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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ZACATENCO INGENIERA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE TENSIÓN PORTÁTIL PARA EQUIPOS DE BAJO CONSUMO, APROVECHANDO LA ENERGÍA LUMINOSA” TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTAN: JOSÉ ANDRÉS AGUIRRE SANTIAGO VÍCTOR CUADROS LOPÉZ KEVIN ENGELBERTH HERNÁNDEZ CRUZ ASESORES: TÉCNICO: ING. HUGO JORGE MACÍAS PALACIOS METODOLÓGICO: M EN C. JESÚS ENRIQUE URBANO NORIEGA
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA ZACATENCO
INGENIERA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR
DE TENSIÓN PORTÁTIL PARA EQUIPOS DE BAJO
CONSUMO, APROVECHANDO LA ENERGÍA
LUMINOSA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO
EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
JOSÉ ANDRÉS AGUIRRE SANTIAGO
VÍCTOR CUADROS LOPÉZ
KEVIN ENGELBERTH HERNÁNDEZ CRUZ
ASESORES:
TÉCNICO: ING. HUGO JORGE MACÍAS PALACIOS
METODOLÓGICO: M EN C. JESÚS ENRIQUE URBANO NORIEGA
iiii
i
Objetivo
Diseñar y construir una fuente de tensión AC, portátil para poder cargar equipos de bajo
consumo como laptops, celulares y tableta, a partir de energía luminosa.
ii
Justificación
Actualmente no existen en el mercado una fuente de CA portátil de bajo costo, que
sirva para la carga de equipos portátiles como tableta, laptops y celulares, usando energía
luminosa,
iii
Resumen
n la actualidad ha ido cambiando la tecnología y cada vez el ser humano se ha
vuelto más dependiente de a esta, tanto es así que se han diseñado aparatos de
primera mano como lo son: Laptops, Smartphone y las Tabletas, pero una gran
problemática que se ha generado en estos dispositivos es la duración de la batería.
El prototipo a realizar se basa en la problemática planteada anteriormente ya que las
investigaciones realizadas se ha comprobado que hay cargadores similares, el problema es
que estos no son universales y están enfocados a los celulares pero de ciertas marcas y no
se engloba a todos los aparatos de primera mano mencionados en el capítulo uno.
De los equipos existentes no son fácil su transportación y son de un costo elevado, además
de que su uso es más industrial que de uso personal. Los productos que se han desarrollado
para uso personal solo cumplen con las características necesarias de los mismos
dispositivos para los que son desarrollados así impidiendo su compatibilidad con otras
marcas.
El diseño del circuito se basó en el uso de una energía luminosa, esto es para que no
depende de la energía eléctrica y se pueda utilizar en cualquier lugar, además contara con
un convertidor de corriente directa a corriente directa reductor y un inverso de corriente
directa a corriente alterna, así como un control de luminosidad el cual orientara la celda
fotovoltaica a donde localice mayor intensidad luminosa, para así obtener una salida optima
de corriente alterna con una potencia suficiente para conectar nuestro dispositivo para su
carga.
Lo que se logró en el prototipo es que fuera portátil y que se tenga un uso fácil para la
gente.
E
iv
Abstract
oday technology has changed and each time the man has become more dependent
on this , so much so they are designed first hand appliances such as: Laptops ,
Smartphone’s and tablets , but a big problem that has been generated in these
devices is the battery .
The prototype to perform is based on the issues raised above and that research has shown
that there are similar chargers, the problem is that these are not universal and are focused
on the cell but not certain brands and encompasses all devices firsthand mentioned in the
chapter one.
Existing equipment are not easy its transportation and high cost are also are more for
industrial use for personal use. The products have been developed for personal uses only
fulfill the necessary characteristics of the same devices that are developed for preventing
and its compatibility with other brands.
The circuit design is based on the use of light energy, this is so is not dependent on
electricity and can be used anywhere, and will feature a power inverter to direct current
reducing direct and inverse direct current to alternating current and brightness control
which guide the photovoltaic cell where the light intensity locate, in order to obtain
optimum output AC with sufficient power to connect our device for charging.
What was achieved in the prototype is to be portable and to be easy to use for people.
T
v
Índice Recapitulado.
OBJETIVO ................................................................................................................................................... I
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................................... II
RESUMEN ................................................................................................................................................. III
ABSTRACT ................................................................................................................................................ IV
ÍNDICE RECAPITULADO. ........................................................................................................................ V
ÍNDICE DE FIGURAS, GRAFICAS, ESQUEMÁTICOS Y TABLAS ...................................................... VII
CAPÍTULO V VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO. ............................................................ VIII
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................... IX
CAPÍTULO I ............................................................................................................................................... 1
ENTORNO HISTÓRICO Y CULTURAL DE TECNOLOGÍAS MÓVILES EN MÉXICO. ......................... 1
1.1 DISPOSITIVOS MÓVILES EN MÉXICO .................................................................................................... 1
1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS DISPOSITIVOS MÓVILES ................................................................... 5
1.3 DURACIÓN DE LA BATERÍA EN PROMEDIO DE LOS DISPOSITIVOS MÓVILES ............................................ 6
1.4 ALTERNATIVAS PARA CARGAR LAS BATERÍAS DE NUESTRO DISPOSITIVO. ............................................... 7
1.5 ENERGÍA ALTERNATIVA. ..................................................................................................................... 9
CAPÍTULO II............................................................................................................................................ 11
DIAGNÓSTICO Y EXPECTATIVAS PARA EL DESARROLLO DEL PROTOTIPO .............................. 11
2.2 CARGADORES PORTÁTILES................................................................................................................. 12
2.3 TECNOLOGÍA USADA EN CARGADORES PORTÁTILES ............................................................................ 12
2.4 DESVENTAJAS DE LOS CARGADORES PORTÁTILES ............................................................................... 14
2.5 CONVERTIDORES DE ENERGÍA SOLAR A CORRIENTE ELÉCTRICA. ......................................................... 14
2.5.1 ¿Que función hace un inversor de voltaje? ................................................................................. 17
CAPÍTULO III .......................................................................................................................................... 18
TEORÍA Y ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES PARA EL PROTOTIPO ............................................ 18
3.1 ENERGÍA SOLAR ................................................................................................................................ 18
3.1.1 Energía fotovoltaica................................................................................................................... 19
3.1.2 Conversión fotovoltaica ............................................................................................................. 20
3.1.3 Creación de las celdas fotovoltaicas ........................................................................................... 21
3.1.4 Tipos de celdas fotovoltaicas...................................................................................................... 22 Silicio Monocristalino .................................................................................................................................. 22 Silicio Policristalino ..................................................................................................................................... 24 Silicio Amorfo .............................................................................................................................................. 25
3.1.5 Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica .................................................................................. 26
3.1.5 Factores que afectan el rendimiento de un panel fotovoltaico. .................................................. 28
vi
3.1.6 Funcionamiento de las celdas fotovoltaicas en días nublados. .................................................... 29
3.2 CONVERTIDOR DE CD-CD ................................................................................................................. 29
3.2.1 Configuraciones básicas de un convertidor conmutado............................................................... 30
3.2.2 Convertidor Reductor (Buck) ...................................................................................................... 30 Análisis del circuito. ..................................................................................................................................... 30 Modo continúo ............................................................................................................................................. 31 Modo Discontinuo ........................................................................................................................................ 33
3.2.3 Convertidor Reductor (Buck) con Circuito Integrado IC ................................................................ 35
3.3 INVERSORES ..................................................................................................................................... 36
3.3.1 Parámetros característicos de un inversor .................................................................................. 37
3.3.2 Diferentes configuraciones de los inversores .............................................................................. 38 Inversor de onda cuadrada (medio puente) ................................................................................................. 38 Inversor de onda cuadrada (puente completo) ............................................................................................ 40 Inversor multinivel ...................................................................................................................................... 42 Topologías de un inversor multinivel ........................................................................................................... 43
3.4 CONTROL DE LUMINOSIDAD. ............................................................................................................. 43
3.4.1 Circuito comparador por cruce por cero con amplificador operacional ....................................... 44
3.4.2 Transistor como interruptor ....................................................................................................... 45
3.5 BATERÍA (RESPALDO). ........................................................................................................................ 45
3.5.1 Conceptos básicos sobre baterías. .............................................................................................. 46
3.5.2 Características que definen el comportamiento de una batería. .................................................. 46
3.5.3 Vida de la batería. Numero de Ciclos. Efecto memoria. ............................................................... 47
CAPÍTULO IV .......................................................................................................................................... 50
DISEÑO DEL PROTOTIPO “GENERADOR DE AC PORTÁTIL” ..................................................... 50
4.1 CIRCUITO CONTROL DE LUMINOSIDAD. ............................................................................................. 50
4.1.1 Cálculos para el control de luminosidad ..................................................................................... 50
4.2 DISEÑO DEL REGULADOR. ................................................................................................................. 51
4.3 CIRCUITO INVERSOR DE DC A AC. ....................................................................................................... 54
4.4 ESTÁNDARES INTERNACIONALES. ...................................................................................................... 57
CAPÍTULO V ............................................................................................................................................ 62
VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO....................................................................................... 62
5.1 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA. TABLA 4-3 ............................................................................................... 62
CONCLUSIONES ..................................................................................................................................... 64
GLOSARIO .............................................................................................................................................. 65
ACRÓNIMOS .......................................................................................................................................... 68
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................................... 70
PÁGINAS WEB........................................................................................................................................ 71
ANEXOS................................................................................................................................................... 72
vii
Índice de Figuras, Graficas, Esquemáticos y Tablas Capítulo I Entorno Histórico y Cultural de Tecnologías en México.
Figura 1.1 Dispositivos móviles son de fácil movilidad.
Figura 1.2 Dispositivos móviles:
a) Laptop.
b) Videojuegos (PSP). Figura 1.3 Dispositivos móviles que poseen los 2037 encuestados.
Figura 1.4 Tipos de dispositivos de los suscriptores y tipos de planes tarifarios.
Figura 1.5 Impacto de dispositivos móviles en el mercado Device Ownership (Propiedades de los
Dispositivos).
Figura 1.6 Principal desventaja de un dispositivo móvil.
Figura 1.7 Duración de la batería en minutos entre los mejores Smartphone dependiendo el uso que se le dé,
y el tiempo de carga de las baterías. Call time (Tiempo en Llamadas), Internet Use (Uso en internet),
Charging time (Tiempo de Carga)
Figura 1.8 Centro de Carga de Móviles.
Figura 1.9 Batería Externa para IPhone.
Figura 1.10 Cargador Solar Universal Figura 1.11 Panel Fotovoltaico.
Capítulo II Diagnostico y Expectativas para el Desarrollo del Prototipo.
Figura 2.1 Batería de laptop.
2.1 Diagrama a bloques de cargador portátil.
2.2 Diagrama a bloques de un convertidor de energía solar a energía eléctrica.
Figura 2.2 Inversor Comercial.
Capítulo III Teoría y Análisis de los Componentes para el Prototipo
Figura 3.1 Representación de los Tres tipos de Radiación.
Figura 3.2 Circuito básico de conversión de energía solar en una celda fotovoltaica.
Figura 3.3 Evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas durante los últimos 32 años. (Checar la
organización de esta imagen)
Figura 3.4 Cristalización por el método Czochralski. Figura 3.5 Celdas monocristalinas.
Figura 3.6 Celdas policristalina.
Figura 3.7 Celda amorfa.
Figura 3.8 Sistema fotovoltaico conectada a la red eléctrica.
Figura 3.9 Sistema fotovoltaico autónomo.
Tabla 3-1 Impactos y beneficios de los sistemas FV conectados a red.
Figura 3.10 Variación de intensidad y tensión con la radiación y la temperatura según potencia nominal.
Figura 3.11 Esquema Básico de un convertidor reductor (Buck).
Figura 3.12 Estados de operación.
Figura 3.13 Formas de onda de corriente y voltaje en un convertidor reductor (Buck) operando en modo
continuo.
Figura 3.14 Formas de onda de corriente y voltaje en un convertidor reductor (Buck) operando en modo
discontinuo.
