capitulo ii
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
Antecedentes de la Investigación
Los antecedentes conciernen a memorias de trabajos anteriores que están
presentes para brindar ayuda o colaboración hacia otros trabajos de investigaciones
actuales, su aporte son las opiniones, conclusiones y recomendaciones dejadas en
dicho estudio realizado por el autor del trabajo de grado que nos brinda aportes o
solución a la problemática existente para ese momento.
Lobaton, D (2010), en su investigación denominada “Diseños de Estándares
en Sistemas de Respaldo de Energía en Corriente Continua, Alterna y
Fotovoltaica”,para optar por el título de Ingeniero Electrónico de la Universidad
Simón Bolívar, Caracas. El presente trabajo realizo un estudio de las soluciones de
respaldo de energía que la Empresa Intelec ofrece para desarrollar estándares de los
sistemas más empleados en la compañía, complementando con manuales de
capacitación.Dicho trabajo de grado comenzó con una etapa de familiarización con
los sistemas y equipos que conforman las soluciones de respaldo de energía de
corriente continua, corriente alterna y fotovoltaica, donde crearon parámetros de
análisis y se orientaron para los tres sistemas NPS24 en -48Vcd (Network Power
Solution 24 a 48 volteos de tensión en corriente directa), sistema de corriente alterna
UPS (uninterruptible power system) en 480 volteos y sistema fotovoltaico para poste
de iluminación de 12 volteos en corriente directa. Este último proceso comienza con
la incidencia de la luz solar sobre la superficie del arreglo fotovoltaico donde es
transformada en energía eléctrica de corriente directa por las celdas solares. Esta
energía es recogida y conducida hasta un regulador fotovoltaico, el cual tiene la
función de enviar toda o parte de esta energía hasta el banco de baterías.
Esta investigación tiene relevancia ya que hoy en día las Telecomunicaciones
abarcan todas las formas de comunicación a distancia, son actualmente la invención
más utilizada y se ha convertido en un recurso de primera necesidad. Por intermedio
de este proyecto aporta el análisis para los estándares que se deben desarrollar una
fuente ininterrumpible (UPS) con aplicación solar fotovoltaica.
Fernández, G (2010). En su trabajo de Investigación titulado: “Propuesta de
Formulación de una Metodología de Gerencia deproyecto para Sistemas SCADA en
el sector de energíasalternativas”, para optar por eltítulo de Licenciado en
Computación con mención en Comunicación, de la Universidad Central de
Venezuela. Este proyecto de investigación está focalizado a la formulación de una
metodología degerencia de proyectos que pueda servir de guía para el diseño e
implantación de sistemasde adquisición de datos, supervisión y control (SCADA)
para el sector energético quehace uso de las energías alternativas. El objetivo fue
cumplido debido a la aplicación de losconocimientos adquiridos durante la
especialización de SCADA, la experiencia alcanzadadurante años de trabajo en
proyectos de automatización industrial con énfasis ensistemas SCADA y a los
conocimientos obtenidos de las materias cursadas en elDiplomado de Energías
Alternativas de la UCAB. En el desarrollo del trabajo se plantea lasituación actual de
las energías alternativas, en la cual se pone en evidencia que enVenezuela existe la
posibilidad de una participación importante de las energíasalternativas (EA) en el
balance energético, sobre la base de su potencial de explotación,al análisis del sistema
energético nacional y de la actitud del Estado ante las EA.Actualmente se prevén
grandes desarrollos alternativos, los cuales dejan vislumbrar unfuturo previsible en el
cual hay que tomar un posicionamiento sobre el tipo de serviciosSCADA que se van
a requerir. Sobre esta base, se formula la metodología de gerencia deproyectos que
sirva para apoyar el desarrollo de proyectos de supervisión y control (SCADA) a ser
utilizada por el sector eléctrico, que hagan uso de las energías alternativas.
El trabajo anterior aporta las características técnicas del protocolo Zigbee para
la implantación de una red inalámbrica para usos industriales y ambiente de oficinas,
en aplicaciones de domótica, puntos de venta, automatización, seguridad e
iluminación. Así mismo hace comparaciones de las diferentes tecnologías
inalámbricas existentes en el mercado: Wifi, Bluetooth y Zigbee.
Malla, R (2011), Quito, Ecuador, en su trabajo de grado “Diseño y
construcción de un prototipo de adquisición de datos para variaciones de voltaje,
corriente y temperatura en función del tiempo, utilizando comunicación Ethernet,
para el Laboratorio de física de la Facultad de Ciencias de la Escuela Politécnica
Nacional”, presentado en la Escuela Politécnica Nacional para optar al título de
Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones, en el cual se diseña y construye un
prototipo de adquisición de datos para variaciones de voltaje, corriente y temperatura
en función del tiempo, utilizando comunicación Ethernet, a un bajo costo y
empleando ele mementos electrónicos de tamaño y peso reducido como confiabilidad
y funcionalidad acorde al proyecto, el cual en su estructura contiene hardware y
software, componentes que son controlados por el usuario desde un computador, para
obtener valores de mediciones de los parámetros eléctricos antes mencionados como
las graficas de las curvas respectivas, con lo cual se da una solución efectiva a la
problemática presentada.
El trabajo mencionado en el párrafo anterior es un aporte, ya que propone
emplear un sistema basado en microcontroladores y sensores para medición e
interpretación de las variables, el trabajo sirve como punto de partida para la
comprensión del proceso de registro de las variables y automatización de las
mediciones realizadas, en adición a los parámetros que se deben tomar en cuenta.
Bases Teóricas
Sistemas de Telecomunicaciones
Los Sistema de Telecomunicaciones consisten en una infraestructura física a
través de la cual se transporta la información desde la fuente hasta el destino, y con
base en esa infraestructura se ofrecen a los usuarios los diversos servicios de
telecomunicaciones En lo sucesivo se denominará "red de telecomunicaciones" a la
infraestructura encargada del transporte de la información. Para recibir un servicio de
telecomunicaciones, un usuario utiliza un equipo terminal a través del cual obtiene
entrada a la red por medio de un canal de acceso. Cada servicio de
telecomunicaciones tiene distintas características, puede utilizar diferentes redes de
transporte, y, por tanto, el usuario requiere de distintos equipos terminales. Por
ejemplo, para tener acceso a la red telefónica, el equipo terminal requerido consiste
en un aparato telefónico; para recibir el servicio de telefonía celular, el equipo
terminal consiste en teléfonos portátiles con receptor y transmisor de radio, etcétera.
La principal razón por la cual se han desarrollado las redes de
telecomunicaciones es que el costo de establecer un enlace dedicado entre
cualesquiera dos usuarios de una red sería elevadísimo, sobre todo considerando que
no todo el tiempo todos los usuarios se comunican entre sí. Es mucho mejor contar
con una conexión dedicada para que cada usuario tenga acceso a la red a través de su
equipo terminal, pero una vez dentro de la red los mensajes utilizan enlaces que son
compartidos con otras comunicaciones de otros usuarios. Comparando nuevamente
con los transportes, a todas las casas llega una calle en la que puede circular un
automóvil y a su vez conducirlo a una carretera, pero no todas las casas están
ubicadas en una carretera dedicada a darle servicio exclusivamente a un solo
vehículo. Las calles desempeñan el papel de los canales de acceso y las carreteras el
de los canales compartidos. En general se puede afirmar que una red de
telecomunicaciones consiste en las siguientes componentes:
1. Un conjunto de nodos en los cuales se procesa la información.
2. Un conjunto de enlaces o canales que conectan los nodos entre sí y a través de
los cuales se envía la información desde y hacia los nodos.
Clasificación
Desde el punto de vista de su arquitectura y de la manera en que transportan la
información, las redes de telecomunicaciones pueden ser clasificadas en:
Redes conmutadas:
La red conmutada consiste en una sucesión alternante de nodos y canales de
comunicación, es decir, después de ser transmitida la información a través de un
canal, llega a un nodo, éste a su vez, la procesa lo necesario para poder transmitirla
por el siguiente canal para llegar al siguiente nodo, y así sucesivamente. Existen dos
tipos de conmutación en este tipo de redes: conmutación de paquetes y conmutación
de circuitos. En la conmutación de paquetes, el mensaje se divide en pequeños
paquetes independientes, a cada uno se le agrega información de control (por
ejemplo, las direcciones del origen y del destino), y los paquetes circulan de nodo en
nodo, posiblemente siguiendo diferentes rutas. Al llegar al nodo al que está conectado
el usuario destino, se reensambla el mensaje y se le entrega. Esta técnica se puede
explicar por medio de una analogía con el servicio postal. Supongamos que se desea
enviar todo un libro de un punto a otro geográficamente separado.
La conmutación de paquetes equivale a separar el libro en sus hojas, poner
cada una de ellas en un sobre, poner a cada sobre la dirección del destino y depositar
todos los sobres en un buzón postal. Cada sobre recibe un tratamiento independiente,
siguiendo posiblemente rutas diferentes para llegar a su destino, pero una vez que han
llegado todos a su destino. Por otra parte, en la conmutación de circuitos se busca y
reserva una trayectoria entre los usuarios, se establece la comunicación y se mantiene
esta trayectoria durante todo el tiempo que se esté transmitiendo información. Para
establecer una comunicación con esta técnica se requiere de una señal que reserve los
diferentes segmentos de la ruta entre ambos usuarios, y durante la comunicación el
canal quedará reservado precisamente para esta pareja de usuarios.
Figura Nº 1Red Conmutada
Redes de difusión:
Las redes de difusión tienen un canal al cual están conectados todos los
usuarios, y todos ellos pueden recibir todos los mensajes, pero solamente extraen del
canal los mensajes en los que identifican su dirección como destinatarios. Aunque el
ejemplo típico lo constituyen los sistemas que usan canales de radio, no
necesariamente tienen que ser las transmisiones vía radio, ya que la difusión puede
realizarse por medio de canales metálicos, tales como cables coaxiales. Lo que si
puede afirmarse es que típicamente las redes de difusión tienen sólo un nodo (el
transmisor) que inyecta la información en un canal al cual están conectados los
usuarios.
Para todas las redes cada usuario requiere de un equipo terminal, por medio
del cual tendrá acceso a la red, pero que no forma parte de la misma. De esta forma,
un usuario que desee comunicarse con otro utiliza su equipo terminal para enviar su
información hacia la red, ésta transporta la información hasta el punto de conexión
del usuario destino con la red y la entrega al mismo a través de su propio equipo
terminal. Los usuarios no pueden transmitir información en todas las redes. Por
ejemplo, en televisión o radiodifusión, los usuarios son pasivos, es decir, únicamente
reciben la información que transmiten las estaciones transmisoras, mientras que, en
telefonía, todos los usuarios pueden recibir y transmitir información. La función de
una red de telecomunicaciones consiste en ofrecer servicios a sus usuarios, y cuando
ésta es utilizada para que sobre ella se ofrezcan servicios de telecomunicaciones al
público en general (por ejemplo, la red telefónica) se le denomina una red pública de
telecomunicaciones. Cuando alguien instala y opera una red para su uso personal, sin
dar acceso a terceros, entonces se trata de una red privada de telecomunicaciones: una
red de telecomunicaciones utilizada para comunicar a los empleados y las
computadoras o equipos en general, de una institución financiera, es una red privada.
Figura Nº 2Red de Difusión
Dispositivos de Red
Los elementos necesarios comprenden disponer de acceso a la red de
comunicaciones, el transporte de la información y los medios y procedimientos
(conmutación, señalización, y protocolos para poner en contacto a los extremos
(abonados, usuarios, terminales) que desean intercambiar información. Además,
numerosas veces los usuarios se encuentran en extremos pertenecientes a diferentes
tipos de redes de comunicaciones, o en redes de comunicaciones que aún siendo
iguales son de distinta propiedad. En estos casos, hace falta contar con un
procedimiento de interconexion.
Componentes de una Red
Una red de computadoras está conectada tanto por hardware como por software. El
hardware incluye tanto las tarjetas de interfaz de red como los cables que las unen, y
el software incluye los controladores (programas que se utilizan para gestionar los
dispositivos y el sistema operativo de red que gestiona la red. Los componentes de un
sistema de telecomunicaciones son:
1. Computadoras para procesar la información.
2. Terminales o dispositivos de entrada/salida que envían o reciben datos.
3. Canales de comunicación que sirven de enlace entre los dispositivos
transmisores y receptores de la red.
4. Procesadores de comunicaciones que apoyan la transmisión y recepción de
información, como: Modems, Multiplexores, Controladores, Procesadores
frontales, Concentrador.
5. Software de comunicaciones que controla las entradas y salidas en la red.
Computadora
Es una máquina electrónica que recibe y procesa datos para convertirlos en
información conveniente y útil. Una computadora está formada, físicamente, por
numerosos circuitos integrados y otros muchos componentes de apoyo, extensión y
accesorios, que en conjunto pueden ejecutar tareas diversas con suma rapidez y bajo
el control de un programa. Dos partes esenciales la constituyen, el hardware, que es
su composición física (circuitos electrónicos, cables, gabinete, teclado, etcétera) y su
software, siendo ésta la parte intangible (programas, datos, información, etcétera).
Una no funciona sin la otra.
Desde el punto de vista funcional es una máquina que posee, al menos, una unidad
central de procesamiento, una memoria principal y algún periférico o dispositivo de
entrada y otro de salida. Los dispositivos de entrada permiten el ingreso de datos, la
CPU se encarga de su procesamiento (operaciones arimético-lógicas) y los
dispositivos de salida los comunican a otros medios. Es así, que la computadora
recibe datos, los procesa y emite la información resultante, la que luego puede ser
interpretada, almacenada, transmitida a otra máquina o dispositivo o sencillamente
impresa; todo ello a criterio de un operador o usuario y bajo el control de un
programa. El hecho de que sea programable, le posibilita realizar una gran diversidad
de tareas, esto la convierte en una máquina de propósitos generales (a diferencia, por
ejemplo, de una calculadora cuyo único propósito es calcular limitadamente).
Básicamente, la capacidad de una computadora depende de sus componentes
hardware, en tanto que la diversidad de tareas radica mayormente en el software que
admita ejecutar y contenga instalado. Si bien esta máquina puede ser de dos tipos
diferentes, analógica o digital, el primer tipo es usado para pocos y muy específicos
propósitos; la más difundida, utilizada y conocida es la computadora digital (de
propósitos generales); de tal modo que en términos generales (incluso populares),
cuando se habla de "la computadora" se está refiriendo a computadora digital. Las
hay de arquitectura mixta, llamadas computadoras híbridas, siendo también éstas de
propósitos especiales.
Figura Nº 3Computador
Repetidor
Cuando establecemos una conexión de Red debemos tener en cuenta no solo
los componentes lógicos, sino también aquellos de carácter físico, por lo que
debemos no solo elegir qué materiales y dispositivos a utilizar, sino también el
Diseño de dicha red, teniendo solo con qué sino también la forma que tendrá dicho
enlace y cómo estos componentes se combinarán o estarán en uso en la misma. En el
caso de una Red de Área Local, por ejemplo, debemos tener en cuenta como
extremos a los Nodos, pero también completar a unos dispositivos que ocupan un rol
fundamental en el establecimiento de la Red, que son nada más y nada menos que los
Repetidores.
Para quienes no saben de qué se trata, comentamos que un Repetidor consiste
básicamente en un dispositivo que se encarga de captar un señal de red, y poder
redirigirla hacia nuevo destino, amplificando las distancias que se tienen entre nodo y
nodo, y extendiendo lógicamente la transmisión de dicha red. Esto soluciona entonces
el problema de Debilidad de la Señal, ya que lógicamente la intensidad en la que se
difunde dicha información a través de los cables va disminuyendo su energía a
medida que se aleja del punto de partida, por tanto que los Repetidores se encargan de
capturar dicha señal y concentrarla para poder retransmitirla, continuando hacia su
destino pero con una intensidad regular. Resumiendo, estos dispositivos se encargan
de Regenerar la Información, recibiendo una señal eléctrica que está perdiendo su
intensidad, y Concentrándola, de modo tal que se mantenga siempre constante la
calidad de la señal emitida, y brindando el mismo nivel de energía que tuvo
originalmente desde su Nodo Inicial o punto de partida.
El funcionamiento básico de un Repetidor tiene un ciclo determinado de
trabajo, regenerando un paquete de datos específico y permitiendo entonces que la
distancia entre nodos no tenga influencia alguna, trabajando de la siguiente manera:
1. Recepción del paquete de datos
2. Rectificación y reconstrucción de bits en amplitud
3. Pasaje al siguiente segmento (considerándose que éstos están
interconectados por medio repetidores)
Extensión máxima tolerando hasta 500 metros por cada ramal de Repetidor,
con un máximo permitido de hasta 4 repetidores entre dos puntos. La principal
elección por la cual se utilizan repetidores está en el bajo costo de emplazamiento,
siendo entonces una forma barata de extender una red Ethernet, estableciendo además
enlaces en los cambios de cableado y realizando uniones entre los mismos. Si bien se
encargan de repetir y amplificar todo tipo de señales eléctricas que son lógicamente
necesarias a la hora de establecer un enlace, lo cierto es que es posible que si existe
un error o un ruido en la comunicación también se logre una repetición del mismo,
por lo que se irá difundiendo en cada conexión y no tiene una forma de solucionar
este problema.
Figura Nº 3Repetidor
Antena
Es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de
emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena
transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una
receptora realiza la función inversa. Existe una gran diversidad de tipos de
antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es
decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una
estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la
potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre
estaciones de radioenlaces).
Las características de las antenas dependen de la relación entre sus
dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o
recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la
longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones
del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es
mucho mayor que la longitud de onda son directivas.
Figura Nº 4Antena
Módem
Dispositivo que convierte señales digitales en analógicas, o viceversa, para poder ser
transmitidas a través de líneas de teléfono, cables coaxiales, fibras ópticas y
microondas; conectado a una computadora, permite la comunicación con otra
computadora por vía telefónica.
Existen dos tipos de módem:
1. Módem externo: Módem autónomo que se conecta a la computadora a través
de un puerto.
2. Módem interno: Tarjeta de comunicación con redes externas que se integra
en una computadora mediante conexión a la placa base, conectándose al bus
interno de comunicaciones.
Modulador
Dispositivo electrónico que varía la forma de onda de una señal (modula) de acuerdo
a una técnica específica, para poder ser enviada por un canal de transmisión hasta un
dispositivo o dispositivos que incorporen un demodulador apto para dicha técnica.
Tipos de moduladores según su montaje
1. Modulador en rack: Utilizados principalmente por proveedores de telecomunicaciones.
Se construyen de acuerdo a unas medidas normalizadas de forma que pueden ser
montadas en bastidores rack. Esto permite apilar múltiples moduladores
e interconectarlos entre ellos y a otros dispositivos aun manteniendo cierto orden en el
cableado.
2. Modulador doméstico: Dispositivos compactos que normalmente se utilizan para
modular en UHF (analógico) señales de RF (radiofrecuencia) que provienen de señales
audio/vídeo separadas.
3. Modulador electrónico: Abarca, de forma genérica, los moduladores que incorporan los
equipos electrónicos, por ejemplo, el modulador interno UHF que incorpora un
reproductor de vídeo.
Multiplexores
En las telecomunicaciones, el multiplexor se utiliza como dispositivo que puede
recibir varias entradas de datos y transmitirlas por una única salida. Para ello lo que hace es
dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varias ramas puedan
comunicarse al mismo tiempo. Una señal que está multiplexada debe demultiplexarse en el
otro extremo.
Según la forma en que se realice esta división del medio de transmisión, existen
varias clases de multiplexación:
La multiplexación por división de frecuencia (MDF), es un tipo de multiplexación
utilizada generalmente en sistemas de transmisión analógicos. La forma de funcionamiento es
la siguiente: se convierte cada fuente de varias que originalmente ocupaban el mismo tipo de
frecuencias, a una banda distinta de frecuencias, y se transmite en forma simultánea por una
sola salida. El MDF es un esquema análogo de multiplexado; la información que entra a un
sistema MDF es analógica y permanece analógica durante toda su transmisión. Un ejemplo
de MDF es la banda comercial de AM, el sistema de radiotelecomunicación empleado antes
del FM que ocupa un espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera el audio
de cada estación con el espectro original de frecuencias, sería imposible separar una estación
de las demás. En lugar de ello, cada estación modula por amplitud una frecuencia distinta.
Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de
televisión, así como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. La multiplexación
por división de tiempo (MDT), es el tipo de multiplexación más utilizado en la actualidad,
especialmente en los sistemas de transmisión digitales. En ella, el ancho de banda total del
medio de transmisión es asignado a cada canal durante una pequeña parte del tiempo.
La multiplexación por división de códigoo CDMA es un término genérico para varios
métodos de multiplexación o control de acceso al medio basados en la tecnología de espectro
expandido. Habitualmente se emplea en comunicaciones inalámbricas (por radiofrecuencia),
aunque también puede usarse en sistemas de fibra óptica o de cable. En telecomunicación, la
multiplexación por división de longitud de onda o WDM es una tecnología que multiplexa
varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de
onda, usando luz procedente de un láser o un LED.
Figura Nº 5Multiplexor de Telecomunicaciones
Fotovoltaica
Se llama “fotovoltaica” la energía solar aprovechada por medio de celdas
fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin pasar por un
efecto térmico. La mayoría de este tema se centra en este tipo de aprovechamiento. El
recurso solar ó luz solar es la materia prima para generar energía eléctrica. Se debe
tener conocimiento de los conceptos básicos de la energía solar como irradiancia e
insolación para entender el funcionamiento y rendimiento de los sistemas
fotovoltaicos. La insolación es un parámetro clave para dimensionar sistemas
fotovoltaicos. El proceso fotovoltaico responde a un limitado rango de frecuencias
dentro del espectro visible, de manera que es importante definir el espectro de
radiación de la fuente luminosa que se utiliza para evaluar la celda fotovoltaica. Esto
se hace especificando un parámetro denominado masa de aire.
La posición relativa del sol respecto a la horizontal del lugar determina el
valor de la masa de aire. Cuando los rayos solares caen formando un ángulo de 90°
respecto a la horizontal se dice que el sol ha alcanzado su cenit. Para esta posición la
radiación directa del sol atraviesa una distancia mínima a través de la atmósfera.
Cuando el sol esta más cercano al horizonte, esta distancia se incrementa, es decir, la
“masa de aire” es mayor. La figura Nº 6 ilustra esta situación.
Figura Nº 6Fotovoltaica
Energía Fotovoltaica
“La energía solar es la madre de todas las energías renovables”.fotovoltaica es
considerada como una de las formas de generación de electricidad renovable, ya que
se la obtiene mediante la radiación del sol y a través de procedimientos técnicos se la
convierte para que se vuelva útil en el desarrollo humano. Hoy en día la electricidad
que se genera por la captación solar, ha alcanzado una gran madurez en todos los
ámbitos sociales ya que podemos utilizarla para brindar ese motor de funcionamiento
a innumerables aparatos autónomos y así abastecer de alternativas al desarrollo del
país y del mundo, con los llamados sistemas aislados, que no son más que lugares
donde se dificulta el ingreso de líneas de trasmisión y por este motivo la mejor opción
es la generación propia por medio de paneles solares.
A demás, también se utiliza la generación fotovoltaica de manera muy
importante en los sistemas de distribución ya que con el pasar del tiempo se han
venido desarrollando tecnologías para la colocación en paralelo del sistema local con
la generación solar. Se puede citar las siguientes ventajas que nos proporcionan los
sistemas fotovoltaicos:
1. Recurso cuantioso e interminable.
2. No posee elementos movibles.
3. Polución auditiva nula.
4. Mantenimiento económico y de poca frecuencia.
5. Larga vida de los elementos que forman parte del sistema. (Excepto las
baterías).
6. Confiabilidad y operación segura.
Radiación Solar
Se puede definir a la radiación solar como el conjunto de emisiones
electromagnéticas que llegan a la superficie terrestre a una velocidad media de
300.000 km por segundo, y son generadas por el sol. No todas las emisiones llegan a
tocar suelo terrestre ya que gran parte de las ondas más cortas, son absorbidas por los
gases que se encuentran en la atmósfera principalmente por el ozono. La unidad de
medida para las emisiones electromagnéticas que llegan a la superficie terrestre es la
irradiancia, que mide la energía que alcanza la tierra, por unidad de tiempo y área. Su
unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado). La cantidad de radiación solar va
decreciendo directamente con la distancia que recorre, es decir, que partiendo de un
valor estimado de 6,35x107W/m2, en la superficie del sol se llega a un valor
estimado de 1.367 W/m2 en la parte más externa de la atmósfera terrestre en
promedio, lo cual se denomina constante solar. Y como es lógico este valor también
depende del estado del año al que se encuentre la tierra en base a la distancia del sol.
Pero se sabe que no se pierde ni se gana un valor mayor al 4% de la constante solar.
Radiación Solar Sobre La Tierra
Solamente una tercera parte de toda la radiación que proviene del sol logra tocar el
suelo terrestre, esto debido a que la tierra posee una capa protectora (atmósfera), que
juega un papel importantísimo en la función de la protección de los rayos que son
perjudiciales para la salud de los seres vivos que habitamos en la tierra. Cuando la
radiación que viene del espacio exterior atraviesa la atmósfera tiende a sufrir una
cantidad de fenómenos de atenuación que entre ellos están: reflexión, dispersión
(reflexión en varias direcciones) y absorción. El motivo por el cual se refleja y se
dispersa la radiación solar que logra atravesar la atmósfera es principalmente debido a
que las partículas de los ases de luz chocan a su paso con partículas de polvo, nubes,
humo, smog, neblina y gases variados. La reflexión que se genera viene dada por la
cantidad de obstáculos que se encuentre en el camino. Un porcentaje cercano al 31%
de la radiación que logra llegar a la atmósfera es expulsado nuevamente hacia el
espacio.
El restante de la radiación que es un 69%, logra llegar a la superficie de la
tierra quedándose una pequeña parte en el interior de la atmósfera, y de lo que toca
suelo terrestre más o menos un 4.2% es rebotado nuevamente a la capa atmosférica.
Cabe destacar que estos datos van a variar en gran porcentaje con las condiciones
climáticas que en ese momento experimente el sitio donde llega el rayo solar. A
demás las condiciones geográficas del sitio influencian en gran parte para la
generación de nubes, tal como, lagos, océanos, montañas y es por eso que se puede
experimentar cambios entre lugares cercanos a la radiación solar.
Estructura De Una Celda Fotovoltaica
La estructura de una celda fotovoltaica está conformada su mayor parte por un
semiconductor este elemento es el más importante, para estudiar la estructura de una
celda fotovoltaica deberemos conocer los conceptos de estos materiales,
semiconductor y juntura N-P.
Debemos entender que un material conductor, es aquel que permite el fácil
pasó de una corriente eléctrica porque tiene un gran número de cargas libres dentro
del mismo. A diferencia de los materiales conductores los materiales no conductores,
no permite el paso libre de la corriente porque no tiene cargas libres dentro de él. El
silicio (Si) es el material más usado en la fabricación de celdas solares. En su forma
cristalina pura, el silicio es un semiconductor, con muy pocas cargas libres, este
presenta una resistividad muy elevada. Por esta razón el silicio es sometido a un
proceso llamado de difusión en el cual se introduce pequeñas cantidades de otros
elementos químicos, los cuales permiten disminuir el valor inicial de la resistividad,
creando, al mismo tiempo, zonas con diferentes tipos de carga. La celda fotovoltaica
utiliza dos tipos de materiales semiconductores, el tipo N y el tipo P.
El material semiconductor por excelencia es el silicio dada su extraordinaria
abundancia, el 60% de corteza terrestre está compuesta por sílice que tiene un alto
contenido del mismo, además sus interesantes propiedades electrónicas hacen que el
90% de los paneles actuales estén hechos de silicio.
Figura Nº 7Materiales Conductor, Semiconductor y Aislante
Paneles Solares
Para la obtención de un voltaje adecuado en la salida del sistema necesitamos
conectar las celdas fotovoltaicas en serie para así obtener un “módulo fotovoltaico”.
Lo más común en este tipo de sistemas es que los módulos se encuentren funcionando
a 12voltios o a su vez un múltiplo de este. Es estrictamente necesario conectar una
suficiente cantidad de celdas en serie para mantener un voltaje de módulo (Vm)
constante e igual al del diseño (voltaje de las baterías) bajo condiciones de irradiancia
promedio. Bajo condiciones de un buen clima y de un cielo prácticamente despejado
el Vm llega a tener un voltaje de entre 16v y 18v. Este valor es más o menos un 80%
del voltaje de operación (Vco) y para el desarrollo de un sistema es recomendable que
se diseñe con un Vco de 20v. El voltaje de cada celda depende del tipo de fabricación
y de la celda que se haya utilizado en la fabricación del módulo.
