capitulo iv 4 aplicación de los sistemas fotovoltaico
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – ENERGÍA
VICE RECTORADO DE INVESTIGACION
INFORME FINAL
TITULO DEL PROYECTO
“ENERGIA S OLAR FOTOVOLTAICO EN EL DISTRITO
DE ORCOTUNA REGION JUNIN”
MAG. OSCAR TACZA CAS ALLO
01 – 06 – 2009 AL 31 – 05 – 2011
RESOLUCION RECTORAL Nº 619-09-R, CALLAO
BELLAVISTA - CALLAO
- 2 -
B) RESUMEN………………………………………………………………………………9
C) INTRODUCCION……………………………………………………………………...10
D) PARTE TEORICA……………………………………………………………………..11
CAPITULO I ………………………………………………………………………...……11
1 INTRODUCCION AL DESARROLLO DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA11
1.2 DELIMITACION DE LA INVESTIGACION. .......................................................12
1.2.1 DELIMITACION ESPACIAL ..........................................................................12
1.2.2 DELIMITACION TEMPORAL........................................................................13
1.2.3 DELIMITACION SOCIAL ..............................................................................13
1.2.4 DELIMITACION CONCEPTUAL ..................................................................15
1.3 PLANTEMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................21
1.4 DEFINICION DEL PROBLEMA ............................................................................21
1.4.1 PROBLEMA PRINCIPAL ................................................................................21
1.4.2 PROBLEMA SECUNDARIO ...........................................................................22
1.5 FACTIBILIDAD Y VIABILIDAD PARA EL ESTUDIO DEL PROBLEMA ....22
1.5.1 FACTIBILIDAD. ...............................................................................................23
1.5.2 VIABILIDAD .....................................................................................................23
1.6 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION........................................................23
1.7 IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION. ........................................................24
1.8 LIMITACIONES. ......................................................................................................24
1.8.1 EL FINANCIADO .............................................................................................24
1.9 ENERGÍA SOLAR ....................................................................................................25
INDICE GENERAL
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1.10 ENERGÍA FOTOVOLTAICA .................................................................................26
CAPITULO II …………………………………………………………………………...…32
2.- FUNDAMENTO DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA………………………..32
2.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA FV: ...........................................................33
CAPITULO III ……………………………………………………………………………..37
3.-.TECNOLOGÍA Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA37
3.1 Conceptos básicos......................................................................................................39
3.1.1 Usos y Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica .......................................40
3.1.2 Sistemas aislados de la red eléctrica..................................................................40
3.1.3 Elementos............................................................................................................41
3.2 Aplicaciones ...............................................................................................................43
3.2.1 Sistemas conectados a la red eléctrica...............................................................46
3.3 Elementos ...................................................................................................................47
Los elementos que componen la instalación son:....................................................................47
3.4 Aplicaciones ...............................................................................................................48
3.5 Tecnología de los principales componentes de los sistemas solares
fotovoltaicos...............................................................................................................................52
3.6 Acumuladores ............................................................................................................53
3.6.1 Reguladores de carga..........................................................................................54
3.6.2 Onduladores ........................................................................................................54
CAPITULO IV ……………………………………………………………………….........56
4.-APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICO .................................................56
4.1 Otras Aplicaciones .....................................................................................................59
4.2 PROCEDIMIENTOS DE EVALUACIÓN .............................................................59
4.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA .............................................................................61
- 4 -
CAPITULO V ………………………………………………………………………..........63
5. PRESENTACION DEL DIAGRAMA EN BLOQUE DE UN SISTEMA .....................63
FOTOVOLTAICO PARA EL USO DOMESTICO
5.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO:.................................................................................63
Fluorescentes Compactos..........................................................................................................65
5.1.1 El panel solar (tipo monocristalino o polivinílico) 19 00 Wp, 210
Wp, 350 Wp.......................................................................................................................66
5.1.2 CARATERÍSTICAS & ESPECIFICACIONES DE EL PANEL SOLAR
MONOCRISTALINO 100WP .........................................................................................67
5.1.3 El panel solar 220/280W/watt del silicio cristalino polivinílico .....................68
Lugar del origen: Taiwan ..........................................................................................................68
Instalación en dirección al Sur..............................................................................................69
5.2 BLOQUE DE GENERACION. ................................................................................72
5.3 BLOQUE DE ACUMULACION. ............................................................................73
5.4 BLOQUE DE MONITOREO ...................................................................................74
5.5 BLOQUE DE CARGA..............................................................................................74
5.6 BLOQUE DE CABLEADO. ....................................................................................75
CAPITULO VI ……………………………………………………………………….........77
6.- COMO ANALIZAR CADA BLOQUE EN DETALLE .................................................77
6.1 TIPO DE MATERIALES .........................................................................................77
6.2 EL FENÓMENO FOTOVOLTAICO ......................................................................79
6.3 VOLTAJE DE SALIDA............................................................................................80
6.4 MATERIAL CRISTALINO Y POLI-CRISTALINO .............................................80
6.5 SUPERFICIE ACTIVA.............................................................................................82
6.6 EL PANEL FOTOVOLTAICO ..............................................................................84
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6.7 VOLTAJE DE SALIDA............................................................................................85
6.8 POTENCIA DE SALIDA .........................................................................................87
6.9 MAXIMA POTENCIA DE SALIDA ......................................................................89
6.9.1 FACTOR DE DEGRADACION .......................................................................89
6.10 La Batería de Plomo-Acido.......................................................................................90
6.10.1 POLARIDAD .....................................................................................................90
6.10.2 BATERIA COMERCIAL ..................................................................................91
6.11 BATERIA Pb-ACIDO...............................................................................................92
6.11.1 CURVAS DE DESCARGA DENSIDAD DEL ELECTROLITO.................93
6.11.2 WATT.HORA AMP.HORA PROFUNDIDAD DE DESCARGA.................94
6.11.3 CORRIENTE COMO VALOR FRACCIONAL .............................................95
6.12 VOLTAJE DE SALIDA............................................................................................96
6.13 Victron Energy GEL Deep Cycle 12V 300Ah battery ............................................97
6.13.1 TEMPERATURA ELEVADA ........................................................................100
6.13 SULFATACION ......................................................................................................101
6.14 La batería Solar ........................................................................................................102
6.14.1 MAXIMO NÚMERO DE CICLOS ................................................................104
6.15 MODELOS DE BATERIAS SOLARES ...............................................................104
6.15.1 EFICIENCIA ....................................................................................................105
6.15.2 ENERGIA ALMACENADA ..........................................................................105
6.15.3 AUTODESCARGA .........................................................................................106
6.16 BATERIAS SOLARES GELATINOSAS (VRLA) ..............................................107
6.16.1 BATERIA DE NIQUEL-CADMIO (Ni-Cd)..................................................108
6.16.2 "POCKET PLATE" ..........................................................................................108
6.17 BATERIA DE Ni-Cd: POSIBLES DESVENTAJAS ...........................................109
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6.17.1 INTERRUPTOR MECANICO Y DE ESTADO SÓLIDO ...........................115
6.17.2 SENSORES EXTERNOS ................................................................................116
6.17.3 SENSORES INTERNOS .................................................................................117
6.18 DISEÑO MECANICO ............................................................................................118
6.19 NORMA AWG ........................................................................................................121
6.20 AMPERAJE MAXIMO ..........................................................................................123
6.20.1 TIPOS NM Y NMC .........................................................................................123
CAPITULO VII…………………………………………………………………….........127
7.- DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO .....127
7.1 DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES AUXILIARES
FOTOVOLTAICO ..................................................................................................................128
SOPORTE FIJO.......................................................................................................................128
SOPORTES AJUSTABLES ...................................................................................................128
7.2 SEGUIDORES AUTOMATICOS .........................................................................129
7.3 INCREMENTO DEL DIA SOLAR .......................................................................133
7.4 FUSIBLE DE BATERIA ........................................................................................133
7.5 VOLTAJE DE TRABAJO ......................................................................................138
7.6 BAJO VOLTAJE DE BATERIA ...........................................................................141
8.- DETALLAR LOS PASOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CON
CARGA DE CORRIENTE CONTINÚA ..............................................................................144
CAPITULO VIII…………………………………………………………………….........144
8.1 CONFIABILIDAD ..................................................................................................144
8.1.1 SECUENCIA DE DISEÑO .............................................................................145
8.1.2 SELECCION DEL PANEL FV.......................................................................147
8.1.3 INSTALACION ...............................................................................................149
- 7 -
8.1.4 ENERGIA REQUERID, POR LA CARGA...................................................150
8.1.5 VARIACIONES DEL NIVEL DE RESERVA ..............................................153
8.1.6 CABLE DE CONECCION EXTERIOR ........................................................159
8.1.7 CABLE DE CONECCION INTERIOR .........................................................160
8.1.8 FUSIBLES DE ENTRADA.............................................................................160
8.2 DETALLAR LOS PASOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICA CON CARGA DE CORRIENTE ALTERNA .....................................161
8.2.1 VOLTAJES Y FRECUENCIAS .....................................................................162
8.2.2 PERDIDAS.......................................................................................................163
8.2.3 CARGAS DE CA Y COSTO DEL SISTEMA ..............................................164
8.2.4 DIAGRAMA EN BLOQUES..........................................................................165
8.2.5 POTENCIA Y TEMPERATURA AMBIENTE ...........................................166
8.2.6 AL INVERSOR CORRIENTE........................................................................167
8.2.7 TIPO DE CARGAS..........................................................................................169
8.2.8 CONSUMO DE ENERGIA (CARGAS DE CA) ..........................................171
8.2.9 DATOS TECNICOS ........................................................................................173
CAPITULO IX ……………………………………………………………………….......181
9.-RENTABILIDAD ECONÓMICA DE LAS INSTALACIONES ...................................181
9.1 INSTALACIONES AISLADAS ............................................................................182
9.2 INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED ELÉCTRICA .........................185
9.3 INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED. ................................................185
9.4 INSTALACIÓN CONECTADA A LA RED. .......................................................188
CAPITULO X ………………………………………………………………………........189
10.-GUIA PARA LA INSTALACION DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO ................189
10.1 SOPORTE PARA PANELES .................................................................................190
- 8 -
10.2 SOPORTE PANELES .............................................................................................190
10.3 ORIENTACION ......................................................................................................191
10.4 MONTANDO LOS PANELES AL SOPORTE ....................................................192
CAPITULO XI.……………………………………………………………………..........202
11.-GUIA PARA EL MANTENIMIENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICO..............202
11.1 INSPECCION SISTEMA VISUAL DEL COMPONENTE DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO ..................................................................................................................202
11.2 NORMAS DE SEGURIDAD .................................................................................203
11.3 ORGANIZANDO ....................................................................................................204
11.4 LECTURA DE ESCALA ........................................................................................206
11.4.1 VARIACIONES DE DENSIDAD..........................................................................207
11.5 MEDICIONES ELECTRICAS ...............................................................................208
11.6 MEDIDOR DE CONTINUIDAD ANALOGICO.................................................210
11.6 MEDIDAS DE CONTINUIDAD ANALOGICA …………… ……………210
E) MATERILES Y METODOS …………………………………………………..215
F) RESULTADO ………………………………………………………………….216
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ………………………………………………….217
G) DISCUSIÓN…………………………………………………………… ……218
H) REFERENCIAS……………………………………………… ………… …….219
I) APENDICE I …………………………………………………………………221
I) APENDICE I I ……………………………………………………………… 223
I) APENDICE I I I ……………………………………………………………… 225
I) APENDICE I V ……………………………………………………………… 227
J) ANEXO I ………………………………………………………………………..229
J) ANEXO II ………………………………………………………………………..230
J) ANEXO III …………………………………………………………………….. 231
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B) RESUMEN
El presente trabajo de investigación realizada sobre el estudio en ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICO EN EL DISTRITO DE ORCOTUNA REGION JUNIN La
electricidad es importante en el desarrollo socioeconómico rural, en el distrito de
Orcotuna 60 familias de los población que por necesidad de cuidar su cosecha en el
lugar alejado de la ciudad decidieron construir sus casas cerca de su chacras el que crea
una necesidad indispensable de energía eléctrica para la iluminación y la utilización
para el quehacer cotidiano como el uso de las refrigeradoras, radios, televisores,
licuadoras. Por esta razón se eligió el sistema de generación de Fotovoltaico y
está directamente relacionado con el desarrollo socioeconómico.
Iluminación Por día kwh Por año kwh / año
20.28 7402.20
CONSUMO POR ELECTRODOMESTICO
Alumbrado Público 6156wh.Número de Panel 179. Costo por Panel US $ 360.00Costo Total del Proyecto: US$ 67829
POR
ELECTRODOMESTICOTIEMPO HORAS
Nº DE
HOGARESPOR DÍA
Televisor 160w De 7 a 10 2.5h 25 10000wh
Radio 30w De 6-9 y 17- 20 4h 50 6000wh
Computadora 200w De 7 a 10 3h 15 9000wh
Máquina de coser 125w De 9 a 12 2h 6 1500wh
TOTAL 26500wh
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C) INTRODUCCION
El objetivo de la Investigación es generar Energía eléctrica utilizando la energía solar.
Proporcionar energía eléctrica a los pobladores por ser un pueblo de baja densidad y se
encuentra alejado de la población y del Distrito de Orcotuna. Y ofrecerle un desarrollo
rural sostenible en especial que generan ingresos y el bienestar social.
El capítulo 1 contiene la introducción delimitación de la Investigación. La factibilidad y
viabilidad para el estudio del problema, justificación de la Investigación y el
financiamiento. El capítulo 2 la. Tecnología fotovoltaica, aplicación de la energía solar
El capítulo 3 aplicaciones, de los principios de los principales componentes,
acumuladores sus aplicaciones más frecuentes de los sistemas FV en las zonas rurales
El capítulo 4 procedimiento de evaluación, descripción del sistema. El capítulo 5
estudio de presentación del diagrama en bloque de un sistema fotovoltaico paraíso
domestico, sistema fotovoltaico, bloques de generación, y bloque de acumulación,
capítulo 6 proporciona la información general del fotovoltaico de salida, paneles
fotovoltaico, factor de degradación batería comercial modelos de baterías solares,
estudio de sensores, diseño mecánico. El capítulo 7 contiene la introducción del sistema
de descripción de los componentes del sistema, como los seguidores automáticos
incremento de día solar voltaje de trabajo El capítulo 8 nos describe los pasos de diseño
de un sistema fotovoltaico Selección del panel energía requerida por la carga los
diagramas de bloques, calculo del consumo de energía .El Capítulo 9 realiza el estudio
de la rentabilidad económica de las instalaciones aisladas. El Capítulo 10 realiza el
estudio con respecto a la instalación de un sistema fotovoltaico, soportes de paneles,
orientación y los montajes de los penales
El Capítulo 11 realiza el estudio de orientación con respecto a guiar el mantenimiento
de sistema fotovoltaico, normas de seguridad y medición de la corriente eléctrica.
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D) PARTE TEORICA O MARCO TEORICO
El presente trabajo de investigación consiste en realizar el estudio en ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICO EN EL DISTRITO DE ORCOTUNA REGION
JUNIN que hasta este momento no cuenta con energía eléctrica el que esta
ubicada en el lugar de San Pedro por ser un pueblo de densidad y se
encuentra alejado de la población y de la subestación de del de Orcotuna.
BIENVENIDO AL PUEBLO DE ORCOTUNA
Fig. 1.1 Av. Princ ipal del Distrito de Orcotuna
CAPITULO I
1 INTRODUCCION AL DESARROLLO DE LA ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICA
- 12 -
Fig. 1.2 cultivo de papa en la zona de electrificac ión del Distrito de Orcotuna
1.1 Estará orientado para los alumnos de
Ingeniería Energía y alumnos en general de Ingeniería Mecánica – Energía y
pobladores de las zonas rurales que utilizará esta tecnología de consumo de
energía eléctrica utilizando la energía solar y dar soluciones a diferentes zonas
rurales.
El Tema de Investigación es el estudio de un grupo de muneros deciden poblar
en el lugar que frecuentemente se quedaban a dormir durante la cosecha por ciudad
el fruto de las cosechas que se encontraban alejadas de la población y ocupan un
área que tiene 1.000 Km. x 0.800km. un área aproximadamente 0.8 Km2 ubicado
al noroeste del Distrito de de Orcotuna cuenta con una Población de 60 viviendas
Ocupación principal en la agricultura y ganadería.
El presente trabajo de investigación-
1.2 DELIM ITACION DE LA INVESTIGACION.
1.2.1 DELIMITACION ESPACIAL
- 13 -
El estudio a realiza debe ser para un periodo de 15 años de vida promedio de
fotovoltaico para el cual se realizara el estudio del imiento de la población
considerando el índice de tasa de natalidad es de 16.5% y con una tasa de
mortalidad de 5.3 % con este dato se calculara la potencia de generación de
energía eléctrica
En lo social la generación de energía eléctrica utilizando energía solar
fotovoltaica en los comuneros cuyo propósito, es de iluminar esta comunidad de
noche y brindarle energía eléctrica para realizar trabajos social y de producción
y de esta forma contribuimos a mejorar las condiciones de vida, y la utilización
de electo domestico brindando mejor medio de vida.
Así, se define la como el indicador demográfico
que señala el número de defunciones de una población por cada mil habitantes,
durante un periodo de tiempo determinado generalmente un año.
Donde:
m: tasa de mortalidad
F: cantidad de fallecimientos en un lapso
1.2.2 DELIMITACION TEMPORAL.
1.2.3 DELIMITACION SOCIAL
Tasa bruta de mortalidad
tasa bruta de mortalidad
•
•
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P: población total
Se considera:
Alta tasa de mortalidad si supera el 30 ‰.
Moderada tasa de mortalidad entre 15 y 30 ‰.
o simplemente es una medida de
cuantificación de la fecundidad, que refiere a la relación que existe entre el
número de nacimientos ocurridos en un cierto periodo de tiempo y la cantidad
total de efectivos del mismo periodo. El lapso es casi siempre un año, y se
puede leer como el número de nacimientos de una población por cada mil
habitantes en un año.
Su fórmula es:
•
•
•
• Baja tasa de mortalidad por debajo del 15 ‰.
REEMPLAZANDO EN LA FORMULA TENEMOS
5.3 = F/60 X100
F = 3.18 muren por Año = 4 por año
Tasa bruta de natalidad tasa de natalidad
- 15 -
Donde:
b: Tasa bruta de natalidad
B: Número total de nacimientos (en un periodo de tiempo)
N: Población total
16.5 = B / 60 x100
B = 9.9 nacen por año
En conclusión el Incremento de persona =10-4=6
= 6 por año
MODELOS DE GESTIÓN EN LA ELECTRIFICACIÓN RURAL CON
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN EL PERÚ
En esta ocasión el CER-UNI presenta dos experiencias de electrificación rural en
el Perú desarrolladas en los últimos 4 años; de un lado la experiencia del
Ministerio de Energía y Minas (MEM) hecha en 1996 a través de su Dirección
Ejecutiva de Proyectos (DEP) en la Comunidad San Francisco de Yarinacocha de
Ucayali y ampliada recientemente (1999-2000) a otras 51 ubicadas en los
departamentos de Huanuco, Ucayali, Pasco, Ayacucho, Madre de Dios y Loreto; y
de otro nuestra experiencia en islas del lago Titicaca que ha demostrado viabilidad
técnica, social y económica, y empieza a probar la financiera.
1 Convención de la ley de solar SOLARTRCNIC PAG. 25
1.2.4 DELIMITACION CONCEPTUAL1
- 16 -
Mientras que la DEP-MEM ha adoptado el modelo llamado CESIÓN EN USO
por el cual el usuario paga por el servicio eléctrico sin ser propietario de los
equipos, el CER-UNI propaga el modelo alternativo VENTA A PLAZOS por el
cual el usuario paga por los equipos y la electricidad que le proveen, es decir,
termina siendo propietario de su sistema de generación. Cada uno de estos
modelos tiene sus propias características y han sido concebidos desde ópticas y
momentos diferentes y aplicados con estrategias también diferentes y un análisis
completo de cada uno nos permitiría emitir juicios consistentes inherentes a cada
uno de ellos que servirían de base para calificarlos. Desafortunadamente, no
contamos con información completa del modelo DEP-MEM y por tanto no se dan
las condiciones para su estudio y calificación posterior. Por esta razón incidimos
mucho más en nuestro propio modelo.
Es una propuesta de desarrollo por la que apostamos so la base de los
resultados que venimos obteniendo después de iniciada mayo de 1996 cuando
realizamos la primera encuesta en Taquile y concluida l cabo de 3 años
(septiembre de 1999) contando 100 familias propietarias, cada una, de un sistema
fotovoltaico domiciliario (SFD) adquirido a US $ 750,00 y pagado en 5 cuotas de
US $ 150,00 cada una.
El estudio experimental que fue programado para diseñar las estrategias y
desarrollar las actividades experimentales para:
Garantizar la auto sostenibilidad técnica y económica proyecto en el
tiempo
Garantizar un efecto multiplicativo en la misma población
Ø
Ø
- 17 -
Generar condiciones para el efecto multiplicativo en poblaciones de las
localidades vecinas
Se ha logrado hacer realidad el escenario hipotético anterior y se encuentra en una
etapa crucial de su desarrollo cuyo término exitoso de traría consistencia de su
componente financiera.
En efecto, la última venta en noviembre de 1999 e instalación de 249 SFD en
Taquile, Uros, Amantaní, Suasi y Huancho ha sido hecha por el CER-UNI a un
costo de US $ 160 000,00 de los cuales 100 000,00 fueron financiados a 5 años al
costo de 9% anual.