Figura 3.15 Esquema básico del convertido reductor (Buck) con circuito integrado.
Figura 3.16 Inversor medio puente:
a) Circuito inversor medio puente,
b) Formas de onda de un circuito inversor medio puente.
Figura 3.17 Inversor puente completo:
a) circuito inversor puente completo,
b) Formas de onda de un circuito inversor puente completo. Tabla 3-2 Estados de los interruptores en puente completo
Figura 3.18 Elementos Necesarios para un Inversor Multinivel.
Figura. 3.19 Símbolo del Amplificador Operacional en modo comparador por cruce por cero.
Figura. 3.20 Grafica de los voltajes de saturación del Amplificador en comparador en cruce por cero.
viii
Figura 3.21 Composición practica de una batería estacionaria de plomo-acido tubular, específica para
instalaciones fotovoltaicas. Capítulo IV Diseño del Prototipo “Generador de AC Portátil”
Diagrama 4.1 Control de luminosidad, para captar la mayor incidencia de rayos generados por el sol.
Diagrama 4.2 Convertidor Buck con circuito integrado.
Diagrama 4.3 Circuito PWM
Diagrama 4.4 Inversor DC a AC.
Figura 4.1 Logotipo de IPC.
Tabla 4-1 Normas publicadas por IPC.
Tabla 4-2 Normas publicadas por IPC.
Capítulo V Viabilidad económica del proyecto.
Tabla 4-3 Costos
ix
Introducción
entro de la electrónica el desarrollo de fuentes de alimentación es un tema de
suma importancia debido a la incontable cantidad de aplicaciones que necesitan
del uso de estos dispositivos para su funcionamiento. Entre las múltiples
aplicaciones se pueden encontrar fuentes de alimentación de computadoras, cargadores de
baterías para teléfonos portátiles, en fin, de cualquier dispositivo portátil, las cuales
dependen de un tomacorriente fijo.
Dentro de este sinfín de aplicaciones también podemos encontrar fuentes de alimentación a
un nivel más grande, el cual es generado con energía alternativa tales como paneles solares
y energía eólica, la cual se orienta a un uso doméstico o industrial.
El uso más frecuente de dispositivo móviles, nos ha llevado a un inconveniente, que la
batería de nuestro aparato se agote en lugares inesperados en donde no exista un contacto
eléctrico para poder conectar nuestro dispositivo para su recarga.
Actualmente en el mercado no existe un generador de corriente alterna de bajo costo y fácil
portabilidad para cargar equipos como celulares, laptops, tableas, iPod, etc.
El prototipo a desarrollar se basara en aplicaciones de electrónica de potencia, fuentes de
energía alternativa, que tendrán como finalidad una fuente de tensión portátil de bajo costo
para la carga de equipos de bajo consumo, para usarla en cualquier lugar y prácticamente
sea universal.
D
1
Capítulo I
Entorno Histórico y Cultural de Tecnologías Móviles en
México.
Las personas en la actualidad dependen prácticamente de los dispositivos móviles, por el gran
aumento de aplicaciones y programas informáticos. Con ello nos vemos en la necesidad de saber,
cual es el estado actual y futuro de estas tecnologías en México.
1.1 Dispositivos móviles en México
Los dispositivos móviles son aparatos electrónicos de pequeño tamaño y reducido peso,
cuentan con las siguientes características1 como:
Capacidades especiales de procesamiento.
Conexión permanente o intermitente a una red.
Memoria limitada.
Diseños específicos para una función principal y versatilidad para el desarrollo de
actividades específicas.
Tanto su posesión como su operación se asocia al uso individual de una persona, la
cual puede configurarse a su gusto.
Una característica importante es el concepto de movilidad, los dispositivos móviles son
pequeños para poder portarse y ser fácilmente empleados durante su transporte. Figura 1.1
1 http://revista.seguridad.unam.mx/numero-07/dispositivos-m%C3%B3viles
2
Figura. 1.1 Dispositivos moviles son de facil movilidad.
En muchas ocasiones pueden ser sincronizados con algun sistema, o programa informatico
para actualizar aplicaciones y datos. Otra caracteristica con la que la mayoria cuentan es la
facilidad con la que se pueden conectar a una red inalambrica, estos dispositivos se
comportan como si estuvieran directamente conectados a una red atravez de un cable,
dando la impresión al usuario que los datos estan almacenados directamente en la memoria
del dispositivo movil. Algunos dispositivos considerados como moviles son los siguientes:
Sistemas de television e internet (WebTV).
Organizadores
Tabletas
Telefonos Celulares Inteligentes
Laptops
Notebook
Reproductores MP3
Ipod
Consolas de Videojuegos de Septima y Octava Generacion.
a) b)
Figura. 1.2 Dispositivos moviles a) Laptop b) Videojuego (PSP).
3
El consumo de servicios ofrecidos en Internet y la facilidad de conectarse en cualquier parte
por medio del pago de un plan de datos, ha provocado que los dispositivos móviles
(Laptops, Celulares, Tabletas, Smartphone, PSP´s) reemplacen en los hogares a las
computadoras de escritorio. Una encuesta realizada por la empresa MillwardBrown2,
empresa dedicada a Comunicaciones de Marketing, medio digital e investigaciones de
equidad de marcas, realizo 2037 encuetas durante Febrero y Marzo de 20123, esto con el fin
de realizar un estudio de usos y hábitos de dispositivos móviles en los Mexicanos. A través
de estas entrevistas se obtuvo que 921 personas se conectan a internet a través de sus
dispositivos móviles, y 1116 personas no se conectan a internet a través de sus dispositivos
móviles.
La base cuenta con un error estándar máximo del 8%. Otro dato muy importante obtenido
con la encuesta es que tipo de dispositivos poseen, esta encuesta abarco solo dispositivos de
telefonía móvil, con capacidad en ellos de instalar alguna aplicación4. Figura.1.3
Figura. 1.3 Dispositivos moviles que poseen los 2037 encuestados.
De acuerdo al Instituto Nacional de Estadísticas y Geografía (INEGI), en México por cada
100 habitantes 84.2 cuenta con una suscripción a telefonía móvil, datos actualizados el 22
de Octubre del 2012, con lo que en términos generales se aproxima que tres cuartas partes
de la población total en México cuentan con un dispositivo móvil. Comisión Federal de
Telecomunicaciones (COFETEL) en el Primer Trimestres del 2012 tiene en su base de
2 Es una compañía global centrada en las marcas, medios y comunicaciones. Es parte del Grupo Kantar , la división ideas de WPP plc ,
y la segunda mayor organización de investigación de mercado del mundo después de Nielsen Company . 3 http://iabmexico.com/usosyhabitos_mobile
4 http://iabmexico.com/usosyhabitos_mobile
4
datos que del total de suscriptores que existen en México, el 83% cuenta con un celular y
el 17% con un Smartphone5.
El tipo de planes de Pago en México prácticamente se divide en dos formas Planes de
Prepago con el 85% y Planes tarifarios con el 15%. Figura 1.4
Figura 1.4 Tipos de dispositivos de los suscriptores y tipos de planes tarifarios.
La propiedad de ordenadores se está estancando, cuando se analizan los dispositivos usados
por los consumidores, se observa saturación del mercado de los ordenadores del 70 %, en
los últimos 2 años, los Smartphone ya han superado el 50% de penetración, las tabletas el
30%6. Figura 1.5, esto a consecuencia del aumento de las propiedades y funciones en los
dispositivos móviles.
Figura 1.5 Impacto de dispositivos móviles en el mercado. Device Ownership (Propiedades de los Dispositivos).
5 http://es.slideshare.net/iabmexico/estudio-de-usos-y-hbitos-de-dispositivos-mviles-en-mxico-2012
6 http://blogthinkbig.com/tendencias-dispositivos-moviles-2013/
5
Figura 1.6 Principal desventaja de un dispositivo móvil
A pesar de esto aún son mayoría los consumidores que aun acceden a internet desde un
ordenador portátil, que desde una tableta, los usuarios con ordenador portátil que visitan
páginas de internet son el doble que los de tabletas. Los ordenadores tiene una tradición de
aproximadamente 30 años de uso por parte de los consumidores, así que resulta
sorprendente que hoy sean el dispositivo preferido para usar internet, aunque haciendo la
analogía, las tabletas tienen menos tiempo de estar en el mercado y se está empezando a ser
parte de una moda y una nueva cultura.
Los usuarios que tienden a usar una tableta o dispositivos móviles, tiene actividades
concretas como revisar el correo, redes sociales y navegar por internet, contrario a usuarios
que tienen alguna profesión específica, y desarrollan necesidades o actividades diferentes,
como consultar o actualizar bases de datos, procesar textos, realizar análisis estadísticos por
lo que los ordenadores seguirán siendo la principal herramienta informática.
1.2 Ventajas y desventajas de los dispositivos móviles
Los dispositivos móviles existen de varias gamas, todos con diferentes funciones, el que
determina el valor agregado al producto es el usuario pues es quien determina cual equipo
comprara y para qué fin, la mayoría de los usuarios que tienen dispositivos móviles
principalmente tienen como ventaja que es un buen medio de comunicación, ya sea por red
telefónica o vía internet a través de alguna aplicación que permita una mejor interfaz entre
el usuario y el dispositivo, permiten una comunicación de índole familiar, amigos laborales
etc.
6
Además cuentan con otras funciones que permiten el entretenimiento, organizar actividades
durante el día, escuchar música, ver videos, redes sociales, además cuando se cuenta con
una conexión a internet se pueden tener muchas más ventajas, puede ser una herramienta
para buscar información, nuevas aplicaciones médicas, estar al día en noticias, revisar el
correo etc. Con el buen empleo de un dispositivo todo puede ser favorable aunque con el
tiempo pueden convertirse en un distractor, pues dichos dispositivos entran a ser parte de
nuestra vida diaria.
También existen desventajas, que por más que se trate de elegir el mejor dispositivo estos
siempre están ligados a ellos, como lo es la memoria insuficiente, aplicaciones de alto
costo, la vida útil del dispositivo, pero la desventaja aun mayor es que aunado a la gran
frecuencia de uso es inevitable el agotamiento de la batería, pues en el sentido figurado es
el que le da vida al dispositivo, si el equipo no está cargado, no importa que tantas
aplicaciones se tengan, o con qué facilidad se pueda tener acceso a internet, hasta hacer una
simple llamada sería imposible, pues el dispositivo no tendría ninguna función disponible.
1.3 Duración de la batería en promedio de los dispositivos móviles
El principal problema de los dispositivos móviles es la duración de su batería, debido a la
implementación de más y mejores funciones o aplicaciones de última tecnología, ya que
estas funciones o aplicaciones hacen que los dispositivos móviles seas más usados por los
usuarios, desafortunadamente las tecnologías de fabricación y diseño de baterías no va a la
par con el uso de los dispositivos móviles.
En promedio una batería tiene una duración de carga, durante una llamada telefónica
aproximadamente 8 horas, durante la navegación en la web aproximadamente de 5 horas y
durante la producción de un video aproximadamente de 7 horas estos son algunos ejemplos,
como es de saberse mientras el dispositivo este encendido está consumiendo energía, con lo
que en promedio una batería dura aproximadamente 7 horas.
Cada año los fabricantes más importantes del mundo, hacen nuevos diseños tratando de
reducir el tamaño de las baterías y así establecer nuevos records en el diseño de
Smartphone y tabletas, las investigaciones se enfocan en el tamaño solamente y no en
7
aumentar su capacidad de carga, los nuevos diseños mejoran las capacidades de los
procesadores y pantallas con lo cual hacen un mayor consumo de la batería, como ejemplo
se muestra una tabla comparativa entre los Smartphone más reconocidos7. Figura 1.7
1.4 Alternativas para cargar las baterías de nuestro dispositivo.
Actualmente con los diversos dispositivos móviles que encontramos en el mercado, una
problemática que surge es la duración de su batería, para esa problemática se han tomado
7 http://blogs.which.co.uk/technology/smartphones/which-smartphone-has-the-best-battery-life/
Figura 1.7 Duración de la batería en minutos entre los mejores Smartphone dependiendo el uso que se le dé, y el tiempo
de carga de las baterías. Call time (Tiempo en Llamadas), Internet Use (Uso en internet), Charging time (Tiempo de
Carga)
8
medidas para solucionar el problema antes mencionado. Una de las soluciones para resolver
esta problemática ha sido colocar un centro de recarga de batería gratuita o de costo en
plazas públicas para sus usuarios, el cual consta de una terminal que contiene distintos tipos
de conexiones para nuestros dispositivos móviles y así poder cagar nuestro aparato un
cierto tiempo, por si nuestra batería sea descargado. Figura 1.8
Figura 1.8 Centro de Carga de Móviles.
