Fuentes de Energía Alternativa para

TelecomunicacionesMateriales de entrenamiento para instructores

de redes inalámbricas

Este es un tópico complementario que debe presentarse al final del entrenamiento. Dura unos 45 minutos.Versión 2.7: Rob, @24-11-2009Versión 2.9: Rob, @28-02-2010Versión 3.2: Ermanno, @04-03-2010Versión 3.3: Rob, @09-03-2010Version 3.5: Rob, @12-03-2010

Metas

2

‣ Proporcionar una visión general sobre las partes que integran un sistema solar fotovoltaico para telecomunicaciones

‣ Entender cuáles variables afectan el desempeño de estos sistemas

‣ Examinar brevemente el uso de electrogeneradores eólicos

Sistema fotovoltaico

: )

3

Un sistema fotovoltaico básico consta de cinco componentes principales: el sol, el panel solar, el regulador, las baterias, y la carga. Muchos sistemas también incluyen un convertidor de voltaje para permitir el uso de cargas con diferentes demandas de voltaje.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

Este diagrama muestra un sistema fotovoltaico completo. En primer lugar, hablemos de cómo se mide la energía solar.

Un sistema fotovoltaico se basa en la capacidad de ciertos materiales para convertir la energía electromagnética del sol en energía eléctrica. La cantidad total de energía solar que ilumina un área determinada por unidad de tiempo se llama irradianza y se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).

Esta energía normalmente se promedia durante un período de tiempo, así que es frecuente hablar de irradianza total por hora, por día o por mes.

Energía Solar

4

Dado que la irradianza cambia rápidamente a lo largo del día, es más útil calcular la energía total incidente por metro cuadrado en un día.

Puesto que la energía máxima que alcanza a la tierra al nivel del mar es de unos 1000W/m2, es una práctica común dividir por 1000W/m2 la energía total recibida en un día para obtener el número de horas de sol pico.

Este valor va a ser el número de horas que el sol va a brillar en un punto determinado para producir la misma cantidad de energía.

La energía del sol puede capturarse también por calentamiento de fluidos, lo que también puede ser empleado para producir energía eléctrica, pero aquí sólo nos ocuparemos de la energía fotovoltaica, la transformación directa de luz en electricidad a través de una determinada combinación de materiales.

La luz solar es entonces una combinación de luz solar y calor radiante.

El gráfico muestra la irradianza solar (in W/m2), la insolación (irradianza acumulativa) y la luz solar (en minutos):

Irradianza, insolación, y luz solar

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

irradianceinsolationsunlight

hour of the day

[W/m

2 ]

[min

utes

]

800

0

5

Tomado de wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_Systems) :

“Tomando en cuenta las nubes y el hecho de que la mayor parte del mundo no está en el ecuador, además de que le sol se pone en las tardes, la medida correcta de la energía solar es la insolación – la cantidad promedio de kilovatios/hora por metro cuadrado por día.

Para el tiempo y latitudes de los EEUU y Europa, la insolación típica oscila entre 4 kWh/m²/día al norte y 6.5 kWh/m²/día en las regiones más soleadas. Los paneles solares típicos tienen una eficiencia promedio de 12%, siendo de 20% la de los mejores paneles comerciales. Entonces, una instalación fotovoltaica en las latitudes del sur de EEUU o de Europa producirá alrededor de 1 kWh/m²/día. Un panel típico de "150 vatios" tiene un metro cuadrado aproximadamente. Este panel se espera que produzca un promedio de 1 kWh cada día, después de tomar en cuenta las condiciones climáticas y la latitud.”

Horas de Sol Pico

6

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

hour of the day

[W/m

2 ]

PSH

irradianceequivalent area

Medir la insolación total obtenida durante un día significa calcular el área debajo de la curva de irradianza.

Si construimos un rectángulo con la misma área y una altura de 1000W/m2, la base del rectángulo es el número de horas de sol pico HSP (PSH en inglés).