Nuestra convicción sobre este modelo y, sobre todo, la confianza que ha
depositado en él el poblador de las localidades involucradas que sigue
manifestando interés por poseer un SFD en propiedad y conocimiento que
le será de verdadera y adecuada utilidad, nos ha impulsado a gestionar un nuevo
préstamo cuya eventual inversión nos permitiría en un futuro cercano ofrecer
nuevamente 200 ó más SFD. Este trabajo detalla este desarrollo y espera críticas y
sugerencias positivas.
La cuarta parte de la población peruana no tiene acceso a la electricidad, y de ella,
tal vez la mitad no la tendrá antes de 10 ó más años. El abastecimiento ico a
partir del Sistema Interconectado Nacional (SIN-4500MW) y de los Sistemas
Aislados (SA-1000MW), tiene un límite físico llamado frontera eléctrica. Las tres
cuartas partes restantes nos ubicamos al interior de esta frontera cuya ampliación
es responsabilidad de nuestros gobernantes creando las condiciones más
adecuadas para tal fin.
Ø
- 18 -
Electrificar una vivienda rural medianamente alejada de la frontera eléctrica es tan
costoso que se decide no hacerlo hasta que esta tarea se torne “rentable” lo que tal
vez nunca se logre. La curva de la figura 1 muestra que aún cuando llevemos
nuestra frontera hasta el 90% de población servida, habrá 3 millones de peruanos
“a oscuras” realidad que nos debe inducir a elaborar propuestas alternativas de
electrificación que contribuyan con mayor eficacia con este fin.
Graf. 1.1 Variación temporal del Coefic iente de electrificac ión ional (CE) y del índice población no
servida (PNS) bajo el supuesto de alcanzar 90% electrificac ión al año 2010
La tecnología fotovoltaica (FV) ha superado varias de barreras en la ruta de la
electrificación rural y por ello es, hoy en día, una opción válida para estos fines.
No obstante, quedan aún no pocas barreras, mayormente de carácter económico y
financiero, que sugieren mayor atención por su marcada
Proyecto de instalación, organización y capacitación para electrificación de
localidades aisladas en base a 781 Sistemas Fotovoltaicos Domiciliarios (SFD)
En 1999, después de meses de negociación, la Dirección Ejecutiva de Proyectos,
DEP, del Ministerio de Energía y Minas, MEM, firmó dos contratos con la UNI
para el transporte, la instalación, la organización y la capacitación para la
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electrificación de 24 localidades en siete Departamentos de la sierra y selva
peruana (Cerro de Pasco, Ayacucho, Apurimac, Junín, Loreto, Madre de Dios,
Ucayali).
La base para este proyecto fueron 781 SFD existentes en Lima en los depósitos
del MEM. Considerando informaciones que muchas lámparas y reguladores de
carga, de los SFD que el MEM había instalado anteriormente, se habían
malogrado, el CER-UNI evaluó primeramente muestras de los SFD en su
laboratorio. Como consecuencia, el MEM exigió al proveedor el cambio de
muchas lámparas y reguladores de carga.
También se acordó seguir con el siguiente esquema de gestión y organización:
Los SFD, adquiridos por el gobierno exonerados de impuestos y
aranceles, siguen en propiedad de la empresa estatal ADINELSA
(Empresa de Administración de Infraestructura Eléctrica S.A., de reciente
creación), que administrará toda la infraestructura eléctrica del Estado
que no sea transferida a empresas privadas, debido, entre otros, a que no
existe una empresa privada interesada en una infraestructura eléctrica que
no sea rentable.
Cada usuario recibe un SFD en "cesión en uso" y debe pagar una cuota
inicial de US $ 35 - 45 y una cuota mensual de US $ 5 - 8, según la
capacidad económica, a ser determinada por el CER-UNI y coordinada
con la DEP-MEM y el Gobierno Regional (en una misma comunidad se
aplicará las mismas tarifas para todos usuarios). Cada usuario firma con
ADINELSA un "contrato de suministro de energía eléctri con módulo
fotovoltaico". En este contrato está estipulado que ADINELSA cortará
Ø
Ø
- 20 -
su servicio si el usuario está con más de dos meses de atraso en sus
pagos mensuales.
Los usuarios en una comunidad deben estar organizados n un "Comité
de Electrificación", incluyendo a un grupo de soporte operativo
(presidente, secretario, tesorero y vocal) , que será responsable de la
recaudación de las cuotas, y a un grupo de soporte técnico. El dinero
recaudado por cuota inicial y cuotas mensuales será depositado en una
cuenta bancaria del Comité y debe servir para los gastos de
mantenimiento y reposición de los SFD.
A la fecha, en todas las localidades previstas se han conformado los de
electrificación y todos los 781 SFD ya están instalados. Como ejemplos de las
cuotas a pagar, en soles, por los usuarios tenemos (1US $ = 3,5 soles):
el
gobierno regional (es una dependencia del Ministerio de la Presidencia, con
funcionarios designados desde Lima) ha dado un crédito a los usuarios para pagar
la cuota inicial de S/. 150, a ser devuelto en 12 cuotas mensuales; mientras tanto,
el usuario no necesita pagar las cuotas mensuales de S/. 18.
En algunas comunidades (de Yurimaguas, por Ej.) las municipalidades han
asumido el costo de la cuota
cuota inicial cuotas mensuales
Made de Dios 100 11
Cerro de Pasco 150 20
Yurimaguas 80 20
Ucayali 150* 18 *
Ayacucho 150 15
Ø
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DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL TEMA
El presente trabajo de investigación consiste en realizar el estudio en ENERGIA
SOLAR FOTOVOLTAICO EN EL DISTRITO DE ORCOTUNA REGION
JUNIN hasta este momento no cuenta con energía eléctrica.
No cuenta con energía eléctrica por ser un pueblo de baja densidad y se encuentra
alejado de la población y de la subestación de pueblo. A las empresa Eléctrica no
le es rentable realizar los trabajos de electrificación en este lugar
El presente trabajo de investigación estará orientado para los alumnos de
Ingeniería de Energía y estudiantes en general de Ingeniería Mecánica y
pobladores en zonas rurales, que aprenderán la generación y consumo de energía
eléctrica utilizar la energía solar y dar solución a diferentes zonas rurales.
Utilizando la nuevas tecnología
Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos e incluso mientras dormimos
estamos consumiendo energía eléctrica.
Ésta es indispensable y no-solo para las sociedades actuales. Es para todo ser
humano. Por esta razón debemos. Electrificar al anexo de jurpac
Energía eléctrica para el anexo de jurpac
plan de desarrollo energético social comandada por el peruano en alianza
ONG, municipalidades y gobiernos regionales podríamos extraordinarios
resultados en electrificación en las zonas alejadas
1.3 PLANTEM IENTO DEL PROBLEM A
1.4 DEFINICION DEL PROBLEMA
1.4.1 PROBLEMA PRINCIPAL
- 22 -
El problema principal electrificar a un grupo de comuneros que pertenece al
Distrito Orcotuna, provincia de concepción Región Junín que carece de energía
eléctrica. Están ubicadas en sus chacras EN LA ZONA RURAL Existen las
posibles soluciones para el problema principal:
EMPRESAS ELÉCTRICAS. Consultadas dicen que no tienen programado la
amplición para el un grupo de comuneros porque la subestación esta trabajando a
su máxima potencia y los costos de aumento de carga no justifica por ser un anexo
de solo 50 viviendas
ENERGÍA SOLAR FOTOVOOLTAICO del lugar después de realizado el estudio.
Es una de las fuentes de energía más barata. Por eso, donde el régimen del sol
es constante, utilizando la ultima tecnología
El Ministerio de .Energía y Mina el viernes 16 de julio del 2006 informa que la
electricidad rural en el Perú es un problema. En el Perú, cerca del 27% de la
población total están en las zonas rurales y Aproximadamente el 265% en la zona
rural no cuentan con electricidad.
Energía solar fotovoltaico
Lugares adecuados, para un fotovoltaico
Almacenamiento de energía eléctrica se puede almacenar ya existe
gigantesca batería de palas podría suministrar la energía que consumirán
500 millones de hogares europeos.
1.4.2 PROBLEMA SECUNDARIO
1.5 FACTIBILIDAD Y VIABILIDAD PARA EL ESTUDIO DEL
PROBLEM A
•
•
•
- 23 -
Estudio de generación de energía eléctrica a partir renovable
Realizar el estudio del diagnostico social levantamiento de información,
formación, concientización
Estudios de factibilidad, dimensionamiento del sistema y diseño conceptual
de los mismos es necesario realizar una serie de estudios
La viabilidad del proyecto de energía solar fotovoltaico en la zona rural es muy
compleja, ya que implica prever y resolver problemas de muy diversas, algunos de
los más importantes son:
Aspecto técnico.- principales tecnologías a utilizar
Aspecto económico.-Fuentes de financiamiento
Aspecto social.- Conozcan el alcance y las limitaciones
Aspecto institucional.- estado Operativo del sistema
Su mantenimiento disponibilidad de repuestos, capacitación de los usuarios
La viabilidad para estos millones de peruanos de la zona rural, única posibilidad
económicamente y viable a corto y mediano plazo es la generación local de
electricidad, basada sobre todo en recursos renovables: eólica, solar y biomasa
Generar energía eléctrica utilizando la energía solar fotovoltaico
1.5.1 FACTIBILIDAD.
1.5.2 VIABILIDAD
1.6 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION
•
•
•
•
•
•
•
Ø
- 24 -
El costo de electricidad producida por los generadores la energía solar
fotovoltaico sus costos que tienen una tarifa sostenible. Es decir fijas y
más baratas en comparación con la energía corriente convencional.
Impulsar la educación utilizando las últimas tecnologías de Informática
Generan nuevos puestos de trabajo local utilizando la energía Eléctrica.
La importancia del presente estudio es dar las especif iones técnicas
necesarias para la implementación
Promocionar, el desarrollo y aumento del uso de forma y renovable
de energía, la energía solar fotovoltaico utilizando las nuevas tecnología que
sean ecológicamente racionales
Desarrollo de estudios de Diagnóstico Social Participativo para detectar las
necesidades de las poblaciones seleccionadas, que puedan tener impacto en
los estudios de factibilidad de generación a partir de energías renovables.
Desarrollo de estudios de carga y demanda con la final de detectar las
necesidades de las poblaciones seleccionadas, que puedan tener impacto en
los estudios de factibilidad de generación a partir de energías renovables.
.Elevar los niveles de información en el uso adecuado la energía
eléctrica.
La causas del subdesarrollo económico de las 70 familias participar en el
Ø
Ø
1.7 IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACION.
1.8 LIM ITACIONES.
1.8.1 EL FINANCIADO
•
•
•
•
•
- 25 -
financiamiento de la energía eléctrica utilizando el potencial solar.
Para la electrificación del las 70 familias con participación de la municipalidad
mediante aportes de la Municipalidad alianza ONG, municipalidades y
gobiernos regionales podríamos lograr extraordinarios en la lucha
contra la pobre
Ubicar poblaciones y caseríos en zonas aisladas donde energías renovables
permitan mitigar algunos problemas. las poblaciones objetivos serán
seleccionadas a lo largo de la ejecución del proyecto
La cantidad de calor recibido por la tierra anualmente puede calcularse en 1946
calorías pequeñas por centímetro cuadrado de superficie y por minuto. Este calor
es capaz de producir una potencia de 1,81 caballos de vapor por metro cuadrado.
La transformación directa de la energía radiante del sol en calor parece ser
actualmente fácil y con rendimiento elevado, del 30 al 60%, la técnica es
bastante sencilla y eficaz en el tiempo, cronológicamente el pr método
empleado consiste en concentrar en una superficie reducida las radiaciones
solares recogidas en una gran superficie. Mediante espejos esféricos, parabólicos
o troncocónicos se iniciaron los dispositivos solares para producir energía.
En la actualidad el avance en la utilización de energía solar es muy grande y los
países desarrollados ya están vendiendo programas de desarrollo energético a
base de energía solar, la misma que cada día se acerca más y más a competir en
los precios de dólares por kilovatios. Este tipo de energía obtenida se denomina
renovable.
2 Autor: I. Balderi, Pág. 5
1.9 ENERGÍA SOLAR2
- 26 -
Se dice que la energía solar fotovoltaica es la energía del futuro. Su despegue se
produjo en el contexto de programas espaciales, en los cuales se ha permitido
hacer funcionar satélites artificiales por energía solar, aprovechando
directamente la radiación del sol. Como características positivas podemos
mencionar que, en este tipo de energía, la energía solar se transforma en energía
eléctrica sin partes móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones
químicas.
Esta generación eléctrica es de duración prácticamente ilimitada, no requiere
mantenimiento, no produce contaminación ni hace ruido.
El efecto fotoeléctrico permite transformar directamente energía solar (ya sea
directa o difusa) en energía eléctrica continua. Para llo, se suelen utilizar
semiconductores, y en especial el silicio (el segundo o más abundante en
la corteza terrestre que se obtiene de la arena). El elemento base es la célula
solar. Suelen ser de silicio monocristalino, policristalino o amorfo. Los
conjuntos de células se orientan hacia el Sur para aprovechar más la radiación
solar, y son conectadas a un sistema de almacenamiento (baterías) y de
conversión de la corriente. Se trata pues de una fuente de energía que puede
aprovecharse en cualquier aplicación: red eléctrica, consumo en lugares aislados
de zonas rurales.
El sol envía a la tierra una energía que se transmite or radiación. Fuera de la
atmósfera, esta radiación alcanza un valor llamado “co solar” que vale
1.353 W/m² y se define como la energía por unidad de tiempo recibida por
1.10 ENERGÍA FOTOVOLTAICA
- 27 -
unidad de área en una superficie perpendicular a la radiación solar incidente.
Esta radiación se compone de 95 W/m² de radiación ultravioleta, 640 W/m² de
Radiación visible y 618 W/m² de radiación infrarroja.
La radiación pierde intensidad al atravesar la atmósfera, y modifica su
distribución energética dependiendo del espesor de la de aire, su situación
geográfica, etcétera.
En el mejor de los casos, el valor en la superficie terrestre llega a ser 1.000
W/m². La densidad energética y la energía utilizable de este recurso es muy baja,
y debido a ello su empleo está muy condicionado y depende de la temperatura
que se va a utilizar.
La energía solar térmica según su utilización se puede clasificar en baja, media y
alta temperatura, y solo ésta última es válida para la producción de electricidad.
En este caso, la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un
fluido, como por ejemplo el agua, para accionar una turbina.
Estas fuentes se pueden dividir en sistemas con concentración y sistemas sin
concentración. En los sistemas con concentración la luz solar se dirige por
medio de lentes o espejos sobre la zona a calentar, lo que permite obtener
rendimientos muy elevados. En los sistemas sin concentración, en cambio, la
zona a calentar se expone directamente al sol y sin elementos auxiliares, lo que
se traduce en un rendimiento inferior, pero también en una mayor facilidad de
construcción y menos posibilidades de fallas técnicas. Para obtener temperaturas
de más de 300ºC es necesario realizar una gran concentración de los rayos
solares. Con este fin, se suelen utilizar espejos parabólicos o “escamas” de un
- 28 -
paraboloide que concentran la radiación incidente en espacios muy reducidos, en
ellos se alcanzan temperaturas muy elevadas en un elemento de absorción donde
se calienta un fluido, el que por medio de un ciclo Rankine o una combinación
de ciclos Rankine-Brayton (ciclo combinado), produce energía mecánica en las
turbinas, y posteriormente, energía eléctrica. Estos sistemas de producción
eléctrica son de diversos tipos y se suelen llamar "hornos solares" ó "motores
solares". Algunos de los dispositivos de este tipo constan de una torre central
con una altura de entre 60 y 100 metros. En la parte superior se halla el elemento
de absorción, y en la base de la torre se dispone un conjunto de helióstatos. Cada
uno de estos helióstatos consta de un espejo con una superficie reflectante de
entre 20 y 50 metros cuadrados situado sobre una columna vertical y de dos
motores que le proporcionan orientación horizontal y vertical. El número de
estos paneles normalmente varía entre 100 y 300, y ocupan una superficie de
unos 10.000 metros cuadrados de terreno. Como control existe una
computadora que calcula constantemente el ángulo de incidencia de la luz sobre
cada helióstato. Con este dato, se accionan los motores para que la luz reflejada
se proyecte sobre la cavidad de calentamiento de la torre. En la actualidad el
precio del Kwh. que se produce por este método no es competitivo y la
contribución al gasto energético mundial alcanza niveles muy pequeños. Por
ejemplo, en España, existe un horno solar en Almería que tiene una potencia de
1 MW.
En este caso la energía del sol transportada por sus fotones de luz, incide sobre
la superficie de un material semiconductor (Ej.: silicio), produciendo el
1.11 ENERGÍA FOTOVOLTAICA
- 29 -
movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del
material. Este desplazamiento de electrones se puede utilizar como fuente de
energía. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares.
Las celdas fotovoltaicas permiten la conversión directa de energía solar en
eléctrica, y se basan en la propiedad de aquellos semiconductores q tienen los
electrones de valencia ligados al núcleo con una energía similar a la que poseen
los fotones que llegan de la radiación solar. Al incidir éstos en el semiconductor
liberan los electrones de esta última capa, y el lugar que deja libre el electrón,
llamado “hueco”, se desplaza en el semiconductor al igual que los electrones.
Los electrones libres y los huecos tienden a irse hacia las zonas oscuras, dando
lugar a la creación de un campo eléctrico en el semiconductor que puede
utilizarse para producir corriente.
Estos semiconductores se fabrica a partir del tratamiento de dos regiones en un
Fig. 1.3 vista de un conjunto de paneles solares
Fuente: una lavandería de Estados Unidos
- 30 -
cristal del semiconductor llamadas región “n” dopada con fósforo y región “p”
dopada con boro. La célula solar es una “rodaja” de semiconductor (por ejemplo
El rendimiento de la célula es el cociente de la máxima potencia eléctrica que
puede producir dividida por la potencia luminosa que incide sobre ella. En la
práctica estos rendimientos dependen del tipo de célula. Por ejemplo, con silicio
policristalino suele ser del 8%, con sulfuro de cadmio 10%, con arseniuro de galio
25%.
Con la unión de muchas células se forma un panel fotovoltaico. El mismo se debe
orientar al norte (en el hemisferio sur) y con una inclinación próxima a la latitud
del lugar donde se utilice.
El sistema se suele complementar con un dispositivo de control y unas baterías
recargables que permiten almacenar la energía para emplearla cuando sea
necesaria, pero no exista luz, como por ejemplo, de noche. Los modelos más
perfeccionados disponen además de motores que se encargan de girar los paneles
de forma que apunten siempre hacia el sol. De este mod se consigue que reciban
siempre el máximo de luz posible y tengan el máximo rendimiento. El precio del
Kwh. generado por la energía fotovoltaica no es rentable con los precios actuales
de silicio) dopada de la forma descripta anteriormente. Cuando se cierra
el circuito externo de la célula e incide la energía luminosa del sol, se
crea una corriente que varía con la tensión generada.
- 31 -
de la energía y se debe utilizar en lugares donde no l l tendido eléctrico y en
instalaciones de muy pequeño consumo.
La principal ventaja de la producción de electricidad medio del efecto
fotovoltaico es la seguridad de uso y el escaso mantenimiento resultante. Además,
los sistemas basados en paneles fotovoltaicos pueden crecer de forma modular
con modificaciones muy sencillas a la estación existente previamente.
El principal inconveniente, es su precio inicial y el que puede ocupar para
una producción de potencia elevada.
Otro problema que plantea este tipo de energía, y el del apartado anterior es,
evidentemente, el sol. Para que las instalaciones sean rentables, es necesario
disponer de una zona en la que el sol ilumine durante gran parte del tiempo, lo que
no ocurre en las regiones muy alejadas del ecuador.
Actualmente, existen centrales fotovoltaicas de potencias más altas que actúan
entregando su producción directamente a la red eléctrica. Este tipo de centrales
tienen potencias del orden de los 10 MW y su incorporación al mercado eléctrico
está sobre todo justificada por la disminución del impacto ambiental que la
producción eléctrica por este procedimiento ocasiona.
En Europa hay instalados sistemas fotovoltaicos con una potencia de 3000
T.E.P./año y se está incrementando notablemente la construcción de plantas de
gran potencia.
- 32 -
CAPITULO II
EL fundamento de las celdas fotovoltaicas (FV) individuales tienen una
producción eléctrica limitada, la cual puede ser utilizada para operar equipos
grandes o pequeños tales como juguetes, relojes y calculadoras de bolsillo. Para
incrementar la salida (voltaje y amperaje) de una fuente FV, las celdas
individuales se unen eléctricamente en diferentes formas. El módulo FV es el
conjunto más básico de celdas FV, el cual pude incluir desde menos de una
docena hasta cerca de 100 celdas. El panel FV comprende grupos de módulos,
mientras que el arreglo FV es la combinación de paneles en arreglos serie y/o
paralelo. La forma más popular de arreglo FV está hecha de paneles planos y
puede responder a la luz difusa de todo el cielo (esto es, puede producir
electricidad aun en días nublados). Los paneles FV planos pueden estar fijos en un
soporte o moverse para seguir la trayectoria del sol. Un sistema fotovoltaico es el
conjunto de dispositivos cuya función es transformar la energía solar directamente
en energía eléctrica, acondicionando esta última a los requerimientos de una
aplicación determinada. Consta principalmente de los siguientes elementos:
1) arreglos de módulos de celdas solares.