También distintos fabricantes han desarrollado diversos accesorios para ampliar la duración
de la batería y así no se agote tan rápidamente.
Para el caso de los dispositivos de Apple como el IPhone, distintos fabricantes han
desarrollado una funda con una batería externa la cual duplica el tiempo de uso del teléfono
IPhone. Figura 1.9
Figura 1.9 Batería Externa para IPhone.
Un fabricante más desarrolla un cargador portátil universal, la ventaja de este es que usa
una energía renovable, Energía Solar, el único inconveniente son sus voltajes que son de 5
y 9 volts. Figura 1.10
9
Figura 1.10 Cargador Solar Universal.
1.5 Energía Alternativa.
En la actualidad se han podido generar diversas fuentes de energía renovable pero algunas
pocas son portátiles. Se denomina energía alternativa a la energía que se obtiene de fuentes
naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que
contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Algunas energías
renovables son:
Energía hidráulica
Energía solar térmica
Biomasa
Energía solar
Energía eólica
Energía geotérmica
Se podría decir que la energía solar es una de las energías con mayor auge, ya que es fácil
de obtener, y su manejo de la misma no es tan complejo, por eso se ha usado en
aplicaciones industriales, de hogar y personal, aunque algunas de sus desventajas es el
costo de una instalación fotovoltaica, pero suele ser aplicada en lugares donde es difícil que
se tenga una red eléctrica de donde poder obtener energía eléctrica Figura 1.11
10
Figura 1.11 Panel Fotovoltaico.
11
Capítulo II
Diagnóstico y Expectativas para el Desarrollo del Prototipo
Una vez revisado el panorama de tecnologías existentes en cargadores y fuentes de energía
solares, es necesario diagnosticar el panorama para saber el impacto del prototipo en el
mercado.
2.1 La necesidad de un generador portátil
Nuestras vidas se están llenando de dispositivos móviles que van desde un Smartphone
hasta computadoras portátiles. Estos dispositivos se han convertido en herramientas muy
poderosas, ya que por su portabilidad las podemos transportar con mayor facilidad para
usarlas en investigaciones de campo y aun mas que no las necesitamos tener conectadas a
un contacto eléctrico. Aun teniendo diferentes funciones, estos aparatos tienen algo en
común las baterías recargables. Por lo cual existe un problema, la descarga de las mismas
anidado a esto que suceda en lugares inesperados, donde no se cuente con un contacto
eléctrico.
Figura 2.1 Batería de Laptop
Debido a la problemática que nos quedemos sin batería realizando una actividad
importante, se ha pensado diseñar y construir un dispositivo capaz de generar corriente
alterna, usando energía solar.
12
Actualmente en el mercado podemos encontrar sistemas de esta índole que a partir de
energía solar la transforman a energía eléctrica, esta aplicación la encontramos en hogares e
industrias que la utilizan como energía alternativa. Estos aspectos nos llevan a que esta
tecnología la han orientado hacia aplicaciones grandes, por ello el gran tamaño de estos y
de un costo elevado, por lo tanto es difícil de transportar de manera personal y adquirirlo.
Por eso se ha pensado en desarrollar un dispositivo capaz de usar esa tecnología pero en
aplicaciones más pequeñas y fácil portabilidad para la cargar de equipos de bajo consumo y
aun costo razonable para la población en general.
2.2 Cargadores portátiles
Los cargadores portátiles que se han diseñado para esta tecnología móvil, se han basado en
los estándares de carga de los dispositivos actuales de 5 volts o 9 volts lo cual parecería que
está hecho para un dispositivo en específico como IPhone, IPod, Nextel, Nokia etc. Estos
cargadores de Smartphone como se conocen en el mercado se han orientado a voltajes de
dispositivos móviles dejando a un lado una Laptop, Notebook, Tableta u otro dispositivo
que no entre con ese requerimiento de carga.
2.3 Tecnología usada en cargadores portátiles
Los cargadores portátiles se encuentran en varios tipos y con diferentes características
nombraremos una pequeña clasificación de los mismos:
Cargador Portátil Basado en Baterías.
Cargador Portátil Solar.
Cargador Solar con Batería Recargable.
Esta clasificación nos da como resultado ver las diferentes versiones de un cargador portátil
y su tecnología usada. Pero de la siguiente clasificación podemos decir que la única
diferencia son las baterías utilizadas. Los cargadores mencionados podemos definir sus
etapas como lo muestra el siguiente diagrama:
13
2.1 Diagrama a bloques de cargador portátil.
Como podemos observar el proceso de los cargadores se define por cuatro etapas. La
primera etapa consta de una fuente de alimentación, para esta etapa las fuentes son:
Baterías
Celdas solares.
Estos dos dispositivos son los más utilizados por ser prácticos para la aplicación. En el
segundo bloque hablamos de un estabilizador de carga que consta de circuitos de fin
específicos como:
Convertidor Elevador.
Convertidor Reductor.
Circuito Elevador.
Circuito Recortador.
Estos circuitos hacen la función de tener un voltaje y corriente fija a la salida sin importar
las variaciones que presente la entrada.
En la tercer etapa consta de tener un respaldo de batería algunos cargadores las tienes otros
no, esto depende del modelo o tipo del cargador que sea. Su funcionamiento es sencillo
consta de un circuito para la recarga de una batería. En el último bloque tenemos una salida
regulada y capas de alimentar a nuestro dispositivo móvil, algunos cargadores han
Fuente de alimentación
Estabilizador de carga
Respaldo de batería
Terminal de salida
14
manejado una sola salida fija ya sea 5 ó 9 volts en otros casos presentan las dos y para
hacerlo más universal cuenta con un kit de conectores para las distintas marcas.
Todas las características mencionadas anteriormente dependen según el fabricante nos
presente el equipo y sus diferentes versiones de los mismos.
2.4 Desventajas de los cargadores portátiles
En la actualidad los cargadores portátiles desarrollados son por los propios fabricantes de
los dispositivos y por algunos otros fabricantes que compiten en el mercado con la misma
tecnología, pero estos cargadores cuando dependen del mismo fabricante solo son para sus
propios dispositivos móviles desarrollados, sin embargo cuando los desarrolla otro
fabricante los hace un poco más universal abarcando más de un deposito pero estos mismos
deben de ser de un mismo estándar de carga sea 5v o 9v.
Estos cargadores se han orientado un poco más a los dispositivos móviles conocidos como
Gadgets8 dejando a un lado equipos portátiles como Laptops, Notebook, entre otros que no
contienen el estándar de los voltajes trabajados.
2.5 Convertidores de energía solar a corriente eléctrica.
En la actualidad las energías alternativas se usan cada vez más, una de las tecnologías que
más ha sobresalido es la energía solar porque se está aplicando para generar energía
eléctrica.
Este uso se da gracias a la tecnología aplicada en los paneles fotovoltaicos que pasan la
energía luminosa a energía eléctrica, pero se ha aplicado esto a hogares e industrias para un
mayor ahorro de energía y así evitar los problemas ambientales y económicos. Estos
generadores de corriente eléctrica son sistemas más completos a comparación de un
cargador móvil en el siguiente diagrama a bloques vemos sus partes fundamentales:
8 Según la etimología popular, su acuñación se remonta a 1884-85 por la empresa Gaget, Gauthier & Cia, encargada de la fundición de la Estatua de la
Libertad que, al acercarse la fecha de la inauguración, quería algo de publicidad y comenzó a vender reproducciones de la famosa dama a pequeña escala
15
2.2 Diagrama a Bloques de un convertidor de Energía Solar a energía Eléctrica.
En la primera etapa vemos que nuestra fuente de alimentación es un panel fotovoltaico
están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad
Estas celdas dependen del efecto fotoeléctrico, el cual consiste en la emisión de electrones
que se producen cuando la luz incide sobre cierta superficie. En el caso de la energía solar
fotovoltaica estas superficies son células formadas por una o varias láminas de material
semiconductor, en la mayoría de los casos silicio, y recubierta por un vidrio transparente
que deja pasar la radiación solar y minimiza las perdidas9.
Silicio cristalino y arseniuro de galio son la elección típica de materiales para celdas
fotovoltaicas. Los cristales de arseniuro de galio son creados especialmente para uso
fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes estándar más
baratos producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El
silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero también menor costo.
Los diez mayores productores de paneles fotovoltaicos (por MW10
) en 2011 fueron.
9 http://www.sunedison.com.mx/energia-solar-fotovoltaica/ 10
M es el símbolo del prefijo mega 106(un millón). La potencia eléctrica se representa por el Watt es una unidad que se emplea en el
Sistema Internacional de Unidades (SI), y que se escribe con el símbolo W.
Panel Fotovoltaico
Controladores de carga
Batería Inversor
Salida de CA
16
En la siguiente etapa consta de un controlador de carga junto con circuitos de fin específico
como:
Convertidor Elevador.
Convertidor Reductor.
Circuito Elevador.
Circuito Recortador.
Circuito Controlado por Microcontrolador.
Los controladores de carga son un componente fundamental de cualquier sistema
fotovoltaico fuera de la red eléctrica, es decir que utilice baterías para el almacenamiento de
energía.
La principal función de un controlador de carga es proteger a las baterías de una posible
sobrecarga proveniente de los paneles solares, controlando el voltaje y la corriente que los
paneles fotovoltaicos entregan a la batería. Asimismo evitan la descarga excesiva de la
batería, lo que puede resultar en un daño permanente de la misma.
El uso de un controlador de buena calidad es esencial para la integridad del sistema
fotovoltaico y para maximizar la vida útil de las baterías.
En la tercera etapa encontramos las baterías ya que las instalaciones de energía fotovoltaica
con almacenamiento en baterías se utilizan en todo el mundo para proporcionar la potencia
necesaria para cualquier aparato que funcione con electricidad. Las instalaciones de energía
fotovoltaica con baterías funcionan conectando paneles fotovoltaicos a una o varias
baterías.
6. Suntech.
7. First Solar.
8. Sharp Solar.
9. Yingli Solar.
10. Trina Solar.
1. Canadian Solar.
2. Hanwha SolarOne.
3. SunPower.
4. Renewable Energy Corporation
5. SolarWorld.
17
La función prioritaria de las baterías en un sistema fotovoltaico es la de acumular la energía
que se produce durante las horas de sol para poder ser utilizada en la noche o durante
periodos prolongados de mal tiempo. Para aplicaciones de energía renovable se recomienda
el uso de baterías de ciclo o descarga profunda.
Una batería de ciclo profundo está diseñada para proveer una cantidad constante de
corriente durante un período de tiempo largo. Se pueden descargar más profundamente de
manera consecutiva y sus placas son de mayor grosor. Con un mantenimiento adecuado
suelen durar de 4 a 5 años.
En el penúltimo bloque encontramos los inversores que convierten la corriente continua
(CC) en corriente alterna (AC). Este cambio de corriente es necesario ya que la gran
mayoría de los equipos eléctricos presentes en hogares y oficinas requieren de corriente
alterna para su funcionamiento.
2.5.1 ¿Que función hace un inversor de voltaje?
Cuando se tiene un voltaje regulado este es continua y para que los dispositivos que
queramos cargar usen su propio cargador, estos necesitan de corriente alterna. Para
convertir dicha corriente de CC a CA se hace el uso de un convertidor, dicho circuito nos
entregara a la salida una corriente alterna, con una frecuencia de 60 Hz y voltaje de120, que
son los requerimientos que se emplean en el continente Americano, para el Continente
Europeo se maneja una salida en CA de 240 a 50Hz o 60Hz.
