““SISTEMA DE GENERACIÓN Y SISTEMA DE GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA PARA LA PGA”FOTOVOLTAICA PARA LA PGA”

Ing. MARCO BENALCÁZAR

Dr. LEONARDO BASILE

Ing. MIGUEL TORRETAGLE

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALESCUELA POLITÉCNICA NACIONALFUERZA AÉREA ECUATORIANA

PLATAFORMA DE GRAN ALTITUD (PGA)PLATAFORMA DE GRAN ALTITUD (PGA)GRUPO DE ENERGÍA

17 de Noviembre, 2009

PLAN

• Funciones

• Estructura

• Influencia de la posición de la PGA en el valor de potencia que genera su sistema de energía

• Conclusiones

INTRODUCCIÓN ACERCA DE LA PGA

SISTEMA DE ENERGÍA

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

La Plataforma de Gran Altitud (PGA) es una aeronave construida para funcionar como un prototipo de repetidor de comunicaciones para el Ecuador.

• Carga útil

• Estructuras y Materiales

• Criogenia

• Control e Instrumentación

• Instrumentación Virtual

• Aerodinámica

• Energía

• Telecomunicaciones

GRUPOS DE TRABAJO

FUNCIONES

FUNCIONES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Aprovisionar de energía eléctrica a los diferentes dispositivos electrónicos (cargas) que irán instalados en la PGA.

• Transforma la energía solar en energía

eléctrica.

• Carga bancos de baterías.

• Suministra la potencia adecuada a cada

equipo de la PGA.

• Supervisa la potencia generada por los

paneles solares y almacenada en los bancos de

baterías.

ESTRUCTURA

ELEMENTOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Peso

Área

Volumen

Fiabilidad

Parámetros críticos

Limitan la cantidad de energía a

generar

ESQUEMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

Todos los elementos trabajan en corriente Todos los elementos trabajan en corriente directa (DC)directa (DC)

ARREGLO DE PANELES SOLARES

Convierten la luz solar en energía eléctrica

Bajo peso

Aislamiento térmico

Flexibilidad

Las celdas solares flexibles están

construidas con silicio amorfo y presentan un rendimiento del 10%.

- El arreglo de paneles solares consta de módulos de potencia nominal de 190 W.

- Cada módulo puede generar 15.4 V y 12 A, con un peso de 7.23 kg y 7.06 m2 de área.

- La potencia total que se puede generar depende del área de paneles instalados. 1.02 kg/m2 26.91 W/m2

ARREGLO DE PANELES SOLARES

Los módulos fotovoltaicos de 190 W están construidos a partir de celdas solares de la serie RC7.2-75 de la empresa PowerFilm:

Existe una diferencia de 0.7 kg/m2 entre la relación peso-área de los módulos de 190 W con la relación de las celdas RC7.2-75. Esta diferencia corresponde al peso del material sobre el cual están adheridas las celdas, conductores eléctricos y conectores.

ARREGLO DE PANELES SOLARES

-Material con el que están fabricadas las celdas fotovoltaicas (silicio amorfo).

-Limitada cantidad de peso que puede levantar la PGA en función de su volumen.

-Forma de la aeronave.

Desventajas para el sistema fotovoltaico

Ventajas para el sistema fotovoltaico -Ubicación geográfica de la zona de pruebas (Aeropuerto de Chachoán-Ambato). La latitud cero ayuda para que los rayos del sol impacten perpendicularmente sobre el arreglo de paneles solares de la aeronave, por lo tanto éstos producen mayor potencia que su valor nominal.

-Altura a la que volará la aeronave (20km). Se supera el nivel de las nubes (8 km aproximadamente), por lo tanto se tiene mayor intensidad de luz solar y en mayor cantidad de tiempo (10 horas aproximadamente).

BANCOS DE BATERÍAS

Son los encargados de almacenar una parte de la energía que generan los arreglos de paneles solares. Esta energía almacenada hace posible el funcionamiento de algunos equipos de la PGA durante la noche.

Para construir los bancos se utilizan baterías de Polímetro de Litio (LiPo).

Soportan profundidades de descarga continua de hasta 20 veces el valor de la capacidad de corriente que pueden proveer, y descargas tipo ráfaga de hasta 40 veces el valor de dicha corriente

Características técnicas de las baterías LiPo

PROCESO DE CARGA DE BATERÍAS LiPo

Voltaje-Tiempo Corriente-Tiempo

Curvas de carga para una batería LiPo de 11.1 V y 2100 mAh:

bateríamAh

argbateríamAh

tiempoCorriente de c a

Relación matemática aproximada para determinar el tiempo de carga de un banco de baterías LiPo:

= Capacidad de almacenamiento en corriente de la batería

-El proceso de carga de un banco de baterías no es lineal.