2) estructura y cimientos del arreglo.
3) reguladores de voltaje y otros controles, típicamente un controlador de carga
de batería, un inversor de corriente cd / ca o un rectificador ca / cd
2 FUNDAMENTO DE LA TECNOLOGIA
FOTOVOLTAICA
- 33 -
4) Baterías de almacenamiento eléctrico y recinto para ellas.
5) instrumentos.
6) cables e interruptores.
7) red eléctrica circundante.
8) Cercado de seguridad, sin incluir las cargas eléctricas".
Un sistema fotovoltaico no siempre consta de la totalidad de los elementos
arriba mencionados. Puede prescindir de uno o más de éstos, dependiendo del
tipo y tamaño de las cargas a alimentar, el tiempo, hora y época de operación y
la naturaleza de los recursos energéticos disponibles en el lugar de instalación.
En un sistema típico, el proceso de funcionamiento es siguiente: la luz solar
incide sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, donde es trasformada en energía
eléctrica de corriente directa por las celdas solares; esta energía es recogida y
conducida hasta un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar toda o
parte de esta energía hasta el banco de baterías, en d de es almacenada, cuidando
que no se excedan los límites de sobrecarga y sobre descarga; en algunos diseños,
parte de esta energía es en viada directamente a las cargas.
La energía almacenada es utilizada para abastecer las durante la noche o en
días de baja insolación, o cuando el arreglo fotovoltaico es incapaz de satisfacer la
demanda por sí solo. Si las cargas a alimentar son de directa, esto puede
hacerse directamente desde el arreglo fotovoltaico o desde la batería; si, en
cambio, las cargas son de corriente alterna, la energía proveniente del arreglo y de
las baterías, limitada por el controlador, es enviada a un inversor de corriente, el
2.1 FUNCIONAM IENTO DEL SISTEM A FV:
- 34 -
cual la convierte a corriente alterna. Cómo se produce energía eléctrica a partir del
Sol
Efecto fotovoltaico en una célula solar La producción basada en el fenómeno
físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la
luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semi
denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio
puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena)
con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son
capaces de
utilizando como fuente la radiación luminosa. Las células se
montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje
adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra
parte por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar
electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación
Fig. Nº 2.1 Efecto fotovoltaico en una célula solar
Fuente: Cenidet pag. 6
generar cada una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46
a 0,48Voltios,
- 35 -
incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Funciona un
sistema fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar,
produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El
sistema consta de los siguientes elementos (ver esquema):
Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos,
que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en
corriente continua a baja tensión (12 ó 24 V).
Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y
permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días
nublados.
Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas
excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar
que el sistema: trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia. _
Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V
almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V.
Ø
Ø
Ø
Ø
Almacenada en e l acumulador, en corriente alterna de 230 V.
- 36 -
Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: sacar
una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos
de consumo de 12 ó 24 Vcc (primer esquema) o bien transformar la corriente
continua en alterna de 230 V a través de un inversor (segundo esquema). ,
Si en vez de un panel solar se instala un aerogenerador el sistema se denomina
eólico. Si se instalan ambos será un sistema mixto. En este caso cada uno debe
llevar su propio regulador. Aplicaciones tiene la energía solar fotovoltaica
Prácticamente cualquier aplicación que necesite electr idad para funcionar se
puede alimentar con un sistema fotovoltaico adecuadamente dimensionado. La
única limitación es el coste del equipo y, en algunas el tamaño del
campo de paneles. No obstante, en lugares remotos alejados de la red de
distribución eléctrica, lo más rentable suele. ser instalar energía solar fotovoltaica
antes que realizar el enganche a la red. Entre las principales aplicaciones se
incluyen: electrificación de viviendas, sistemas de bo y riego, iluminación de
carreteras, repetidores de radio y televisión, depuradoras de aguas residuales, etc.
Una ins talación solar fotovoltaica s in inve rs or, utilización a 12Vcc
Una ins talación solar fotovoltaica con inve rs or, utilización a 230Vca
Fig. Nº 2-2 de instalación solar fotovoltaico
Fuente: CENIDET Pág. 13
- 37 -
La Tecnología fotovoltaicos, se basándose en las propiedades de los materiales
semiconductores, transforman la energía que irradia el sol en energía eléctrica, sin
mediación de reacciones químicas, ciclos termodinámicos, o procesos mecánicos
que requieran partes móviles.
El proceso de transformación de energía solar en energía eléctrica se produce en
un elemento semiconductor que se denomina célula fotovoltaica. Cuando la luz
del sol incide sobre una célula fotovoltaica, los fotones de la luz solar trasmiten su
energía a los electrones del semiconductor para que así puedan circular dentro del
sólido.
La tecnología fotovoltaica consigue que parte de estos electrones salgan al
exterior del material semiconductor generándose así una corriente eléctrica capaz
de circular por un circuito externo.
CAPITULO III
3 TECNOLOGÍA Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA
SOLAR FOTOVOLTAICA
Fig.: 3.1 Efectos fotovoltaicos
Fuente: CENIDET Pág. 15
- 38 -
La conexión de células fotovoltaicas y su posterior encapsulado y enmarcado da
como resultado la obtención de los conocidos paneles o módulos foto-voltaicos de
utilización doméstica e industrial, como elementos generadores eléctricos de
corriente continua.
Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por:
Su simplicidad y fácil instalación.
Ser modulares.
Tener una larga duración (la vida útil del fotovoltaicos es superior a 30
años).
No requerir apenas mantenimiento.
Tener una elevada fiabilidad.
No producir ningún tipo de contaminación ambiental.
Tener un funcionamiento silencioso.
Pero para conseguir su plena incorporación a los hábitos de la sociedad, como una
solución complementaria a los sistemas tradicionales de suministro eléctrico, es
necesario superar ciertas barreras:
Económicas: Insistiendo en la reducción de sus costes fabricación y precio
final de la instalación, que podrá derivarse de las innovaciones que se introduzcan
y, en gran medida de las economías de escala que se generen como consecuencia
del aumento de la demanda y de los volúmenes de producción.
Estéticas: Integrando los elementos fotovoltaicos en los edificios y en los entornos
rural y urbano.
Financieras: Consiguiendo condiciones de financiación para abordar la
inversión necesaria.
•
•
•
•
•
•
•
- 39 -
Administrativas: Obteniendo el máximo apoyo de las Administraciones Publicas,
y clarificándose y agilizándose las tramitaciones necesarias.
Las condiciones de funcionamiento de un módulo fotovoltaico dependen de
algunas variables externas como la radiación solar y la temperatura de fun-
cionamiento, por ello para medir y comparar correctamente los diferentes módulos
fotovoltaicos, se han definido unas condiciones de trabajo nominal o estándar.
Estas condiciones se han normalizado para una temperatura de funcionamiento de
25° C y una radiación solar de 1.000 W/m2, y los valores eléctricos con estas
condiciones se definen como valores pico.
Teniendo en cuenta que la unidad de potencia eléctrica es el vatio (W) y sus
múltiplos el kilovatio (1 kW = 1.000 W) y el megavatio (1 MW = 1.000.000 W),
la potencia de un módulo fotovoltaico se expresa en vatios pico (Wp), refiriéndose
a la potencia suministrada en las condiciones normalizadas de 25° C de
temperatura y 1.000W/m2 de radiación solar (irradiancia).
Por otro lado, la energía producida por los sistemas fotovoltaicos es el resultado de
multiplicar su potencia nominal por el número de horas pico, dado que no todas
las horas de sol son de la intensidad considerada como pico, es decir 1.000 W/m2.
Y se mide de igual forma que en el resto de sistemas energéticos, en vatios hora
(Wh) y sus múltiplos en kilovatios hora (1 kWh =
1.000 Wh) y megavatios hora (1 MWh = 1.000.000 Wh).
El número de horas pico de un día concreto se obtendrá dividiendo toda la energía
de ese día (en Wh/m2) entre 1.000 W/m2. Para tener una idea, la suma total de la
3.1 CONCEPTOS BÁSICOS
- 40 -
energía que produce el Sol durante un día sólo equivale en España a unas 5 horas
solares pico durante el verano y entre 2 y 4 durante el invierno, según la zona.
Hay dos formas de utilizar la energía eléctrica generada a partir del efecto
fotovoltaico:
En instalaciones aisladas de la red eléctrica.
En instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional.
Mientras que en las primeras la energía generada se almacena en baterías para así
disponer de su uso cuando sea preciso, en las segundas toda la energía generada se
envía a la red eléctrica convencional para su distribución donde sea demandada.
Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene
acceso a la red eléctrica y resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico
que tender una línea entre la red y el punto de consumo.
Como los paneles sólo producen energía en las horas de sol y la energía se
necesita durante las 24 horas del día, es necesario un sistema de acumulación.
Durante las horas de luz solar hay que producir más energía de la que se consume,
para acumularla y posteriormente poder utilizarla cuando no se esté generando.
La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las
condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. De tal manera que
en una zona donde haya muchos días soleados al año habrá que acumular poca
3
3.1.1 USOS Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA3
3.1.2 SISTEMAS AISLADOS DE LA RED ELÉCTRICA
Jose Antonio Fernández pag. 30
- 41 -
energía. Si el periodo sin luz no es suficientemente largo, hay que acumular más
energía.
El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:
la demanda energética en los meses más desfavorables.
las condiciones técnicas óptimas de orientación e incl ión, dependiendo del
lugar de la instalación.
Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el
fin de no sobredimensionar la instalación.
Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, que de
esta manera el sistema sea más económico. Actualmente una gran variedad
de estos productos de bajo consumo.
Generador fotovoltaico: Transforma la energía del sol energía eléctrica y
carga las baterías.
Regulador de carga: Controla la carga de la batería ev que se
produzcan sobrecargas o descargas excesivas, que disminuyen la vida útil
del acumulador. Puede incorporar un sistema de seguimiento del punto de
máxima potencia, que es un dispositivo que aumenta el rendimiento de la
instalación.
Sistema de acumulación. Baterías: Acumulan la energía por los
paneles. Cuando hay consumo, la electricidad la proporciona directamente
la batería y no los paneles.
3.1.3 ELEMENTOS
Ø
Ø
Ø
- 42 -
Ondulador: La corriente que entrega la batería es corriente continua y la ma-
yoría de los electrodomésticos que se comercializan, funcionan con corrien-
te alterna. Por este motivo se utilizan onduladores que convierten la corrien-
te continua en alterna.
Fig. 3.2 esquema de un sistema fotovoltaico aislado
Fuente: Centro de Estudios de Energía Solar pág. 25
El generador fotovoltaico se estima que tiene una
, siendo la parte más fiable de la instalación. La experiencia indica que
los paneles nunca dejan de producir electricidad, aunque su rendimiento
pueda disminuir ligeramente con el tiempo.
Por otro lado las baterías con un correcto mantenimiento tienen una
Mantenimiento
Las operaciones de mantenimiento son:
Los paneles que forman el generador apenas requieren mantenimiento, basta
limpiarlos con algún producto no abrasivo cuando se detecte suciedad.
Ø
Ø
vida útil superior a 30
años
vida
aproximada de diez años.
- 43 -
El regulador de carga no requiere mantenimiento, pero sí necesita ser
revisado para comprobar su buen funcionamiento.
En las baterías se debe controlar que el nivel de agua del electrolito esté
dentro de unos límites aceptables. Para reponerlo se utiliza agua desminera-
lizada o destilada. Se debe revisar su nivel mensualmente en cada uno de los
elementos y mantener los bornes de conexión libres de La medida
de la densidad del electrolito puede avisar de posibles averías. Actualmente
existen baterías sin mantenimiento o de electrolito gelificado que no
necesitan reposición de agua.
El ondulador no necesita ningún mantenimiento especial, únicamente debe
comprobarse su buen funcionamiento.
Las principales aplicaciones de los sistemas aislados de la red eléctrica son:
Aplicaciones espaciales: Desde los orígenes de la aventura espacial los saté-
lites y naves espaciales han utilizado paneles solares fotovoltaicos para ali-
mentar sus equipos electrónicos.
Sector de gran consumo: Calculadoras, relojes, etc.
Telecomunicaciones: Existen multitud de equipos de telecomunicaciones
situados en zonas de difícil acceso, alejados de la red eléctrica, alimentados
por energía solar fotovoltaica. En estos casos, normalmente, la solución
solar es la más económica y fiable. Son ejemplos característicos: repetidores
de televisión, equipos de radio, antenas de telefonía móvil, etc.
3.2 APLICACIONES
Ø
Ø
Ø
- 44 -
Fig.
Bombeo: Al estar los pozos alejados de la red eléctrica, el bombeo con ener-
gía fotovoltaica es una solución muy adecuada. Estas instalaciones se adap-
tan muy bien a las necesidades ya que en los meses más soleados, que es
normalmente cuando más agua se necesita, es cuando más energía se pro-
duce. En estos sistemas el almacenamiento de energía suele ser en forma de
energía potencial, bombeando el agua a depósitos elevados.
: 3.3 Cabina telefónica en la plaza de toros en Madrid
Fuente: Energía Renovable en México
Fig. 3.4 Huerto fotovoltaico
Fuente: Puerto de San Martín de Valdeiglesias Canencia
Ø
- 45 -
Zonas protegidas: En parajes naturales, donde por motivos de protección
ambiental se recomienda no instalar tendidos eléctricos aéreos, en
ocasiones, resulta más rentable utilizar sistemas fotovoltaicos en lugar de
tendidos subterráneos o grupos electrógenos que utilizan combustibles
fósiles.
Electrificación de viviendas aisladas: La distancia del punto de consumo a la
red eléctrica puede hacer, en muchos casos, más rentable esta aplicación
debido no solo al coste de instalar el tendido eléctrico sino también a la cali-
dad del suministro eléctrico al evitarse cortes de electricidad, muy
frecuentes en lugares aislados.
Alumbrado de calles y carreteras: La posibilidad de utilizar sistemas de ilu-
minación autónomos de fácil instalación y mínima obra il hace que sea
una solución adecuada en muchas ocasiones.
Sistemas centralizados para poblaciones rurales aisladas: Cuando hay que
electrificar una
pequeña población
rural aislada, la
solución más idónea es
instalar un sistema
centralizado que
gestione y distribuya la
energía de los
habitantes de la
pequeña población.
Ø
Ø
Ø
Ø
Fig. 3.5 Farola fotovoltaica
Fuente: Casa de campo en Madrid
- 46 -
En los lugares que disponen de electricidad, la conexión a red de los sistemas
fotovoltaicos contribuyen a la reducción de emisiones de dióxido de carbono
(CO2) a la atmósfera. Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de
la electricidad. El momento en que más energía generan los paneles, cuando hay
luz solar, es cuando más electricidad se demanda.
En España, la electricidad generada con sistemas fotovoltaicos goza de una prima
que mejora su rentabilidad económica.
Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red, se dispone de una
minicentral eléctrica que inyecta Kwh. verdes a la red para que se consuman allí
donde sean demandados, lo que elimina las pérdidas en transporte de electricidad.
Para que estas instalaciones sean técnicamente viables es necesario:
La existencia de una línea de distribución eléctrica cercana con capacidad para
admitir la energía producida por la instalación fotovoltaica.
La determinación, con la compañía distribuidora, del punto de conexión.
Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de
primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y
garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente.
Una instalación realizada por un instalador especializado.
En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no depende del
consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo simplifica enormemente
su diseño. Para dimensionar la instalación es necesario conocer la inversión
inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere obtener.
Es importante recordar que el consumo de electricidad es independiente de la
energía generada por los paneles fotovoltaicos. El usuario sigue comprando la
3.2.1 SISTEMAS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA
- 47 -
electricidad que consume a la distribuidora al precio ido y además es
propietario de una instalación generadora de electricidad que puede facturar los
Kwh. producidos a un precio superior.
LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LA INSTALACIÓN SON:
Generador fotovoltaico: Transforma la energía del sol energía eléctrica,
que se envía a la red.
Cuadro de protecciones: Contiene alarmas, desconectadores, protecciones,
etc.
Ondulador: Transforma la corriente continua producida los paneles en
corriente alterna de las mismas características que la de la red eléctrica.
Contadores: Un contador principal mide la energía producida (kWh) y
enviada a la red, para que pueda ser facturada a la compañía a los precios
autorizados. Un contador secundario mide los pequeños nsumos de los
equipos fotovoltaicos (kWh) para descontarlos de la energía producida.
3.3 ELEMENTOS
Ø
Ø
Ø
Ø
- 48 -
El mantenimiento se reduce a la limpieza de los paneles, cuando se detecte
suciedad, y a la comprobación visual del funcionamiento del ondulador. La vida
media de la instalación se estima superior a treinta años.
Las principales aplicaciones de los sistemas conectados a la red eléctrica son:
Tejados de viviendas: Son sistemas modulares de fácil instalación donde se
aprovecha la superficie de tejado existente para sobreponer los módulos
fotovoltaicos. El peso de los paneles sobre el tejado supone una sobre-
carga para la mayoría de los tejados existentes.
Una instalación de unos 3 kWp que ocupa cerca de 30 m2 de tejado,
inyectaría a la red tanta energía como la consumida por la vivienda a lo
largo del año.
Fig. 3.6 componentes de la instalación eléctrica
Fuentes: energía renovable en Indonecia
3.4 APLICACIONES
Ø
- 49 -
Para ofrecer una solución más económica se están utilizando sistemas prefa-
bricados que reducen notablemente el tiempo de realización de la
instalación y aumentan su fiabilidad. Una vez terminada la instalación, el
sistema fotovoltaico es un elemento más de la vivienda, aportando
fuente adicional de producción de electricidad y un gran valor ecológico
añadido.
Por sus características y la actual reglamentación en España, se prevé que
sea la aplicación más extendida en los próximos años.
Plantas de Producción: Existen algunos ejemplos de plantas de producción,
aunque la mayoría han sido proyectos de demostración. ejemplo en
Madrid es la planta de 15 kWp en "Los Huertos de Ocio" de la localidad de
San Fernando de Henares.
Las plantas de producción de electricidad son aplicaciones de carácter
industrial que pueden instalarse en zonas rurales no aprovechadas para otros
usos o sobrepuestas en grandes cubiertas de áreas urba (aparcamientos,
zonas comerciales, áreas deportivas, etc..).
Para aumentar la capacidad de producción de una planta fotovoltaica de pro-
ducción eléctrica hasta en un 25% se suelen utilizar sistemas de seguimiento
del sol.
Integración en edificios: En esta aplicación es prioritario el nivel de inte-
gración del elemento fotovoltaico en la estructura del edificio.
Por integración fotovoltaica debemos entender la sustitución de elementos
arquitectónicos convencionales por nuevos elementos arquitectónicos
incluyen el elemento fotovoltaico, y que por lo tanto generadores de
energía.
Ø
Ø
- 50 -
Tanto para aplicaciones aisladas de la red eléctrica, para las
conectadas a ella es necesario cuidar la incorporación de los sistemas
fotovoltaicos al entorno, rural o urbano. Pero es en las aplicaciones urbanas
conectadas a red, en las que se unen exigencias urbanísticas a las
motivaciones medioambientales, donde la integración tiene más relevancia.
La demanda de energía del sector terciario en la Unión Europea esta
creciendo de forma significativa, por lo que la integración de sistemas
fotovoltaicos en edificios, con aportaciones energéticas en las horas punta,
contribuye a reducir la producción diurna de energía convencional.
Grafico. 3.1. Efectos fotovoltaicos
- 51 -
Las aplicaciones de integración en edificios más frecuentes son:
Tejas
Para conseguir una mejor integración del elemento fotovoltaico en los edificios es
necesario tenerlo en cuenta desde el inicio del diseño del edificio. De esta manera
se podrá conseguir mejorar el aspecto exterior y el coste del edificio al poderse
sustituir elementos convencionales por los elementos foto-voltaicos. A veces es
necesario sacrificar parte del rendimiento energético mantener la estética del
edificio.
Para aplicaciones arquitectónicas se utiliza frecuentemente el encapsulado de
células convencionales en cristal - cristal.
Dichos módulos cristal - cristal son muy apropiados para este tipo de aplicaciones,
pues además de cubrir totalmente los requerimientos técnicos y estéticos del
diseño, permiten ciertos niveles de semitransparencia que ayudan a aumentar la
luminosidad del interior del edificio.
Graf. 3.2 Radiación solar en función de la inclinación y la orientación
- 52 -
Módulo fotovoltaico
La materia prima para la fabricación de las células fotovoltaicas más utilizada
actualmente es el silicio. El silicio es el material más abundante en la Tierra
después del oxígeno. Dado que la combinación de ambos el 60% de la
corteza terrestre.
Este sistema de producción eléctrica renovable dispone de un combustible
infinito, la luz solar, y de una tecnología que utiliza una materia prima practicante
inagotable.
El silicio utilizado actualmente en la fabricación de células que componen los
módulos fotovoltaicos se presenta en tres formas diferentes:
Silicio monocristalino
Silicio policristalino
Silicio amorfo
En este caso el silicio que compone las células de los
módulos es un único cristal. La red cristalina es la m en todo el material y
tiene muy pocas imperfecciones. El proceso de cristalización es complicado y
costoso, pero, sin embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de
conversión de luz en energía eléctrica.
. No está formado por un solo cristal. El proceso de
cristalización no es tan cuidadoso y la red cristalina no es la misma en todo el
3.5 TECNOLOGÍA DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DE
LOS SISTEM AS SOLARES FOTOVOLTAICOS
Silicio monocristalino.