Figura 2.2 Inversor Comercial.
18
Capítulo III
Teoría y Análisis de los Componentes para el Prototipo
Como se analizó en el capítulo anterior, los cargadores que se han desarrollado no siempre
cumplen con el panorama planteado, ya sea porque esta diseñados a un dispositivo en
específico, por su costo elevado o por su gran tamaño. Como primera instancia se procederá
a analizar los componentes necesarios para desarrollar nuestro prototipo.
3.1 Energía solar
La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación
electromagnética procedente del Sol.
Según como llegue la luz solar a la superficie de la tierra, podemos clasificar a la radiación
en tres tipos: directa, dispersa o difusa y reflejada.
1. La radiación directa es la que incide sobre cualquier superficie con un ángulo único
y preciso.
2. La radiación dispersa o difusa es aquella en la cual los gases y partículas de la
atmosfera pueden desviar la energía solar.
3. La radiación reflejada o albedo es la fracción de la radiación reflejada por la
superficie de la tierra o cualquier superficie.
La radiación total se representa con la siguiente fórmula:
19
Figura 3.1 Representación de los Tres tipos de Radiación.
Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas en función de la forma
en que capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen
el uso de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos para recolectar la energía. Entre las
técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura
bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa
térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de
espacios mediante ventilación natural. La fuente de energía solar más desarrollada en la
actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista
Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la
población mundial en 2030. Actualmente, y gracias a los avances tecnológicos, la
sofisticación y la economía de escala, el costo de la energía solar fotovoltaica se ha
reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras celdas solares
comerciales, aumentando a su vez la eficiencia, y su costo medio de generación eléctrica ya
es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de
regiones geográficas, alcanzando la paridad de red. Otras tecnologías solares, como la
energía solar termoeléctrica está reduciendo sus costos también de forma considerable.
3.1.1 Energía fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable obtenida directamente a
partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado celdas
fotovoltaicas. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de
celdas FV e instalaciones ha avanzado considerablemente en los últimos años.
20
3.1.2 Conversión fotovoltaica
La conversión fotovoltaica (FV) es el proceso mediante el cual se convierte directamente la
luz del sol en electricidad, por medio de celdas FV. El primer dispositivo FV fue
demostrado por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel11, en el año de 1839. En sus
experimentos, Bequerel encontró que cuando ciertos materiales eran expuestos a la luz,
producían una diferencia de potencial y al conectarlos con una carga externa se generaba
una corriente eléctrica, a este fenómeno se le denominó el efecto fotovoltaico, sin embargo,
el entendimiento, dominio y uso de dicho fenómeno, tuvo que esperar hasta que se dieran
otros avances científicos y tecnológicos relacionados con la física cuántica y los
semiconductores, durante el siglo XX. Cuando la radiación luminosa en forma de fotones
es absorbida por los semiconductores se generan, pares de portadores de carga eléctrica,
electrones y huecos, los cuales deben de ser separados para poder usar la energía que cada
uno representa. Estos portadores generados viajan hacia la unión en donde son separados
por el efecto del campo eléctrico, esta separación envía los electrones generados a la capa n
y los huecos generados a la capa p creando con esto una diferencia de potencial entre la
superficie superior e inferior. La acumulación de las cargas en las dos superficies de la
celda FV da como resultado un voltaje eléctrico.
Figura 3.2 Circuito Básico de Conversión de Energía Solar en una celda fotovoltaica.
11
Fue un físico Francés que estudio el espectro solar, magnetismo, electricidad y óptica, es conocido por su trabajo en la luminiscencia
y la fosforescencia, descubridor del efecto fotovoltaico, fundamentalmente para las células foto-electrónicos en 1839..
21
Bajo condiciones de circuito abierto el efecto fotovoltaico genera una diferencia de
potencial entre la parte superior e inferior de la estructura, en cambio en condiciones de
corto circuito este genera una corriente eléctrica que va desde la parte positiva a la negativa.
3.1.3 Creación de las celdas fotovoltaicas
Las celdas FV, se fabrican con materiales semiconductores, los cuales actúan como
aislantes a bajas temperaturas, pero también pueden ser conductores cuando son expuestos
al calor o a la energía lumínica. La primera celda FV moderna se fabricó en 1941, con una
eficiencia de conversión del 1%. La empresa americana Western Electric fue la primera en
comercializar celdas FV en 1955 y las primeras aplicaciones prácticas de estos dispositivos
se dieron en satélites artificiales. La utilización de módulos FV para aplicaciones terrestres
se comenzó a dar a mediados de la década de los setenta.
La tecnología más avanzada para la fabricación de celdas FV es la basada en silicio, el cual
es el material más abundante en la tierra; sin embargo, requiere ser sometido a un proceso
de refinación y crecimiento de grandes mono o policristales, que a su vez se cortan en
obleas delgadas de 200 micras, las cuales son el material base en la fabricación de celdas
FV. La refinación del silicio es costosa y altamente demandante de energía, de hecho,
durante el proceso de cortado se desperdicia mucho material, que para ser reutilizado
requiere reprocesamiento de alto costo. No obstante, hoy en día las celdas fotovoltaicas de
silicio son las que dominan el mercado, contabilizando alrededor del 90% de los módulos
que se fabrican en el mundo.
Las celdas FV que se fabricaban a mediados de los setentas, tenían eficiencias de tan solo
1% .La Figura 3.3 muestra la evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas de
laboratorio, probadas bajo condiciones controladas para diferentes tecnologías y materiales.
También se observa que durante el año 2007, Spectrolab reportó eficiencias cercanas al
40%, con celdas de tecnología multi-unión a concentración12. La tendencia actual en la
fabricación de celdas fotovoltaicas es la nanotecnología, como una opción para obtener
celdas más eficientes y más baratas. Recientemente, la empresa General Electric hizo el
anuncio de la obtención de una celda FV de silicio de nano-alambres, con una eficiencia del
12
http://www.nrel.gov/ncpv/
22
18% (Tsakalakos et al, 2007). Por su parte, los Laboratorios Nacionales de Energías
Renovables (NREL) de los Estados Unidos, anunciaron en abril del mismo año la
obtención de una celda de película delgada de Cobre-Indio-Selenio, en la cual reportan
haber alcanzado una eficiencia de conversión de 19.9%. Más tarde, la empresa SunPower
anunció en el mes de mayo la obtención de una celda de silicio de 161 cm2, con una
eficiencia del 23.4%.
3.1.4 Tipos de celdas fotovoltaicas
Las celdas FV de silicio pueden construirse de cristales monocristalinos, policristalinos o
amorfos que más adelante hablaremos a detalle de ellos.
La eficiencia es el porcentaje de luz solar que transforma en electricidad ya que depende de
los diferentes tipos de cristales antes mencionados.
Silicio Monocristalino
Las celdas solares monocristalinos son de una
pureza muy elevada y tienen una estructura
cristalina casi perfecta. Estas se obtienen a
partir del silicio muy puro que se funde en un
crisol a una temperatura de unos 1400°C junto
con una pequeña proporción de boro (B), ya
que se tiene esta mezcla en estado líquido se
le introduce una varilla de silicio que va
haciendo recrecer de nuevo los átomos que se
ordenan siguiendo la estructura de un cristal.
Después de este proceso de 8 horas se obtiene
un monocristal dopado con cierta carencia de
electrones tipo p y esta forma de obtención se llama el método Czochralski.
Figura 3.4 Cristalización por el Método Czochralski.
23
Figura 3.3 Evolución de las Eficiencias de las Celdas Fotovoltaicas Durante los últimos 32 años
24
Estos paneles se introducen en hornos especiales dentro de los cuales se inducen átomos de
fosforo que se depositan en una cara y con este tratamiento se crea la unión p-n. Con esta
diferencia que se tiene se produce un campo electromagnético que se encarga de mover los
electrones de la capa n lo que conlleva el establecimiento de una corriente eléctrica.
El material del que están constituidos los electrodos suelen ser aleaciones de diversos metales
unos ejemplos son: la plata, titanio, paladio, cobre, aluminio, etc. que varían en función del tipo
de la celda FV que se fabrique. Los procedimientos más usados para la creación de los contactos
son los serigráficos dado por su bajo costo de producción. En la capa inferior el metal suele
extenderse y formar una malla metálica muy tupida. Además se recubre con un tratamiento anti-
reflexivo de bióxido de titanio o zirconio.
Este proceso es muy costoso y se requiere de mucha energía aunque se obtiene el cristal más
eficaz, con un rendimiento aproximado de 15 al 18%. Estas celdas se distinguen por su color azul
homogéneo o negro y se garantiza hasta 25 años.
Figura 3.5 Celdas Monocristalinas.
Silicio Policristalino
Esta se obtiene de manera similar solo que este se obtienen de un moldeo a partir de pasta de
silicio la cual es fundida y vertida en un molde donde se deja asentar lentamente y se obtiene un
sólido formado por muchos pequeños cristales. Su color con el que se caracteriza este tipo de
celdas es de diferentes tonalidades de azul.
25
El rendimiento de estas celdas se tiene entre 12 a 14% y tiene un menor costo, sé ha contribuido
a aumentar su uso, la garantía de esta puede ser de hasta 20 años.
Figura 3.6 Celdas Policristalina.
Anteriormente las celdas no eran cuadradas ya que el cristal era puro tenía su sección circular,
actualmente son casi cuadradas donde las esquinas tienen los vértices a 45°. Con la forma
cuadrada permite un mayor número de celdas para que se pueda aprovechar la radiación.
Silicio Amorfo
Este tipo de celda pertenece al grupo anteriormente mencionado, ya que son las celdas flexibles y
de menor costo. Este silicio es de una forma no cristalina con defectos en los enlaces atómicos, en
su proceso de creación se le inyecta hidrogeno que su función es saturar los huecos de la red ya
que con esto permite a los electrones moverse a través del silicio. El proceso de producción es
relativamente simple, barato y en él se consume poca energía lo que hace posible la producción
de estas celdas a gran escala. Tiene dos desventajas:
1. Baja conversión comparada con los otros dos tipos
2. Tienen un proceso de degradación en los primero meses de funcionamiento, reduciendo
su eficacia a lo largo de la vida útil.
Estas celdas su garantía es de 10 años dependiendo del fabricante y por lo general su utilización
es donde se busca una alternativa más económica o cuando se requiere muy poca potencia.
26
Figura 3.7 Celda Amorfa.
3.1.5 Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica
Conforme las eficiencias de las celdas desarrolladas estas aumentaron su producción y sus costos
disminuyeron considerablemente, estas comenzaron a aplicarse para la carga de la batería de los
dispositivos de señalización, control y monitoreo de procesos, así como para electrificación rural,
siendo esta última el motor de la industria fotovoltaica en sus inicios. Cabe mencionar que aún
sigue representando una aplicación potencial y real para países en vías de desarrollo, con un alto
porcentaje de población rural.
Figura 3.8 Sistema fotovoltaico conectada a la red eléctrica.
A finales de la década de los noventa, comenzó a darse otro tipo de aplicación que vino a
revolucionar el mercado fotovoltaico mundial: se trata de los sistemas fotovoltaicos conectados a
red. Este tipo de sistemas se conectan en paralelo a la red y su principal característica es que el
usuario genera parcialmente la energía que consume, con las consecuentes ventajas técnicas y
económicas, tanto para el usuario como para la empresa suministradora. Las Figuras 3.9 y 3.10
27
muestran esquemáticamente los sistemas fotovoltaicos conectados a la red y los sistemas
fotovoltaicos autónomos, respectivamente. La Tabla 3-1 muestra los impactos y beneficios que
aporta el uso de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional.
Figura 3.9 Sistema fotovoltaico autónomo.
Impactos Beneficios
En el sistema eléctrico Reducción de la demanda pico, Alivio térmico al sistema de
distribución, Reducción de pérdida por transmisión y
distribución ,Aplazamiento de inversiones
Energéticos Alivio en el sistema de distribución, Seguridad energética.
Ahorro de combustibles fósiles
Ambientales Desplazamiento de emisiones contaminantes ( )
Económicos Creación de industria local y empleos
Otros Sustitución de materiales de construcción (cuando se integran a
la envolvente de las construcciones) y barrera para el flujo de
Calor
Tabla 3-1 Impactos y beneficios de los sistemas FV conectados a red.
28
3.1.5 Factores que afectan el rendimiento de un panel fotovoltaico.
Fundamentalmente de la intensidad de la radiación luminosa y de la temperatura de las celdas
fotovoltaicas.
La intensidad de corriente que genera el panel aumenta con la radiación, permaneciendo el
voltaje aproximadamente constante. En este sentido tiene mucha importancia la colocación de los
módulos (su orientación e inclinación respecto a la horizontal), ya que los valores de la radiación
varían a lo largo del día en función de la inclinación del sol respecto al horizonte. El aumento de
temperatura en las celdas supone un incremento en la corriente, pero al mismo tiempo una
disminución mucho mayor, en proporción, de la tensión. El efecto global es que la potencia del
panel disminuye al aumentar la temperatura de trabajo del mismo. Por ello es importante colocar
los paneles en un lugar en el que estén bien ventilados13.
13
http://www.solartronic.com/Ayuda
Figura 3.10 Variación de intensidad y tensión con la radiación y la temperatura según potencia nominal
29
3.1.6 Funcionamiento de las celdas fotovoltaicas en días nublados.
Los sistemas fotovoltaicos generan mayor potencia a menor temperatura. Esto se debe a que las
celdas son dispositivos electrónicos reales y generan electricidad partiendo de la luz, no del calor.
Como la mayoría de los dispositivos electrónicos, las celdas FV funcionan con mayor eficiencia a
temperaturas frías. En climas templados, la celdas generan menor energía en invierno que en
verano pero esto se debe a que los días son más cortos, le sol cae a un menor ángulo y la
cobertura por nubes es mayor, no por las temperaturas más bajas. En días nublados, las celdas FV
siguen generando electricidad, aunque en menor medida. En general, la salida decae linealmente
hasta alrededor del 10% respecto a la intensidad solar plena normal14.Con el aumento de
investigaciones hay científicos y fabricante de paneles fotovoltaico que han creado celdas de
plástico15 que pueden generar energía a partir del sol incluso en días nublados y lluviosos.
Actualmente por ser una innovación en el diseño y fabricación de celdas FV de plástico son muy
caras, con lo que los precios salen de los presupuestos de la gente, aunque ya se trabaja para
hacerlos más económicos y eficientes, pero esto probablemente podría tardar algún tiempo más.
3.2 Convertidor de CD-CD
Los convertidores CD-CD son circuitos de electrónica de potencia que permiten a partir de una
fuente de CD constante, controlar el voltaje CD a la salida del convertidor. Estos convertidores
tienen múltiples aplicaciones: fuentes de poder en computadoras, sistemas distribuidos de
potencia, sistemas de potencia en vehículos eléctricos, etc.
Tipos de Reguladores CD-CD
Convertidor Lineal.
Convertidor Conmutado.
La baja eficiencia del convertidor lineal es una desventaja importante en las aplicaciones de
potencia, Una alternativa más eficiente al convertidor lineal es un convertidor conmutado. En un
14
http://www.renov-arte.es/ 15
http://www.gstriatum.com/energiasolar/articulosenergia/313-paneles-solares-dias-nublados.html
30
convertidor conmutado, el transistor funciona como un interruptor electrónico, al estar
completamente activo o completamente desactivado (saturación y corte).
3.2.1 Configuraciones básicas de un convertidor conmutado
Convertidor Elevador (Boost)
Convertidor Reductor (Buck)
Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)
Convertidor Cuk.
Estas son algunas configuraciones de un convertidor conmutado pero el que usaremos en nuestro
diseño es el convertidor reductor (Buck).
3.2.2 Convertidor Reductor (Buck)
El Convertidor Reductor (Buck) es un circuito en el cual el voltaje de salida siempre es menor
que la señal de voltaje de entrada, En la Figura 3.12 se ve en circuito de un convertidor reductor
(Buck).
Figura 3.11 Esquema básico de un convertidor reductor (Buck).
Análisis del circuito.
El principio básico del convertidor reductor (Buck) consiste en dos estados distintos dependiendo
del estado del interruptor S (ver Figura 3.12):
Cuando el interruptor está cerrado (On-state) la bobina L almacena energía de la fuente, a
la vez la carga es alimentada por el condensador C.
31
Cuando el interruptor está abierto (Off-state) el único camino para la corriente es a través
del diodo D y circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.
Existen dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energía se transfiere a la
carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo
que el circuito puede entregar en un ciclo).
Modo continúo
Cuando un convertidor boost opera en modo
continuo, la corriente a través del inductor (IL)
nunca llega a cero. La Figura 3.14 muestra las
formas de onda típicas de corrientes y voltajes de un
convertidor operando en este modo.
El voltaje de salida se puede calcular como sigue, en el caso de un convertidor ideal (es decir, que
usa componentes con comportamiento ideal), operando en condiciones estacionarias:
Figura 3.12 Estados de operación.
Es
Figura 3.13 Formas de onda de corriente y voltaje en
un convertidor reductor (Buck) operando en modo
continuo.
32
Durante el estado ON, el conmutador S está cerrado, lo que hace que el voltaje de entrada (Vi)
aparezca entre los extremos del inductor, lo que causa un cambio de corriente (IL) a través del
mismo durante un período (t), según la fórmula:
Al final del estado ON, el incremento en corriente a través de inductor es:
D es el ciclo de trabajo (factor Activo), que representa la fracción del periodo T durante el cual el
conmutador S esta ON. Por tanto, D varía entre 0 (S siempre OFF) y 1 (S siempre ON). Durante
el estado OFF, el conmutador S está abierto, y la corriente del inductor fluye a través de la carga.
Si consideramos que no hay caída de tensión en el diodo (necesario para que el condensador no
devuelva corriente hacia atrás), y un condensador suficientemente grande en voltaje para
mantenerse constante, la evolución de es:
Por tanto, la variación de durante el periodo OFF es:
Si consideramos que el convertidor opera en condiciones estacionarias, la cantidad de energía
almacenada en cada uno de sus componentes, debe ser la misma al principio y al final del ciclo
completo de conmutación. En particular, la energía almacenada en el inductor está dada por:
Así pues, es obvio que la corriente de inductor tiene que ser la misma al principio y al final del
ciclo de conmutación. Esto puede ser expresado como:
33
Sustituyendo y por sus expresiones, nos queda:
Esto pude simplificarse en:
Lo que nos dice que es factor activo (“duty cycle16”) es:
Se esta expresión, se puede ver que el voltaje de salida es siempre mayor que el de entrada (ya
que el factor activo D va entre 0 y 1), y que incrementa con D, teóricamente hasta el infinito. Esto
es por lo que normalmente este convertidor a veces se llama “step-up-converter17”.
Modo Discontinuo
En algunas situaciones, la cantidad de energía requerida por la carga es suficientemente pequeña
como para ser transferida en un tiempo menor que el tiempo total del ciclo de conmutación. En
este caso, la corriente a través del inductor cae hasta cero durante parte del periodo. La única
diferencia en el principio descrito antes para el modo continuo, el inductor se descarga
completamente al final del ciclo de conmutación (ver Figura 3.14 Formas de onda). Sin embargo,
esta pequeña variación en el funcionamiento, tiene un fuerte efecto en la ecuación de voltaje de
salida, que puede calcularse como sigue:
16
La traducción al español es el ciclo de trabajo, ciclo útil o régimen de trabajo, es la fracción de tiempo donde la señal es positiva o se
encuentra en estado activo. 17
Es un convertidor Boost (o elevador) es un convertidor DC-DC que obtiene a su salida una tensión continua mayor a su entrada.
34
Como la corriente del inductor al principio del ciclo es cero, su máximo valor (en el tiempo
es:
Durante el tiempo OFF, cae hasta cero después de un tiempo :
Usando las dos ecuaciones previas es:
La corriente de carga es igual a la corriente media del diodo . Como se puede observar en la
Figura 3.15, la corriente del diodo es igual a la corriente del inductor durante el estado OFF. Por
lo tanto, la corriente de salida puede escribirse como:
Figura 3.14 Formas de onda de corriente y voltaje en
un convertidor reductor (Buck) operando en modo
discontinuo.
35
Reemplazando y por sus expresiones respectivas tenemos:
Por lo tanto, la ganancia del voltaje de salida es:
Comparando con la expresión de voltaje de salida para el modo continuo, esta expresión es
mucho más compleja. Además en modo discontinuo, la ganancia de voltaje de salida no solo
depende del factor activo D, sino también de la inductancia L, del voltaje de entada de la
frecuencia de conmutación y de la corriente de entrada.
3.2.3 Convertidor Reductor (Buck) con Circuito Integrado IC
La siguiente figura muestra la configuración de un convertidor reductor, donde el interruptor SW
es el integrado (IC) que se utiliza.
Figura 3.15 Esquema básico del convertido reductor (Buck) con circuito integrado.
36
A partir de la parte superior izquierda es el voltaje de entrada. Esto es filtrado por el condensador
de entrada. En la parte de la salida tiene un diodo Schottky18 y pasa por el inductor que va servir
para aumentar la corriente pasando por un condensador para evitar que la corriente del inductor
afecte la carga.
Parámetros necesarios.
Se necesitan los siguientes cuatro parámetros para el cálculo de la etapa de potencia:
Rango de voltaje de entrada: y
Voltaje nominal de salida:
Corriente de salida máxima:
Circuito integrado utilizado para construir el convertidor reductor (Buck)
Esto es necesario debido a que algunos parámetros para los cálculos tienen que ser consultados de
las hojas de datos del componente.
3.3 Inversores
Los convertidores de corriente directa CD a corriente alterna CA son conocidos como inversores,
su función es la de cambiar un voltaje de entrada de corriente directa CD a un voltaje simétrico
de corriente alterna CA con magnitud y frecuencia que se desea. Tanto el voltaje de entrada como
la frecuencia de salida pueden ser fijos o variables
En los inversores la forma de onda ideal de salida debería de ser una senoidal pero en la realidad
no son fáciles de lograrlas porque contienen ciertas armónicas. Para las aplicaciones de estos
inversores depende a que potencia van a trabajar y el tipo de onda es con la que pueden trabajar
sin tener que llegar a una senoidal bien definida como el caso de las aplicaciones de baja y media
potencia que estas pueden aceptar la onda cuadrada o casi cuadrada para trabajar; en cambio las
de alta potencia si se necesita una onda senoidal que casi no esté distorsionada y para lograr esto
18
Llamado así en honor del físico alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre
los estados de conducción directa e inversa.
37
hay muchos elementos electrónicos que pueden reducir significativamente la distorsión de la
onda senoidal.
Los inversores se pueden clasificar en dos:
Inversores Monofásicos.
Inversores Trifásicos.
Los inversores pueden utilizar cualquier dispositivo de conmutación con activación y
desactivación controlada como los BJT, IGBT, MOSFET, Tiristores, etc.
Los inversores son ampliamente utilizados y algunas aplicaciones comunes son las siguientes:
Controladores de motores de CA de velocidad ajustable.
Fuentes de poder interrumpibles (UPS).
Fuentes de corriente alterna CA.
3.3.1 Parámetros característicos de un inversor
Factor armónico de la n-ésima armónica ( ): El factor armónico (de la n-ésima armónica),
que es una medida de contribución individual de esa armónica, se define como:
Donde es el valor rms de la componente fundamental, y es el valor rms de la n-ésima
componente armónica.
Distorsión armónica total (THD): La distorsión armónica total, que es una medida de la
coincidencia de formas ente una onda y su componente fundamental, se define como:
38
Puesto que los armónicos de orden superior tiene un peso cada vez inferior en la onda de salida
del inversor y son por tanto más fáciles de filtrar, suelen definirse también factores de distorsión
ponderados, de la forma siguiente:
El DF de un componente armónico individual (o el n-ésima) se define como:
3.3.2 Diferentes configuraciones de los inversores
Cualquier inversor puede ser constituido por uno o varios voltajes de entrada de corriente
continua, que por medio de un conjunto de interruptores pueden ser conectados a una carga mono
o polifásica para obtener de manera alternada semiciclos positivos y negativos en la salida.