Datos reales: irradianza y luz solar

7

!

dire

ct s

unlig

ht (

min

utes

)

tota

l sol

ar fl

ux (

W/m

2 )

La irradianza se muestra aquí en rojo y la luz solar en naranja a lo largo de 7 días. En este gráfico, la irradianza es denominada flujo total de sol −total solar flux (escala izquierda), y la luz solar se llama luz solar directa −direct sunlight y está expresada en minutos (escala derecha). Esto es en oposición a la luz del sol indirecta o difusa que puede también aprovecharse incluso en días nublados, pero con un rendimiento muy reducido.

Algunas organizaciones han producido mapas que incluyen los valores promedio de la insolación global de las diferentes regiones. Estos valores se conocen como horas de sol pico, o HSP (PSHs, en inglés).

Se puede utilizar el valor HSP de cada región para simplificar los cálculos. Una unidad de “sol pico” corresponde a una densidad de potencia de de 1000 vatios por metro cuadrado.

http://www.solar4power.com/solar-power-global-maps.html

http://www.synergyenviron.com/resources/solar_insolation_tool.asp

http://eosweb.larc.nasa.gov

Horas de sol pico

El segundo sitio web tiene información limitada pero es más fácil de usar.

El sitio de la Nasa tiene mucha información sobre muchos parámetros ambientales recolectados por más de dos décadas. La información es gratuita, pero hay que suscribirse al sitio.

Paneles solares

: )

9

El componente más notorio del sistema fotovoltaico lo constituyen los paneles solares.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

Un panel solar está formado por múltiples celdas solares.

Hay muchos tipos de paneles solares:

‣ Monocristalino: caro, el más eficiente

‣ Policristalino: más barato, menos eficiente

‣ Amorfo: el más barato, el menos eficiente, el de vida útil más corta

‣ De película delgada: muy caro, flexible, baja eficiencia, para usos especiales

‣ CIGS: Seleniuro de Galio-Indio- Cobre

Paneles solares

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Un panel solar individual está hecho de múltiples celdas solares. Las celdas están conectadas eléctricamente para proporcionar un determinado valor de corriente y voltaje. Cada celda proporcionará unos 0.5 V, para acumular un voltaje suficiente como para cargar una batería de 12 V.

Hay diferentes tipos de módulos en el mercado lo que permite seleccionar el más adecuado para una determinada aplicación. El más común es el de silicio cristalino, y puede ser monocristalino o policristalino. Es silicio amorfo puede salir más barato pero es menos eficiente en la conversión de energía solar a eléctrica, y además tiene una vida útil más corta.

Paneles solares: curva IV

Cur

rent

(A

)

Voltage (V)

0 10 20 30

8

6

4

2

Irradianza: 1 kW / m2

Temperatura de la célda: 25 C

MPP

VOC

ISC

11

Isc = Corriente de Cortocircuito −Short Circuit current: es la corriente producida por el panel cuando la carga tiene resistencia cero (cortocircuito)

Voc = Tensión de circuito abierto −Open circuit Voltage-: es el voltaje generado cuando no hay carga (resistencia infinita, circuito abierto)

MPP = Punto de Máxima Energía −Maximum Power Point-: es la combinación de voltaje y corriente que proporcionan la máxima energía (se produce a cierto valor de resistencia de la carga).

En la práctica, el punto de operación va a estar determinado por el voltaje de trabajo del banco de baterías, así que puede estar lejos de lo ideal.

A veces, la especificación de un panel fotovoltaico da el valor del “factor de llenado” (FF) −“fill factor” (FF): es un número adimensional que da la razón de la potencia en el MPP y el producto Isc x Voc. Es siempre menor que 1 (es decir, el valor de la potencia en el MPP es menor que el producto Isc x Voc). Puede también expresarse como porcentaje (1 → 100%, 0,5 → 50%).

Panel solar: curva IV para diferentes valores de irradianza y temperatura

Irradiance: 1kW / m2

Cell Temperature 25C

75C 50C 25C800W / m2

600W / m2

400W / m2

200W / m2

0

2

4

6

8C

urre

nt (A

)

10 20 30

Voltage (V)

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El desempeño de un panel solar está directamente relacionado con la temperatura de trabajo y el valor de la irradianza. La curva IV muestra los valores de voltaje y corriente a diferentes valores de temperatura (a una irradianza fija, en líneas continuas), y también a diferentes valores de irradianza (a temperatura fija, en líneas de puntos).

Los paneles más frescos van a proporcionar más energía que los calientes, !pero obviamente necesitan luz solar para trabajar bien!

El factor de pérdida de potencia es de unos 0.3-0.5 % por grado Celsius, así que para un aumento de 30°C en la temperatura, la potencia va a caer en un 9-15 %.

Así tenemos que es mejor mantener el panel lo más fresco posible. Esto puede lograrse normalmente levantando el panel sobre la altura del techo para que circule el aire.

Optimizar el desempeño del panel

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Los paneles solares deberían montarse con la mejor alineación y el mejor ángulo hacia el sol. La regla de oro es orientar los paneles hacia el Sur en el hemisferio norte y hacia el Norte en el hemisferio sur, con la misma inclinación que la latitud del sitio + 5º.

En verano es mejor disminuir este valor en 10 grados, mientas que en invierno se recomienda aumentar la misma cantidad. Recuerde que el polvo, las hojas o los excrementos de aves pueden impactar el panel solar y reducir su eficiencia (!Así que manténgalo limpio!).

También, las sombras cambian de posición a lo largo del día (es mejor evitar cualquier sombra sobre el panel entre las 9 y 15:00). Los paneles solares nunca deben estar parcialmente sombreados. Las celdas están conectadas en serie, así que la celda más débil va a afectar al resto. Una sola celda en la sombra va a dañar el desempeño del panel completo.

Puesto que la celda sombreada actúa como carga, se puede sobrecalentar fácilmente y dañarse.

Por lo tanto, hay que instalar diodos de puenteo para separar las celdas: si una celda opera a voltaje negativo, la corriente se desvía por el diodo de puenteo.

Los fabricantes de módulos de paneles solares normalmente instalan diodos de puenteo en cada celda (o grupo de celdas) del panel.

Si se necesita más energía, se pueden unir múltiples paneles solares en paralelo siempre y cuando haya diodos de bloqueo para proteger los paneles de los desequilibrios.

Sistema fotovoltaico

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panel solarcon diodo de bloqueo

cargador solar y regulador

banco de baterías 12V

convertidorDC/DC

carga12V DC

carga24V DC

carga110V AC

inversorDC/DC

solar panelwith block diode

panel solarcon diodo de bloqueo

panel solarsin diodo de bloqueo

diodo de bloqueo

panel solarsin diodo de bloqueo

diodo de bloqueo

Si se conectan paneles múltiples en paralelo, se deben usar diodos de bloqueo entre ellos para proteger los paneles en caso de que uno o más reciban sombra mientras que los demás están al sol. Si no se hace, un panel en sombra puede actuar como carga y absorber la energía de los otros. Este proceso va a disminuir la energía total y puede dañar los paneles.

Si se está seguro de que los paneles va a trabajar a pleno sol, se pueden remover los diodos de bloqueo para incrementar la energía máxima generada, pero al riesgo de dañar las celdas si alguna de ellas queda en la sombra en algún momento.

Algunos paneles traen un diodo de bloqueo ya instalado en los terminales de salida, !pero esta no es la norma!

Baterías

: )

15

Las baterías están en el corazón del sistema fotovoltaico, y determinan el voltaje de trabajo.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

A menudo, usted va a terminar gastando tanto en baterías como en el panel solar. Pero las baterías son necesarias para garantizar el abastecimiento de energía en la noche.