-La máxima corriente de carga de un banco de baterías es el doble de la corriente que puede entregar.

PROCESO DE DESCARGA DE BATERÍAS LiPo

Voltaje-Tiempo Corriente-Tiempo

Curvas de descarga para una batería LiPo de 11.1 V y 2100 mAh:

-El proceso de descarga de un banco de baterías tampoco es lineal.

-Para alargar la vida útil de un banco de baterías, éste no debe ser descargado al 100%.

bateríamAh

Relación matemática aproximada para determinar el tiempo de descarga de un banco de baterías LiPo:

= Capacidad de almacenamiento en corriente de la batería

*0.5arg

bateríamAhtiempo

Corriente de consumo de la c a

SISTEMA DE MONITOREO REMOTO

Data link

Estación Terrena

OTROS ELEMENTOS

Cargadores de baterías

Son los encargados de fijar el voltaje que entregan los paneles solares al voltaje al cual se cargarán los bancos de baterías. Deben adaptarse a las características eléctricas del proceso de carga de las baterías LiPo.

Conmutadores

Su función es sensar que el voltaje que entra al grupo de cargas principales sea el necesario, tanto a nivel de paneles solares como a nivel de baterías. Si esto no ocurre, lo que hace este elemento es pasar la energía de los paneles y/o banco de baterías del grupo de cargas secundarias (subsistema no crítico) al grupo de cargas primarias.

Convertidores de voltajeSon los dispositivos encargados de suministrar la cantidad de energía eléctrica exacta que consume cada carga eléctrica de la PGA. Funcionan como fuentes tipo switching, con un rendimiento aproximado del 85%. Tienen blindaje para evitar causar interferencias por la radiofrecuencia (RF) que generan durante su operación.

CARGAS ELÉCTRICAS DE LA PGASon los diferentes equipos eléctricos y electrónicos de corriente continua (DC) que hacen posible el funcionamiento de la aeronave.

-Autopiloto-Equipos de carga útil-Equipos de control-Sensores-Motores-…

Grupo de cargas principalesSon un conjunto de dispositivos electrónicos que por su importancia para el funcionamiento de la PGA, nunca deben parar su función.

Grupo de cargas secundariasSon un conjunto de dispositivos electrónicos a los cuales se les podría suspender el suministro de energía, dado que no son imprescindibles para el funcionamiento de la PGA.

Presentan un alto consumo de energía

INFLUENCIA DE LA POSICIÓN DE LA PGA

EN EL VALOR DE POTENCIA QUE

GENERA SU SISTEMA DE ENERGÍA

ASPECTOS IMPORTANTES

Área efectiva de incidencia de luz solar Es la superficie de paneles solares que reciben radiación solar a una determinada hora del día.

La cantidad de potencia que genera el arreglo de paneles solares en un determinado instante depende directamente del área efectiva de paneles solares

INCIDENCIA DE LOS RAYOS SOLARES CUANDO LA AERONAVE ESTÁ A 0 GRADOS RESPECTO DEL

NORTE

Área efectiva para un ángulo de incidencia de los rayos solares de:

a) 0 grados (inicio del día), y

b) 90 grados (mitad del día)

Área efectiva para un ángulo de incidencia de los rayos solares de:

a) 0 grados (inicio del día), y

b) 90 grados (mitad del día)

INCIDENCIA DE LOS RAYOS SOLARES CUANDO LA AERONAVE ESTÁ A 90 GRADOS RESPECTO DEL

NORTE

RESULTADOS PARA UNA AERONAVE DE 24m

CONCLUSIONES

La orientación de la aeronave juega un papel importante sobre el valor de potencia que genera el arreglo de paneles solares. Se genera mayor potencia con una orientación de 0 grados de la PGA con respecto del norte, que con una orientación de 90, por lo tanto sería ideal que el eje mayor de la aeronave siempre esté paralelo al eje norte – sur, para de esta manera obtener la mayor cantidad de potencia generada por sus paneles solares.

Debido a la forma elipsoidal de la aeronave, la potencia que se instala en paneles solares jamás llega a ser la potencia que se genera, debido a que sola una parte de los mismos es incidida por luz solar, y por lo tanto solo dicha parte es la que genera energía eléctrica.

La agrupación de cargas en grupos primarios y secundarios, según su importancia para la operación de la aeronave, ayuda a mantener siempre abastecidos de energía a los equipos que son críticos para el funcionamiento de la misma, con lo cual se minimiza el riesgo de perder la PGA por déficit de energía.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN …