel solar

necesario y luego la capacidad de la batera necesaria.

Fase III. Por ltimo se disear el circuito regulador de carga con inversor incluido para lograr que el

sistema opere de manera autnoma.

4

Adicionalmente se plantea el estudio de un panel solar existente en el Instituto de Ingeniera,

el cual fue instalado para una aplicacin de iluminacin exterior dentro del mismo Instituto,

hace 15 aos. Este panel solar tiene mucho tiempo sin estar operativo, por tanto se desea

definir la eficiencia del mismo para ver si es viable utilizarlo en futuras aplicaciones, para esto

se pretende disear e implementar un protocolo de pruebas que permita determinar la

operatividad de paneles solares en general.

1.2 Importancia y Justificacin

Con este proyecto se pretende incursionar en el mundo de energa solar por ser una fuente

limpia cuyo impacto al ambiente es mnimo. Existe una opinin mayoritaria con respecto a

que no contamina el ambiente, sin embargo se han hecho estudios tomando en cuenta que en

algunos casos el sistema utiliza un banco de bateras y que una vez que stas cumplen su

tiempo de vida pasan a ser residuos contaminantes, fuera de esto, un sistema de energa solar

no proporciona ningn impacto negativo al ambiente, y por ello suele recibir el calificativo de

energa ecolgica. A su vez, la energa solar es sana para el hombre, porque adems de que no

contamina, es absolutamente silenciosa. En general la inversin en un sistema solar se reduce

a la instalacin con todos sus elementos y al cambio de batera cada 3 aos aproximadamente,

no tiene partes mviles por lo que prcticamente es inalterable con el paso del tiempo y la

energa que recibirn los paneles ser totalmente gratis.

El uso de la energa solar viene tomado de la mano con el concepto de Desarrollo Sustentable,

el cual consiste en utilizar los recursos del medio ambiente para satisfacer las necesidades del

hombre causando el menor impacto ambiental posible, de manera que futuras generaciones

tambin puedan disfrutar de dichos recursos.

1.3 Antecedentes

En el ao 1990 el Sr. Antonio Luciano De Caires T., present un trabajo titulado: Diseo y

Construccin de un Sistema de Iluminacin con Alimentacin Autnoma (Fotovoltaica) [2],

el cual consisti en el desarrollo de un sistema de iluminacin para un estacionamiento

5

pblico utilizando como fuente de alimentacin un panel solar de 120W de potencia nominal,

siendo totalmente independiente de la red elctrica. El sistema de alumbrado consisti en diez

lmparas fluorescentes capaces de operar a 12VDC, cuyo encendido era controlado por unos

temporizadores.

Ms tarde, en el ao 2003 el Sr. Carlos L. Castillo M., present un trabajo al que llam:

Propuesta de un Sistema de Alumbrado Pblico Solar, como alternativa a la solucin de las

prdidas tcnicas y no-tcnicas, en la C.A La Electricidad de Caracas [3], en el cual se

estudi la factibilidad de utilizar sistemas de alumbrado pblico con energa solar en

sustitucin del alumbrado pblico convencional, con la finalidad de disminuir las prdidas

tcnicas y no-tcnicas que ste ltimo genera a la compaa. Durante el estudio se dise y

construy el sistema de iluminacin para alumbrado pblico con energa solar.

1.4 Limitaciones

Como cualquier sistema fotovoltaico, est limitado a las caractersticas de radiacin solar

de la zona en la que se va a instalar. En este caso se instalar en el Instituto de Ingeniera

cuyo clima se caracteriza por ser nublado lo cual podra dificultar o retardar las pruebas al

sistema.

En el caso de que se decida disear un Inversor, ser de baja capacidad, acorde al tipo y nmero de cargas que manejar en este caso.

Por tratarse de un primer prototipo, se construir un solo poste o farola de luz que ser sometido a un perodo de prueba para determinar si es un proyecto factible.

CAPTULO 2 - OBJETIVOS

A continuacin se exponen los objetivos generales y especficos que se persiguen cumplir con

el desarrollo de este proyecto.

2.1 Objetivo General

Diseo e implementacin de un sistema de iluminacin autnomo para reas pblicas en

comunidades rurales o remotas.

2.2 Objetivos Especficos

1. Estudio comparativo de los tipos de lmparas existentes en el mercado y escoger la

adecuada para la aplicacin.

2. Evaluacin del mdulo fotovoltaico existente en la empresa y establecer si es

recuperable.

3. Diseo e implementacin de un circuito regulador de carga de bateras y un conversor

DC/AC.

4. Implementacin de la lmpara seleccionada a nivel de un prototipo industrial,

incluyendo los respectivos circuitos impresos, con capacidad de operar al aire libre

(encapsulados, caja, etc.)

CAPTULO 3 MARCO TERICO

3.1 Iluminacin.

Durante el da, la luz del sol permite percibir y distinguir el entorno, pero de noche esta

capacidad de percepcin disminuye de manera muy significativa. El ojo tiene la capacidad de

adaptarse a ciertos niveles de luz, por medio de la dilatacin y contraccin de la pupila, sin

embargo, para que el ojo sea capaz de apreciar algn objeto debe haber una pequea cantidad

de luz. Por esto el hombre ha tenido que recurrir a fuentes de luz artificial que iluminen sus

noches y hagan posible el desempeo de actividades que sin luz no seran posibles.

Hoy en da el tema de iluminacin exterior no slo tiene que ver con el hecho de poder realizar

actividades nocturnas, sino con el hecho de brindar seguridad al transente, en el sentido que

ste sea capaz de percibir obstculos en su camino y percibir a otros seres que se encuentren a

su alrededor.

La instalacin de un sistema de iluminacin tiene que ver con muchos factores que garanticen

el confort visual del observador, por ello a continuacin se definirn conceptos importantes y

aspectos que se deben tomar en cuenta al instalar un sistema de iluminacin.

3.1.1 Luz

La luz es un conjunto de radiaciones electromagnticas al cual el ojo humano es sensible. La

sensibilidad del ojo humano vara para cada individuo, pero tpicamente un individuo puede

observar la radiacin de longitud de onda entre 380nm (Luz Violeta) y 780nm (Luz Roja), esto

corresponde a una pequea porcin del espectro electromagntico que se encuentra entre las

radiaciones ultravioletas y las infrarrojas denominada Luz Visible. (Ver Figura 3.1).

La luz es emitida cuando los electrones exteriores (o de valencia) de los tomos realizan

transiciones.

8

Cuando un tomo es excitado, ya sea por calentamiento, por el paso de una corriente elctrica

u otro tipo de excitacin, los electrones pueden ser elevados desde su estado base (o de

mnima energa) a un estado excitado (de ms energa). Transcurrido un pequeo perodo de

tiempo el electrn tiende por naturaleza a regresar a su estado base, a esto se le llama

transicin y en sta la porcin de energa excedente que tena el electrn excitado es emitida,

esta emisin puede estar en la regin visible (luz) si el electrn que fue excitado era un

electrn de valencia. [5]

Figura 3. 1 Espectro electromagntico [4].