La batería almacena la energía producida por los paneles que no es consumida inmediatamente por la carga. Esta energía almacenada puede ser usada en períodos de baja radiación solar (en la noche o cuando está nublado).

Baterías

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Todos los sistemas fotovoltaicos requieren de almacenamiento por baterías. Los módulos fotovoltaicos cargan las baterías durante las horas de luz y las baterías proveen la energía cuando se necesita: en la noche o en clima nublado.

Capacidad de la batería:

Batería de automóvil: acerca de 50Ah @ 12V = 600WhEn comparación: Pilas tamaño D (de linterna): cerca de 10 Ah @ 1.5V =

15Wh!Pero no se puede usar toda la capacidad!Descargar la batería completamente probablemente la dañe, y seguramente le

limita su vida útil.

El tipo más común de batería usado en aplicaciones fotovoltaicas son las de plomo-ácido libres de mantenimiento, también llamadas recombinantes o baterías VRLA (Plomo-ácido regulada por válvula −valve regulated lead acid). Estas pertenecen al tipo de ciclo profundo o estacionarias, a menudo usadas como respaldo de energía para comunicaciones telefónicas.

Ellas determinan el voltaje de trabajo de su instalación. Para una mayor eficiencia, cualquier otro dispositivo debe ser diseñado para trabajar al mismo voltaje de las baterías.

Baterías

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Baterías de Plomo-ácido: son las más comunes en sistemas FV porque su costo inicial es más bajo y porque se consiguen fácilmente en casi cualquier sitio del mundo. Hay muchos tamaños y modelos de estas baterías, pero la característica importante es si son de ciclo profundo o de ciclo superficial.

Baterías de ciclo superficial: Igual que las usadas para arrancar los autos, están diseñadas para proporcionar una gran cantidad de corriente por corto tiempo, y aguantan ligeras sobrecargas sin perder electrolito. Desafortunadamente, no aguantan una descarga profunda. Si se las descarga repetidamente más del 20%, van a tener vida corta. Las baterías de auto o camión !no son una buena elección para un sistema FV!

Baterías de ciclo profundo: están diseñadas para soportar descargas frecuentes tan grandes como del 80% de su capacidad, así que son una buena opción para sistemas de energía. A pesar de que su diseño les permite soportar ciclos profundos, estas baterías van a tener más vida si los ciclos son superficiales. Trate de mantenerlas por encima del 50% de su capacidad.

Todas las baterías de plomo-ácido va a fallar prematuramente si no se las recarga completamente después de cada ciclo. Dejar una batería de plomo-ácido descargada por muchos días seguidos va a causar sulfatación del borne positivo y una pérdida permanente de capacidad. La inactividad también daña las baterías, sin embargo las de plomo-ácido no tienen memoria (como las de Níquel-Cadmio). Las baterías de plomo-ácido contienen ácido sulfúrico que puede causar quemaduras graves. También liberan hidrógeno cuando se cargan o se hace un corto entre los terminales, incluso si son del tipo que están selladas. Una adecuada ventilación es necesaria para prevenir explosiones, especialmente si las baterías son del tipo de celdas llenas de ácido.

Es una buena idea protegerse los ojos con lentes de seguridad cuando manipule baterías. Recuerde que el plomo es tóxico: asegúrese de desechar de manera adecuada sus baterías gastadas.

Los sistemas fotovoltaicos más autónomos trabajan a 12 o 24 voltios. Preferiblemente, un sistema inalámbrico que funcione con corriente continua (DC) debería operarse a los 12 voltios que proporciona la mayoría de las baterías de plomo ácido.

Un enrutador o AP que acepte 8-20 voltios DC es ideal. La mayoría de los AP baratos tienen incorporado un regulador de voltaje de modo conmutado y aceptan trabajar en un rango muy amplio de voltaje sin necesidad de modificación y sin recalentarse (incluso si el dispositivo viene de fábrica con una fuente de energía de 5 ó 12 Voltios).

Voltaje de operación

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Si se requiere usar un voltaje DC más alto, considere el uso de un convertidor DC a DC (se explicarás más adelante). Son más eficientes que la combinación de inversor y otra fuente de alimentación al voltaje más alto.

Cuando se necesiten voltajes DC más bajos, un simple regulador de voltaje es suficiente.

También existen los llamados “reguladores inteligentes” que le ofrecen al panel la carga óptima, independientemente

del consumo real de corriente. Pueden ahorrar hasta 15% de energía.

Cómo diseñar un banco de bateríasEl tamaño del banco de baterías va depender de:

‣ la capacidad de almacenamiento requerida

‣ la tasa de descarga máxima

‣ la temperatura de almacenamiento de las baterías (sólo las de plomo ácido).

‣ La capacidad de almacenamiento de la batería (cantidad de energía eléctrica que puede retener) se expresa normalmente en amperios-hora (Ah).

‣ Un banco de baterías en un sistema PV debería tener la suficiente capacidad de proporcionar la energía que se necesite en el periodo nublado más largo previsto.

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Cuando diseñe un sistema de energía, todos estos factores se toman en cuenta, y aquel que requiera la capacidad más grande va a definir el tamaño de la batería. La temperatura tiene un efecto significativo en las baterías de plomo-ácido. A temperatura baja, Por ejemplo, si la capacidad de la batería es de 120 Ah y la carga consume dos A, se llevaría 60 horas descargar completamente la batería.

Una batería en un sistema FV debería tener la suficiente capacidad para proporcionar la energía necesaria durante el período más largo de tiempo nublado que es de esperar en la zona.. Es mejor que un banco de baterías tenga un 20% más de capacidad de la calculada para tomar en cuenta situaciones impredecibles. Si se dispone de una fuente de energía de respaldo, como un generador de reserva con un cargador de baterías, el banco de baterías no necesita calcularse para condiciones del “peor tiempo posible”.

http://www.green-trust.org/offgridtutor.htm#pvsystems

El regulador

: )

20

El regulador es la interfaz entre los paneles solares y la batería, y puede a menudo proporcionar energía para cargas DC moderadas.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

El regulador

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El regulador solar, (también llamado controlador de carga solar) garantiza que la batería trabaje en condiciones apropiadas. Evita sobrecargas y sobredescargas de la batería, ambas condiciones nocivas para la vida de la batería.

Para garantizar la carga y descarga apropiada de la batería, el regulador mantiene registro del estado de carga (SoC -State of Charge-) de la batería.

Muchos reguladores desconectan la carga cuando la batería cae por debajo del voltaje fijado, con lo que se previenen daños al equipo. También evitan que la batería se descargue a través del panel solar durante la noche eliminando la necesidad del diodo de bloqueo.

Comente la foto: este es un modelo profesional de regulador. Tiene muchos terminales (de izquierda a derecha): 2 terminales para la conexión del/los paneles solares; 4 terminales para la conexión al banco de baterías (la mayor parte de los modelos de reguladores son más sencillos y sólo tienen dos terminales para las baterías; en este caso, los dos terminales adicionales se usan para el detectar el voltaje el voltaje y por ende la carga de la batería) y dos terminales para conectar la carga.

Se usan LED para mostrar si hay carga (es decir, si los paneles están produciendo suficiente energía para cargar las baterías), y el estado de la carga (verde-amarillo-rojo) de las baterías. Tiene incluso un conector para sondeo de temperatura para monitorizar la temperatura de la batería.

‣ Sobrecarga: ocurre cuando la batería llega al límite de su capacidad. Si se sigue inyectando energía más allá del punto de carga máxima, el electrolito comienza a descomponerse. Esto produce burbujas de oxígeno e hidrógeno, pérdida de agua, oxidación en el electrodo positivo y, en casos extremos, hay peligro de explosión.

Monitorizar el estado de la carga

Hay dos estados especiales de la carga que pueden presentarse durante los ciclos de carga y descarga de la batería. Ambos deben evitarse para preservar su vida útil.

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‣ Sobredescarga: ocurre cuando hay demanda de la carga en una batería descargada. Descargar una batería más allá del límite recomendado por el fabricante puede producir daño en la batería. Cuando la batería cae por debajo del voltaje que corresponde a un 50% de descarga, el regulador impide que se extraiga más energía de la batería.

‣ Los valores apropiados para prevenir las sobrecargas y sobredescargas deberían programarse en el controlador de carga para que coincidan con los requisitos de su banco de baterías.

Monitorizar el estado de carga

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La Tensión de Corte Baja −Low Voltage Disconnect (LVD) de una batería dependerá del tipo de ésta. Las de auto deben evitarse, pero si tiene que usarlas, no deje que se descarguen más allá del 20% (es decir, desconéctelas cuando lleguen al 80% de la carga máxima).

Las baterías de plomo-ácido se degradan pronto si se descargan completamente. Una batería de camión va a perder un 50% de su capacidad nominal en 50 -100 ciclos si se carga y descarga completamente durante cada ciclo.

Nunca descargue una batería de plomo-ácido de12 voltios por debajo de los 11.6 voltios porque acortaría significativamente la vida útil de la misma. En uso cíclico, no se aconseja descargar una batería de camión por debajo del 70%. Mantener la carga en un 80% o más, va a aumentar considerablemente la vida útil de la batería. P. ej. , una batería de camión de 170 Ah tiene una capacidad de uso de sólo 34 - 51 Ah.

Maximizar la vida de la batería

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“Baterías Libres de mantenimiento” deberían tener una corriente de auto-descarga muy baja. Sin embargo, estas baterías necesitan de mantenimiento también. El nivel del fluido electrolítico debe se revisado constantemente, especialmente en climas cálidos. Si hay pérdida de fluido, hay que añadir agua destilada en los receptáculos del fluido. Olvidarlo, puede causar el daño de la batería.

!Cargar demasiado las baterías también las va a dañar! La corriente de carga debe ser regulada. La carga excesiva e ilimitada va a destruir la batería. Usar un regulador de carga debidamente programado va a prolongar bastante la vida de su batería.

Convertidores de voltaje

: )

25

Un inversor cambia DC en AC, normalmente a 110V ó 220V. Un convertidor DC/DC cambia el voltaje DC de entrada en el valor deseado.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

Los inversores siempre desperdician energía, así que es mejor evitarlos. Los equipos de telecomunicaciones son siempre alimentados con corriente continua, así que después del inversor deberá utilizar una fuente de alimentación para suministrar el voltaje DC deseado.

Si Ud. necesita un volataje DC diferente del que le suministra la batería, considere utilizar un converso DC/DC, esto le evitará usar la fuente de alimentación, usualmente muy poco eficiente.

La electricidad provista por el regulador es DC a un voltaje fijo. El voltaje proporcionado podría no ajustarse a los requisitos de la carga. Un convertidor continua/alterna (DC/AC), también conocido como inversor, convierte la corriente DC de la batería en AC. Esto tiene el precio de perder energía en la conversión.

Inversores DC/AC

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Evite en lo posible el uso de inversores.

Gastan energía: los equipos electrónicos siempre trabajan con voltaje DC, así que el inversor debe estar seguido por una fuente de energía DC a un voltaje diferente. Recuerde que cada conversión de energía gasta un poco de esta, así que ir de DC a AC y de nuevo a DC es una pérdida. Más bien use un convertidor DC/DC (próxima diapositiva).

Si es necesario, se puede usar un convertidor para obtener DC a niveles de voltaje diferentes a los proporcionados por las baterías. Los convertidores DC/DC también hacen perder energía en la conversión. Para un funcionamiento óptimo, se debería diseñar el sistema fotovoltaico de manera que genere un voltaje que se ajuste lo más posible a los requisitos de la carga.

Convertidores DC/DC

27

Los convertidores DC a DC son más eficientes porque la conversión a AC y de vuelta a DC se hace dentro del mismo circuito y esá altamente optimizada.

La carga

: )

28

Satisfacer las necesiades de la carga constituye el verdadero motivo del sistema fotovoltaico.

regulador

paneles solares

carga DC

inversor carga AC

conversorDC/DC

carga DC+

-

+

-

+

-

+

-

banco de baterias

En un mundo ideal, los requisitos de voltaje de la carga se corresponderían exactamente a la salida del banco de baterías. En un mundo real, este voltaje necesita ser adaptado usando un convertidor DC/DC, o convertido en una aproximación de AC usando un inversor.

La carga es el equipo que va a consumir la energía generada por el sistema fotovoltaico.

La carga se expresa en vatios:

watts = volts × amperes

Si el voltaje está ya definido, la carga puede expresarse a veces en amperios.

La carga

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La carga puede incluir equipo de comunicación inalámbrica, enrutadores, estaciones de trabajo, modems VSAT, etc. Aunque no es posible calcular precisamente el consumo total exacto de su equipo, es vital poder hacer un buen estimado.

En este tipo de sistema es absolutamente necesario el uso de equipo de baja tensión y alta eficiencia para evitar el desperdicio de energía.

La carga viene normalmente expresada en vatios. Al dividir los vatios entre el voltaje, se obtiene la corriente absorbida por la carga. Así que a menudo, la carga se expresa en términos de amperios de corriente.

Para determinar la carga, todas las cargas simultáneas deben sumarse. Nótese que a menudo no todo el equipo va a funcionar al mismo tiempo.

La energía es potencia*tiempo, medida en J, pero a menudo se expresa en Wh (vatios * hora). Cuando el voltaje está sobrentendido, la energía puede también expresarse en Ah (amperio * hora).

La capacidad de almacenamiento de energía de una batería se expresa siempre en Ah.

La forma más fácil de medir cuánta energía requiere la carga, es usar una fuente de alimentación de laboratorio dotada de voltímetro y amperímetro. . Se puede graduar el voltaje y ver cuánta corriente está consumiendo un dispositivo a diferentes voltajes.

Si no tenemos una de estas fuentes, la medición puede hacerse usando la fuente que viene con el dispositivo. Despegue un cable que vaya a la entrada DC del dispositivo e inserte un amperímetro.

Consumo de energía

30

También se puede medir el consumo de energía usando una resistencia de valor conocido en serie con la carga. Al medir la caída de voltaje a través de la resistencia y dividirla por el valor de esa resistencia en ohmios, se obtiene la corriente. Al multiplicar por el voltaje de la carga, se obtiene el consumo de energía en vatios.

La cantidad de energía consumida puede calcularse con la fórmula:

Consumo de energía

P = V × I

P es la energía en vatios, V is voltaje in voltios, e I es la corriente en amperios.

Por ejemplo:

6 vatios = 12 voltios × 0.5 amperios

Si este dispositivo funciona durante una hora, va a consumir 6 vatios/hora (Wh), ó 0.5 amperios/hours (Ah) a 12V. Entonces, el dispositivo va a consumir 144 Wh ó 12 Ah por día.

31

Un generador eólico es una opción para un sistema autónomo instalado en un cerro o montaña.

Energía eólica

La velocidad promedio del viento en un año debería ser de al menos 3-4 metros por segundo.

Ojo: ubique el generador lo más alto posible

32

La velocidad del viento debe ser bastante grande como para proporcionar suficiente energía a su aplicación.

El generador eólico debería estar 6 metros más alto que otros objetos que se encuentren dentro de una distancia de 100 metros. Los sitios lejos de la costa o en altitudes bajas van a carecer del viento necesario para hacer funcionar un sistema basado en energía eólica.