El voltaje por celda fluctúa entre 0.5v y 0.6v, es decir que para llegar a tener
un buen Vco se necesitaría contar con por lo menos de 30 a 36 celdas. La potencia
que se logra generar esta entre 2 y 3w por celda. Ósea un módulo estándar genera
entre 70 y 200w.
Baterías y Bancos de Baterías.
La batería es un dispositivo que almacena la energía producida durante todo el
tiempo que el sistema estuvo en contacto con la radiación solar, y por medio de estas
se puede dar uso a la energía por ellas almacenas en horarios donde no se disponga de
irradiación solar. Para el uso exclusivo de un sistema fotovoltaico se necesita que las
baterías cumplan con ciertos requisitos estrictamente necesarios dada la importancia
de este dispositivo dentro del funcionamiento del sistema. Entre los cuales tenemos:
1. Larga vida útil.
2. Bajo coto por kwh.
3. Bajo porcentaje de auto descarga.
4. Alta capacidad de almacenamiento.
5. Costos bajos en mantenimiento.
6. Instalación y operación sencilla.
El sistema de almacenamiento de energía más popular son las baterías,
dispositivos inventados por el italiano Alessandro Volta, quien en 1793 descubrió que
para producir corriente eléctrica, dos metales diferentes deben entrar en contacto,
formando un circuito cerrado. La invención de la batería de plomo-ácido por el físico
francés Gaston Plante en 1859 significó la siguiente etapa en el desarrollo de los
dispositivos de almacenamiento de energía. Posteriormente, el sueco Waldmar
Jungner inventó la pila de níquel-cadmio que utiliza estos dos metales en los
electrodos positivo y negativo, respectivamente. Debido a los altos costos de estos
últimos materiales frente a las placas de plomo de las pilas ácidas, las aplicaciones de
las pilas de níquel-cadmio eran limitadas.
Fuente Ininterrumpible (UPS)
Una fuente de alimentación ininterrumpible (UPS, por sus siglas en inglés) es
un dispositivo que protege equipos electrónicos contra posibles fallas eléctricas. Un
UPS es un dispositivo conectado entre la red eléctrica (conectado a la alimentación de
la empresa eléctrica) y los materiales que necesitan protección. El UPS permite que
los materiales reciban alimentación de una batería de emergencia durante varios
minutos en caso de que se produzcan problemas eléctricos, en especial durante:
1. Interferencias en la red eléctrica; es decir, un corte de electricidad de un
segundo que puede provocar que el ordenador se reinicie.
2. Cortes de electricidad, correspondientes a una interrupción en la fuente de
alimentación por un tiempo determinado.
3. Sobrevoltaje; es decir, un valor nominal mayor que el valor máximo previsto
para el funcionamiento normal de los aparatos eléctricos.
4. Baja tensión, es decir, un valor nominal menor al valor mínimo previsto para
el funcionamiento normal de los aparatos eléctricos.
5. Picos de voltaje; es decir, sobrevoltajes transitorios (de corta duración) de
amplitud alta. Estos picos ocurren cuando se apagan y se encienden
dispositivos que demandan mucha alimentación. Con el tiempo, esto puede
ocasionar daños a los componentes eléctricos.
6. Descargas de rayos, las cuales constituyen una fuente extrema de sobrevoltaje
que se produce repentinamente durante el mal tiempo (tormentas).
Los sistemas de informática toleran la mayoría de las interrupciones eléctricas.
Sin embargo, a veces pueden causar la pérdida de datos, la interrupción de los
servicios, e incluso daños materiales. El UPS contribuye a la "disminución" del
voltaje, es decir, elimina los picos que sobrepasan ciertos niveles. Cuando se produce
un corte de electricidad, la energía almacenada en la batería de emergencia mantiene
la fuente de alimentación, suministrando electricidad a los equipos durante un período
de tiempo reducido (generalmente de 5 a 10 minutos). Más allá de los minutos de
autonomía que brinda el UPS, este tiempo ganado permite también que el equipo se
conecte a otras fuentes de energía. Algunos UPS también pueden conectarse
directamente al ordenador (por ejemplo, con un cable USB) para que este pueda
apagarse por sí solo ante un corte de electricidad, evitándose así la pérdida de datos.
Tipos de UPS
Generalmente existen tres tipos de UPS:
1. "Los UPS "fuera de línea" se conectan a través de un relé eléctrico. Cuando
todo funciona de manera adecuada, se utiliza el voltaje de la red eléctrica para
recargar las baterías. Cuando la batería supera o se encuentra debajo de cierto
nivel (máximo o mínimo), el relé se abre y el voltaje se regenera mediante el
uso de la energía almacenada en la batería. Debido al tiempo que se necesita
para que el relé se abra y se cierre, este tipo de UPS no ofrece protección
contra interferencias en la red eléctrica.
2. "Los UPS "en línea" se conectan en serie y regulan el voltaje constantemente.
3. "Los UPS "interactivos en línea cuentan con tecnología híbrida. Los UPS
interactivos en línea se conectan en forma paralela a través de un relé, pero
cuentan con un microprocesador que controla el voltaje constantemente. En
caso de una caída de voltaje leve o una interferencia en la red eléctrica, el
UPS puede inyectar voltaje para compensar. Sin embargo, en los casos en que
se produzca un corte total de electricidad, el UPS funcionará como un UPS
fuera de línea.
Características De Una Fuente de Alimentación Ininterrumpible:
El tiempo de protección eléctrica que brinda un UPS se expresa en VA
(voltios-amperios). Generalmente, para contar con protección eléctrica durante un
corte de electricidad de 10 minutos, es necesario un UPS con una capacidad
equivalente a la alimentación de todos los materiales conectados al UPS multiplicada
por 1,6. Al escoger un UPS, también es importante verificar la cantidad de sockets
(tomas de alimentación) que posee. En algunos casos, los UPS tienen conectores
(USB, de red, paralelos, etc.) que permiten conectarlos al CPU para que éste se
apague automáticamente si se produce un corte de electricidad durante un tiempo
prolongado y para realizar copias de seguridad de todo el trabajo no terminado.
Debe tenerse en cuenta que los UPS no protegen conexiones telefónicas. Por
consiguiente, un ordenador conectado a un UPS al mismo tiempo que a un módem
puede aún dañarse si la descarga de rayo tiene impacto sobre la línea telefónica.
Figura Nº 8UPS
Glosario de Términos Básicos
ADC: Conversión analógica-digital (ADC) o digitalización, consiste en la
transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar
su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la
digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las
señales analógicas.
Ancho de banda: (ing.: bandwidth) La cantidad de información que se puede enviara
través de una conexión. Se mide normalmente en bits por segundo (bps). Una página
completa de texto en inglés tiene aproximadamente 16.000 bits. Un módem rápido
puede enviar alrededor de 15.000 bits en un segundo.
Bps: Acrónimo de bits por segundo. Es la medida estándar de la velocidad de
transmisión de datos a través de un módem.
Comunicación Inalámbrica: comunicación en la que no se utiliza un medio de
propagación físico alguno esto quiere decir que se utiliza la modulación de ondas
electromagnéticas, las cuales se propagan por el espacio sin un medio físico que
comunique cada uno de los extremos de la transmisión.
Control Telemático:Ciencia que reúne y combina las posibilidades técnicas y los
servicios de la telecomunicación y la informática:
dB: En la detección de decibeles estándar (sin ajustar), todos los sonidos son medidos
con igual sensibilidad. Así, estos sonidos pueden incluir algunos que son demasiado
altos o demasiado bajos para que el oído humano pueda escucharlos.
Demodular: técnicas utilizadas para recuperar la información transportada por una
onda portadora, que en el extremo transmisor había sido modulada con dicha
información.
GHz: Es un múltiplo de la unidad de medida de frecuencia hercio (Hz) y equivale a
109 (1.000.000.000) Hz.
Energía: Es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto.
Energético: Se refiere a la cantidad de energía necesaria para la fabricación y
suministro de un producto, material o servicio desde la extracción de la materia prima
hasta su desecho o eliminación. El contenido de energía también se denomina
"energía virtual", "energía incrustada" o "energía oculta".
Ondas Electromagnéticas: es la forma de propagación de la radiación
electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con
la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.
Red: Conjunto de equipos (computadoras o dispositivos) conectados por medio de
cables, señales, ondas o cualquier otro método de trasporte de datos, que comparten
información y accesorios.
Rx: Es el elemento que recibe la información.
Señal: es la variación de una corriente eléctrica u otra magnitud física que se utiliza
para transmitir información. Por ejemplo, en telefonía existen diferentes señales, que
consisten en un tono continuo o intermitente, en una frecuencia característica, que
permite conocer al usuario en qué situación se encuentra la llamada.
Tx: Es el elemento que transmite la información.
Vatio: Es el equivalente a 1 joule por segundo (1 J/s) y es una de las unidades
derivadas. Expresado en unidades utilizadas en electricidad, un vatioes la eléctrica
producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de
1amperio (1 voltiamperio).
Voltaje Eléctrico:Es una magnitud físicaque cuantifica la diferencia depotencial
eléctricoentre dos puntos. También se puede definir como eltrabajopor unidad
decargaejercido por elcampo eléctricosobre unapartículacargada para moverla entre
dos posiciones determinadas. Se puede medir con unvoltímetro.