Los fenmenos que causan que un cuerpo emita radiaciones son bsicamente dos, la

Incandescencia y la Luminiscencia. Se llama Incandescencia a la capacidad que tienen

algunos cuerpos de emitir luz al ser calentados. Ejemplos de luz incandescente son: el Sol, la

llama de fuego, la lmpara incandescente, etc. Por el contrario, la Luminiscencia es la

capacidad de emisin de luz sin intervencin de la temperatura. En este caso, la emisin es el

resultado de la excitacin de los tomos del cuerpo radiante a travs de fenmenos como una

descarga elctrica o una radiacin ultravioleta, entre otros. Ejemplos de Luminiscencia son los

relmpagos y las lmparas de vapores metlicos.

9

3.1.2 Propiedades Cromticas de la luz.

Para medir las caractersticas cromticas de una determinada fuente lumnica se estudian dos

propiedades:

Temperatura de Color (Tc).

Es una medida para indicar el color de una fuente de luz por comparacin de la misma con el

color de la luz emitida por un cuerpo negro, es decir indica la temperatura en grados Kelvin

(K), a la cual el cuerpo negro emite luz de color similar al de la fuente de luz que se est

estudiando.

Existe una convencin que establece una equivalencia entre la Temperatura de Color y la

Apariencia de Color (Ver Tabla 3.1), esta ltima se refiere a la sensacin que produce el color

de la luz en la persona que la est percibiendo, tradicionalmente los colores se clasifican de

forma general en colores clidos y fros. Los colores clidos son los amarillos, naranjas, rojos

y verdes claros. Los colores fros son los colores violetas, azules y verdes oscuros. [4]

Tabla 3. 1 Apariencia de color vs Temperatura de color [6]

Apariencia de Color Temperatura de Color [K]

Clido < 3300

Intermedio 3300 5300

Fro > 5300

ndice de Rendimiento Cromtico (IRC).

"Es la medida de correspondencia entre el color real de un objeto y la veracidad del mismo

bajo determinada fuente lumnica"[7].

Para medir este valor lo que se hace es tomar como color real del objeto el que produce el

mismo al ser iluminado por una fuente de luz de referencia, y luego ste es relacionado con el

10

color del objeto al ser iluminado por la fuente de luz en estudio. El ndice de rendimiento

cromtico es expresado por un nmero que puede estar entre 0 y 100, siendo 100 el valor para

el cual el color del objeto iluminado, por la fuente en estudio, es igual o muy similar a su color

real. En la Tabla 3.2 se muestran los valores de IRC para las fuentes de luz ms comunes.

Tabla 3. 2 ndice de rendimiento cromtico de acuerdo a la fuente de luz. [6,7]

Fuente de Luz ndice de Rendimiento Cromtico

Cielo azul 85 - 100

Cielo Nublado 85 - 100

Luz solar da 85 - 100

Lmpara Incandescente 100 (Referencia)

Lmpara Luz Mixta 60

Lmpara de Vapor de

Mercurio 45 - 60

Lmpara Metal Halide 60 - 97

Lmpara Sodio Alta Presin 21 - 25

Lmpara Sodio Baja Presin Nulo (Monocromtico)

Lmpara Fluorescente 65 - 97

11

3.1.3 Magnitudes y Unidades Luminosas.

No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo, ni toda la energa consumida por un

bombillo es transformada en luz, por esta razn, se hace necesario definir ciertas magnitudes

que nos permitan evaluar la eficiencia y las caractersticas de las distintas fuentes luminosas.

Las magnitudes ms utilizadas en Luminotecnia son: el Flujo Luminoso, Intensidad Luminosa,

Iluminancia y Luminancia.

3.1.3.1 Flujo Luminoso.

El flujo luminoso, representado con la letra griega , se refiere a la potencia lumnica emitida por la fuente de luz. En otras palabras, es la medida de la porcin de energa que emite la

fuente por unidad de tiempo, a la cual el ojo humano es sensible.

A pesar de que hablamos de potencia emitida, el flujo luminoso no utiliza el Vatio como

unidad, porque la potencia emitida medida en Vatios toma en cuenta la energa emitida en

todas sus formas. Por esto se crea una unidad que tome como referencia slo la energa

lumnica emitida por unidad de tiempo, el Lumen [lm].

"Empricamente se demuestra que a una radiacin de 555nm de 1W de potencia emitida por

un cuerpo negro le corresponden 683 lm."[4]

3.1.3.2 Intensidad Luminosa

Es el Flujo luminoso () emitido en una direccin por unidad de ngulo slido (), este ltimo expresado en estereorradin (Ver Figura 3.2). Su

unidad es la candela (cd) y se representa con la letra

I.

Figura 3. 2 Intensidad Luminosa

12

3.1.3.3 Iluminancia o Nivel de Iluminacin

Es la relacin entre el flujo luminoso que recibe una determinada superficie y el rea de la

misma. Se simboliza con la letra E y su unidad es el Lux [lx= lm/m2].

Existen estndares o normas que establecen la magnitud de iluminancia que un sistema de

iluminacin debe proveer segn la actividad que se realice en el sitio que se desea iluminar.

En el presente trabajo nos regiremos por la Norma Venezolana COVENIN 3290:1997 para

alumbrado pblico.

3.1.3.4 Luminancia

La Luminancia tiene que ver con lo que percibe el ojo. Se define como la relacin entre la

intensidad luminosa de una fuente de luz en una direccin y la superficie vista por el

observador en esa direccin (Ver Figura 3.3). Se simboliza con la letra L y su unidad es cd/m2.

Figura 3. 3 Luminancia de una Superficie [6]

3.1.4 Lmpara

Una lmpara es un elemento capaz de transformar energa elctrica en radiacin

electromagntica visible (luz) [8]. Esta transformacin se puede lograr utilizando alguno de

los dos fenmenos mencionados anteriormente, Incandescencia o Luminiscencia.

13

3.1.4.1 Criterios que definen el rendimiento de una lmpara

Existen ciertos criterios que debemos tomar en cuenta al momento de seleccionar una lmpara

para una aplicacin en particular, estos son:

Color y Calidad de Reproduccin Cromtica.

El color se refiere a la temperatura de color de la lmpara y la calidad de reproduccin

cromtica se refiere al ndice de rendimiento cromtico de la misma, ambos definidos

anteriormente. (Ver tablas 3.1 y 3.2)

Vida media.

La vida media se refiere al tiempo, en horas, que tardan en fallar el 50% de una muestra de

lmparas, de un mismo tipo y modelo, sometida a pruebas.

Vida til de la lmpara.

La vida til de una lmpara se refiere a la cantidad de horas, luego de las cuales el flujo

luminoso emitido por la lmpara ha disminuido a un punto en la que la lmpara ya no resulta

til, a pesar de que siga emitiendo luz.

Eficiencia.

La eficiencia es la cantidad de lmenes, o potencia lumnica, que la lmpara emite por cada

Vatio de potencia que se le suministra, por consiguiente se mide en lm/W. Mientras ms sean

los lmenes por vatio producidos ms eficiente ser la lmpara. En otras palabras, la lmpara

que emita ms luz al suministrarle 1W de potencia ser la ms eficiente y la ms ahorradora de

energa.

14

Tiempo de encendido.

Algunos tipos de lmparas como las incandescentes, emiten el 100% de su capacidad desde el

momento en el que son encendidas. Sin embargo, otros tipos de lmparas como las

fluorescentes y las de descarga requieren un tiempo para alcanzar su mximo nivel de flujo

luminoso, por esto, se hace necesario definir el concepto de tiempo de encendido, que es el

tiempo en el que una lmpara logra alcanzar el 80% de su mxima capacidad de produccin de

luz. Este parmetro se debe tomar en cuenta al momento de elegir una lmpara para

aplicaciones en las que el tiempo de encendido es un parmetro crtico.

Posibilidad de reencendido inmediato.

Se entiende por reencendido la capacidad de encender una lmpara inmediatamente despus

de que ha sido apagada, emitiendo su mximo flujo luminoso. Las nicas lmparas que

cumplen con esta condicin son las incandescentes, el resto requieren un tiempo de

reencendido.

3.1.4.2 Principales Tipos de Lmparas

En el mercado actual podemos encontrar varios tipos de tecnologas de lmparas, las cuales de

acuerdo a sus caractersticas pueden resultar ms tiles para una aplicacin que para otra. A

continuacin se describen las ms utilizadas.

Lmparas Incandescentes.

El principio de esta lmpara consiste en hacer pasar una corriente

elctrica por un filamento, generalmente de tungsteno, provocando

que ste alcance altas temperaturas y a su vez emita radiaciones

visibles. Este filamento se coloca dentro de una ampolla de vidrio

sellada al vaco o llena de gas inerte para evitar que el filamento

entre en combustin y se queme. (Ver Figura 3.4)

Figura 3. 4 Lmpara

Incandescente Convencional [6]

15

La eficiencia de este tipo de lmpara es muy baja, sin embargo sigue siendo una de las ms

utilizadas en aplicaciones domsticas porque aparte de que ofrece una muy buena calidad de

color y no necesita equipos auxiliares para lograr su encendido, es econmica y de tamao

reducido.

Lmparas Halgenas.

Utilizan el principio de operacin de la lmpara incandescente convencional, pero se

diferencian de sta por poseer un compuesto halgeno (yodo o bromo) en el gas contenido en

la ampolla. Este gas tiene como finalidad controlar la evaporacin del tungsteno y de esta

manera evitar que el mismo se condense en la ampolla y la oscurezca.

Estas lmparas operan a altas temperaturas para que el haluro de tungsteno, formado por la

combinacin del tungsteno evaporado con el compuesto halgeno, no se condense. Una vez

que el haluro de tungsteno se acerca al filamento y experimente la alta temperatura de ste, se

descompone dando como resultado los dos componentes iniciales, tungsteno, el cual es

depositado en el filamento, y halgeno en estado gaseoso que se pone en espera para

comenzar de nuevo el ciclo. Para soportar estas altas temperaturas la ampolla de estas

lmparas es fabricada en cuarzo.

Las ventajas que presenta esta lmpara con respecto a la lmpara incandescente convencional

son: mayor tiempo de vida, mayor eficiencia, menor tamao, mayor temperatura de color y

poca depreciacin luminosa en el tiempo [6].

Lmparas Fluorescentes Tubulares.

Su principio de funcionamiento es la descarga elctrica en vapor de mercurio a baja presin, la

cual produce una radiacin predominantemente ultravioleta, sta radiacin excita una

capa de material luminiscente (polvo fluorescente o fsforo) que se encuentra en el

interior del tubo o ampolla, provocando as que ste irradie luz visible. (Ver Figura 3.5)

16

Figura 3. 5 Lmpara Fluorescente Tubular [6]

El tipo y composicin del material fluorescente que cubre el interior del tubo es lo que define

las caractersticas de la lmpara, ya que determina la temperatura de color, la calidad de

reproduccin cromtica y la eficiencia.[6]

Las lmparas fluorescentes vienen en dos versiones: ctodo caliente y ctodo fro, las primera

son los tubos convencionales llamados de ctodo caliente porque requieren un

precalentamiento de los electrodos para garantizar el proceso de descarga, el segundo tipo de

lmparas son utilizados generalmente para iluminacin de anuncios publicitarios.[8]

Las lmparas fluorescentes necesitan un equipo auxiliar que consta de un balasto, un ignitor, y

un condensador para mejorar el factor de potencia.

Lmparas Fluorescentes Compactas.

Es una lmpara fluorescente del tamao de una incandescente, incluso algunas vienen con el

equipo auxiliar integrado para facilitar la sustitucin de una lmpara incandescente por

sta. (Ver Figura 3.6)

Tienen muy buena reproduccin de color, consumen poca energa y tienen buena vida til. [7]

17

En la Figura 3.6 se observa una

comparacin en cuanto a eficiencia entre

una lmpara incandescente de 60W que

produce 700 lmenes y un compacto

fluorescente que con 11W produce 600

lmenes.

Lmparas de Mercurio a alta presin.

Al igual que la de mercurio a baja presin

(fluorescente), sta es una lmpara de

descarga, la cual se realiza en un tubo hecho

de cuarzo para soportar la alta presin y la

alta temperatura de trabajo. A su vez, este tubo de descarga es introducido dentro de una

ampolla de vidrio llena de un gas inerte a presin atmosfrica, para proteger al tubo de

cambios de temperatura y para disminuir la oxidacin de los componentes.[6, 8] (Ver Figura

3.7).

Figura 3. 7 Lmpara de Mercurio a Alta Presin. [6]

Figura 3. 6 Lmpara Fluorescente compacta vs. Lmpara

Incandescente Convencional.

18

La radiacin caracterstica de la alta presin es de dos tipos: visible de color azul verdosa y

ultravioleta. Para mejorar el color ofrecido por esta lmpara y aumentar la iluminacin que

sta ofrece, se aplica a la ampolla exterior un revestimiento de material fluorescente que

transforme la luz ultravioleta en luz visible.

Para lograr el encendido se utiliza un electrodo de arranque que ioniza el gas interior para

facilitar la descarga. Como todas las lmparas de descarga a alta presin, la lmpara de

mercurio no alcanza su pleno rendimiento inmediatamente, por el contrario, tiene un tiempo

de encendido de aproximadamente 4 minutos, y requiere de un equipo auxiliar (balasto) para

regular la corriente, y un condensador para mejorar su factor de potencia.

Metal Halide.

Son lmparas de vapor de mercurio a alta presin que adems contienen diferentes metales en

polvo en forma de haluros, que se disgregan una vez que la lmpara se calienta y evapora el

metal [8]. El agregar haluros metlicos a una lmpara de vapor de mercurio a alta presin

representa una mejora en cuanto a reproduccin cromtica y eficiencia lumnica.

Requiere de equipo auxiliar para operar, tales como ignitor o arrancador, balasto y

condensador.

Luz Mixta.

Es la combinacin de la lmpara de vapor de mercurio a alta presin y la lmpara

incandescente (Ver Figura 3.8), como resultado de tratar de corregir el aspecto azul verdoso de

la luz de la lmpara de mercurio.

El filamento incandescente acta como regulador de corriente por lo que esta lmpara no

requiere de balasto. Se puede conectar directamente a la red, pues tampoco necesita ignitor.

Tiene un tiempo de encendido de algunos minutos y para ser reencendida necesita enfriarse.

19

Figura 3. 8 Lmpara de Luz Mixta. [6]

Sodio de Baja Presin.

Son lmparas de descarga cuyo principio de funcionamiento es similar a las lmparas de vapor

de mercurio a baja presin. La descarga se produce en un tubo en forma de U, para aprovechar

espacio, hecho de un vidrio especial cubierto interiormente de una capa resistente al sodio. En

su interior contiene sodio metlico de alta pureza y otros gases que ayudan el proceso de

arranque. El tubo de descarga est en el interior de una ampolla, entre el tubo y la ampolla hay

vaco lo cual asegura la estabilidad trmica del tubo (Ver Figura 3.9).

La radiacin de esta lmpara es una luz amarilla monocromtica, por lo que la capacidad de

reproduccin de color de esta lmpara es muy baja, sin embargo es la lmpara ms eficiente

que existe pudiendo alcanzar 200 lm/W, y adems posee una larga vida.

Requieren de un balasto, un ignitor y un condenador como equipo auxiliar.

20

Figura 3. 9 Lmpara de Vapor de Sodio a Baja Presin.

Sodio Alta presin.

Por las propiedades reactivas del sodio, el

tubo de descarga es fabricado de un

aluminio sintetizado muy resistente, y se

encuentra al vaco en el interior de una

ampolla de vidrio, lo cual evita la

oxidacin. La ampolla de vidrio puede ser

de forma ovoidal o tubular, la primera tiene

la particularidad de tener un revestimiento

interno de polvo blanco con la finalidad de

disminuir el alto brillo del tubo de descarga

(Ver Figura 3.10).

La radiacin del vapor de sodio a alta

presin abarca una buena porcin del espectro visible, lo que implica que la reproduccin

cromtica sea mejor que en el caso de baja presin. Su aspecto es de color amarillo dorada, y

tienen una muy buena eficiencia.

Figura 3. 10 Lmpara de Sodio a Alta Presin

21

Requieren de un balasto, un ignitor y un condensador como equipo auxiliar. Tienen un tiempo

de encendido de 5 minutos aproximadamente y el proceso de reencendido tarda entre 4 a 15

minutos porque necesitan enfriarse para volver a encender.

LED (Light Emitting Diode).

Como se puede observar en la Figura 3.11, el LED es un dispositivo basado en un chip

semiconductor capaz de emitir luz al aplicarle una corriente elctrica en el sentido conductor

[9].

Figura 3. 11 Esquema Bsico de un Led. [9]

En la Figura 3.12 se muestra la estructura del chip de un LED, el cual est formado por varias

capas de material semiconductor de las cuales la llamada capa activa es la capaz emitir luz una

vez que el diodo es polarizado, esta luz es casi monocromtica a diferencia de la luz emitida

por otros tipos de lmparas. [10]

Figura 3. 12 Estructura del Chip de un LED[11]

22

El color del LED lo define el material con el que ste fue fabricado, y hoy en da los

encontramos en toda la gama de colores desde azul al rojo, incluso el blanco que es generado

utilizando una capa adicional de fsforos.

El mejor nivel de iluminacin de un LED se obtiene al aplicar sobre l una fuente de tensin

continua, tpicamente esta tensin vara entre 2V a 4V, dependiendo del color de luz que emite

el LED. La corriente tpica es de 10mA a 70mA.

El pequeo tamao de esta tecnologa es una ventaja con respecto a las otras.

La eficiencia de los LEDs se ha incrementado en los ltimos aos a 30 lm/W, e inclusive ya

se habla de 50 lm/W [10]. Adems se espera que siga incrementando hasta superar la

eficiencia de las lmparas convencionales.

Por otro lado, el rendimiento de un LED se ve afectado por la temperatura, siendo menor a

medida que sta aumenta. La mxima temperatura a la que puede trabajar es 100C.

Para utilizar el LED en iluminacin se han creado mdulos que consisten en arreglos de

LEDs en serie y paralelo, definiendo dos tensiones de trabajo para mdulos de distintos

tamaos, estas son 12VDC y 24VDC. [10]

El Led es la tecnologa ms nueva en iluminacin de todas las que hemos descrito y presenta

las siguientes ventajas con respecto a las anteriores:

- Pequeo tamao.

- Bajo consumo

- Luz puntual

- Larga vida til

- Bajo calor

- No emite radiacin IR (Infrarroja) ni UV (Ultravioleta)

- Baja mortalidad temprana

23

- Resistente a golpes y vibraciones.

3.1.5 Luminarias

La luminaria es el equipo que acompaa a la lmpara con la finalidad de protegerla, brindarle

soporte, fijarla, y adems asegurar que la luz producida por sta sea aprovechada lo mximo

posible. Se define luminaria como:

aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias

lmparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijacin y la

proteccin de lmparas, (excluyendo las propias lmparas) y, en caso necesario, los circuitos

auxiliares en combinacin con los medios de conexin con la red de alimentacin[6]

Los elementos caractersticos que conforman una luminaria son:

Armadura o Carcasa.

Es el encapsulado en el que se aloja la lmpara con todos sus elementos y equipos auxiliares.

Existen muchos tipos de acuerdo a la aplicacin: de interiores o exteriores, empotradas o de

superficie, de pared, para brazo o poste, etc.

Equipo Elctrico.

Se refiere a los equipos auxiliares que son requeridos por la lmpara para adaptarse

adecuadamente a la red de alimentacin. El equipo elctrico depende del tipo de lmpara:

- Incandescentes convencionales: No requieren de equipo auxiliar.

- Halgenas de bajo voltaje: requieren transformador o fuente electrnica.

- Fluorescentes y de descarga en general: requieren balasto, condensador e

ignitor.

24

Reflectores.

Son superficies que se colocan en el interior de la luminaria que tienen como funcin modelar

la forma y direccin del flujo emitido por la lmpara.

Difusores.

Es el elemento de cierre o tapa de la luminaria en la direccin de radiacin. Tiene como

objetivo permitir la difusin de la luz emitida por la lmpara al exterior, mientras la protege

del mismo.

Filtros.