A menudo, las fuentes de energía eólica y solar pueden ser combinadas en la cima de montañas para proporcionar una fuente de energía continua. Cuando llueve, podría haber vientos fuertes.

Los vientos demasiado fuertes pueden dañar el generador.

Energía eólica

La máxima energía eólica disponible está dada por:

donde v es en m/s, y la densidad del aire es de 1.225 kg/m3.Esto corresponde al aire seco, a presión atmosférica estándar, al nivel del mar, y a temperatura de 15 Celsius.

La eficiencia de los generadores eólicos se ubica entre el 20 y el 40%

P = 0.5 * 1.225 * v3 [W/m2]

33

Puesto que la energía disponible depende de la velocidad del viento al cubo, es muy importante tener la mayor velocidad posible.

A mayor altura del sitio, mayor velocidad del viento. Evite los obstáculos que podrían bloquear el viento.

El segundo factor más importante es el área, así que tener aspas más grandes es ventajoso.

También existen generadores de eje vertical que son menos peligrosos y más fácil de montar en áreas accesibles, pero tienden a ser menos eficientes.

‣ Electrónica integrada: regulación de voltaje, seguimiento de potencia pico y frenado electrónico.

‣ Las aspas de fibra de carbón son muy livianas y resistentes.

‣ Los generadores eólicos pueden usarse en combinación con paneles solares para acumular energía incluso de noche.

Generadores eólicos

34

Los generadores eólicos son hoy en día muy avanzados y tienen características muy útiles:

‣ La electrónica integrada proporciona regulación de voltaje, rastreo de picos de tensión, y frenado electrónico de las aspas para evidar desbocamiento en vientos muy fuertes. Las aspas de fibra de carbón son muy livianas y fuertes. !También son muy afiladas! La punta de estas aspas giratorias puede moverse a 400 km por hora o más. Los generadores eólicos deben instalarse muy lejos del alcance de los curiosos.

‣ La velocidad del viento puede medirse con un instrumento casero hecho con una pelota de ping pong amarrada con una cuerda de 30 cm de largo, a un transportador que se usa para medir el ángulo de desviación que le impone el viento a la pelota.

‣ de: Scientific American, October 1971 , p 108-110

Para la medida de la velocidad del viento con el transportados: v= 19.59 (cot a) ^1/2 en milas/h a es el ángulo de desviación del cordel en condiciones estándar.

v= 31.52 (cot a) ^1/2 en km/h

En general:

v = 31.72 [(cot a) (t+273)/P]^1/2, t en Celsius y P en mmHg. u = 51.04 [(cot a) (t+273)/P]^1/2 en km/h

Un generador eólico barato puede construirse con un alternador de automóvil conectado a un aspa

adecuada.

De todas maneras, se necesitan un regulador de voltaje y una batería.!Siga las instrucciones de seguridad para este tipo de cosntrucciones!

La energía eólica ha sido aprovechada desde hace siglos con el uso de molinos de viento de diversos tipos.

Un molino de viento puede ser acoplado a un generador estándar de autos que producirá un voltaje DC proporcional al cuadrado de la velocidad del viento.

Un regulador de voltaje apropiado se requiere para evitar sobrevoltajes que puedan dañar la batería o la carga.

Conclusiones

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‣ Las energías solar y eólica son medios viables de producir energía alternativa

‣ Se necesitan baterías para almacenar energía y reguladores de carga adecuados.

‣ Estos últimos también son útiles donde haya energía de red pero que no sea confiable.

‣ Los sistemas fotovoltaicos son caros, así que conviene hacer un cálculo cuidadoso de los requisitos mínimos.

‣ Evite el uso de inversores de tensión.

Para más detalles sobre los tópicos presentados en esta charla, vaya al libro Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo, de descarga gratuita en varios idiomas en:

http://wndw.net/

Gracias por su atención

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Véase el Capítulo 7 del libro para obtener información más detallada sobre el material presentado.