Silicio policristalino
Ø
Ø
Ø
- 53 -
material. Este proceso es más barato que el anterior pero se obtienen rendimientos
ligeramente inferiores. . En el silicio amorfo no hay red cristalina y
se obtiene un rendimiento inferior a los de composición cristalina. Sin embargo
posee la ventaja, además de su bajo coste, de ser un material muy absorbente por
lo que basta una fina capa para captar la luz solar.
Eficiencia
Silicio monocristalino 13 - 15 %
Silicio policristalino 11 %
Silicio amorfo 7 %
También existen otras tecnologías o procesos de acepta rendimiento, no todas
basadas en el silicio, que se encuentran en fase de desarrollo en laboratorio o
iniciando su fabricación en pequeñas plantas. Este es caso del teluro de cadmio,
arseniuro de galio, células bifaciales, etc.
Los paneles solares fotovoltaicos pueden exponerse directamente a la intemperie
ya que las partes eléctricas se encuentran aisladas del exterior. Tienen un peso
aproximado de 15 Kg./m2 más el peso de la estructura soporte que es de
aproximadamente 10 Kg./m2 lo que no supone un exceso de carga para la mayoría
de las cubiertas existentes. Es importante a la hora de su colocación y sujeción,
tener en cuenta el efecto del viento.
Silicio amorfo
3.6 ACUMULADORES
Tabla Nº 3.1
- 54 -
El abanico de posibles acumuladores de energía es grande, pero las actuales
disponibilidades del mercado hacen que en los sistemas fotovoltaicos se utilice la
acumulación electroquímica, es decir, la batería recargable. Las más utilizadas por
precio y prestaciones son las de plomo ácido y las de níquel cadmio.
Dado que los requisitos exigibles a una batería de un fotovoltaico son la
resistencia al número de ciclos de carga y descarga y mantenimiento reducido,
es aconsejable utilizar baterías tubulares, con rejilla de aleación de bajo contenido
en antimonio, con gran reserva de electrolito y vasos transparentes que facilitan la
inspección visual de la batería.
Las baterías deben reciclarse o tratarse al final de su ciclo de vida, de acuerdo con
la normativa municipal de eliminación de residuos correspondiente, para evitar
contaminaciones causadas principalmente por el plomo.
Su función es regular la carga y la descarga de las baterías. Existen diversas
tecnologías comercializadas para aplicaciones fotovoltaicas. Si nos referimos a la
forma de conmutación con la batería, encontramos dos tipos de sistemas de
regulación: en paralelo, donde el exceso de tensión se controla derivando la
corriente a un circuito que disipa la energía sobrante, y en serie, que incorpora
interruptores, electromecánicos o electrónicos, que de n el generador
cuando la tensión excede de un determinado nivel de referencia.
Son los elementos que adaptan la energía entregada por el generador fotovoltaico
o por las baterías (en forma de corriente continua) a las condiciones requeridas
3.6.1 REGULADORES DE CARGA
3.6.2 ONDULADORES
- 55 -
por los diferentes tipos de cargas, ya sean éstas en c continua, en corriente
alterna o inyección de energía directamente a la red.
Son muchos los tipos de onduladores que, utilizando diferentes tecnologías, se
comercializan en la actualidad. Existen los que se apl an en sistemas aislados con
demandas energéticas variables, que deben ser robustos y eficientes y los
empleados en instalaciones conectadas a la red eléctri que además se les exige
una baja producción de armónicos, su adaptación a cualquier red eléctrica y una
generación con alto factor de potencia.
- 56 -
Fotovoltaicos en Perú, contando con personal calificado y con experiencia
para atender de forma satisfactoria cualquier requerimiento de sistemas
fotovoltaicos.
Tomando en cuenta las condiciones de irradiación solar propias de nuestro país,
ha desarrollado las siguientes aplicaciones:
Estos sistemas ofrecen electricidad a las viviendas del área rural que no
están interconectadas a la red eléctrica. Esta población es caracterizada
porque demanda bajo consumo de electricidad y se encuentra dispersa.
Los sistemas típicos permiten el funcionamiento de tres luminarias, un radio
receptor y eventualmente un TV blanco y negro a 12V, durante 3 horas al
día promedio.
Un gran porcentaje de las escuelas rurales del país no cuentan con
electricidad, por lo que las clases se dictan tan solo en el día.
Con nuestros sistemas FV se puede dotar a escuelas rurales de niveles
adecuados de iluminación e incluso de día. Así también permite a las
escuelas utilizar material de ayuda audiovisual como Televisor y VHS.
Muy importante también nuestros equipos permiten la utilización de
computadoras y conectarse a Internet desde zonas aisladas y remotas.
CAPITULO IV
4 APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICO
Sistemas FV para viviendas rurales
Sistemas para escuelas rurales
Ø
Ø
- 57 -
Sistemas para postas médicas
Los establecimientos de salud ubicados en zonas rurales aisladas carecen en
su gran mayoría de energía eléctrica. Energía que es necesaria para poder
dar una atención adecuada en horas de la noche y utilizar instrumental
medico que generalmente no están disponibles es estas s medicas por
la carencia de electricidad.
La generación autónoma e independiente de energía eléctrica que
caracteriza a los sistemas FV, permite el funcionamiento de refrigeradoras
para la conservación de vacunas en zonas aisladas y remotas, haciendo
posible el acceso a vacunas por parte de la población rural; siendo muy
importante ello dado que si estas vacunas no permanecieran refrigeradas
perderían sus propiedades inmunológicas y no tendrían alguno en
consecuencia.
Nuestros sistemas FV satisfacen estas necesidades, suministrando sistemas
confiables y que requieren un mínimo mantenimiento, y caracterizan por
su extraordinaria performance respecto a refrigeración solar.
Los postes de alumbrado publico que utilizan sistemas permiten la
iluminación de plazas, calles o puertos de localidades aisladas sin conexión
a la red eléctrica. Estos sistemas encienden la luminaria cuando el sol se
oculta y funcionan toda la noche o las horas requeridas desde la puesta del
sol.
Ø
Ø
Sistemas de refrigeración para va
Sistemas de alumbrado público
- 58 -
Uno de los principales problemas de nuestra población , es la falta de
agua. Las bombas con sistemas FV ofrecen soluciones prácticas y
económicas para el bombeo de agua, usando la luz del sol como fuente de
energía inagotable, abundante y confiable.
Estos sistemas son una muy buena alternativa para dotar de agua a
comunidades aisladas donde no existen caídas de agua cercanas.
Sistemas de comunicaciones como pueden ser las repetidoras de microondas
o enlaces de celulares rurales, necesitan energía confiable, en baja potencia,
todo el día y en la mayoría de los casos en zonas remotas. Estos
requerimientos hacen que los sistemas FV sean la principal alternativa
el suministro de energía FV en los sistemas de comunicaciones. La
experiencia ha mostrado que un sistema FV bien diseñado alcanza una
confiabilidad cercana al 100% operando las 24 horas del día, basta recordar
tan solo que estas células fueron creadas para abastecer de energía en el
espacio, donde ningún ser humano podía llegar después mucho tiempo,
haciendo pues desde sus inicios costos de mantenimiento mínimos y más
eficientes que cualquier otra alternativa de
Los sistemas fotovoltaicos son ideales para aplicaciones diversas que
requieran un suministro de energía independiente de la red eléctrica
convencional, o bien que complemente a ésta. Estas instalaciones suelen
estar dedicadas al suministro eléctrico en emplazamientos de difícil acceso
4 www.solarbuzz.com Pág. 15
Ø
Ø
Ø
Sistemas de bombeo de agua4
Energía para sistemas de comunicación
generación de energía.
- 59 -
para la red eléctrica o en áreas con grandes deficienc l abastecimiento
eléctrico:
Dispositivo de alarma.
Oxigenación de aguas.
Protección catódica de gaseoductos.
Aplicaciones espaciales.
Producción de hidrógeno.
Alimentación de vehículos eléctricos.
Los paneles solares fotovoltaicos se pueden integrar en una instalación mixta, con
mini turbinas eólicas o grupos diesel, para mayor efectividad y seguridad de
suministro.
Las capacidades de generación y acumulación son fácilmente ampliables, si la
demanda energética se incrementa sobre las previsiones iniciales. Este tipo de
instalaciones pueden ser atendidas directamente por sus propietarios, ya que el
poco mantenimiento que precisan es bastante sencillo de realizar.
Antes de considerar la adquisición e instalación de uno de estos sistemas de
generación, es imprescindible analizar las necesidades energéticas de la
instalación y el potencial de energía solar disponible en el lugar de
emplazamiento.
Evaluación del potencial solar del emplazamiento
4.1 OTRAS APLICACIONES
4.2 PROCEDIMIENTOS DE EVALUACIÓN
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
- 60 -
El potencial energético va a depender del régimen de insolación del lugar, y
es aconsejable efectuar mediciones que permitan conocer sus características.
En pequeñas instalaciones se requiere, normalmente, sólo un conocimiento
superficial del potencial de insolación.
Demanda energética del emplazamiento.
Para aprovechar la energía producida durante las horas de sol, utilizándola
en la noche o en días nublados, es necesario disponer de un
de energía adecuado. El sistema de acumulación más uti zado, y
recomendable en este tipo de instalaciones, son los ac uladores eléctricos
o baterías.
El usuario deberá evaluar previamente sus necesidades energéticas, con
objeto de dimensionar correctamente la capacidad de almacenamiento de las
baterías. Para ello se necesita conocer la potencia punta y la potencia media
que se va a necesitar, es decir, tener en cuenta todos los aparatos
alimentados con energía eléctrica procedente de las baterías, y el número de
horas que funciona cada uno al día. Multiplicando la potencia de cada
aparato por sus horas de funcionamiento se obtiene la gía diaria
consumida.
El sistema de generación basado en los paneles solares fotovoltaicos,
instalados en áreas con suficiente insolación, es capaz de suministrar
electricidad de manera continuada a una vivienda, industria u otro tipo de
consumo, siempre que se utilicen los sistemas complementarios adecuados.
Puede cubrir los períodos nocturnos y los días nublado con mayor o menor
amplitud, dependiendo siempre del consumo energético durante ese tiempo
y de la capacidad de acumulación existente en baterías. Sin embargo, para
Ø
- 61 -
optimizar la instalación, se debe tratar de evitar el uso de electrodomésticos
y utensilios que requieran un consumo excesivo, como son las placas Vitro
cerámicas o cocinas y termos eléctricos.
es el conjunto de elementos que permite
suministrar energía eléctrica para cubrir las necesidades planteadas a partir
de la energía procedente del sol. Está compuesto por:
: compuesto por módulos fotovoltaicos
que transforman la radiación solar en energía eléctrica.
: formado por un conjunto de baterías que
almacenan la energía eléctrica generada durante las horas de radiación, para
su utilización posterior en los momentos de baja o nula insolación. Es muy
importante dimensionar correctamente este sistema para obtener un
suministro de energía eléctrica adaptado a las necesidades de cada
instalación.
: Para un funcionamiento satisfactorio de la
instalación, en la unión de los paneles solares con la batería ha de instalarse
un sistema de regulación de carga, que impide que la batería continúe
recibiendo carga del colector solar una vez que ha alcanzado su carga
máxima.
Su función es adecuar las
características de la energía generada a las demandadas por las aplicaciones
4.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA5
Un sistema fotovoltaico
Sistema de captación energética
Sistema de almacenamiento
Sistema de regulación
Sistema de adaptación de corriente:
5JESÚS CALDERA PAG. 58
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
- 62 -
de la instalación. Un sistema de conmutación electrónico, llamado inversor,
transforma la corriente continua de las baterías en corriente alterna.
- 63 -
CAPITULO V
En este capitulo se estudia los puntos importantes que debemos tener presente para
determinar los conceptos fundamentales a utilizar durante el desarrollo del tema y
estaremos tratando de los bloques que debemos considera durante el estudio del
proyecto de Investigación
Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de
ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, fin de que éste pueda
suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como
combustible la energía solar. La definición anterior deja claramente establecido
que la carga eléctrica determina el tipo de componentes que deberán utilizarse en
el sistema. La completa definición de la carga debe tener en cuenta tres
características que la definen: el tipo, el valor ener ico y el régimen de uso.
6 La Agencia para los Proyectos de Investigación Avanzad ara la Defensa
5 PRESENTACION DEL DIAGRAMA EN BLOQUE DE
UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA USO
DOMESTICO
SISTEMA FV BÁSICO
5.1 SISTEMA FOTOVOLTAICO 6:
a) LA CARGA ELECTRICA
- 64 -
LAS CASAS TRADICIONALES CUENTAN CON LA SIGUIENTE
DISTRIBUCION.
Tiempo de encendido
Uno o dos dormitório 1 foco por dormitório 6 a 10 8h
Una cocina 1 foco 6 a 8 2h
Pátio 1 foco 1h
Granero 1 foco 1h
-----------------
Total promedio 12h por dia
Recomendación utilizar lámparas compacta fluorescentes de 26w x 12h = 312
wh
Por Viviendas utilizado aproximadamente = 312 wh
Numero de Viviendas 65 x 312 = 20280 wh
Consumo por iluminación por año
Iluminación Por día kwh Por año kwh / año
20.28 7402.20
CONSUMO POR ELECTRODOMESTICO
POR
ELECTRODOMESTICOTIEMPO HORAS
Nº DE
HOGARESPOR DÍA
Televisor 160w De 7 a 10 2.5h 25 10000wh
Radio 30w De 6-9 y 17- 20 4h 50 6000wh
b) CONSUMO POR ILUMINACION
- 65 -
Se necesitan aproximadamente de seis de la tarde hasta las 12 de la noche es
igual a seis horas de servicio.
Fluorescentes Compactos
Para iluminar una habitación se necesita un foco de 100 Watts en los
incandescentes mientras que con los focos fluorescentes compactos se
necesita uno de 20 Watts, es decir utilizan la quinta parte de energía para
producir lo mismo
Los focos incandescentes tienen una durabilidad de 100 horas a
diferencia de los otros que llegan a tener alrededor de 8000 horas
Para encender un foco incandescente las centrales eléctricas queman
carbón produciendo esta quema hasta cuatro veces más la cantidad de
mercurio que un foco fluorescente compacto necesita para producir luz.
Numero de postes para el alumbrado 27 con lámpara compacta florecentes de
38w
Consumo de energía eléctrica 27x6 = 162h x 38w = 6156wh
Computadora 200w De 7 a 10 3h 15 9000wh
Maquina de coser 125w De 9 a 12 2h 6 1500wh
TOTAL 26500wh
ALUMBRADO PUBLICO:
RESUMEN DE CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR DÍA:
Ø
Ø
Ø
- 66 -
Consumo por energía eléctrica por iluminación es. 20280 wh
Consumo por energía eléctrica por electrodoméstico: 26500wh
Consumo por energía eléctrica por alumbrado público: 6156wh
________
Total 52936wh = 52.936 kwh
Considerando un 18% factor de seguridad 9.528 kwh
--------------
Total 62.4647kwh
Lugar del origen:
Número de modelo:
Precio Fob:
Puerto:
Condiciones de pago:
5.1.1 EL PANEL SOLAR (TIPO MONOCRISTALINO O POLIVINÍLICO) 190
WP, 200 WP, 210 WP, 350 WP
Thailand
PANCOL-SOLAR-2009-50
FOB Bangkok US$ 0~1
Bangkok
L/C,T/T
Fig 5.1 Panel solar (tipo monocristalino o polivinílico) 190 W 200 Wp, 210 Wp, 350 Wp
•
•
•
•
•
- 67 -
Cantidad de orden mínima:
Capacidad de la fuente:
Paquete:
Plazo de expedición:
Marca:
Especificaciones:
1) Energía máxima (Wp): 100W
2) Voltaje máximo de la energía (Vmp): 23.28V
3) Corriente máxima de la energía (Imp): 4.30A
4) Voltaje del circuito abierto (Voc): 29.28V
5) Corriente del cortocircuito (ISC): 4.74A
6) Dimensiones: 1074m m x 801m m x 35m m
La serie TSP240-TSP280 de los paneles solares consiste en 72pcs, células solares de
silicio policristalinas de 156mm*156m m.
•
•
•
•
•
25 Piece/Pieces
5000 Piece/Pieces per Semana
Según método estándar del embalaje
Después del LC, 7-10 días para la entrega
PANCOL-SOLAR ENERGY
5.1.2 CARATERÍSTICAS & ESPECIFICACIONES DE EL PANEL SOLAR
MONOCRISTALINO 100WP
Fig 5.2 El panel solar del silicio cristalino polivinílico con la energía máxima 280W
- 68 -
Número de modelo: jysp-220W poly crystalline silicon solar panel
Precio Fob: FOB QINGDAO PORT,CHINA. US$ 1.35~1.65
Puerto: QINGDAO PORT,CHINA.
Condiciones de pago: L/C,T/T
Cantidad de orden mínima: 5 Piece/Pieces los paneles solares del silicio
cristalino polivinílico
Capacidad de la fuente: 10000 Piece/Pieces per Mes los paneles solares
Paquete: los paneles solares del silicio cristalino polivinílico. en caja del
cartón y caso de madera.
Plazo de expedición: la entrega en el plazo de 12 días después de recibió
pagado por adelantado.
Fig 5.3 panel solar 220/280W/watt del silicio cristalino polivinílico
5.1.3 EL PANEL SOLAR 220/280W/WATT DEL SILICIO CRISTALINO
POLIVINÍLICO
Lugar del origen: Taiwan
•
•
•
•
•
•
•
•
- 69 -
Marca: Joysolar / poly crystalline silicon solar panel
Tenemos 62,464wh / 350wh = 223.085 =178.46
Costo por panel = $ 350
Costo total por panel es = 350 X 179 = $ 62,650
Vida útil de 40 a 50 años
Este sistema cuesta 300 €, excluyendo el inversor (de 50 €). Tres inversores
cuestan 150 €. Este sistema producirá 2372 kWh durante un período de 30 años
Costo del inversor mas la instalacion = $ 640
Existen tres tipos de cargas: CC, CA, y mixta (CC y CA). Cuando la carga tiene
aparatos de CA, se necesitará incorporar al sistema un inversor. Este componente
transforma el voltaje de CC proporcionado por los paneles en un voltaje de CA.
Las pérdidas de energía en estos sistemas son mayores la de los de CC (se
explicara en los próximos Capítulo).
El valor energético representa el total de energía que consumirá la carga dentro de
un período determinado, generalmente un día. Para sistemas pequeños este valor
estará dado en Wh/día. Para sistemas de mayor consumo KWh/día. En nuestro
caso se utilizara los términos de kwh/día y kwh/año
•
INSTALACIÓN EN DIRECCIÓN AL SUR
c) TIPOS DE CARGA
d) VALOR ENERGETICO
- 70 -
El régimen de uso responde a dos características: cuándo se usa la energía
generada y la rapidez de su uso. Dependiendo de cuándo se usa la energía, se
tendrá un régimen diurno, nocturno o mixto. La rapidez del consumo (energía por
unidad de tiempo), determina el valor de la potencia máxima requerida por la
carga.
Para comprender estos conceptos daremos algunos ejemplos. Si el régimen de uso
es exclusivamente nocturno, el sistema deberá almacenar energía durante el día.
Esta necesidad se traduce en la incorporación de un banco de baterías, del cual se
extraerá la energía demandada por la carga durante la La presencia del
banco de acumulación fuerza el uso de un control de carga y otros elementos
auxiliares, como se verá a continuación.
Si el uso es exclusivamente diurno, como es común en equipos de bombeo, no se
necesitará un banco de baterías. En este caso el sistema deberá ser capaz de
entregar la máxima potencia requerida por el motor elé ico de la bomba. Sin
embargo, a fin de extender al máximo las horas de operación del bombeador, se
introducen dos componentes en el sistema: un seguidor en la sección
colectora (Capítulo VII), el que alarga la duración del día solar promedio, y un
componente especial que permite el arranque del motor de bombeo a horas más
tempranas, del lado de la carga (Apéndice I).
Si el régimen de la carga es mixto (diurno y nocturno), parte de la energía a
generarse deberá cargar el banco de baterías y el resto deberá satisfacer la carga
e) REGIMEN DE USO
f) REGIMEN NOCTURNO
g) REGIMEN DIURNO
h) REGIMEN MIXTO.
- 71 -
diurna. Ello implica que la parte generadora deberá satisfacer dos requisitos
durante la duración del día solar.
Por último, en sistemas que deben alimentar motores eléctricos (heladeras,
herramientas eléctricas, motores de bombeo, etc), el régimen de carga no es
constante, dado que el arranque de motores eléctricos da mayor corriente
que cuando éstos giran a velocidad fija. Este pico de iente (transitorio de
arranque) debe ser contemplado al seleccionar el fusible de protección y el cable
que alimenta este tipo de carga.
COMIENZO DEL DISEÑO El análisis detallado de la carga el primer
paso en la secuencia de diseño, ya que deben conocerse los numerosos detalles
que afectan el valor y el régimen de uso de la energía del sistema en
consideración. La mayor dificultad en el diseño es la correcta del
valor energético a generarse y acumularse, si existe un banco de baterías. Cuando
estos valores son óptimos, el sistema resultante tendrá el menor costo y el mayor
grado de fiabilidad posibles.
SISTEMA FV PARA USO DOMESTICO
La aplicación más común para un sistema FV es la generación de energía eléctrica
para uso doméstico. Por ello analizaremos, a continuación, un sistema de este tipo,
con régimen nocturno o mixto. El análisis, por el momento, es sólo cualitativo, ya
que nuestro interés es el de identificar los.
i) TRANSITORIOS
- 72 -
Monitoreo
Carga
Caja de Fusibles Indicador de Carga
Indicador Carga
Diferentes bloques que forman parte de este sistema. Usaremos como referencia el
circuito de la Figura 5.1. En ella, cada bloque funcional está separado por una
línea transversal. Un bloque que no es obvio es el Cab de interconexión, el
que está distribuido en todo el sistema
Los paneles FVs forman el bloque de Generación. El número de ellos depende de
varios factores. Entre ellos, los más obvios, son la insolación del lugar, el valor
energético de la carga y la máxima potencia de salida panel. Su acción es
equivalente al de un generador de CC alimentado por la luz solar. La mayor parte
7 Manutenzione Conto Energía 2011
Generación
Paneles Solares
Acumulación
Fusible
Control deCarga B anco de B aterías
5.2 BLOQUE DE GENERACION7.
Fig. 5.1 Sistema FV Básico para uso Doméstico
- 73 -
de la energía eléctrica que generan es acumulada en las baterías. Decimos la
mayor parte ya que es imposible acumular toda la energía generada, debido a las
pérdidas asociadas con el proceso de carga Es importante recordar q si los
paneles permanecen parcialmente sombreados durante una parte del día, su
capacidad generadora sufre sensiblemente, ya que la parte sombreada equivale a
conectar un alto valor de resistencia en serie con el generador.
El bloque de Acumulación contiene tres componentes: el banco de baterías, el
control de carga y el fusible de protección. El banco acumulación usa, casi con
exclusividad, un tipo especial de batería llamada batería solar. Estas se ofrecen en
versiones de 6 y 12V. El diagrama de la Figura 5.1 muestra dos baterías de 6V
conectadas en serie, en un sistema de 12V nominales. El control de carga cumple
dos funciones: garantiza un régimen de carga adecuado para las baterías, y evita la
descarga de las mismas a través de los paneles durante la noche, cuando el voltaje
de salida es nulo. Su función es análoga a la del sistema de carga de batería en un
automotor. Si no se usare un control el régimen de carga podría sobrecargar las
baterías. Esta condición, como veremos al tratar el tema, acorta la vida útil de las
mismas. Muchos fabricantes de controles de carga adicionan, en algunos modelos,
funciones auxiliares dentro del producto. La más común es la de monitoreo del
proceso de carga. El fusible de baterías es incorporad al sistema como un
elemento de seguridad. Aún cuando el banco consista de una sola unidad, un
cortocircuito accidental entre los bornes de salida si ica que la corriente que
circula por la batería alcanzará valores de miles de amperes, por varios segundos,
acelerando la reacción química y disipación de calor dentro de la misma. Los
5.3 BLOQUE DE ACUMULACION.
- 74 -
gases generados no escapan en su totalidad, llegando a producir una violenta
explosión. Como las baterías utilizan electrolitos altamente corrosivos, las
consecuencias pueden ser trágicas. Cortocircuitos que terminan en explosiones
acortan la vida útil de las baterías y pueden dañar el aislante de los cables de
conexión (excesivas pérdidas de calor)
La inclusión de este bloque como parte del sistema básico ha sido hecha para
demostrar la importancia de saber, en cualquier moment si las baterías poseen
una carga adecuada. El circuito de la Figura 5.1 muestra un medidor de estado de
carga conectado al banco de acumulación. Desde un punto de vista práct la
presencia de un componente actuando como monitor del estado de carga puede no
ser necesaria, pero su función si lo es. De no tenerse un componente dedicado a
monitorear el estado de carga de las baterías, la ejecución del plan de
mantenimiento constituye el mecanismo que permitirá extender al máximo la vida
útil del banco de acumulación
El bloque denominado Carga representa los circuitos de entrada y dentro de la
casa. La caja de fusibles permite la separación de las áreas de consu Esto
facilita la desconexión de una sección en caso de necesitarse reparar o ampliar esa
parte del circuito. Esta opción es muy ventajosa cuando esa sección sufre un
cortocircuito, ya que puede contarse con energía eléctrica en otra sección de la
casa. Otra ventaja es que la corriente de cortocircuito de un sector es siempre
menor que la del total de la carga. Esta división de la corriente de carga, como
5.4 BLOQUE DE MONITOREO
5.5 BLOQUE DE CARGA.
- 75 -
veremos al abordar los detalles de diseño, abarata el costo de la instalación
hogareña.
El bloque de Cableado (Capítulo 8) es considerado uno de los bloques básicos del
sistema porque el dimensionamiento del mismo tiene un muy importante en la
reducción de pérdidas de energía en el sistema. Deberá recordarse que para un
mismo nivel de consumo, la corriente es mayor si el sistema es de bajo voltaje. Un
mayor amperaje significa un incremento de las pérdidas de voltaje y disipación
La selección del conductor a usarse debe ser hecha teniendo en cuenta varios
factores. Los más importantes son: la capacidad del cable de manejar la corriente
máxima que debe circular por el mismo, el tipo de aislamiento, el tipo de
conductor (sólido o multi alambre) y, por último, el material con que está hecho
el conductor.
El concepto fundamental de diseño de un sistema FV es obtener un balance
entre la energía generada y la consumida por la carga, más las pérdidas del
sistema. Este equilibrio deberá preservarse para la condición de trabajo más
desfavorable que se anticipe. que instalan pequeños sistemas de (uno o dos
paneles). Como estos sistemas son usados por personas de bajos recursos, existe la
tentación de considerar como redundantes algunos de los componentes descriptos
o sustituir un componente por otro que no es el adecuado. Esta actitud resulta en
una falsa economía que se traduce en sistemas con altos costos de mantenimiento
y, en algunas circunstancias, peligrosos. Irónicamente, en un sistema pequeño,
5.6 BLOQUE DE CABLEADO.
BALANCE DEL SISTEMA
- 76 -
debido a la falta de redundancia, el conocimiento del estado de carga de la batería,
así como la calidad de este componente, resultan ser más críticos que en un
sistema con mayor reserva. Desde el punto de vista de seguridad, el
cortocircuito de una batería puede tener consecuencias desastrosas si ésta está
ubicada dentro de la zona habitacional, sin protección alguna. La mejor
recomendación es tener en cuenta las consecuencias asociadas con la supresión o
substitución de un componente. Si bien el costo del sistema es importante, deberá
considerarse asimismo el perjuicio aparejado con la cancelación o substitución de
componentes. Espero que este libro sirva para desarrol en el lector la capacidad
necesaria para ejercer un sólido criterio práctico.
- 77 -
Para analizar el bloque empezamos con La palabra fotovoltaico(a) está formada
por la combinación de dos palabras de origen griego: foto, que significa luz, y
voltaico que significa eléctrico. El nombre resume la acción de estas células:
transformar, directamente, la energía luminosa en energía eléctrica, Conductores
aisladores y semiconductores.
Para que el lector tenga un conocimiento conceptual del fenómeno FV
introduciremos el concepto de material semiconductor y juntura N-P.
Comenzaremos estableciendo que un material conductor, mo el cobre o el
aluminio, permite el fácil paso de una corriente eléctrica porque tiene un gran
número de cargas libres dentro del mismo. Un material un no-conductor
(aislador), como el vidrio o el plástico, porque no tiene cargas libres dentro de él.
El silicio es el material más usado en la fabricación de células solares. En su forma
cristalina pura, es un semiconductor, con muy pocas cargas libres dentro de él. Su
resistividad es muy elevada. Usando un proceso llamado de difusión se puede
introducir pequeñas cantidades de otros elementos químicos, los que permiten
decrecer el valor inicial de la resistividad, creando, al mismo tiempo, zonas con
diferentes tipos de carga. La célula FV utiliza dos tipos de materiales
semiconductores, el tipo N y el tipo P.
CAPITULO VI
6 COMO ANALIZAR CADA BLOQUE EN DETALLE
6.1 TIPO DE M ATERIALES
TIPO N
- 78 -
Cuando la sustancia difusa cede fácilmente electrones, se crea una zona dentro
del semiconductor que tiene un exceso de cargas negativas (electrones). Esto es
lo que se conoce como semiconductor del tipo N (negativo).
Cuando la sustancia difusa atrapa electrones libres, los átomos que los pierden
quedan cargados positivamente. En esta zona predominan las cargas positivas
obteniéndose un semiconductor del tipo P (positivo).
N-P
El proceso de difusión es continuo, permitiendo la formación, en el mismo
material, de dos zonas semiconductoras adyacentes, una del tipo N; la otra del
tipo P. El espacio que separa ambas zonas es la juntura de transición estado de
equilibrio
La teoría muestra que las cargas mayoritarias en una z se desplazan hacia la
de baja densidad en la zona opuesta. El desplazamiento de las cargas negativas
y positivas de
a la zona de la juntura totalmente libre de cargas. Las zonas adyacentes a la
misma tienen concentraciones de carga minoritarias (cargas negativas en el
lado P y cargas positivas en el lado N). La acumulación de estas cargas a
ambos lados de la juntura crea una diferencia de voltaje que impide la
continuación del desplazamiento inicial.
La corriente de desplazamiento se anula. Se dice entonces que la juntura N-P
ha alcanzado el estado de equilibrio, el que es ilustrado en la Fig. 6.0.
TIPO P
JUNTA
- 79 -
Fig. 6.1 junta N-P en Equilíbrio
Cuando la luz incide sobre un semiconductor de este tipo, el bombardeo de los
fotones libera electrones de los átomos de silicio creando dos cargas libres, una
positiva y otra negativa. El equilibrio eléctrico de la juntura N-P se ve alterado
por la presencia de estas nuevas cargas libres. Si al se le conectan
dos cables (uno por cada zona), se verifica la existencia de un voltaje entre los
mismos. Si los terminales de la célula FV son conectados a una carga eléctrica,
circulará una corriente eléctrica en el circuito formado por la célula, Sólo una
parte del espectro luminoso puede llevar a cabo la acc descripta. El material
utilizado para fabricar el semiconductor determina que parte del espectro luminoso
es la óptima para provocar este desequilibrio.
Fig. 6.2 Célula Fotovoltaica con Carga Eléctrica
8 Hydro Power Pág. 38
6.2 EL FENÓMENO FOTOVOLTAICO 8
Fuente: Guascor Solar Corparation
- 80 -
El voltaje de una célula FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un
lado que es positivo y otro negativo. Para células de icio, este voltaje es de
alrededor de 0,5 potencia eléctrica de salida
En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por la célula FV
está dada por el producto de los valores instantáneos voltaje y la corriente de
salida. Este valor es afectado por el comportamiento intrínsico de un material
semiconductor, como veremos en el capítulo próximo, por el nivel de irradiación
luminosa, y el método de fabricación de la célula.
La intensidad luminosa depende, como vimos al tratar la insolación, de los
factores metereológicos, locación, inclinación de la célula respecto a la horizontal,
y las variaciones estaciónales en el lugar de utilización.
Las células FVs que se ofrecen en el mercado actual utilizan dos tipos de
materiales semiconductores. Uno tiene una estructura cristalina uniforme, el otro
una estructura policristalina. El tipo cristalino requiere un elaborado proceso de
manufactura, que insume enormes cantidades de energía ctrica, incrementando
substancialmente el costo del material semiconductor. versión policristalina se
obtiene fundiendo el material semiconductor, el que es vertido en moldes
rectangulares. Su estructura cristalina no es uniforme, de ahí el nombre de poli
(muchos) y cristalino (cristales). Los dos tipos pueden ser identificados a simple
vista, ya que la estructura cristalina provee una superficie de brillo uniforme,
mientras que la policristalina muestra zonas de brillo diferente. Las Figs. 6.2 y 6.3
muestran esta diferencia. Eficiencia de conversión
6.3 VOLTAJE DE SALIDA
6.4 MATERIAL CRISTALINO Y POLI-CRISTALINO
- 81 -
La eficiencia de conversión* es la relación entre la energía eléctrica generada y la
energía luminosa utilizada para obtenerla. Esta relación es dada en forma
porcentual, como se muestra a continuación:
Energía Generada n % = x 100
Energía Incidente
El símbolo n es la letra griega nu, que es usualmente izada para expresar
eficiencias. En el presente, células FVs producidas en escala industrial tienen una
eficiencia de conversión que oscila entre un 9 y un 12 %. El valor teórico máximo
para la eficiencia de una célula FV que responde solamente a un rango reducido
del espectro luminoso, es de alrededor del 25 al 28%, del material
semiconductor. Las células FVs que utilizan semiconductores cristalinos tienen
una eficiencia mayor a las que utilizan el semiconductor policristalino, debido a
Fig. 6.3 Material Cristalino Fig.6.4 Material Policristalino
- 82 -
que las imperfecciones en la estructura de este último disminuyen el número de
pares de carga que quedan libres para conducir la corriente. Las células FVs
usadas en los satélites espaciales utilizan, exclusivamente, semiconductores
cristalinos, ya que el costo no es un factor en consideración. Cuando el uso
espacial se convirtió en uso terrenal, los semiconduct policristalinos
permitieron una reducción substancial del costo de las células FVs. Los procesos
de fabricación que usan materiales semiconductores no-cristalinos (policristalinos
o amorfos) prometen ser la solución más económica en el futuro. La competencia
entre tecnologías genera nuevos métodos de fabricación a menores costos.
Esta es la parte del área total de la célula FV que interviene en el proceso de
conversión. En la actualidad, es común que la conexión a uno de los materiales
semiconductores sea hecha usando diminutos trazos metálicos en la parte frontal
(área expuesta al sol). Este proceso resulta en una disminución del área activa de
la célula. Algunas realizaciones experimentales tienen el conexionado a las zonas
N y P del semiconductor en la parte posterior de la célula. Este proceso de
fabricación incrementa el área activa de la célula, sin aumentar la superficie de la
misma.
El método de fabricación determina, asimismo, la forma geométrica de la
célula FV. Las primeras versiones eran circulares. Versiones más recientes
tienen forma cuadrada, ya sea con vértices redondeados o a 90°. En el
9 BIODISOL Pag. 32
6.5 SUPERFICIE ACTIVA9
FORMA GEOMÉTRICAØ
- 83 -
capítulo siguiente se explica porqué esta configuración geométrica es más
conveniente.
De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está expuesta
a la luz incidente tiende a reflejar una porción de la misma, disminuyendo la
cantidad de energía luminosa que puede llegar al par semiconductor. Para
evitar esta pérdida, el fabricante deposita una finísima capa de material
antireflectante.
Algunos paneles FVs no tienen células independientes c entre sí,
sino una estructura semiconductora que ha sido depositada, en forma
continua, sobre una base metálica laminar. Este proceso permite la
fabricación de un panel FV flexible, el que puede adaptarse a superficies
que no son completamente planas. La superficie activa estos paneles no
tiene una estructura cristalina, y por ello se la deno amorfa (a = sin;
morfos = forma). La ausencia de una estructura cristal aumenta la
posibilidad de que una carga libre sea atrapada, lo que se traduce en una
menor eficiencia de conversión. Recientemente la compañía United Solar
Systems ha introducido un panel de este tipo bajo el n bre Uní-Solar. Para
compensar el bajo rendimiento de conversión, este panel apila tres capas de
material amorfo. Cada una de ellas responde a un distinto rango de
frecuencias dentro del espectro visible de la luz solar. El más profundo
responde al rojo, el del medio al verde, y el de arriba al azul. Como la
eficiencia total sigue siendo más baja que la de un panel con células
cristalinas o policristalinas, la superficie activa requerida para obtener una
Ø
Ø
MATERIAL ANTI-REFLECTANTE
MATERIAL AMORFO
- 84 -
determinada potencia de salida es siempre mayor. Estos paneles adquieren
rigidez mecánica mediante el uso de una estructura "sándwich" de
protección
A partir de este capítulo, cuando se hace referencia a una celda FV asumiremos
que ésta usa al selenio como material semiconductor. Esta es la asunción más
práctica, dado que el selenio es el material de mayor uso en el mercado actual. El
máximo voltaje de salida de estas celdas es de alrededor de 0,5V. La superficie
activa de las celdas está diseñada para sostener una corriente de alrededor de
3,5A. Como el mínimo voltaje usado en los sistemas FVs es de 12V nominales,
para alcanzar este valor se deben conectar varias celdas en serie. La estructura
mecánica que contiene estas celdas se denomina panel fotovoltaico. Las Figuras
6.1 y 6.2 muestran dos de estos componentes.
Fig. 6.5 Panel FV Cristalino
Fuente::(Cortesía de Siemens Solar Industrie
6.6 EL PANEL FOTOVOLTAICO
- 85 -
El número de celdas en un panel, y por lo tanto su voltaje de salida, depende de la
estructura cristalina del semiconductor usado. El fabricante, teniendo en cuenta
este factor, así como el comportamiento anticipado para el caso más desfavorable,
decide en el número mínimo que garantiza la carga efectiva del banco de baterías.
Puede observarse que el panel utiliza treinta y seis (36) celdas en serie.
Cuando la forma geométrica de las celdas es un cuadrad la superficie del
panel será la mínima para un número dado de celdas, ya que el espacio entre
ellas es prácticamente nulo. Esto permite la realización de un panel de
menor tamaño, lo que abarata algo el costo del mismo y el de su transporte.
Un panel de menor tamaño minimiza la superficie requerida para satisfacer
la carga del sistema, reduciendo la superficie expuesta al viento. Los paneles
modernos tienen celdas cuadradas (o con esquinas redon los más
antiguos tienen celdas circulares.
Fuente::(
6.7 VOLTAJE DE SALIDA
FORMA GEOMETRICAØ
Fig.6.6- Panel FV Policristalino(Cortesía de Kyocera America, Inc.)
- 86 -
Los detalles del ensamblado mecánico de un panel varía con cada
fabricante. A pesar de ello existen puntos comunes para todas las
realizaciones. Para proteger las celdas, éstas son firmemente adheridas a una
superficie de sostén. Esta, a vez, pasa a formar una estructura "sandwich",
con dos capas plásticas de protección, una en la parte superior (translúcida y
con protección a los rayos ultra-violetas) y otra en la parte inferior. El frente
del panel (zona expuesta a la luz solar), tiene un vidrio templado (resistente
al impacto) que protege a las celdas de los agentes metereológicos (lluvia,
granizo, nieve, polvo) y los golpes. El vidrio usado tiene un bajo contenido
de plomo, para no reducir la transmitividad de la luz través del mismo. La
parte posterior tiene una capa dieléctrica (aisladora) y una cubierta de
protección. Un marco de aluminio sirve para dar rigidez mecánica al
conjunto, facilitando a su vez el montaje del panel al El marco
exterior es de aluminio para evitar su deterioro por o Varios
agujeros, ubicados en distintas partes de su perímetro, hacen innecesario el
uso de máquinas de perforar, evitando el riesgo de dañar, accidentalmente,
el panel FV.
En la parte trasera del panel se encuentran los contactos eléctricos. Las
versiones más modernas tienen una caja de plástico, con tapa removible y
agujeros laterales para la entrada y salida de los cables de conexión. Tanto
la tapa como los agujeros laterales están diseñados para brindar protección
Ø
Ø
ENSAMBLADO MECANICO
CONTACTOS ELECTRICOS
- 87 -
ambiental y permitir un mejor anclado mecánico para los cables de
conexión. Dentro de la caja se hallan dos bornes de salida. El terminal
positivo tiene el símbolo (+), o una marca de color rojo; el Negativo tiene el
símbolo (-), o una marca de color negro.
La potencia máxima de salida de un panel FV es, sin duda alguna, la característica
más importante del mismo. Salvo en casos de muy bajo consumo, la
implementación de un sistema FV requiere el uso de paneles con potencias de
salidas de 30 o más watts. Paneles con potencias por debajo de 30W no ofrecen
una solución práctica, ya que la diferencia en costo no es suficiente para justificar
el mayor número de paneles requeridos. Numerosas compa ofrecen paneles
con una potencia de salida en exceso de 40 W, y recientemente, han aparecido
paneles de 100W. Los datos técnicos de tres paneles FVs forman parte de este
capítulo.
CURVAS 6.1
Si los valores de potencia luminosa y la orientación del panel permanecen
constantes,
la corriente de salida de un panel F.V. varía con el valor del voltaje en la carga y
su temperatura de trabajo. Esto se debe a las características intrínsecas de los
materiales semiconductores. La Figura 6.3 muestra, en gráfica, la relación
entre la corriente y el voltaje de salida para un panel FV (curva I-V), para cuatro
temperaturas de trabajo, cuando el nivel de radiación permanece constante.
6.8 POTENCIA DE SALIDA
- 88 -
CURVAS 6.1: ZONA DE TRANSICION
Fuente::(Cortesía de Siemens Solar Industrie
Si bien se ha seleccionado un panel en particular para esta ilustración, los
restantes tienen un comportamiento similar, ya que utilizan celdas de silicio.
Puede observarse que el valor máximo para el voltaje de salida corresponde a un
valor de corriente nulo (voltaje a circuito abierto), que el valor máximo
para la corriente corresponde a un voltaje de salida nulo (salida cortoc itada).
Todas las curvas tienen una zona donde el valor de la iente permanece
prácticamente constante para valores crecientes del voltaje de salida, hasta que
alcanzan una zona de transición. A partir de esta zona, pequeños aumentos en el
voltaje de salida ocasionan bruscas disminuciones en el valor de la corriente de
salida. El comienzo de la zona de transición se alcanza para menores valores del
voltaje de salida cuando la temperatura de trabajo se incrementa.
Fig. 6.7- Relación I-V para un panel FV
- 89 -
Para cada condición de trabajo se puede calcular la potencia de salida del panel
multiplicando los valores correspondientes al voltaje la corriente para ese punto
de la curva I-V. En particular, la potencia de salida es nula para dos puntos de
trabajo: circuito abierto y cortocircuito, ya que la corriente o el voltaje de salida es
nulo. Por lo tanto, si la salida de un panel es cortocircuitada, éste no sufre daño
alguno. Entre estos dos valores nulos, la potencia de salida alcanza un valor
máximo que varía con la temperatura. El valor máximo que corresponde a una
temperatura de trabajo de 25°C se denomina "valor óptimo" o "valor pico" (Wp)
del panel. Para determinarlo, se usan los valores estandarizados: potencia
luminosa de 1 Sol; espectro luminoso correspondiente a M1,5. Los valores de
voltaje y corriente asociados con este máximo (Vp e Ip) son los dados en la hoja
de especificaciones para el panel. La Fig. 4.3 muestra, en línea de puntos, la
ubicación de los valores de potencia máxima en función de la temperatura
trabajo. Estos están ubicados al comienzo de la zona de transición de la curva I-V
para la temperatura en consideración. El valor de la potencia de salida a 0°C es el
mayor de todos ellos.
Para la mayoría de los paneles FVs, cuando la temperatura de trabajo aumenta, el
valor de la potencia de salida disminuye. En la prácti debido a la disipación de
calor dentro de las celdas del panel, salvo en climas fríos, la temperatura de
trabajo excede los 25°C. Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza
10 F. Juster: Las células solares Ed. Paraninfo Pág. 17
6.9 MAXIM A POTENCIA DE SALIDA10
6.9.1 FACTOR DE DEGRADACION
- 90 -
el valor pico especificado por el fabricante. El diseño de un sistema FV debe tener
en cuenta esta degradación del panel, a fin de asegura que los requerimientos
eléctricos del sistema pueden ser satisfechos durante los días más calurosos del
verano. Para el período invernal, si el mínimo para la temperatura promedio es
menor a los 25°C, no se considera ninguna degradación para la
potencia de salida pico. La degradación puede ser calculada usando los valores
dados por las curvas I-V a alta temperatura, pero este proceso es tedioso e
impreciso, dada la pobre resolución de las curvas publicadas por los fabricantes.
Comenzaremos con una pregunta
básica: ¿cuál es el mecanismo que permite la utilización de una batería como una
fuente portátil de energía eléctrica ? La respuesta es:
La
primera conversión, energía eléctrica en energía química, toma lugar durante el
proceso de carga. La segunda, energía química en eléctrica, ocurre cuando la
batería es descargada. Para que estas conversiones pue llevarse a cabo se
necesitan dos electrodos metálicos inmersos en un medio que los vincule, llamado
electrolito.
Este conjunto forma una celda de acumulación, cuyo voltaje, en una batería de
plomo-ácido, excede levemente los 2V, dependiendo de su estado de carga. En el
proceso electrolítico cada uno de los electrodos toma una polaridad diferente. La
batería tiene entonces un terminal negativo y otro positivo, los que están
6.10 LA BATERÍA DE PLOMO-ACIDO
DOBLE CONVERSION DE ENERGIA
6.10.1 POLARIDAD
una doble conversión de
energía, llevada a cabo mediante el uso de un proceso o-químico.
- 91 -
claramente identificados en la caja de plástico con los símbolos correspondientes
(- y +).
La batería comercial, para poder ofrecer un voltaje de práctico, posee varias
de estas celdas conectadas en serie. La Figura 5.6 muestra la estructura interna y
externa de una batería de Pb-ácido para automotor, donde se observa el
conexionado serie de las celdas, las que están físicamente separadas por
particiones dentro de la caja que las contiene. Cada celda está compuesta de varias
placas positivas y negativas, las que tienen separadores intermedios. Todas las
placas de igual polaridad, dentro de una celda, están conectadas en paralelo. El uso
de varias placas de igual polaridad permite aumentar la superficie activa de una
celda.
El voltaje proporcionado por una batería de acumulación es de CC. Para
cargarla se necesita un generador de CC, el que deberá ser conectado con la
polaridad correcta: positivo del generador al positivo de batería y negativo
del generador al negativo de batería. Para poder forzar una corriente de
carga el voltaje deberá ser algo superior al de la batería. La corriente de
carga provoca reacciones químicas en los electrodos, las que continúan
mientras el generador sea capaz de mantener esa corriente, o el electrolito
sea incapaz de mantener esas reacciones. Si
desconectamos el generador y conectamos una carga eléctrica a la batería,
6.10.2 BATERIA COMERCIAL
PROCESO DE CARGAØ
El proceso es reversible.
- 92 -
circulará una corriente a través de ésta, en dirección opuesta a la de carga,
provocando reacciones químicas en los electrodos que vuelven el sistema a
su condición inicial.
En principio el "ciclo" de carga-descarga puede ser repetido
indefinidamente. En la práctica existen limitaciones para el máximo número
de ellos, ya que los electrodos pierden parte del material con cada descarga.
La diferencia funcional entre diferentes tipos de baterías obedece al uso de
diferentes electrolitos y electrodos metálicos. Dentro de un mismo tipo de
batería, la diferencia funcional es el resultado del método de fabricación.
Cuando un tipo de energía es convertido en otro la eficiencia del proceso
nunca alcanza el 100%, ya que siempre existen pérdidas (calor). La doble
conversión energética que toma lugar dentro de una batería obedece esta ley
física. Habrá, por lo tanto, pérdidas de energía durante
El tipo de acumulador más usado en el presente, dado su bajo costo, es la batería
de plomo y ácido sulfúrico con electrolito líquido. En ella, los dos electrodos están
hechos de plomo y el electrolito es una solución de agua destilada y ácido
sulfúrico. En este libro abreviaremos algo su nombre, lamándola batería
11 F. Juster: Las células solares Ed. Paraninfo61
Ø
Ø
CICLO CARGA-DESCARGA
PERDIDAS DE CONVERSION
6.11 BATERIA PB-ACIDO11
el proceso de carga y
el de descarga.
Pb-
- 93 -
usando el símbolo químico para el plomo (Pb). Cuando la batería está
cargada, el electrodo positivo tiene un depósito de dióxido de plomo y el negativo
es plomo. Al descargarse, la reacción química que toma lugar hace que, tanto la
placa positiva como la negativa, tengan un depósito de sulfato de plomo. La
Figuras 6.7 y 6.8 ilustran estos dos estados
Múltiplo de 12V, los valores leídos deberán multiplica por el valor del
múltiplo. Para comprender el efecto que tiene la temperatura en el
comportamiento de la batería es útil recordar que cualquier reacción química es
cuando la temperatura se y es cuando ésta
En una batería de Pb-ácido el electrolito interviene en forma en el proceso
electroquímico, variando la proporción de ácido en la ión con el estado de
carga del acumulador. Cuando la batería está la cantidad de ácido en
la solución Si la batería está la cantidad de ácido en la
solución Este mecanismo tiene una derivación práctica: monitoreando
ácido,
acelerada incrementa retardada
disminuye.
descargada,
disminuye. cargada,
aumenta.
6.11.1 CURVAS DE DESCARGA DENSIDAD DEL ELECTROLITO
activa
Fig. 6.8- Batería Cargada Fig. 6.9-
- 94 -
la concentración del ácido se puede determinar el estado de carga de la batería.
Este monitoreo se hace usando un densímetro, como veremos en detalle al hablar
del mantenimiento de los sistemas FVs
Tres características definen una batería de acumulación: la cantidad de energía
que puede almacenar, la máxima corriente que puede entregar (descarga) y la
profundidad de descarga que puede sostener. La cantidad de energía que puede ser
acumulada por una batería está dada por el número de watt.horas (Wh) de la
misma. La capacidad (C) de una batería de sostener un régimen de descarga está
dada por el número de amperes.horas (Ah).
Para una dada batería, el número de Wh puede calcularse multiplicando el
valor del voltaje nominal por el número de Ah, es decir:
Wh = Voltaje nominal x Ah
El número de Ah de una batería es un valor que se deriva de un régimen de
descarga especificado por el fabricante. Para un tipo l de baterías,
llamadas solares (capítulo 6), el procedimiento de prueba ha sido
estandarizado por la industria. Una batería, inicialmente cargada al 100%, es
descargada, a corriente constante, hasta que la energía en la misma se
reduce al 20% de su valor inicial. El valor de esa corriente de descarga,
multiplicado por la duración de la prueba (20 horas es un valor típico), es el
valor en Ah de esa batería. Un ejemplo práctico servirá para reforzar este
concepto. Si una batería solar tiene una capacidad (C) de 200 Ah para un
6.11.2 WATT.HORA AMP.HORA PROFUNDIDAD DE DESCARGA
VALOR EN Wh
VALOR EN Ah DE UNA BATERIA
Ø
Ø
- 95 -
tiempo de descarga de 20hrs, el valor de la corriente la prueba es de
10A.
Existe la tentación de extender este concepto para corrientes de descarga
del máximo determinado por el método de prueba (10A en nuestro
ejemplo). La batería de nuestro ejemplo no puede entregar 200A durante
una hora. El proceso electroquímico no puede ser acelerado sin que la
batería incremente su resistencia interna en forma substancial (Apéndice I).
Este incremento disminuye el voltaje de salida, autolimitado la capacidad de
sostener corrientes elevadas en la carga. Si la corriente de descarga es menor
que la especificada, digamos 5A, la relación Ah es válida. La batería de
200Ah de nuestro ejemplo puede sostener este valor de por 40
horas.
Los fabricantes de baterías expresan el valor de la corriente de carga (o descarga)
como un valor fraccional de su capacidad en Ah. En nuestro ejemplo, C/20
representa 10A y C/40 representa un valor de 5A. Esta de dar el valor de la
corriente de descarga (o carga) parece arbitraria, pero no lo es si recordamos que
la capacidad en Ah de una batería, por definición, requiere un número específico
de horas de descarga.
Si la batería solar de nuestro ejemplo tiene un voltaje nominal de 6V, la cantidad
de energía que puede ser acumulada es de:
6V x 200 Ah = 1.200 Wh (1,2 KWh)
Ø VALOR EN Ah: SIGNIFICADO
6.11.3 CORRIENTE COMO VALOR FRACCIONAL
en
exceso
- 96 -
El voltaje de salida de una batería de Pb-ácido no permanece constante durante la
carga o descarga. Dos variables determinan su valor: e estado de carga y la
temperatura del electrolito. Las curvas de la Figuras 5.3 y 5.4 muestran estas
variaciones de voltaje, tanto para el proceso de carga como para el de descarga.
Los valores están dados usando diferentes valores de corriente, para dos
temperaturas de trabajo: 25°C y 1°C, respectivamente. curvas a 25°C reflejan
el comportamiento de una batería trabajando en un ambiente con temperatura
benigna. Las curvas a 1°C reflejan el comportamiento de la misma batería cuando
la temperatura del electrolito es cercana al punto de congelación del agua. Los
valores dados por las curvas corresponden a una batería de nominales. Si la
batería es de 6V, estos valores deberán ser divididos dos. Si el banco de
baterías tiene un valor que es un
Las curvas de descarga muestran que a baja temperatura la caída de voltaje es
mucho más severa que la que se observa, para la misma a 25°C. La baja
temperatura retarda la reacción química, lo que se traduce en un brusco aumento
de la resistencia interna (Apéndice I) de la batería, que provoca una mayor
caída del voltaje. Estas curvas confirman la experiencia que lector tiene con
baterías para automotor durante el invierno. Se observa, asimismo, que si se
mantiene constante la temperatura del electrolito, la de voltaje es siempre
mayor (aumento de la resistencia interna) cuando la corriente de descarga
aumenta. Este es el mecanismo auto limitante al que nos referimos con
anterioridad.
6.12 VOLTAJE DE SALIDA
Si tenemos 12v
- 97 -
Desarrollado para uso profesional, la gama de inversores Phoenix es ideal para
innumerables aplicaciones. El criterio utilizado en su diseño fue el de producir un
verdadero inversor sinusoidal con una eficiencia optimizada pero sin
comprometer su rendimiento. Al utilizar tecnología híbrida de alta frecuencia,
300Ah
Tendremos 12v X 300Ah = 3600wh
Si tenemos 62,464 / 24 =2,602wh X16h =41632wh
En 16 horas se necesita 41632 y una batería nos proporciona 3600wh por lo
tantos se necesita 3 baterías para tener almacenada durante el tiempo de sol
hasta para tres días
6.13 VICTRON ENERGY GEL DEEP CYCLE 12V 300AH
BATTERY
- 98 -
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Potencia CA cont. de salida a 25 °C
(VA) 750
Potencia cont. a 25 °C / 40 °C (W) 700/650
Pico de potencia (W) 1400
Tensión / frecuencia CA de salida (4) 230V, 50Hz
Rango de tensión de entrada (V DC) 21-31
Alarma de batería baja (V DC) 22
Apagado por batería baja (V DC) 21
Autorrecuperación de batería baja (V DC) 25
Eficacia máx. 12 / 24 / 48 V (%) 93
Consumo en vacío (W) 14,0
Consumo en vacío en modo de ahorro 4
Protección Cortocircuito a la salida y sobretemperatura
Temperatura de funcionamiento -20 to +50°C (refrigerado por ventilador)
Humedad (sin condensación) max 95%
CARCASA
Material y color aluminio (azul RAL 5012)
Conexiones de la batería cables de batería de 1,5 metros
Tomas de corriente CA estándar
Tipo de protección IP 20
Peso en (kg) 2,7
Dimensiones (al x an x p en mm.) 72x180x295
ACCESORIOS
- 99 -
Interruptor on/off remoto Conector bifásico
Conmutador de transferencia automático Filax
NORMATIVAS
Seguridad EN 60335-1
Emisiones / Normativas EN55014-1 / EN 55014-2
Elemento Cantidad Costo $
Paneles solar 179
62,650.00
Inversor y instalación 3
640.00
Acumulador (bateria) 3
1,239.00
Otros
3,300.00
Total
67,829.00
Para la carga, se observa que el voltaje correspondiente a un dado estado y
corriente de carga, es siempre menor cuando la temperatura disminuye. Es
conveniente cargar una batería con un nivel de corriente que no exceda el
máximo dado por el fabricante (C/20 ó 10A en nuestro ejemplo). El tiempo
Precio de 3 baterías = $ 1239.00
CURVAS DE CARGAØ
- 100 -
de carga, multiplicado por la corriente de carga debe un 15% mayor al
número de Ah de la batería, para compensar por las pérdidas durante el
proceso de carga.
El valor del voltaje a circuito abierto para una batería no representa una
buena indicación del estado de carga o la vida útil de la misma. Para que
esta medición tenga alguna significación, la lectura debe ser precedida por
la carga de la misma, seguida de un período de inactividad de varias horas.
El voltímetro a usarse deberá ser capaz de leer dos decimales con precisión.
La medición de la densidad del electrolito constituye na evaluación
pues se mide un grupo de celdas por separado. Diferenc
substanciales en el valor de la densidad entre un grupo de celdas y los
restantes dá una indicación clara del envejecimiento de la misma (Capítulo
13). Un voltaje que es importante es el de "final de descarga" para la batería.
Este valor está dado por el fabricante, pero es siempre cercano a los 10,5V,
para una batería de Pb-ácido de 12V nominales, trabajando a una
temperatura cercana a los 25°C.
Si las bajas temperaturas causan tantos problemas, algún lector puede concluir que
las temperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusión es errónea,
pues la mayor actividad química se traduce en una en la vida útil de
una batería de Pb-ácido, como lo muestra la tabla dada a continuación
TABLA: 6.1 DE TEMPERATURA
Ø EVALUACION DEL ESTADO DE CA
6.13.1 TEMPERATURA ELEVADA
TEMPERATURA REDUCCION DE LA
más
fiable,
reducción
- 101 -
25 0
30 30
35 50
40 65
45 77
50 87
55 95
Hemos visto que la descarga de las baterías de plomo-ácido trae aparejado un
depósito de sulfato de plomo en ambas placas. Normalmente este depósito está
constituído por pequeños cristales, que se descomponen fácilmente durante el
proceso de carga. Si, por el contrario, la batería ha sido descargada repetidas veces
por debajo del mínimo especificado, es pobremente cargada, o permanece
descargada por largo tiempo, el tamaño de los cristales crece, y sólo una parte de
ellos interviene en el proceso de carga. Esto se traduce en una disminución de la
superficie activa del electrodo, disminuyendo la capacidad de almacenaje. Este
fenómeno se lo conoce con el nombre de de la batería. En lugares
donde los períodos nublados son de larga duración las baterías pueden permanecer
en estado de baja carga, por largo tiempo, induciendo sulfatación de las placas.
Una carga a régimen de corriente elevado puede disolver esta formación cristalina
(proceso de ecualización).
DEL ELECTROL VIDA UTIL
°C %
6.13 SULFATACION
sulfatación
AUTODESCARGAØ
- 102 -
Una batería que está cargada y permanece inactiva, independientemente de su
tipo, pierde su carga con el tiempo. Este fenómeno es ocido como
autodescarga. La rapidez de la descarga depende de la temperatura ambiente y
del tipo de batería. Al analizar los distintos tipos de baterías en el Capítulo 6, se
dan valores específicos de autodescarga para los modelos descriptos.
Fig. 6.10 Detalles de Construcción de una Batería para Automotor
Fuente::(Cortesía de Siemens Solar Industrie
El acumulador de Pb-ácido tiene numerosas aplicaciones. Nuestro interés se
reducirá a dos de ellas: las baterías para automotores y las baterías para sistemas
FVs (baterías solares). Como la diferencia en el costo de estas dos versiones es
apreciable, existe siempre la tentación de usar la batería más económica
(automotor) en un sistema FV. Para que el lector pueda apreciar porqué una
6.14 LA BATERÍA SOLAR
- 103 -
batería solar representa la solución más adecuada, puntualizaremos las diferencias
entre las dos.
El modelo de batería usado en los automotores está diseñado para sostener
corrientes elevadas (200 a 350 A) por muy breves instantes (segundos)
durante el arranque del motor. El resto del tiempo la está siendo
cargada o permanece inactiva. La batería de un sistema solar, por el
contrario, debe ser capaz de sostener corrientes moderadas (una decena de
amperes), durante horas. Además, en muchas aplicaciones, deberá
permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno).
Normalmente, los períodos de reposo son nulos, ya que siendo cargada
o descargada. Diferentes requerimientos de uso sólo pueden satisfacerse con
diseños distintos.
Dos características identifican a una batería solar: la mayor profundidad de
descarga (PD) y un alto valor para el ciclaje. La batería de automotor está
diseñada para soportar una leve PD. Para ilustrar este aspecto, asumiremos
que en invierno la corriente de arranque alcanza 350A dura 3 segundos.
Durante el arranque la batería habrá entregado 0,29Ah 50 x 3/3.600).
Como la capacidad típica de estas baterías es de 80Ah, los 0,29Ah
representan una PD de sólo 0,36%. Tomaría tres arranques consecutivos
para que la PD llegase al 1%. La batería solar permite una PD máxima del
80%, cientos de veces, a niveles de corriente moderados. Es por ello que a
estas baterías se las denomina de ciclo profundo (BCP).
Ø
Ø
REGIMENES DE USO
PROFUNDIDAD DE DESCARGA
- 104 -
Se considera que una BCP ha completado todos los ciclos de carga y descarga
cuando, al ser cargada nuevamente, la máxima energía que puede almacenar se
reduce al 80% de su valor inicial. El número de ciclos de carga/descarga depende
de la PD. Cuando ésta disminuye, el número de ciclos aumenta. Para una dada
PD, la batería más robusta proporciona el mayor número de ciclos. La Tabla 6.1
muestra estas características para dos baterías solares de Pb-ácido con electrolito
líquido. El número de Ah y el peso de cada modelo (en Kgs), forman parte de la
Tabla 6.1, para ilustrar las diferencias. Ambos modelos son ilustrados en las
Figuras 6.2 y 6.3, respectivamente.
DOS BATERIAS SOLARES
Las versiones con mayor aceptación son las de 6 y 12V nominales. Baterías de
6V, con una capacidad de unos 200Ah, son utilizadas en sistemas de mediana
capacidad de reserva, donde pasan a formar parte de un banco de baterías con
conexión serie o serie-paralelo, a fin de satisfacer los valores de voltaje y corriente
del sistema. Esta versión ofrece el mejor compromiso entre peso (facilidad de
Fuente: (Cortesía de Trojan Battery Company)
6.14.1 MAXIMO NÚMERO DE CICLOS
6.15 MODELOS DE BATERIAS SOLARESFig. 6.11 Batería de 6V-217Ah Fig. 6.12 Batería de 6V-350Ah
- 105 -
manejo) y número de Ah de reserva. Como los sistemas FVs de bajo consumo son
sistemas de 12V nominales, los requerimientos de reserva pueden ser satisfechos
con la versión de 12V, la que tiene una capacidad de unos 100Ah. Baterías de más
de 250Ah resultan convenientes cuando se trabaja con sistemas de alto consumo.
Se fabrican asimismo baterías de ciclo profundo con ca de reserva mucho
más grandes. Un modelo de 24 V, diseñado para ser usado en un sistema comunal
(varias casas conectadas a un sistema FV) tiene una capacidad de 1.493Ah y pesa
1.200 Kgs.
La doble conversión de energía que toma lugar en una batería resulta en una
eficiencia total (hb) que está dada por la expresión:
hb = hc x hd
Donde hc es el valor de la eficiencia de carga y hd el de descarga. Ambos valores
varían con la temperatura del electrolito y el estado carga de la batería, ya que
la resistencia interna de la misma genera estas pérdidas. Las pérdidas durante el
proceso de carga fuerzan un incremento en la capacidad de generación del
sistema, a fin de restablecer el balance energético del mismo. El valor de hd está
implícitamente considerado al determinarse el valor en Ah por el método de
descarga continua al que se hizo referencia en el capítulo anterior.
La capacidad de almacenamiento de una batería de Pb-ácido varía con la
temperatura del electrolito, la que, en la práctica, está determinada por la
6.15.1 EFICIENCIA
6.15.2 ENERGIA ALMACENADA
- 106 -
temperatura ambiente del lugar donde ésta será instalada. La 6.4 muestra
esta interdependencia.
30 105 1,05
25 100 1,00
16 90 0,90
4 77 0,77
- 7 63 0,63
- 18 49 0,49
No debemos olvidar que el aumento en la eficiencia total obtenido a 30°C está
relacionado con una de la vida útil de la batería, como se
indicó en el capítulo anterior. Cuando se usan baterías de Pb-ácido es importante
mantener la temperatura del electrolito cercana a los ya que a esta
temperatura se alcanza el balance óptimo entre la efic a y la vida útil de este
componente.
Hemos dicho que el agregado de antimonio incrementa la autodescarga de las
baterías solares. Cuando la temperatura ambiente es de 50°C la batería se
descargará totalmente en un mes (25%/semana). Cuando la temperatura ambiente
es cercana a los 25°C la autodescarga se reduce a un 6%/semana (4 meses para
Tabla 6. 4
Variación de la Capacidad con la Temperatura
Temperatura (°C) Capacidad (%) Eficiencia
6.15.3 AUTODESCARGA
drástica reducción
- 107 -
una descarga total). Estas cifras muestran que si una batería de este tipo
permanece en depósito por largo tiempo, deberá ser recargada con frecuencia. Las
baterías de automotor con aleación de calcio (baterías de mantenimiento nulo)
tardan un año en perder el 50% de su carga, a 25°C.
Existe una batería solar de Pb-ácido donde el electrolito no es líquido sino
gelatinoso en inglés). Su costo es alrededor de tres veces mayor
el de la versión con electrolito líquido, pero tiene características técnicas que la
hacen muy útiles en aplicaciones especializadas. La literatura técnica suele
identificar a este tipo de baterías con la abreviatura VRLA, que corresponde a la
abreviación de cuatro palabras inglesas cuyo significado es: "Pb-ácido regulada
por válvula". Como esta batería no requiere ventilación al exterior durante el
proceso de carga, la caja exterior es hermética. La vá vula constituye un
dispositivo de seguridad en caso de cortocircuito o so Esta hermeticidad
evita el derrame del electrolito, lo que disminuye el riesgo en su manejo, y la
convierte en la solución ideal para instalaciones marinas (boyas o embarcaciones).
Como no requieren mantenimiento (agregado de agua), se las usa en instalaciones
donde la supervisión es infrecuente o nula, como es el caso en sistemas s de
iluminación de carteles de propaganda en carreteras, repetidores de
comunicaciones, o en sistema FVs portátiles ("listos para ser usados"). El tipo de
electrolito usado en esta batería permite su uso a bajas temperaturas con mayor
eficiencia que las de electrolito líquido. La autodescarga semanal es de 1,1%, a
25°C y aumenta a un 3% cuando la temperatura se eleva 40°C. Pueden
12 BATERIAS SOLARES GELATINOSAS Pág.91
6.16 BATERIAS SOLARES GELATINOSAS 12(VRLA)
(Gel battery,
- 108 -
obtenerse en versiones de 6 y 12V, con capacidades entre 6 y 180Ah(20hrs). Uno
de los fabricantes es EXIDE, quien las ofrece bajo el comercial
"Dryfit"™. A continuación se dan las especificaciones para dos de estas baterías.
Bajo Consumo Consumo Intermedio
110Ah 180Ah
12V 6V
2.000 ciclos 4.000 ciclos
37 Kgs 31 Kgs
10,5V ):5,25V
No podemos concluir este capítulo sin mencionar este tipo de batería de ciclo
profundo. Debido a su alto costo inicial (6 a 8 veces l de una batería equivalente
de Pb-ácido), este diseño no ha podido suplantar al tipo Pb-ácido con electrolito
líquido. Sin embargo, el costo operacional (largo plazo) es mucho menor que el de
una batería de igual capacidad del tipo Pb-ácido debido a su larga vida útil y bajo
mantenimiento.
Existen dos métodos de fabricación para estas baterías, pero el recomendado para
una batería solar es el llamado de "bolsillos en la placa" en inglés).
Este tipo de batería usa placas de acero inoxidable, las que poseen depresiones
donde se coloca el material activo. El electrolito de baterías es una solución
Modelo: Modelo:
Capacidad (Ah/20): Capacidad (Ah/20):
Voltaje: Voltaje:
Ciclaje (PD = 30%): Ciclaje (PD = 30%):
Peso : Peso:
Voltaje mín. (Bat. descargada): Voltaje mín.(Bat. descargada
6.16.1 BATERIA DE NIQUEL-CADMIO (NI-CD)
6.16.2 "POCKET PLATE"
(pocket plate,
- 109 -
de agua e hidróxido de potasio, el que requiere una capa de aceite protector, para
evitar su oxidación por el oxígeno del ambiente. En términos genéricos, una
batería de Ni-Cd que usa este método de fabricación tolera más abuso que su
equivalente de Pb-ácido. Sus características más salientes son: pueden soportar,
sin daño, cargas y descargas excesivas, así como una mayor profundidad de
descarga (cerca del 100%). Tienen una mayor eficiencia con baja temperatura
ambiente y soportan, sin problemas. una alta combinación de temperatura y
humedad ambiente. Esta última característica la convierte en la solución ideal para
climas tropicales. Otras ventajas asociadas con este tipo de batería es la ausencia
de problemas similares al de la "sulfatación" de las placas o la congelación del
electrolito. Una batería de Ni-Cd puede trabajar con bajo estado de carga sin
deteriorarse. La autodescarga es inicialmente elevada, pero disminuye con el
tiempo, permitiendo largos períodos de almacenamiento n una retención
considerable de la carga inicial. La vida útil es más de dos veces la de una BCP de
Pb-ácido. Uno de los fabricantes de baterías solares de Ni-Cd (SAFT-NIFE) las
garantiza por 20 años. La Figura 6.6 muestra la construcción de una batería solar
de este tipo.
Dado que ningún componente es perfecto, enumeraremos a continuación alguna
de las características de la batería de Ni-Cd que pueden ser consideradas como
inconvenientes en un sistema FV. Una de ellas es su característica de descarga.
Como la resistencia interna de esta batería es diez (10) veces menor que la de Pb-
ácido, el voltaje de salida permanece prácticamente constante hasta el momento
13 APS SERTEL Colombia pag. 8
6.17 BATERIA DE NI-CD: POSIBLES DESVENTAJAS13
- 110 -
en que su capacidad de almacenaje de energía se ve agotada. Es entonces cuando
éste cae en forma vertiginosa. Esta característica no permite al usuario tener un
"aviso previo", como en el caso de las baterías de Pb-ácido, donde la resistencia
interna se incrementa con el tiempo, bajando su voltaje de salida en forma
continua. Si se quiere medir el voltaje de salida, se requiere el uso de un
voltímetro que tenga la suficiente resolución y precisión para que la lectura
contenga dos decimales significativos, ya que los cambios, como se ha dicho, son
muy pequeños. El electrolito de una batería de Ni-Cd tiene un rol pasivo. Sólo
actúa como transportador de cargas. No existe variación alguna en la densidad del
mismo entre carga y descarga, impidiendo el uso de un metro. El
instrumento más recomendable es un medidor de energía, como el que mide el
número de Wh. El voltaje de una celda es cercano a 1,4V cuando la batería está
cargada, y disminuye a 1,1V cuando está descargada. Para obtener voltajes
cercanos a los 12V (o múltiplos de éste) se necesitan s celdas por batería. Si se
usan estas baterías en un sistema FV, el control de carga deberá ser elegido
manera que sea compatible con este tipo de baterías. Un medidor de estado de
carga diseñado para baterías de Pb-ácido no puede ser utilizado para monitorear
este tipo de acumulador.
Durante la noche el voltaje de salida de los paneles FVs es nulo. Al amanecer,
atardecer o en días nublados, el nivel de insolación es bajo y los paneles no
pueden cargar las baterías. En este último caso el control de carga cumple un rol
pasivo, aislando el banco de acumulación del bloque de generación, evitando su
descarga. Cuando la insolación aumenta, el voltaje de paneles supera al del
banco de baterías y el proceso de carga se reanuda. Es entonces cuando el control
de carga tiene un rol activo, evitando una gasificación excesiva del electrolito.
- 111 -
La selección de un control de carga está determinada por los parámetros eléctricos
del sistema (voltaje y amperaje de trabajo), los detalles de diseño (uno o más
bloques de carga, tipo de batería y montaje mecánico más conveniente) y por las
opciones ofrecidas por el fabricante (funciones auxiliares). En este capítulo
analizaremos estos detalles, complementando la información con ilustraciones y
especificaciones para algunos de estos controles.
Fig. 6.13 Batería de Ni-Cd con Placas de Bolsillo
Fuente: Cortesía de SAFT-NIFE, Inc. Modelo Sunica™ )
A) CONTROLES EN SERIE Y EN PARALELO
- 112 -
Los numerosos modelos ofrecidos en el mercado pueden ser agrupados en dos
categorías: controles en serie y controles en paralelo. Esta clasificación está
relacionada con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de
baterías, cuando el control comienza a restringir la gasificación. En un control en
paralelo, cuando el voltaje de batería alcanza un valor predeterminado (batería
cargada), la corriente de los paneles es desviada a un circuito que está en paralelo
con el banco de baterías. Cuando el voltaje de batería baja por debajo de un valor
mínimo, predeterminado por el fabricante, el proceso de carga se restablece
nuevamente.
Tanto en el control paralelo, como en el serie, el máximo valor de la corriente de
carga está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y
el de baterías. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula
totalmente. En el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso
similar o de valor variable. Más adelante se describen varios criterios de diseño
para controles de carga serie.
Los primeros controles de carga eran del tipo paralelo y ejercían un control muy
rudimentario. Cuando el voltaje de batería alcanzaba un valor considerado como
el de carga completa, la corriente de los paneles era iada a un circuito en
paralelo, el que tenía una resistencia fija en inglés). Esta disipaba,
en forma de calor, la energía eléctrica proporcionada por el bloque de generación.
B) MAXIMA CORRIENTE DE CARGA
C) CARGA RESISTIVA (DUMMY LOAD)
(dummy load,
- 113 -
CARGA RESISTIVA
Un transistor bipolar solía proveer la acción representada por el interruptor en
serie con la resistencia de disipación. Este sistema de desviación paralelo ha sido
suplantado por uno más elaborado, donde el circuito de control actúa sobre un
semiconductor (MOS-FET), el que posee una muy baja resistencia interna y
soporta altas corrientes. Estas dos características permiten establecer un efectivo
cortocircuito de salida, minimizando la disipación por calor dentro del
semiconductor. La muestra, en forma esquemática, este ipo de control. El FET
está representado por un interruptor.
Este control de carga tiene una desventaja que le es inherente: el banco de baterías
debe ser aislado del cortocircuito. El diodo serie (DS en las cumple con esa
función. Esto provoca una disminución en el voltaje de carga, así como una
pérdida de energía (disipación de calor dentro del diodo). Para disminuir ambos
valores se utilizan diodos del tipo Schottky. Este tipo de componente tiene una
juntura formada por un semiconductor y un metal. El resultado es un diodo con
menor voltaje de trabajo (0,3V en lugar de 0,6V). Para el mismo valor de
(DUMMY LOAD)
Fuente: Sun Amp Power Co.
Fig.6.14 Control de Carga Paralelo con Resistencia Disipadora)
D) DIODO SERIE
- 114 -
corriente de carga, las pérdidas se reducen a la mitad. Uno de los fabricantes que
ofrecen este tipo de control es SunAmp Power Co.
El control serie, ilustrado en forma esquemática en la Figura elimina la
necesidad de un diodo en serie, ya que la apertura del interruptor aísla al banco de
baterías de los circuitos que le preceden.
Existen diferentes criterios de diseño para los
controles en serie, dependiendo de lo que el fabricante considera el control óptimo
de la corriente de carga. Sin embargo, en todos ellos dos características
que les son comunes: a) alternan períodos activos de cargas con períodos de
inactividad; b) la acción del circuito de control depe del estado de carga del
banco de baterías Durante el período activo algunos mo usan un voltaje de
carga de valor constante, mientras que en otros este valor está limitado por la
diferencia de voltaje entre los paneles y las baterías.
E) PROTECCION INTERNA
CRITERIOS DE DISEÑO
F) VOLTAJE DE FLOTACION
6.12,
FIG. 6.16 CONTROL EN SERIE
Fuente :Sun Amp Power Co.
- 115 -
Para los modelos que usan un voltaje de carga limitado, éste representa un estado
de carga de baterías de alrededor del 90 al 95% del máximo. A este voltaje se lo
conoce como ya que nunca sube su nivel. A medida que el
voltaje de batería se acerca al de flotación, la corri de carga disminuye hasta
que se anula al abrirse el interruptor en serie. Cuand esto ocurre, el voltaje de
batería baja. Cuando alcanza un mínimo de diseño, el interruptor se cierra,
repitiéndose la secuencia. Cuando la baja de voltaje es despreciable (batería
cargada) el control permanece abierto. El valor del vo de flotación,
dependiendo del modelo, puede ser fijo ( determinado por el fabricante) o
ajustable por el usuario, dentro de un reducido rango. Esta última opción puede
ser útil si se tiene instrumental de medida adecuado para el ajuste y se conoce en
detalle las características de la batería(s).
Puente: Sun Amp Power Co.
El máximo valor que puede alcanzar la corriente de carga determina, en la
práctica, el tipo de interruptor más adecuado para esa aplicación. Para corrientes
menores que los 10A, la solución más económica se obtiene usando un relevador
voltaje de flotación,
6.17.1 INTERRUPTOR MECANICO Y DE ESTADO SÓLIDO
Fig. – 6.17 División de la Corriente de Carga
- 116 -
electromecánico en inglés). Cuando la corriente de carga es de 20 o más
amperes, deberá requerirse información del fabricante la vida útil del
interruptor. Para niveles más altos es conveniente usar los modelos con
interruptores de estado sólido. La razón para este criterio de selección se analiza a
continuación. Como la corriente de carga es de CC, la de los contactos
del relevador crea un arco eléctrico entre los mismos, cuya intensidad crece al
crecer el valor de la corriente que circula por el mismo. Este arco daña
progresivamente la superficie de los contactos. En un de estado sólido
(FET) no existe arco alguno, lo que extiende la vida útil del mismo sensor
térmico, el que permite variar el voltaje de carga en función de la temperatura.
El sensor usa un trasmistor. Este componente cambia su resistencia con la
temperatura. Estas variaciones de resistencia son interpretadas por el circuito del
control de carga, el que actúa variando el valor del voltaje de salida. Existen
tipos de sensores, el externo y el interno. La Figura 5 muestra un sensor externo.
El modelo ilustrado tiene un rango de trabajo entre -40 y +65°C. Este sensor está
ubicado dentro de una cápsula metálica, la que tiene una prolongación perforada
(relay,
Fig. 6.18Montaje y Conexionado del Sensor Térmico TC-1
Fuente:(Cortesía de Bobier Electronics, Inc.)
6.17.2 SENSORES EXTERNOS
- 117 -
que permite el fácil montaje del sensor al borne negativo de una de las baterías.
Como el electrolito y el borne alcanzan la misma temperatura, esta realización
permite un fácil monitoreo de la temperatura del electrolito. El control de carga
con corrección de temperatura tiene un cable extra a la entrada del mismo.
Cuando el termistor está colocado dentro del control (Sun Amp), este cable extra
no existe, pues la conexión es interna. Como el sensor está dentro del control, se
debe colocar al control de carga de manera que la parte inferior del mismo toque
la superficie de la batería, a fin de monitorear adecuadamente la temperatura de la
misma. Esto puede conseguirse sosteniendo al control con algunas vueltas de cinta
aisladora alrededor del cuerpo de la batería.
El proceso de ecualización se aplica a baterías que están sulfatadas o corren ese
riesgo. El método es correctivo y consiste en someter las baterías a una corriente
de carga igual al máximo de su especificación. Este requerimiento significa que
esta opción sólo es práctica en sistemas FVs capaces de generar altos niveles de
corriente de carga.
Si el sistema FV produce más energía que la que se consume, las baterías llegan a
ser cargadas a su máximo. En ese caso puede elegirse un control de carga que
posee una salida extra, conocida como desvío en inglés). Debe recordarse
que este circuito tiene una capacidad menor, y, en general, no tiene fusible de
6.17.3 SENSORES INTERNOS
OPCIONES: ECUALIZACION
OPCIONES: DESVIO DE LA CORRIENTE DE CARGA
(Divert,
- 118 -
protección interno. De usarse, incorpore un fusible de protección a fin de no dañar
a la unidad de control. La Figura 6.15 muestra una unidad de este tipo.
Fig. 6.19 Control de Carga con Opciones de Desvío y Bajo Voltaje de Baterías
Fuente:(Cortesía de Bobier Electronics, Inc.)
Una opción muy útil es la que provee una salida capaz activar una alarma
exterior cuando el voltaje de baterías alcanza un mínimo indicativo un bajo
nivel de reserva.
A esta salida se la conoce, en inglés con el nombre (Figura 7.6).
Las opciones descriptas no son las únicas. Sin entrar detalles mencionaremos
algunas otras:
Selección automática del voltaje de carga del control, Luces indicadoras de la
función que está ejecutando el control, Voltímetro y a metro incorporado a la
unidad Al tratar el diseño de los sistemas FVs volveremos a analizar algunas de
las opciones que pueden ser útiles.
OTRAS OPCIONES
6.18 DISEÑO MECANICO
LB Alarm
- 119 -
El diseño mecánico del control de carga debe facilitar el montaje de la unidad a un
soporte y el conexionado de la unidad al resto del sistema. Independientemente
del tamaño de la unidad, ésta deberá tener aletas perforadas que hagan posible el
uso de tornillos para su retensión al sostén. Verifique que la posición de montaje
no altera el comportamiento de la unidad. La caja que a la unidad debe
proveer protección ambiental adecuada.
Controles que manejan hasta 18A son ofrecidos con cables de entrada y salida.
Modelos que manejan un alto amperaje (más de 30A), deberán tener terminales de
entrada y salida que posean la suficiente robustez mecánica para permitir un
amarre seguro de los cables de alta corriente, sin destruir su integridad y con baja
resistencia eléctrica. Nunca compre el control antes de haber determinado el
calibre del cable que va a usar en el sistema, de manera de asegurarse que los
terminales son adecuados.
Todos los componentes sufren con el calor, el que acorta la vida útil de los
mismos. Al elegir una unidad de control que fácilmente maneje el amperaje del
sistema contribuye a disminuir el calor por disipación interna. Una adecuada
ubicación, evitando el sol directo sobre la unidad evita un excesivo calor externo.
El cable de conexión representa el componente indispensable para el transporte de
la energía eléctrica entre los diferentes bloques que un sistema FV.
CABLES Y BORNES DE CONNECCION
a) TEMPERATURA DE TRABAJO
b) MATERIAL CONDUCTOR OPTIMO
- 120 -
Resulta inevitable que parte de esta energía se pierda en forma de calor, ya que la
resistencia eléctrica de un conductor nunca es nula. El material más indicado para
la fabricación de un cable conductor representa un compromiso entre un bajo
valor de resistividad y el costo del mismo. El cobre ofrece hoy día la mejor
solución. La información contenida en este capítulo está dada para este tipo de
material.
Debemos tener en cuenta las dos conexiones mas importantes: La que se realiza
entre el reproductor de cd y el amplificador y la que realiza entre la salida del
amplificador y las cajas acústicas mucha gente piensa utilizar cualquier cable
para realizar. las conexiones da lo mismo, pero esto no es así. Utilizar buenos
cables permite que la señal sonora se transmita mejor de esta manera lograr
mayor definición en el sonido final. a medida que la calidad de los componentes
va aumentando en precio, también es coherente utilizar cables que estén al mismo
nivel. para un equipo básico de buena calidad
La resistencia eléctrica de un material conductor está dada por la expresión
R = (P. L ) / A (1)
Donde p (rho) representa el valor de resistividad lineal (W.m), L es el largo del
conductor (m), y A es el área de la sección del mismo (m2). El valor de p depende
de dos variables: el material conductor y la temperatura de trabajo que éste
alcanza. La expresión (1) indica que para un dado material conductor y
c) LOS CABLES DE CONECCION.
d) RESISTENCIA DE UN CONDUCTO
- 121 -
temperatura (p constante), si el valor del área A permanece constante, el valor de
la resistencia aumenta con su longitud. De igual manera puede deducirse que si p
y L permanecen fijos, la resistencia del conductor se uce si el área de su
sección aumenta. La mayoría de los cables utilizados en instalaciones eléctricas
tienen una sección circular. Cuando el área del conductor aumenta, también lo
hace su diámetro. Por lo tanto, para una dada longitud, un aumento en el diámetro
significa una menor caída de voltaje en el cable (menores pérdidas de energía),
pero un mayor costo (más volumen por unidad de longitud).