Tienen como funcin incrementar o atenuar algunas caractersticas de la radiacin con la

finalidad de asegurar el confort visual del observador.

3.1.5.1 Clasificacin de las Luminarias.

Entre los criterios utilizados para clasificar las luminarias los ms comunes son: segn sus

caractersticas pticas, elctricas y mecnicas.

Segn las Caractersticas Elctricas.

Esta clasificacin se refiere al grado de proteccin elctrica que brinda la luminaria a los

usuarios. De acuerdo al grado de aislamiento elctrico las luminarias se clasifican en cuatro

clases, tal y como se muestra en la Tabla 3.3

25

Tabla 3. 3 Clases de Luminarias segn su Proteccin Elctrica.

Clase Smbolo Proteccin Elctrica

0

Aislamiento Bsico. Sin conexin a Tierra.

I

Aislamiento Bsico. Con conexin a Tierra.

II

Con aislamiento doble y/o reforzado. Sin conexin a Tierra.

III

Aislamiento de tensin de seguridad extra baja (50V).

Segn las Caractersticas Mecnicas.

Las Caractersticas mecnicas de la luminaria definen su grado de proteccin contra golpes,

polvo y lquidos. Para introducir cada luminaria dentro de esta clasificacin se le asigna como

parmetro las letras IP seguidas de tres dgitos. El primer dgito representa la proteccin contra

entrada de polvo y slidos, puede estar entre 0 y 6, donde 0 representa proteccin nula y 6

mxima proteccin. El segundo dgito se refiere a la proteccin contra entrada de lquido y

puede estar entre 0 y 8. Por ltimo, el tercer dgito es el grado de resistencia a golpes y puede

tener los valores: 0, 1, 3, 5 y 7. (Ver Figura 3.13)

Figura 3. 13 Caractersticas Mecnicas de las Luminarias.[4]

26

Segn sus Caractersticas pticas.

Para luminarias de alumbrado pblico la clasificacin segn las caractersticas fotomtricas

basadas en tres parmetros:

- El Alcance.

Es la extensin de calzada que la

luminaria es capaz de iluminar en

direccin longitudinal. Esta

representada por el ngulo max el cual

es el ngulo entre 0 y el valor medio de

los dos ngulos correspondientes al

90% de Imax. (Ver Figura 3.14).

El alcance de una luminaria puede ser corto, intermedio o largo de acuerdo a la clasificacin

mostrada en la Tabla 3.4

Tabla 3. 4 Tipos de Alcance [6]

Tipo Rango de max

Corto max < 60

Intermedio 60max 70

Largo 70 > max

- La Apertura o Dispersin.

Es la extensin de calzada que la luminaria es capaz de iluminar en direccin transversal a

sta. Est determinada por el ngulo 90 el cual es el ngulo acotado por la recta tangente al

diagrama isocandela del 90% de Imax proyectada en la calzada (Ver Figura 3.15)

Figura 3. 14 Alcance Longitudinal. [4]

27

La apertura puede ser estrecha, media o ancha de acuerdo a los valores mostrados en la Tabla

3.5.

Figura 3. 15 Apertura Transversal.

- El Control.

Es un parmetro referente al grado de

deslumbramiento que produce la luminaria. Est

definido por el ndice especfico de la luminaria

SLI. En la Tabla 3.6 se muestran los tipos de

control que puede tener una luminaria.

3.2 Energa Solar

Como ya hemos mencionado la energa solar es la proveniente de las radiaciones solares. Se

caracteriza por ser inagotable y no contaminante, sin embargo es intermitente, la tenemos

durante el da pero no durante la noche. Tambin mencionamos que el hombre utiliza dos

formas para transformarla y as aprovecharla, stas son por conversin fototrmica, que

convierte la energa radiante en calor, y por conversin fotovoltaica que convierte la energa

radiante directamente en electricidad.

Los sistemas fototrmicos se basan en dispositivos llamados colectores dentro de los cuales

circula un lquido que es calentado por efecto de la energa solar absorbida por el colector.

Tabla 3. 5 Tipos de Apertura [6]

Tipo Rango de 90

Estrecha 90 < 45

Media 45 90 55

Ancha 90 > 55

Tabla 3. 6 Tipos de Control.

Tipo Rango de SLI

Limitado SLI < 2

Moderado 2 SLI 4

Estricto SLI> 4

28

ste lquido es el portador del calor y es almacenado para luego ser utilizado. Por otro lado,

los sistemas fotovoltaicos se basan en el efecto fotoelctrico.

3.2.1 Efecto Fotoelctrico y Efecto Fotovoltaico.

En 1839, el cientfico francs Edmund Becquerel observ que ciertos materiales al ser

expuestos a la luz, producan corriente elctrica. En 1905, Albert Einstein publica un trabajo

en el cual explica la teora de este fenmeno, denominado Efecto Fotoelctrico, trabajo por el

cual ms tarde gana el premio Nobel de Fsica en 1921.[12, 13]

El efecto fotoelctrico consiste en la liberacin de partculas elctricamente cargadas, por

parte de ciertos materiales cuando son expuestos a la luz. Los electrones del material expuesto

absorben la energa de las partculas de luz (fotones) y si esta energa es suficiente el electrn

es liberado a la superficie del material. La cantidad de energa depende de la longitud de onda

de la luz incidente y no de la intensidad de la misma. [1]

El trmino Efecto Fotovoltaico se la da al fenmeno fotoelctrico producido especficamente

en materiales semiconductores y en el caso de que ocurra en una juntura de dos

semiconductores diferentes se provoca un potencial elctrico en dicha unin. [1]

3.2.2 Celdas Solares.

Una Celda Solar, tambin conocida como Celda Fotovoltaica, es un dispositivo semiconductor

dopado (tipo N-P), que convierte la luz que incide sobre l, directamente en electricidad,

debido al efecto fotovoltaico.

En la Figura 3.16 se muestra un corte transversal de una celda solar, el material semiconductor

de que est hecho la celda, generalmente silicio, es dopado positivamente con boro por un lado

(tipo P) y por el otro lado negativamente con fsforo (tipo N), similar a un diodo de unin. El

lado negativo es el expuesto a la luz y la corriente generada es recogida por unos contactos

metlicos delanteros y posteriores que cierran el circuito, permitiendo as que sta fluya. Los

29

contactos frontales o delanteros son diseados de tal forma que cubran la menor cantidad de

superficie semiconductora posible para disminuir lo menos posible la eficiencia de la celda.

Una celda solar est formada por varias capas, la de contacto posterior, la de silicio dopado

positivamente, la de silicio dopado negativamente, y por ltimo con los contactos delanteros

se encuentra una capa antirreflejo, sta ltima es la que le da a la celda su color azul

caracterstico.

Figura 3. 16 Corte Transversal de una Celda Solar [14]

La corriente generada por una celda solar va en una sola direccin del lado p al n, es decir

corriente continua o DC y su intensidad es proporcional a la frecuencia (color) de la luz

incidente [13]. El voltaje que produce una celda no depende de su tamao y se mantiene

prcticamente constante con las variaciones de la intensidad de luz. Por el contrario, la

corriente producida por una celda es directamente proporcional a la intensidad de luz que

incide sobre sta.

El porcentaje de luz solar incidente sobre la celda transformada en corriente elctrica, es lo

que se llama eficiencia de una celda [15]. ste parmetro es utilizado para comparar los tipos

de celdas entre s.

La celda fotovoltaica no posee partes mviles ni produce reacciones qumicas, lo que hace que

sta posea una larga vida til de hasta ms de 30 aos.[16]

30

3.2.2.1 Tipos de Celdas Solares

El material ms utilizado para fabricar celdas solares es el silicio. De acuerdo a las tcnicas de

fabricacin empleadas las celdas de silicio se pueden dividir en tres grupos:

Celdas de Silicio Monocristalino.

La fabricacin de ste tipo de celdas consiste en fabricar barras cilndricas de silicio

monocristalino (un solo cristal de silicio), en hornos especiales a aproximadamente 1400C y

luego cortarlas obteniendo obleas delgadas (celdas) de entre 0,4 y 0,5mm de espesor.[17]

Son las que presentan mxima eficiencia, superior a un 12% hasta un 17% [18, 19], pero

tambin son las ms costosas debido a que su proceso de fabricacin es el ms complejo.

Celdas de Silicio Policristalino

El proceso de fabricacin consiste en fundir trozos de silicio puro en moldes especiales. Luego

se deja enfriar hasta que el producto est totalmente solidificado. En este proceso los tomos

no se organizan en un nico cristal sino que por el contrario se obtiene un material

policristalino. Una vez solidificado se procede a cortar las obleas de dicho material obteniendo

las celdas.[17, 20]

Este proceso de fabricacin es menos complejo que el de las celdas monocristalinas, esto se

traduce a menos costo por celda pero tambin a menor eficiencia, hasta un 15% de eficiencia

[18]. En la Figura 3.17 se pueden observar celdas de silicio monocristalino y policristalino.

Una celda de silicio monocristalino de 12,5cm x 12,5cm (156cm2) tiene la capacidad de

generar aproximadamente 0,51V de tensin y 4,8A de corriente continua en condiciones de

irradiancia solar de 1000W/m2, mientras que una celda de silicio policristalino de 11,5cm x

15,5cm (178cm2), bajo estas mismas condiciones, es capaz de generar aproximadamente

0.47V y 4,75A

31

Figura 3. 17 Celdas de silicio monocristalino vs. celdas de silicio policristalino

Celdas de Silicio Amorfo o pelcula fina.

La fabricacin de ste ltimo tipo de celda consiste en depositar una pelcula muy delgada de

silicio sobre superficies de vidrio o metal. Esta es la menos eficiente, entre 5 y 10% [18], pero

el proceso de fabricacin es el ms barato. [17]

Las celdas de pelcula fina tambin son fabricadas con otros materiales, tales como seleniuro

de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, entre otros.[20]

3.2.2.2 Circuito Equivalente de una Celda Solar

Una celda solar puede representarse mediante un circuito equivalente como el mostrado en la

Figura 3.18, en la cual el comportamiento de una celda queda expresado como una fuente de

corriente en paralelo con un diodo y dos resistencias que representan las prdidas intrnsecas y

al comportamiento del material del que est hecha la celda. La resistencia en serie rs,

representa la resistencia del material, las interconexiones y la resistencia entre los contactos

metlicos y el semiconductor. Por su lado, la resistencia en paralelo (rp), representa la no

idealidad de la unin PN y a las impurezas existentes cerca de la juntura. [21]

32

Figura 3. 18 Circuito equivalente de una Celda Solar

3.2.2.3 Curva Caracterstica

La representacin estndar que se utiliza para caracterizar un dispositivo fotovoltaico es su

curva corriente vs. tensin. En general la caracterstica corriente vs. tensin de toda celda

fotovoltaica tiene la forma mostrada en la Figura 3.19.

Figura 3. 19 Curva corriente vs. tensin de una celda solar. Esta curva es para condiciones de radiacin, temperatura de celda y distribucin espectral de

luz definidas, el estndar establecido para que los fabricantes hagan las especificaciones es:

33

1Sun de radiacin (que equivale a 1000W/m2), 25C de temperatura de celda y 1,5 AM de

distribucin espectral.

En general vemos que la celda se comporta como una fuente de corriente constante, ya que

sta es prcticamente invariable dentro del rango de tensin de operacin.

Los parmetros que sobresalen en la curva de operacin de una celda solar son:

Corriente de cortocircuito (Icc): Es la corriente de salida cuando la tensin de salida es nula, bajo condiciones de radiacin, temperatura y distribucin espectral especficas, esta

equivale a la mxima corriente que puede entregar la celda.

Tensin de circuito abierto (Vca): Es la tensin de salida cuando la corriente de salida es cero, bajo condiciones de radiacin, temperatura y distribucin espectral especficas, y

corresponde a la mxima tensin que puede entregar la celda.

Potencia Pico (Pmp): Es la mxima potencia que la celda es capaz de entregar, en la Figura 3.19 corresponde al punto en el que el producto V x I es mximo y se toma como

potencia nominal de la celda.

Corriente a mxima potencia (Imp): Es la corriente de salida en el punto de mxima potencia, bajo condiciones de radiacin, temperatura y distribucin espectral especficas,

esta se toma como corriente nominal de la celda.

Tensin a mxima potencia (Vmp): Es la tensin de salida en el punto de mxima potencia, bajo condiciones de radiacin, temperatura y distribucin espectral especficas,

la cual se toma como tensin nominal de la celda.

34

3.2.2.4 Influencia de la Radiacin en la Eficiencia

de una Celda Solar

Una vez que se ha entendido el comportamiento de

una celda solar para condiciones de radiacin constante

se procede a variar esta condicin para ver cmo vara

su respuesta corriente vs. tensin.

En la Figura 3.20 se muestra la curva corriente vs.

tensin de una celda para tres condiciones de radiacin

diferentes. Podemos observar que la corriente de la

celda es directamente proporcional a la radiacin, a

medida que la radiacin disminuye, la corriente

tambin lo hace. Por su lado, la tensin permanece

prcticamente constante para variaciones de la radiacin.

3.2.2.5 Influencia de la Temperatura en la

Eficiencia de una Celda Solar

Otro factor que influye sobre el comportamiento de la

celda es la temperatura. En la Figura 3.21 se visualiza

la curva corriente vs. tensin de una celda para

diferentes temperaturas, en ella se puede observar que

el incremento de temperatura, a pesar de provocar un

ligero aumento en la corriente, provoca una

considerable reduccin en el voltaje, lo que da como

resultado final una considerable reduccin en la

potencia entregada por la celda. Por esta razn se

recomienda tener las celdas en lugares aireados.

Figura 3. 20 Variacin de la corriente y

tensin con la radiacin.

Figura 3. 21 Variacin de la corriente y

tensin con la temperatura.

35

3.2.3 Paneles o Mdulos Solares.

Dado que una sola celda fotovoltaica no genera la energa suficiente para alimentar a los

equipos elctricos existentes en el mercado, stas son agrupadas en arreglos serie y/o paralelo

llamados mdulos fotovoltaicos, tambin conocidos como paneles solares.

Generalmente, las celdas son agrupadas de tal manera que el mdulo sea capaz de alimentar

equipos que cumplan con el estndar de 12V. Por ejemplo, suelen encontrarse en el mercado

mdulos solares de 36 celdas solares en serie, que dan como resultado un voltaje pico de

salida de 18V, los cuales son utilizados para cargar acumuladores (o bateras) de 12V, siendo

diseados para generar 6V ms (18V) tomando en cuenta las prdidas en el cableado y

equipos de control.

El comportamiento de un panel solar es equivalente al descrito para una celda solar, y al igual

que para sta, para caracterizar un mdulo fotovoltaico se emplea la curva corriente vs. tensin

que define sus parmetros ms importantes, tal y como son: corriente de cortocircuito (Icc),

tensin de circuito abierto (Vca), potencia pico (Pmp), corriente a mxima potencia (Imp), y

tensin a mxima potencia (Vmp). Las potencias nominales (o mximas) de los paneles que se

encuentran en el mercado varan entre 25W y 300W. [18]

Dado que los paneles solares son fabricados para proveer electricidad a sistemas en la

intemperie, es necesario fabricarlos de tal manera que sean resistentes a los agentes climticos.

Para fabricar un panel se procede a conectar las celdas en serie y/o paralelo y se encapsulan en

un plstico elstico (Etilvinilacelato) que tiene funcin de aislante elctrico, por la cara

superior se cubre con un vidrio templado, a veces ste es remplazado por plstico transparente,

y por el lado posterior con una capa de polister. Luego este conjunto de capas es enmarcado,

con un marco de aluminio que le proporciona rigidez. [17]

36

3.2.3.1 Orientacin de un Panel Solar.

La luz solar llega a la Tierra en lnea recta, sin embargo una vez que entra en la capa

atmosfrica slo una parte de esta luz sigue su trayectoria inicial, la otra parte es dispersada

por los gases. De esta forma la luz solar que llega a la superficie puede presentarse en dos

formas: luz solar difusa y luz solar directa.

Un panel solar es capaz de generar corriente elctrica incluso en un da nublado en el que solo

percibe luz solar difusa, sin embargo, la condicin para una ptima produccin de corriente

elctrica es el captar la mayor cantidad de luz solar directa posible. Por esto al instalar paneles

o grupos de paneles solares se busca orientarlos lo mejor posible hacia el sol, de modo de

aprovechar al mximo la luz solar directa. La mejor orientacin para un panel solar ubicado en

el Hemisferio Norte es hacia el Sur y para un panel solar ubicado en el Hemisferio Sur es

hacia el Norte. [19]

3.2.3.2 ngulo de Inclinacin de un Panel Solar.

La orientacin de un panel solar viene dado por un ngulo de inclinacin del mismo hacia

dicha orientacin, el cual vara de acuerdo a la latitud en la que se est ubicado y a la poca

del ao. La posicin del Sol con respecto a la Tierra vara a lo largo del ao debido a los

movimientos de rotacin y traslacin de la misma. Por tal razn la mejor orientacin en poca

de invierno no es la mejor en poca de verano, de acuerdo a esto, en el diseo se debe escoger

la orientacin ms ptima capaz de aprovechar el mximo de energa solar posible en un ao.

37

En general, a medida que nos ubicamos ms lejos del ecuador la inclinacin del panel debe ser

mayor y orientada al hemisferio contrario del que se est ubicado. Y en las zonas cercanas al

ecuador, como no hay mucha variacin en las distintas pocas del ao, en teora el panel no

requiere ningn tipo de inclinacin, sin embargo se recomienda un ligero ngulo de

inclinacin para permitir que la

lluvia limpie el panel de polvo,

tierra, desperdicios de aves, etc.

En general todo panel solar que

se instale debe poseer un ngulo

de inclinacin por pequeo que

sea.

En la Tabla 3.7 se muestran los

valores recomendados de ngulo

de inclinacin de acuerdo a la

latitud.

3.2.4 Sistema Fotovoltaico.

Un sistema fotovoltaico es un sistema capaz de generar energa elctrica a partir de la energa

solar, para alimentar ininterrumpidamente cargas de corriente continua (DC) y/o de corriente

alterna (AC) [22]. Un sistema fotovoltaico no es solo el panel solar, o arreglo de paneles

solares, es adems el conjunto de elementos (acumuladores, reguladores de carga e inversores)

que hacen posible que se aproveche de manera adecuada la electricidad generada por ste, o

stos, para suministrar energa a las cargas ininterrumpidamente y sin daarlas.

3.2.4.1 Topologas de Sistemas Fotovoltaicos

De acuerdo al tipo de carga que se desea alimentar, un sistema fotovoltaico puede tener

diferentes topologas:

Tabla 3. 7 ngulo de inclinacin ptimo segn la latitud.[19]

38

Sistema Fotovoltaico para cargas DC

Esta topologa se utiliza en los casos en los que la carga que se desea alimentar opere con

corriente continua (DC). En la Figura 3.22 se muestra el esquema de este tipo de sistema con

todos sus elementos.

Figura 3. 22 Topologa de sistema fotovoltaico para cargas DC [23]

El sistema est compuesto por un generador fotovoltaico conformado por el arreglo de paneles

solares, un acumulador o arreglo de acumuladores (bateras) cuya funcin es almacenar la

energa que los paneles generan durante el da para proveer de sta a las cargas durante la

noche, un regulador de carga para evitar que la batera se sobrecargue, y las cargas DC.

Sistema Fotovoltaico para cargas DC y AC

Esta topologa, que se muestra en la

Figura 3.23, es similar a la anterior pero

incluye un elemento adicional, un

Inversor. El inversor tiene como funcin

convertir la energa de corriente continua

suministrada por el panel o batera, en

corriente alterna. Esto se hace necesario

ya que la mayora de los equipos

elctricos funcionan con corriente alterna.

Figura 3. 23 Topologa de sistema fotovoltaico para cargas DC y

AC [21]

39

3.2.4.2 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Existen tres tipos de sistemas fotovoltaicos:

Sistema Fotovoltaicos Puros

Son los sistemas en los cuales toda la energa que entrega el sistema es generada a partir de

energa solar, como son los mostrados en las Figuras 3.22 y 3.23. Entre las aplicaciones de

este tipo de sistemas tenemos: telecomunicaciones, telemetra, sealizacin, proteccin

catdica y electrificacin de reas rurales. [22]

Sistema Fotovoltaicos Hbridos

Son sistemas en los que la energa entregada viene de la combinacin entre un generador

fotovoltaico con otro tipo de generador de energa, tal como: elico, hidrulico o diesel. [24]

Este tipo de sistemas es utilizado comnmente en aplicaciones de Telecomunicaciones. [22]

Sistema Fotovoltaicos Conectados a la Red Elctrica

Son sistemas fotovoltaicos que estn conectados a la red elctrica, de modo que si las bateras

llegan a descargarse por completo, la red elctrica suministra la energa necesaria para

cargarlas y adems para energizar las cargas. [24]

Existe otra modalidad de sistema fotovoltaico conectado a la red llamada Net-Metering,

consiste en sistemas fotovoltaicos capaces de entregar a la red elctrica la porcin de energa

generada por el mismo, que no es consumida por las cargas (no utiliza bateras); a su vez

tambin puede consumir energa de la red en el caso de que le haga falta. Como se muestra en

la Figura 3.24, un contador toma registro de la energa recibida de la red y la entregada a la

red, luego el usuario paga a la compaa elctrica la diferencia entre stas, pudindose dar el

caso de que tenga que cobrar a la compaa elctrica por proveerle energa con su sistema

fotovoltaico. [24]

40

Figura 3. 24 Sistema Fotovoltaico conectado a la Red [23]

Este tipo de sistema es aplicado en electrificacin de reas urbanas. [22]

3.2.4.3 Elementos de un Sistema Fotovoltaico

Los elementos que conforman a un sistema fotovoltaico son: Arreglo Fotovoltaico, Regulador

de Carga, Acumuladores o Bateras e Inversor.

3.2.4.3.1 Arreglos Fotovoltaicos

Para aplicaciones a gran escala en la que se requiera de mucha energa, es necesario formar

arreglos de paneles que consisten en agrupar a stos en serie y/o paralelo de acuerdo al voltaje

y corriente que requiera el sistema a alimentar. Al igual que para un mdulo, el

comportamiento de un arreglo es equivalente al de una celda solar, y su curva caracterstica es

la de corriente vs. tensin, donde estos valores varan de acuerdo al nmero de paneles

conectados, y a como son conectados.

Para obtener un mayor nivel de voltaje los paneles son conectados en serie, y para obtener

mayor cantidad de corriente son conectados en paralelo. El voltaje de salida de un arreglo en

serie es la suma de los voltajes individuales de los mdulos conectados en serie, y la corriente

es la suma de cada panel o conjunto de paneles conectados en paralelo.

Adicional a los paneles, al formar un arreglo es necesario colocar diodos de bloqueo y de paso.

Los diodos de bloqueo se utilizan para garantizar que la corriente slo fluya en una direccin,

41

del arreglo a la carga y nunca en direccin contraria. Por otro lado, tenemos los diodos de paso

que se utilizan para que la corriente circule a travs de ellos cuando un panel (paralelo al

diodo) se encuentra sombreado, esto se hace para evitar que el panel sombreado que se

comporta como un punto de resistencia, consuma la corriente generada por el resto de los

paneles originando que ste se caliente y degrade (Ver Figura 3.25). [18]

Figura 3. 25 Arreglo fotovoltaico

3.2.4.3.2 Reguladores de Carga

Los circuitos reguladores de carga tienen como funcin primordial proteger a la batera de

sobrecargas y sobredescargas, que pueden disminuir la vida til de la misma.

El regulador debe monitorear la tensin de la batera, el cual es el indicador del estado de

carga de la misma, si sta se encuentra descargada el regulador debe dar una seal para

conectar el panel en paralelo con la batera y la cargue. Una vez que se ha alcanzado la tensin

para la cual se dice que la batera est cargada (14,1-14.7Vpara bateras de plomo-cido

selladas), el regulador debe enviar una seal de control que desconecte el panel de la batera y

as evitar que esta se sobrecargue.

Por otro lado, una vez que la batera comience el proceso de descarga, el regulador debe

monitorear su tensin y si sta logra disminuir hasta alcanzar la denominada tensin de

42

sobredescarga el regulador debe desconectar la carga (funcin denominada LVD), y as evitar

que la batera se descargue en exceso. [22]

A parte de las funciones ya mencionadas, el regulador debe evitar que la batera se descargue a

travs del arreglo fotovoltaico, esto se hace con el ya mencionado diodo de bloqueo, el cual

asegura que la corriente fluya en una sola direccin, del arreglo a la carga. Otras funciones que

se le pueden agregar a un regulador a parte de las mencionadas, son indicadores y/o alarmas

del estado del sistema y visualizacin de parmetros importantes del mismo.

De acuerdo a las aplicaciones suelen emplearse dos topologas de reguladores, ests son:

regulador tipo serie, y regulador tipo paralelo.

Regulador tipo serie.

El regulador tipo serie, mostrado en la Figura 3.26, consiste en agregar un elemento

conmutador en serie entre el panel y la batera, controlado de acuerdo al voltaje de la batera,

de manera que cuando la batera alcance la tensin de sobrecarga el elemento conmutador

desconecte al panel de la batera, formando un circuito abierto y cuando se necesite cargar la

batera los conecte, cerrando el circuito. El elemento en serie puede ser un dispositivo

electromecnico como un rel o un contactor, o puede ser un dispositivo de estado slido

como un transistor bipolar o un MOSFET. [24]

Figura 3. 26 Regulador tipo serie [24]

43

Regulador tipo paralelo.

Consiste en agregar un elemento en paralelo entre el panel y la batera, de modo que una vez

que la batera ha alcanzado su tensin de carga mxima, este dispositivo cree un camino de

baja resistencia, desviando la corriente de la batera, disipndola. Una vez que la batera

necesite ser cargada el elemento forma un circuito abierto obligando a que la corriente del

panel sea conducida a las bateras. Esta configuracin es mostrada en la Figura 3.27.

Figura 3. 27 Regulador tipo paralelo [24]

3.2.4.3.3 Acumuladores o Bateras

Una batera se define como:

Sistema elctrico que permite la acumulacin de energa y su posterior suministro [1]

En un sistema fotovoltaico la funcin del acumulador o batera es la de acumular la energa

generada por el arreglo fotovoltaico durante el da, para poder utilizarla en las noches y en

perodos de mal tiempo.

Existen muchos tipos de bateras, para escoger la batera adecuada debemos entender cuales

son las caractersticas que la definen, stas son: capacidad en Amperios-horas, profundidad de

descarga y vida til.

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Capacidad de una batera.

La capacidad de una batera es la magnitud de la cantidad de amperios de corriente que la

batera es capaz de entregar por el nmero de horas en las que los entrega. Su unidad es el

Amperio-hora (Ah). Con esta magnitud podemos saber cunto tiempo puede una batera

alimentar a una carga ininterrumpidamente, lo cual determina el tiempo de autonoma del

sistema.

Por ejemplo, una batera de 350Ah, debera tener la capacidad de dar 350A en 1