Veamos a continuación la representación de las configuraciones básicas.
Inversor de onda cuadrada (medio puente)
El circuito de la Figura 3.17 corresponde a un inversor en configuración de medio puente. El
circuito consiste en dos pulsadores. Cuando solo enciende es transistor durante el tiempo
, el
voltaje instantáneo a través de la carga es
. Si el transistor se enciende durante un tiempo
, aparece
a través de la carga. El circuito lógico se debe diseñar de tal modo que y no
estén activos al mismo tiempo.
39
a) Circuito b) Formas de Onda
Figura 3.16 a) circuito inversor medio puente, b) Formas de onda de un circuito inversor medio puente.
El voltaje raíz cuadrática medio (rms19) se puede calcular con:
El voltaje instantáneo de salida puede expresar como serie de Fourier:
Debido a la simetría de cuarto de onda respecto al eje x, tanto com a son cero. Se obtiene
como
Por lo tanto el voltaje instantáneo de salida es:
19
Root Mean Square, es el valor eficaz se utiliza con frecuencia para indicar la amplitud de un voltaje de corriente alterna.
40
Donde es la frecuencia del voltaje de salida en radianes por segundo. Por la simetría
de cuarto de onda del voltaje de salida respecto al eje x, los voltajes armónicos pares están
ausentes.
Para n=1, la ecuación da como resultado el valor rms de la componente fundamental:
Inversor de onda cuadrada (puente completo)
En la Figura 3.18a se muestra un inversor de puente completo. Consiste en cuatro interruptores
periódico. Cuando los transistores y encienden en forma simultánea, el voltaje de
alimentación aparece a través de la carga. Si los transistores y se enciende al mismo
tiempo, se invierte el voltaje a través de la carga y es . La forma de onda del voltaje de salida
se ve en la Figura 3.18b.
La tabla 3-3 muestra los cinco estados de conmutación. Los transistores y de la Figura
3.18a funcionan como dispositivos de conmutación y , respectivamente. Si al mismo tiempo
conducen dos interruptores uno superior y uno inferior, de tal modo que el voltaje de salida es +-
, el estado ce conmutación es 1, mientras que si están apagados al mismo tiempo, el estado de
conmutación es 0.
El voltaje rms de salida se puede calcular con:
41
a) Circuito b) Formas de Onda
Figura 3.17 a) circuito inversor puente completo, b) Formas de onda de un circuito inversor puente completo.
Se puede ampliar la ecuación anterior para que exprese el voltaje instantáneo de salida en forma
de seria de Fourier, como sigue:
Y para n=1, la ecuación expresa el valor rms de la componente fundamental:
42
Tabla 3-2 Estados de los interruptores en puente completo.
Inversor multinivel
Los convertidores multinivel incluyen un arreglo de semiconductores de potencia y capacitores
como fuentes de voltaje, el voltaje generado de salida tiene forma de onda escalonado
considerando que los interruptores se cierran y se abren en tiempo diferentes, dependiendo del
número de interruptores de potencia los voltajes en la salida crece sumando los voltajes de los
capacitores, mientras que los interruptores de potencia soportan voltajes reducidos.
Estado Estado
No
Estado de
interruptor
Componentes que
conducen
están cerrados, y están abiertos 1 10
, si
, si
están cerrados, y están abiertos 2 01
, si
, si
están cerrados, y están abiertos 3 11 0
, si
, si
están cerrados, y están abiertos 4 00 0
, si
, si
están abiertos todos 5 off
, si
, si
43
Figura 3.18 Elementos Necesarios para un Inversor Multinivel.
La forma más general de entender los convertidores CD-CA multinivel es considerarlo como un
seccionador de tensión. La tensión de alterna de salida, de valor elevado, se obtiene a partir de
diferentes niveles de tensión continua de entrada, de valor más pequeño accionando
adecuadamente los interruptores del convertidor Figura 3-19, siendo esta la diferencia básica
respecto a un convertidor CD-CA convencional, donde la tensión de continua de entrada presenta
un único nivel.
Topologías de un inversor multinivel
Convertidor con diodo anclado (Diode-Clamped convert).
Convertidor con capacitores flotantes (Flying-capacitor convert).
Convertidor con conexión en cascada de puentes monofásicos (Cascaded Full-Bride
convert).
3.4 Control de Luminosidad.
Se analizara como está constituido nuestro control de luminosidad para poder obtener la mayor
captación de energía luminosa en nuestras celdas fotovoltaicas para esto nos basamos en varios
dispositivos electrónicos para realizar este circuito.
44
3.4.1 Circuito comparador por cruce por cero con amplificador operacional
Este circuito lo que hace es comparar un tensión variable con una constante conocida como
voltaje de referencia que en este caso es la terminal inversora y el voltaje que se va detectar es
aplicado a la terminal no inversora. El voltaje de referencia puede ser tanto positivo como
negativo.
Figura. 3.19 Símbolo del Amplificador Operacional en modo comparador por cruce por cero.
Figura. 3.20 Grafica de los voltajes de saturación del Amplificador en comparador en cruce por cero.
45
Si la señal a detectar se tiene un voltaje mayor al voltaje de referencia, la salida será un voltaje
igual al voltaje de saturación positivo (+Vsat). Al contrario de lo anterior si la señal a detectar se
tiene un voltaje menor al voltaje de referencia, la salida será un voltaje igual al voltaje de
saturación negativo (-Vsat).
3.4.2 Transistor como interruptor
Cuando un transistor se utiliza como interruptor la corriente de base ha de tener un valor
adecuado para que el transistor entre en corte y otro valor para que se sature. Para que un
transistor entre en corte, la corriente aplicada a su base ha de ser nula o muy baja. Por el
contrario, para saturar un transistor, el valor de la corriente de base ha de ser alto y debe
calcularse en función de las características de la carga que queremos controlar.
Un transistor en corte tiene una corriente de colector Ic nula y una tensión colector–emisor VCE
máxima e igual a la tensión de alimentación. Cuando el transistor se satura se invierten los
papeles: aumenta Ic y disminuye la tensión VCE hasta un valor casi nulo. Si representamos los
puntos correspondientes al corte y a la saturación sobre la característica de salida y los unimos
obtenemos la recta de carga.
Si conocemos la corriente que consume la carga que queremos controlar y la tensión de
alimentación, fácilmente podemos obtener la recta de carga. El punto superior de la recta es la
intensidad que absorbe la carga y el punto de corte con el eje de abscisas, es la tensión aplicada
en vacío.
3.5 Batería (Respaldo).
Los circuitos y equipos electrónicos de potencia incluyen, cada vez con mayor frecuencia,
baterías para el almacenamiento de energía como componentes necesarios para la realización de
las funciones encomendadas. Entre ellos se encuentran los vehículos eléctricos autónomos, los
sistemas de alimentación interrumpida (SAI), los acondicionadores de línea con funciones de
46
suministro durante los cortes, las fuentes de alimentación para ordenadores y otros instrumentos
portátiles, las centrales solares fotovoltaicas.
3.5.1 Conceptos básicos sobre baterías.
La batería es <<un dispositivo que convierte la energía química contenida en los materiales
activos en energía eléctrica por medio de reacciones electroquímicas de oxidación y reducción>>
.El nombre de batería viene del hecho de que los dispositivos básicos donde dichas reacciones
tienen lugar (elementos, celdas o vasos) suelen aplicarse en combinaciones (normalmente en
serie) de varios dispositivos iguales para obtener determinada tensión y capacidad. Como todos
los dispositivos, las baterías pueden clasificarse atendiendo a muy distintos aspectos, siendo
interesante resaltar antes que ningún otro el de la posibilidad de recargarse, se llaman baterías
secundarias las que sí admiten recarga eléctrica, gracias a la reversibilidad de las reacciones
electroquímicas que las fundamentan en el lenguaje ordinario se les suele llamar baterías o
acumuladores a las baterías secundarias.
3.5.2 Características que definen el comportamiento de una batería.
Son fundamentalmente dos: la capacidad en Amperios hora y la profundidad de la descarga.
Capacidad en Amperios hora:
Los Amperios hora de una batería son simplemente el número de Amperios que proporciona
multiplicado por el número de horas durante las que circula esa corriente. Sirve para determinar,
en una instalación fotovoltaica, cuánto tiempo puede funcionar el sistema sin radiación luminosa
que recargue las baterías. Esta medida de los días de autonomía es una de las partes importantes
en el diseño de la instalación. Teóricamente, por ejemplo, una batería de 200 Ah puede
suministrar 200 A durante una hora, ó 50 A durante 4 horas, ó 4 A durante 50 horas, o 1 A
durante 200 horas. No obstante esto no es exactamente así, puesto que algunas baterías, como las
de automoción, están diseñadas para producir descargas rápidas en cortos períodos de tiempo sin
dañarse. Sin embargo, no están diseñadas para largos períodos de tiempo de baja descarga. Es por
ello que las baterías de automoción no son las más adecuadas para los sistemas fotovoltaicos.
47
Existen factores que pueden hacer variar la capacidad de una batería:
- Razones de carga y descarga. Si la batería es cargada o descargada a un ritmo diferente al
especificado, la capacidad disponible puede aumentar o disminuir. Generalmente, si la batería se
descarga a un ritmo más lento, su capacidad aumentará ligeramente. Si el ritmo es más rápido, la
capacidad se reducirá.
- Temperatura. Otro factor que influye en la capacidad es la temperatura de la batería y la de su
ambiente. El comportamiento de una batería se cataloga a una temperatura de 27 grados.
Temperaturas más bajas reducen su capacidad significativamente. Temperaturas más altas
producen un ligero aumento de su capacidad, pero esto puede incrementar la pérdida de agua y
disminuir el número de ciclos de vida de la batería.
Profundidad de descarga:
La profundidad de descarga es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada
durante un ciclo de carga/descarga.
Las baterías de "ciclo poco profundo" se diseñan para descargas del 10 al 25% de su capacidad
total en cada ciclo. La mayoría de las baterías de "ciclo profundo" fabricadas para aplicaciones
fotovoltaicas se diseñan para descargas de hasta un 80% de su capacidad, sin dañarse. Los
fabricantes de baterías de Níquel-Cadmio aseguran que pueden ser totalmente descargadas sin
daño alguno.
La profundidad de la descarga, no obstante, afecta incluso a las baterías de ciclo profundo.
Cuanto mayor es la descarga, menor es el número de ciclos de carga que la batería puede tener.
3.5.3 Vida de la batería. Numero de Ciclos. Efecto memoria.
Los componentes químicos de una batería sufren un deterioro con el tiempo aunque no estén en
uso y se proceda a recargarse periódicamente. Los fabricantes dan los años de vida de una batería
en uso con pocas descargas o en almacenamiento. Asimismo, el deterioro sobreviene como
consecuencia de los ciclos de carga-descarga que alteran los componentes y dan como resultado
una reversibilidad practica del proceso químico limitada.
48
El número de ciclos que una materia puede soportar antes del fallo depende de la profundidad de
la descarga, ya que el deterioro se produce principalmente por la caída de los materiales activos
que están sometidos a tensiones mecánicas por su diferente tamaño en estado cargado y
descargado. Por ello, cuanto mayor es la profundidad de descarga mayor es la cantidad de materia
activa sometida a tensiones mecánicas y menor será el número de ciclos que la batería pueda
soportar.
Figura 3.21 Composición practica de una batería estacionaria de plomo-acido tubular, específica para instalaciones fotovoltaicas.
49
En algunos tipos, como en las baterías de níquel-cadmio, los gránulos de material activo se
agrupan con el uso ofreciendo menor superficie de contacto con el electrolito. El deterioro
acumulado de los materiales activos se denomina a veces efecto memoria de la batería. El
fabricante da un número de ciclos máximos de carga-descarga en condiciones normales
independientemente de que sucedan en un periodo corto de tiempo o a lo largo de la vida de la
batería. Por tanto, el tiempo útil de una batería queda limitado por las dos constricciones
descritas, vida y número de ciclos, y deberá tenerse en cuenta en el diseño la que previsiblemente
suceda antes.
50
Capítulo IV
Diseño del Prototipo “Generador de AC Portátil”
En los capítulos anteriores se justificó el porqué del prototipo y se argumenta que
circuitos se emplearan para su desarrollo, en este capítulo recopilaremos toda la
información para obtener dicho circuito, donde se aplicaran alguno cálculos para elaborar
los respectivos diagramas y se concluirá armando y probando el prototipo.
4.1 Circuito Control de Luminosidad.
4.1.1 Cálculos para el control de luminosidad
Se tomaron en cuenta varios datos que vienen en las hojas de especificaciones en los cuales
destacan lo que es el CMRR=70, el ACM=100, el SR= 0.6µs
En el comparador se propone una resistencia de 10K porque es lo máximo que se puede tener en
la relación de CMRR a continuación se muestra los cálculos de este comparador con voltaje de
referencia.
70
20
6
9
9
9
6 9
6
6 9
100
70
10 100 316227.76
10*101 1.005
2*10
52.5
2*10
316227.16 55.024
2*101 316227.16
10*10 2*10
5.024(10*10 )0.024
10*10 2*10
IN
CM
OL
CL
ent
sal
ref
A
CMRR dB
A
A
I pAmpers
V Volts
V Volts
51
Para la siguiente etapa del control de la luminosidad se utilizó un transistor como un interruptor
para poder activar los relevadores y a su vez accionar los motores.
Sabiendo algunos datos por medio de mediciones se obtuvo los siguientes datos
0.047
4.7100
0.047
bI mA
V IR
VR
I
Con esto se obtuvo la resistencia base para poderlo tener en corte y saturación e hiciera su
función. El circuito de control de luminosidad se puede ver en Diagrama 4.1.
4.2 Diseño del Regulador.
La primera etapa constara de convertidor Buck el cual estabilizara el voltaje proveniente de las
celdas a 12v Diagrama 4.2.
Diagrama 4.2 Convertidor Buck con circuito integrado.
El circuito que realizaremos es con el componente LM2596-12 que en sus especificaciones tiene,
un voltaje de entrada máximo de 40v, y una salida de 12v 3Amp.
52
El valor de los componentes los tomaremos de los que nos propone el fabricante.
Obteniendo así un capacitor C1 con valor 100uF, C2 con valor 220uF, Inductor con valor 33uHy
y un Diodo Schottky 1N5822.
53
Diagrama 4.1 Control de luminosidad, para captar la mayor incidencia de rayos generados por el Sol.
54
4.3 Circuito Inversor de DC a AC.
La siguiente etapa consta de un convertidor Push-Pull en cual nos entregara la potencia
requerida para alimentar a nuestro inversor cuando se le conecta la carga.
Datos para el Diseño:
El controlador de PWM será el CI TL494 en cual tiene dos salidas de emisor, trabaja a una
frecuencia máxima de 300Khz se alimenta desde 8v hasta 41Vmax. A una corriente de
colector de 250mA Diagrama 4.3.
Para calcular los valores de los componentes de la frecuencia de trabajo del primer PWM
(IC1) lo determinamos de la siguiente manera:
Proponiendo un valor de capacitor de 1nF ya que entra en el rango de valor de capacitancia
que nos provee la hoja de datos despejamos el valor de R es:
Usamos un driver compuesto de dos resistencias un transistor BC557 y un diodo 1N4148
para nuestro mosfet IRFZ44N
Para la frecuencia del segundo PWM (IC2) será de 60hz como sabemos el TL494divide en
dos la frecuencia por salido por lo tanto la frecuencia seria de 120hz.
Proponiendo un valor de capacitor de 100nF
55
Diagrama 4.3 Circuito PWM.
Calculando el voltaje de los MOSFET Q3Y Q7:
Calculando el voltaje de los MOSFET Q4, Q10, Q9 Y Q8:
Calculando su corriente de los mismos:
El transformador que usaremos será con relación de 1:10 para así obtener a la salida 120
56
Diagrama 4.4 Circuito Convertidor DC – AC.
57
4.4 Estándares Internacionales.
En el campo de los circuitos impresos, los estándares son líneas de guía desarrolladas por
diseñadores de PCB, fabricantes y ensambladores; para diseñadores. Son herramientas que
ayudan en los procesos de:
Entender los conceptos básicos para diseñar circuitos
Diseñar para su fabricacion (Design for Manufacturability – DFM), diseñar para hacer
pruebas, mediciones y diseñar para que el resultado sea amigable con el medio ambiente
(Design For Enviroment -DFE).
Minimizar el tiempo de lanzamiento al mercado de un diseño o producto
Formación como profesional en diseño y ensamble.
Obtención de un excelente producto final.
Generación de métodos de realimentación y mejora de diseños.
Los estándares básicos contienen información sobre:
1. Diseño de Layout
2. Consideraciones eléctricas y térmicas
3. Especificaciones de materiales
4. Especificaciones de componentes
5. Requerimientos de ensamble y montaje
6. Aspectos de fabricación de PCB
7. Características físicas de PCB
8. Documentación
9. Inspección y prueba
10. Confiabilidad
58
Los estándares los diseña el IPC20 (Association Connecting Electronics Industries) que es una red
internacional de diseñadores que pro-mueven el diseño y ensamble de tarjetas como profesión,
mejorando las oportunidades educativas para ellos y la profesión misma. Son labores del IPC la
realización de programas para la industria en áreas de educación, entrenamiento, certificación,
mercadeo y desarrollo. Lo integran más de 2100 diseñadores certificados como
Certified Interconnect Designers (CID) y más de 180 diseñadores certificados como Advanced
Certified Interconnect Designers (CID+). Organizan simposios y encuentros, además de
participar en otras organizaciones como American National Standards Institute (ANSI),
National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) y Underwriters Laboratories (UL).
Figura 4.1 Logotipo de IPC
IPC21
, es una asociación de comercio cuyo objetivo es estandarizar los requisitos de montaje y
producción de electrónica de equipos y conjuntos. Fue fundada en 1957 como el Instituto de
Circuitos Impresos. Su nombre fue cambiado posteriormente al Instituto de Interconexión y
Empaquetado de Circuitos Electrónicos para resaltar la expansión de las tablas desnudas para
embalaje y conjuntos electrónicos. En 1999, la organización cambió oficialmente su nombre por
el IPC con el lema que acompaña, Association Connecting Electronics Industries. IPC tiene su
sede en Bannockburn, IL, y tiene oficinas adicionales en Taos, NM, Arlington, Virginia,
Estocolmo, Suecia, Moscú, Rusia, Bangalore, India, y Shanghai, Shenzhen y Beijing, China.
A continuación se muestra una tabla de algunas normas que se deben cumplir para el diseño de
circuitos impresos.
20
http://www.ipc.org/default.aspx#.Uo8KcMTmPAI 21
http://en.wikipedia.org/wiki/IPC_(electronics)
59
Tabla 4-1 Normas publicadas por IPC
NORMAS GENERALES ESPECIFICACIONES DE
DISEÑO
ESPECIFICACIONES DE
MATERIALES
DOCUMENTOS DE
RENDIMIENTO E INSPECCION
NORMAS MATERIALES DE
ENSAMBLAJE Y FLEX
IPC-T-50 (TERMINOS Y
DEFINICIONES)
IPC-2221 (ESTANDAR
GENERICO DISEÑO DE
PLACAS IMPRESAS)
IPC-234 FC (SENSIBLE,
GUIAS, ENSAMBLE, PRESION
Y ADHESIVOS PARA
CIRCUITOS IMPRESOS
FLEXIBLES DE UNA CARA Y
DE DOBLE CARA)
IPC-A-600(ACEPTACION DE
CIRCUITOS IMPRESOS)
IPC-FA-251 (GUIA DE ENSABLE PARA
CIRCUITOS IMPRESOS FLEXIBLES DE
UNA Y DOBLE CARA)
IPC-2615(DIMENSIONES
Y TOLERANCIA DE
PLACAS DE CIRCUITO
IMPRESO)
IPC-2223 (ESTANDAR
SECCIONAL PARA
DISEÑO DE PLACAS
IMPRESAS FLEXIBLES)
IPC-4562 (HOJA DE METAL
PARA APLICACIONES DE
CIRCUITO IMPRESO
IPC-6011 (ESPECIFICACIONES
GENERICAS DE RENDIMIENTO
DE CIRCUITOS IMPRESOS)
IPC-3406 (GUIA PARA ADHESIVOS DE
MONTAJE SUPERFICIAL
ELECTRICAMENTE CONDUCTORA)
IPC-D-325 (REQUISITOS
DE COCUMENTACION
PARA PLACAS
IMPRESAS)
IPC-4101 (MATERIAL
LAMINADOS
PREIMPREGNADOS PARA
PLACAS IMPRESAS)
IPC-6013 (ESPECIFICACIONES
PARA CIRCUITO IMPRESO,
FLEXIBLE Y RIGIDO-FLEX)
IPC-3408 (REQUISITOS GENERALES
PARA ADHESIVOS
ANISOTROPICAMENTE
CONDUCTORES “PELICULAS”)
IPC-A31 (RAW PATRON
DE PRUEBA DE
MATERIALES
FLEXIBLES)
IPC-420422 (FLEXIBLE
METAL-CLAD DIELECTRICO
PARA USO EN LA
FABRICACION DE
CIRCUITOS IMPRESOS
FLEXIBLES)
IPC-6202 IPC/JPCA (GUIA DE
RENDIMIENTO PARA PLACAS
DE CIRCUITOS IMPRESOS DE
UNA Y DOBLE CARA)
IPC-ET-652
(DIRECTRICES Y
REQUISITOS PARA
PRUEBAS ELECTRICAS)
IPC-4203 (PELICULAS Y
CUBIERTAS ADHESIVAS
DIELECTRICAS DE USOS
COMO PORTADA DE
CIRCUITOS IMPRESOS
FLEXIBLES Y VINCULACION
DE PELICULAS ADHESIVAS.)
IPC-TF-870 (CALIFICACION Y
RENDIMIENTO DE POLIMERO
THICK FILM PARA CIRCUITOS
IMPRESOS)
22
http://www.ipc.org/TOC/IPC-4204.PDF
60
Hay otras normas que también deben de cumplir para el diseño de circuito impreso. Debido a la
gran información que existe solo se mencionaran las más importantes que se podrían aplicar a
nuestro diseño Para mayor información de las normas consultar el siguiente sitio web
http://www.ipc.org/default.aspx#.Uo8VhsTmPAI.
Las más importantes son las siguientes23. Tabla 4-2
IDENTIFICACION DEL
PRODUCTO
NOMBRE DEL DOCUMENTO COMISION
COMPETENTE
ESTADO
J-STD-001 Requisitos para Montajes eléctricos o
electrónicos soldadas
5-22a Rev. E 4/10
Rev. D Modifíquese 1
04/08
Rev. D 5.2
Rev. C 3/00
Rev. B 10/96
Rev. A 1/95
Orig. 4/92; Reemplaza IPC-
S-815
-STD-003 Las pruebas de soldabilidad Pará
Placas impresas
5-23a Rev. C 9/13
Rev. B 2/07
Rev. A 03.02
Original 4/92; Reemplaza
IPC-S-804
SMEMA 6 Electrónica limpieza Términos y
Definiciones
Orig.
J-STD-020 Humedad / Reflujo
Sensibilidad Clasificación de plástico
Dispositivos de montaje en superficie
B-10a Rev. D Modifíquese 1 3/08
Rev. D 8/07
Rev. C 7/04
Rev. B 7/02
Rev. A 4/99
Orig. 10/96
IPC-DRM-PTH IPC-
DRM-40
Manual de referencia de Por-Agujero
de soldadura de Evaluación Conjunta
Desk
Rev. E 7/10
Rev. D (segunda impresión)
11/08
Rev. D 11.05
Renombrado de DRM-PTH
IPC-CM-78 Directrices para el montaje en Sustituido por IPC-SM-780
Rev. C - 3/88
23 http://www.ipc.org/4.0_Knowledge/4.1_Standards/revstat1.htm
61
superficie y comunicadas portachips Orig. 11/83
IPC-FC-203 Especificación para cable plano,
Conductor redondo, plano de tierra
D-13 Obsoleto 7/96
Orig. 7/85
IPC-FC-220 Especificación para cable plano,
conductor plano, sin blindaje
D-13 Obsoleta 7/96
Rev. C 7/85
Rev. B 8/75
Rev. A 1/74
IPC-D-279 Instrucciones de diseño de SMD
impreso Ensamble.
Orig. 7/96
62
Capítulo V
Viabilidad económica del proyecto.
Un aspecto muy importante, es saber si nuestro proyecto es redituable o no en el mercado, como
ya se mencionó en el capítulo 1, existen otros aparatos en el mercado. En este capítulo 5, se hará
un listado para saber el costo total que se ha empleado en el proyecto.
5.1 Justificación Económica. Tabla 4-3
63
En la tabla 4-3 se expone un importante asunto, acerca del presupuesto donde se exponen todos
los materiales incluido en el proyecto,
El costo total del proyecto es de $1458, este precio solo incluye materia prima, por lo cual no
incluye valor del diseño. Con el cual puede aumentar su precio, como inicio y a una producción
mínima, esto puede contrarrestarse, haciendo una producción elevada.
Sin embargo este precio del proyecto compite con cargadores comerciales ya existentes, pero con
el reducido peso y tamaño, la universalidad, y la potencia requerida apta para mayor cantidad de
dispositivos móviles, haces que tenga más viabilidad, que dichos cargadores.
Abordando el aspecto al desarrollo de ingeniería, que se llevó a cabo en este proyecto, es
necesario, atribuir el valor correspondiente al diseño, como referencia que puede tomar el valor
de $75.000.00, agregando el costo de la hora ingeniería aproximadamente de $250.00, podemos
calcular en base al tiempo invertido, de 2 horas diarias en días laborables, durante 3 meses, 3
ingenieros, el diseño adquiere un valor de diseño alrededor de $105.000.00.
LISTA DE MATERIALES $1458.00
VALOR DEL DISEÑO $105000.00
Total $106458.00
64
Conclusiones
En este proyecto final se desarrolló una fuente de tensión AC portátil, con el propósito de cargar
equipos portátiles de bajo consumo utilizando la energía luminosa, Se invirtió tiempo en el
diseño con el fin de diseñar un cargador que sea portátil, que no sea voluminoso y pesado, sin
afectar su funcionalidad y sobre todo y muy importante que tenga viabilidad en el mercado.
Comparando con fuentes ya existente, nuestro proyecto tiene mejoras en las limitaciones de otros,
este no necesita de accesorios, pues basta con el cargador del equipo a cargar, con lo que
obtuvimos una universalidad de nuestro cargador, otro aspecto importante es la potencia de salida
que se adaptó a las necesidades requeridas para cargar equipos de cómputo portátiles, debido a
que los cargadores llamados ups solares, tiene una mayor potencia a su salida, con lo que tienden
a ser pesados y voluminosos en comparación a nuestro prototipo.
Un aspecto importante en el diseño fue el empleo de fuentes conmutadas, debido a ello pudimos
implementar la tecnología de componentes en montaje superficial (SMD), por las características
de trabajo de las fuentes, una de ellas es que manejan frecuencia entre el orden de 100KHz y
500KHz, disminuyendo así el tamaño de los componentes empleados en su diseño. Y
disminuyendo perdidas de energía en forma de calor
La implementación de un circuito control de luminosidad y un respaldo en batería, hace una
mejora en la fiabilidad del prototipo, debido a que este sistema siempre permanecerá buscando la
mayor incidencia de energía luminosa para entregar la cantidad de potencia requerida, por el
dispositivo conectado.
65
Glosario
Aislante. Materia que no conduce corriente
Ampere. La unidad de medida para una cantidad específica de electrones. Una corriente de un
ampere representa el movimiento de 6 280 000 000 000 000 000 de electrones por un punto dado
de un circuito en un segundo.
Aplicación Informática. Es un tipo de programa informático que se instala en un teléfono
inteligente o tableta, que permite al usuario realizar multitud de actividades.
Batería. Combinación de dos o más pilas o elementos interconectados.
Capacitancia. Propiedad del capacitor que le permite almacenar carga eléctrica. El farad es la
unidad de medida de la capacitancia.
Carga (Eléctrica). Es la potencia instalada o demandada en un circuito eléctrico.
Cargador de Batería. Dispositivo que suministra voltaje cc para cargar una pila o batería
recargable.
Celda Solar. Celda, por lo general de silicio que produce corriente cuando la luz incide sobre
ella.
Circuito eléctrico. Sistema de conductores y dispositivos electrónicos a través de los cuales los
electrones pueden moverse. Un circuito completo contiene: 1) conductores, 2) un interruptor, 3)
una carga y 4) una fuente de energía.
Contacto (Receptáculo). Dispositivo de conexión eléctrica instalado en una salida para la
inserción de una clavija. Un contacto sencillo es un dispositivo de un solo juego de contactos. Un
contacto múltiple es aquel que contiene dos o más dispositivos de contacto en el mismo chasis o
yugo.
Controlador PWM. La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas
en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se
modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya
sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la
cantidad de energía que se envía a una carga.
66
Corriente Continua. Se denomina también corriente directa y ambos términos pueden emplearse
para la identificación o marcado de equipos, aunque debe tenderse al empleo de corriente
continua, que es el normalizado nacional e internacionalmente.
Diagrama Esquemático. Diagrama de conexiones que muestra partes del circuito mediante
símbolos eléctricos convenidos.
Diodo. Es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente
eléctrica a través de él en un solo sentido
Gadgets. Es un dispositivo electrónico que tiene un propósito y una función específica,
generalmente de pequeñas proporciones, práctico y a la vez novedoso.
Internet. Es descrito como una enorme "red de redes." Una red es un grupo de computadoras que
están conectadas para que se puedan comunicar la una con la otra y compartir información. El
Internet está compuesto por millones de redes y computadoras en distintos hogares que están
conectadas alrededor del mundo.
IPod. Es un reproductor de música portátil y de pequeño tamaño creado por Apple Computer. En
realidad es un reproductor de audio digital y un disco duro portátil con capacidad de 10GB,
15GB o 30GB. Puede ser conectado con un ordenador a través de un puerto FireWire o USB. Los
usuarios pueden transferir canciones a su iPod con su ordenador y el programa del iPod.
Laptop. La palabra laptop se utiliza para designar a las computadoras de tipo portátil que se
pueden usar en la falda o regazo. Su nombre proviene del inglés, idioma en el cual “lap” quiere
decir falda y “top” porque puede colocarse arriba suyo en vez de tener que estar siempre fija en
un escritorio.
Layout. Disposición. La definición del diseño de un circuito integrado en términos de topología
del chip, en oposición a su funcionamiento eléctrico, tal como ha sido definido en el esquema.
Mosfet. El transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET (en inglés
Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o
conmutar señales electrónicas.
Notebook. Es un tipo de computadora portátil se diferencia por sus reducidas dimensiones, su
funcionalidad limitada y su bajo costo.
Programa Informático. Es un conjunto de instrucciones que una vez ejecutadas realizarán una o
varias tareas en una computadora. Sin programas, estas máquinas no pueden funcionar. Al
conjunto general de programas, se le denomina software, que más genéricamente se refiere al
equipamiento lógico o soporte lógico de una computadora digital.
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Reproductor MP3. Un reproductor de audio digital es un dispositivo que almacena, organiza y
reproduce archivos de audio digital. ...
Sistema Solar Fotovoltaico. El total de componentes y subsistemas que, combinados, convierten
la energía solar en energía eléctrica apropiada para conectar una carga de utilización.
Smartphone. Un teléfono inteligente es un teléfono móvil construido sobre una plataforma
informática móvil, con una mayor capacidad de almacenar datos y realizar actividades semejantes
a una minicomputadora y conectividad que un teléfono móvil convencional.
Transistor. Es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para producir una señal de
salida en respuesta a otra señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador,
conmutador o rectificador.
Videojuego PSP. Es una consola multimedia portátil creada por Sony (Play Station Portable);
para jugar videojuegos, escuchar música, ver películas, fotos etc.
WebTV. También llamada televisión IP y televisión on-line u online, es la televisión distribuida
vía Internet. Se trata de la perspectiva inmediata que proporciona Internet para distribuir esta
nueva forma de producir y transmitir material de comunicación audiovisual en línea,
proporcionando al usuario la facilidad de reproducirlo.
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Acrónimos
CMRR.- (Rechazo en modo común)
PMW.- (Modulación por Ancho de Pulso)
dB.- (Decibelio)
I.- (corriente)
R.- (Resistencia)
V.- (voltaje)
CI.- (Circuito Integrado)
Vref.- (Voltaje de Referencia)
Ib.- (Corriente de Base)
Ic.- (Corriente de Colector)
Ient.- (corriente de Entrada)
Vsal.- (Voltaje de Salida)
Vin.- (Voltaje de Entrada)
AOL.- (Ganancia del amplificador Operacional en Lazo Abierto)
ACLIN.- (Ganancia de voltaje de entrada en Lazo Cerrado)
ACM.- (Ganancia en modo común)
SR.- (Razon de cambio en tiempo)
VCA.- (Voltaje de Corriente Alterna)
Vmax.- (Voltaje Máximo)
Cout.- (Capacitor de Salida)
AC.-(Corriente Alterna)
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DC.- (Corriente Directa)
PCB. - (Printed Circuit Board, Circuito Impreso)
SMD.- (Surface Mount Technology, Componente de Montaje Superficial)
Δ.- (Ciclo de Trabajo)
VDSS.- (Voltaje drain Sourse, Voltaje de Drenado y Fuente del Mosfet)
ID.- (Corriente de Drenado)
70
Referencia Bibliográfica
[1] Electrónica de Potencia: Circuito, dispositivos y aplicaciones, Segunda Edición
Muhammad H. Rashid.
Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.
México, 2004.
pp. 172, 176,280-285,316-326,372-374,
[2] Electrónica de Potencia
Daniel W Hart.
Prentice Hall
1997
pp. 201-222,315-346,409-416
[3] Simulación de Circuitos Electrónicos de Potencia con PSPICE.
Emilio Figueres Amorós, José Manuel Benavent García, Gabriel Garcera Sanfelin.
Alfa omega Universidad Politécnica de Valencia.
pp. 89-110, 167-200
[4] Conversores Conmutados: Circuitos de Potencia y Control.
Gabriel Garcera Sanfelin, Emilio Figueres Amorós, Antonio Abellán García
Universidad Politécnica de Valencia Servicios de Publicaciones
pp. 15, 24, 56-74,96-101,252-254.
[5] Power Electronics: Converters, Applications and Desing.
Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins.
John Wiley & Sons, INC.
pp. 25,164-171,249-289.
[6] Designing Switching Voltage Regulator with the TL494
Texas Instrument
[7] Energía Solar Fotovoltaica, Segunda Edición
Javier María Méndez Muniz, Rafael Cuervo García
Fundacion Confemental.
pp. 37, 58-111
[8] High- Frequency Switching power supplies: theory and design.
George Chryssis.
McGraw-Hill.
pp. 167-196
71
[9] Energía Solar Fotovoltaica, Segunda Edición
Miguel Ángel Sánchez Maza
Limusa.
pp. 31-50
Páginas Web.
[1] TL494 PWM Controller - Circuit Design - YouTube
[2] Design and Application Guide for High Speed MOSFET gate drive Circuits.
http://www.ti.com/lit/ml/slup169/slup169.pdf
[3] Design of High-Side MOSFET drive using discrete components for 24V Operation
www.researchgate.net/...Design...MOSFET_Driver.
[4] http://www.panelessolares.com.mx/Fotovoltaicos/Panelesfotovoltaicos.aspx
[5] http://blogthinkbig.com/tendencias-dispositivos-moviles-2013/
[6] http://www.solartronic.com/Ayuda/Preguntas_Frecuentes/#inicioo
[7] http://revista.seguridad.unam.mx/numero-07/dispositivos-m%C3%B3viles
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Anexos
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