La dependencia entre el diámetro y el área del conductor permite establecer un
método de clasificación para los cables. A determinados diámetros se les asigna
un número en una escala arbitraria, al que se conoce como el cal del
conductor. Esta escala se la conoce como el AWG calibre
americano para conductores), y es utilizada dentro y fuera de los EEUU.
El rango de calibres para nuestra aplicación comienza con el calibre 4/0 (4 ceros),
al que corresponde el mayor diámetro. El número de ceros disminuye hasta
alcanzar el valor 1/0. A partir de este valor el calibre del cable está asociado a un
valor numérico creciente (2, 4, 6, etc). Es importante recordar que para estos
calibres el diámetro del conductor se cuando el valor numérico asignado
Para nuestra aplicación el máximo valor numérico que se utiliza es el
16, ya que la resistencia
eléctrica por unidad de longitud resulta excesiva para calibres superiores a este
valor. Los calibres 4/0 y 3/0 son raramente usados, pues son difíciles de instalar,
tienen un elevado peso por unidad de longitud y un costo muy elevado.
6.19 NORMA AWG
(American Wire Gauge,
reduce
aumenta.
- 122 -
La muestra, en forma comparativa, los diámetros de varios los calibres AWG.
Las características eléctricas y mecánicas de los mismos están resumidas en la
Tabla 8.7, al final de este capítulo. El diámetro en mm especificado para cada
calibre corresponde al del conductor Los valores resistivos,
ohms por cada 100m, corresponden al valor de ese calibre
Fuente: Indeco
Existen dos tipos de conductores: el de un solo alambre y el multialambre
en inglés). Los calibres de mayor diámetro no pueden tener un solo conductor
pues su rigidez los haría poco prácticos. Es por ello los cables con calibres
entre el 8 y el 4/0 son fabricados usando varios alambres de menor diámetro, los
Fig.- 6.21 Conductor Sólido y Multialambre
Ø DIAMETROS RELATIVOS DE CONDUCTOR SÓLIDO Y
MULTI ALAMBRE
sin aislación alguna.
a una temperatura de
25°C.
Fuente: Indeco
(cable,
Fig. 6.20 Diámetros Relativos de Varios Calibres AWG
- 123 -
que son retorcidos suavemente para que conserven una estructura unificada. La
Figura 6.21 muestra estos dos tipos. Dos cables de un calibre, conectados en
paralelo, es otro recurso práctico para incrementar el área efectiva de conducción.
La norma define, para cada calibre, el valor de la corriente máxima, en amperes,
que es permitido por el código eléctrico de los EEUU. Este valor no debe ser
sobrepasado, por razones de seguridad (excesiva disipación de calor).
Los cables usados en instalaciones eléctricas tienen, vo raras excepciones, una
cobertura exterior que provee aislamiento eléctrico y resistencia mecánica al
conductor. El material usado en la cobertura exterior es muy importante, pues
determina el uso del mismo. Distintos tipos de coberturas permiten enterrar el
cable bajo tierra, usarlo en lugares con alta humedad temperatura, o volverlos
resistentes a ciertas substancias químicas o a la radiación ultravioleta. Para
identificar las distintas aplicaciones se usan letras, las que representan la
abreviación de palabras en inglés. Estas letras se imprimen a intervalos
especificados por las normas, a lo largo de la cubierta exterior.
6.20 AMPERAJE M AXIMO
6.20.1 TIPOS NM Y NMC
- 124 -
Para uso interno, como es el caso dentro de las casas, usa el tipo NM Este tipo
de cable tiene una cobertura de plástico que envuelve a dos o tres conductores.
Cuando hay tres cables
Bajo la misma cobertura, dos de ellos tienen aislación, mientras que el tercero es
un alambre desnudo. En los EEUU el cable de tres conductores tipo NM se lo
conoce, popularmente, como cable ROMEX. Como estos cables son comúnmente
usados en circuitos de CA, uno de los cables tiene aislación de color negro, el otro
blanca. Estos dos colores conforman con la norma estadounidense para el cable
vivo y el neutral, respectivamente (Apéndice I). El cable desnudo se lo usa como
conexión de tierra. Una variación de este cable es el tipo NMC, el que es diseñado
con una cubertura que resiste la humedad. El tipo NM necesita de un ambiente de
baja humedad. La Figura 8.3 muestra la estructura física de un cable NM con tres
conductores.
Hemos visto que el valor de la resistividad (p) depende de la temperatura de
trabajo del conductor. El valor de la resistencia eléctrica de un cable conductor a
una temperatura superior a los 25°C está dada por la expresión:
Rt = R25 x (1 + a.AT)
RESISTENCIA Y TEMPERATURA
Fig. 6.22 Cable Tipo NM o NMC
- 125 -
Donde Rt es la resistencia a la temperatura t, a es un coeficiente de
proporcionalidad cuyo valor, para el cobre, es 0,00043 1/°C, y AT es la cantidad
de grados que la temperatura de trabajo del conductor pera los 25°C. Esta
fórmula nos dice que por cada 10°C que sube la temperatura sobre la ambiente, el
valor de la resistencia se incrementa en un 4,3 %. El amperaje máximo
especificado para un determinado calibre disminuye con la temperatura, como lo
muestra la Tabla 6.2. El nuevo valor se obtiene multiplicando el valor para 25°C
por el coeficiente dado en la Tabla 6.2
Grados C UF USE,THW Grados C UF USE,THW
TW TW
26 - 30 0,93 0,93 41 - 45 0,66 0,76
31 - 35 0,84 0,87 46 - 50 0,54 0,69
36 - 40 0,76 0,81 51 - 55 0,38 0,62
.
4/0 99 6 12
3/0 78 8 8
2/0 62 10 5
Tabla 6.2- Coeficiente de Reducción del Amperaje Máximo
TEMPER. TIPO DE CABLE TEMPER. TIPO DE CABLE
Tabla 6.3- Relación entre el ICV y el AWG
Calibre AWG ICV Calibre AWG ICV
- 126 -
1/0 49 12 3
2 31 14 2
4 20 16 1
Veamos un ejemplo, donde los valores son los siguientes:
A = 5A; D = 12 m, %CV = 2% y Vnom = 12V.
El valor del coeficiente ICV resultará ser:
ICV = (5 x 12 x 3,281) / (2 x 12) =196,86 / 24 = 8,20
Vemos que el valor más cercano en la tabla es 8, el que corresponde a un calibre
AWG8. La Tabla 6.4 muestra que el valor numérico del calibre se incrementa
(cable de menor diámetro) cuando el ICV disminuye. Si lugar de 12V el
sistema fuere de 24V, el ICV se reduciría a la mitad, ose usar un AWG10
con holgura. Cuando el valor del ICV tiene un valor intermedio entre dos dados
en la Tabla, siempre elija el calibre de mayor diámetro.
4/0 0,01669 211 248
3/0 0,02106 178 216
2/0 0,02660 157 1891/0 0,03346 135 1622 0,05314 103 124
4 0,08497 76 926 0,1345 59 70
Calibre Resistencia Amperaje Máximo (A)*
AWG W/100 m TIPO DE CABLE
UF USE,THW NM
No T W Y U I W N
TABLA 6.4- Cables de Cobre a 25 C
- 127 -
CAPITULO VII
El fácil acceso, control, y conversión de la energía generada por el sistema FV
crea la necesidad de incorporar al sistema tomacorrientes, interruptores, lámparas
de iluminación y aparatos domésticos de bajo voltaje. componentes forman
parte de una numerosa lista de componentes auxiliares. Por otra parte el correcto
monitoreo del sistema, así como el agregado de otras fuentes de generación y crea
la necesidad de incorporar un segundo grupo de componentes auxiliares. En este
capítulo describiremos las características técnicas de varios de estos componentes.
La escasez de una adecuada selección para algunos tipos de componentes
auxiliares dificulta, a veces, la implementación del sistema. Esta situación se
pone en evidencia al seleccionarse las llaves interruptoras y tomacorrientes
domiciliarios. La demanda de componentes diseñados para trabajar en circuitos de
CC con bajos voltajes y altas corrientes es muy restringida. Su correcta selección,
guarda una relación directa con el grado de seguridad la vida útil del sistema.
Comenzaremos con la descripción de los componentes auxiliares que se requieren
para implementar los bloques del sistema no relacionados con la función de
monitoreo.
7 DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES DEL
SISTEMA FOTOVOLTAICO
- 128 -
El soporte fijo es el de menor costo, pero no permite iar el ángulo de
inclinación de
los paneles con respecto a la horizontal. Esta restricción no siempre constituye un
problema, ya que el régimen de carga puede, en muchas ser
satisfecho con la selección de un ángulo de inclinación fijo.
El diseño de estos soportes hace posible el ajuste manual del ángulo de
inclinación.
Algunos modelos han sido diseñados para ser anclados directamente al suelo o al
techo de una casa (Figura 7.1), mientras que otros tienen sostenes que permiten
su montaje a un poste de sostén (Figura7.2). Existen numerosas variantes
mecánicas para cualquiera de estos modelos, las que permiten montar varios
paneles en un mismo sostén. Los soportes con anclaje a una superficie pueden
acomodarse hasta 14 paneles
satisfaciendo las necesidades de consumo para una amplia gama de sistemas.
Cuando el montaje se hace usando un poste de sostén, el máximo se reduce a unos
cuatro paneles, ya que este tipo de sostén tiene un ma uso en aplicaciones de
menor consumo (teléfono o luz de emergencia).
14 http://www.censolar.es/menu3.php pag. 4
7.1 DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES AUXILIARES
FOTOVOLTAICO 14
SOPORTE FIJO
SOPORTES AJUSTABLES
- 129 -
7.2.- SEGUIDORES AUTOMATICOS15
Los seguidores automáticos tienen un mástil metálico central, el que de
sostén aun soporte móvil, cuya posición varía durante día. Sobre este soporte se
sujetan los paneles FVs. Dependiendo del grado de libertad del movimiento, se
conocen dos tipos: el seguidor de un eje y el de dos ejes.
15 http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico pag. 7
Fig.7.2- Soporte Ajustable con Anclaje a un Poste(Cortesia de Zomeworks Corp.)
Fig.7.1- Soporte Ajustable con
- 130 -
El seguidor de un eje solamente se mueve de este a oeste (movimiento
azimutal). El de dos ejes combina el movimiento azimutal con el de norte a
sur (elevación). Ambos tipos pueden acomodar numerosos paneles.
El mecanismo que provoca el movimiento azimutal del soporte de un eje es
sumamente
simple. El desplazamiento del sostén está basado en el cambio de peso
experimentado por una sustancia con baja temperatura de evaporación
(freón), cuando ésta cambia del estado gaseoso al sólido. La Figura 7.3
ilustra este tipo de seguidor.
Ø
Ø
SEGUIDOR DE UN EJE
MOVIMIENTO AZIMUTAL
Fig. 7.3- Seguidor Automático de un Eje(Cortesía de Zomeworks Corp.)
- 131 -
Como se observa en la ilustración, el sostén tiene dos tanques
interconectados, los que están ubicados a lo largo de lados este y oeste,
respectivamente. Dos pantallas metálicas (una por lado) permiten bloquear o
no la luz solar que incide sobre ellos, dependiendo de la inclinación del
sostén. Asumiremos que, al amanecer, el soporte está inclinado hacia el este.
Debido a la posición, la luz solar llega al tanque del lado este, evaporando el
freón. Los gases se desplazan hacia el tanque del lado opuesto, el que
permanece sombreado (menor temperatura). El gas se licua, aumentando el
peso del lado oeste. El desequilibrio fuerza el movimiento gradual hacia el
oeste durante la duración del día. Su simplicidad lo hace extremadamente
atractivo.
Fig. 7.4- seguidor de dos ejes
Fuente: Cortesía de wattsun Corp.
Ø SEGUIDOR DE DOS EJES
- 132 -
Dos sensores ópticos, uno por eje, responden a la intensidad solar, actuando
sobre los mecanismos que controlan la posición de azimut y elevación del
soporte.
El consumo del sistema de control es de menos de 1W. Un pequeño panel
FV, montado en el centro del soporte transversal infer es suficiente para
activar el sistema y cargar una batería de Ni-Cd, la que extiende el período
activo del control durante la noche. Cuando el sol se one, la ausencia
simultánea de luz en los dos sensores provee una señal de reorientación para
el sistema, forzando el desplazamiento del soporte hacia el este, lo que
elimina por completo el tiempo de reorientación del seguidor. La rotación
azimutal es de 120 grados y la de elevación 65. El error en la
perpendicularidad es de unos 3 grados. Este modelo no restricciones
en su uso cuando la temperatura ambiente es baja y soporta intensos viento.
Este diseño tiene algunas restricciones que le son inherentes. Al finalizar el
día, los paneles quedan mirando hacia el lado oeste, tomando algún tiempo
en retomar la posición inicial (este). Dependiendo de estación del año y el
tipo de aplicación para el sistema, el tiempo de reorientación uede ser
importante. Otro inconveniente es que, con climas muy el calor
generado puede ser insuficiente para evaporar el freón. Vientos intensos en
la dirección este-oeste pueden ejercer fuerzas que alteren la posición del
soporte. Para minimizar este problema, dependiendo del número de paneles,
el soporte usa un contrapeso o un amortiguador. El ángulo de elevación
respecto a la horizontal se fija al llevarse a cabo su instalación. La variación
Ø
Ø
MOVIMIENTO AZIMUTAL Y DE ELEVACION
ADVERTENCIAS
- 133 -
azimutal es de unos 85 grados. El error en la perpendicularidad de los rayos
solares es de unos 10 gradoEl mecanismo del seguidor de dos ejes es del
tipo activo. La Figura 9.4 muestra una unidad de este tipo.
El uso de un seguidor automático de un eje aumenta considerablemente la
duración del día solar promedio respecto a uno de incl ión fija. La magnitud
de este aumento depende del ángulo de inclinación y la ubicación geográfica
del sistema, pero no es difícil que éste oscile entre el 10 y el 50%. El uso de un
sistema automático de dos ejes representa un incremento adicional en la
duración del día solar de un 3 a un 5%, respecto al sistema de un eje.
Este aumento depende del grado de variación de la elevación solar para ese
lugar. Cuando se requieren seis (6) o más paneles en un sistema FV diseñado
para soporte
fijo, debe estudiarse la posibilidad de uno automático. Su incorporación reduce el
número de paneles al alargar el día solar, generando ahorros que pueden ser
aplicados a la compra del seguidor automático.
El uso de fusibles proporciona seguridad y flexibilidad de trabajo al sistema FV.
Hemos visto en el Capítulo 2 que una batería en cortocircuito puede sostener miles
de amperes por varios segundos. Para evitar daños irreparables en el banco de
baterías, así como en el cableado, se necesita la protección de un fusible entre el
banco de baterías y la carga. A este fusible se lo denomina fusible de batería. Con
valores tan elevados para la corriente de cortocircuito podría pensarse que no se
7.2 INCREMENTO DEL DIA SOLAR
7.3 FUSIBLE DE BATERIA
- 134 -
necesita un fusible especial. Este no es el caso, ya que una violenta fusión del
mismo puede convertirse en un proceso de soldadura eléctrica entre los dos
contactos, obteniéndose una conexión permanente entre sus terminales, en lugar
de una rápida acción de apertura entre los mismos. Además, dado que este fusible
está ubicado dentro del cuarto de baterías (o cercano ellas), es importante evitar
efectos secundarios durante el período de apertura, como la explosión del mismo o
la formación de un arco eléctrico entre sus terminales. Situaciones de este tipo
podrían provocar la activación química de los gases de oxígeno e hidrógeno
producidos por las baterías durante el proceso de carga.
Un fusible que cumple con estos requisitos es el llamado limitador de
corriente, como el Littelfuse® tipo T, el que ofrece u reducido tamaño para
corrientes en exceso de 30A. Este tipo de fusible se ofrece en varias
capacidades (de 1 hasta 1.200A). La Figura 7.5 muestra uno de estos
fusibles.
(en mm)
A: 69.9 B: 46.8 G: 6.4
Ø FUSIBLE TIPO T
DIMENSIONES
Fig. 7.5- Seguidor Automático de un Eje
Fuente:(Cortesía de Littelfuse®.)
- 135 -
C: 25.4 D: 33.3
E: 21.0 F: 10.3
Las dimensiones que acompañan la ilustración corresponden a un fusible
que puede manejar entre 225 y 400A. Corrientes tan ele requieren
conexiones óhmicas de muy baja resistencia. Es usual que este fusible sea
ofrecido con un soporte especial, con dos robustos bloques metálicos donde
se conectan los cables de entrada y salida, así como los terminales del
fusible. Una envoltura plástica tubular exterior evita el contacto accidental
con los terminales
Si se desea incorporar un interruptor entre el banco de baterías y la carga, lo
que es recomendable, existe un producto en donde el fusible de batería pasa
a formar parte de un componente que incluye la llave interruptora para alta
corriente de continua. La Figura 7.6 A y B, muestran el aspecto externo e
interno de este componente, así como su especificación eléctrica.
Fuente: Ananda Power Tachnologies
Ø COMBINACION FUSIBLE / INTERRUPTOR
A- Vista Externa B- Vista Interna
Fig 7.6- Interruptor de Alta Corriente con Fusible de Batería
- 136 -
APT SF 400-T
400 A Contínuos; 2.000 A Transitórios
50 V Máx. (CC o CA)
A tornillo. Máximo calibre: 300 MCM (por sobre el No 4/0)
0,02 V cada 100 A.
-34°C a + 71°C
Tipo T. Acepta fusibles de 225 a 400 A.
Sumergido en aceite, dentro de una caja hermética.
La caja de entrada domiciliaria contiene los fusibles protección zonal.
Esta división de la corriente de carga permite el uso fusibles de menor
amperaje. En sistemas FVs de 12V nominales puede utilizarse fusibles
originalmente diseñados para automotores. Estos fusibles son fabricados
para proteger circuitos con corrientes entre 3 y 30A en circuitos con voltajes
de hasta 32V. La Figura 7.7 muestra este tipo de fusible
La conexión de este componente al resto del circuito requiere un tablero de
sostén,
DATOS TECNICOS
Modelo:
Rango de Corriente:
Voltaje:
Conectores:
Caída de Voltaje:
Temp. de Trabajo:
Fusible:
Interruptor:
FUSIBLES DE ENTRADA DOMICILIARIAØ
Fig. 7.7- Fusible de 12V para Automotor
- 137 -
donde están montados los terminales que retienen a los fusibles y los contactos
de conección para los cables. Si se usa el tablero original del automotor, o una
de las cajas plásticas para fusibles de este tipo ofrecidas a la venta, el tablero de
sostén deberá ser ubicado dentro de una caja que posea protección ambiental
adecuada, a fin de preservar la integridad eléctrica de los contactos. Si la
instalación se hace dentro de una casa de reducido tamaño, el uso de una caja
con protección ambiental evita la acción corrosiva de vapores de agua
emanados desde la cocina. Cuando el voltaje del sistema excede los 12V
nominales, puede recurrirse al fusible cilíndrico, como el ilustrado en la Figura
7.8, el que se ofrece para corrientes de 1/100 a 30A.
Fig. 7.8- Fusible Cilíndrico Tipo 3AG
Fuentes: (Cortesía de Littelfuse.)
Los dos contactos metálicos están ubicados en los extremos de un tubo de
vidrio. El largo y diámetro de estos fusibles varían con cada tipo, requiriendo
contactos de retención con diferentes dimensiones mecánicas. El contacto de
retensión tiene una extensión que rotura fuera del sostén que lo retiene, para
facilitar el conexionado del fusible. El soporte tiene una perforación central
para facilitar su montaje.
- 138 -
Para cualquier tipo de fusible se especifica un voltaje de trabajo. Mientras este
valor esté dentro del rango del voltaje máximo del cir a protegerse, no existe
problema alguno.
Todos los fusibles enumerados con anterioridad interrumpen el circuito fundiendo
un trozo de conductor, lo que requiere el reemplazo de la unidad. Existe otro tipo
de fusible, el automático que no se destruye. Cuando la aparatos
Todos los fusibles enumerados con anterioridad interrumpen el circuito
fundiendo un trozo de conductor, lo que requiere el reemplazo de la unidad.
Existe otro tipo de fusible, el automático que no se destruye. Cuando la
corriente excede el valor nominal de trabajo del mismo, el calor generado
por ésta actúa sobre un recensor mecánico sensible al lor, abriendo el
circuito. Una vez que el problema ha sido corregido, manualmente se activa
una llave interruptora,
Llave interruptora en el sistema. En la práctica, es conveniente el uso de dos
de ellas: una para poder desconectar los paneles FVs del resto del circuito;
la otra para aislar la carga del banco de baterías. La Figura 7.9 muestra la
incorporación de estos interruptores de servicio. El interruptor entre los
paneles y el control de carga fuerza la apertura de este último, evitando un
cortocircuito accidental del banco de baterías.
7.4 VOLTAJE DE TRABAJO
FUSIBLES AUTOMATICOS
LLAVES INTERRUPTORAS
Ø
Ø
- 139 -
El segundo interruptor aísla la carga doméstica del banco de baterías. El
interruptor debe ser seleccionado con una capacidad (voltaje y amperaje de
CC) que permita manejar, con holgura, la potencia máxima de la carga con
la que estará asociado. Si la corriente de carga no excede los 15A, y el
sistema es de 12V, es fácil conseguir un interruptor e un negocio de venta
de repuestos para automotores. Deberá tenerse en cuenta que estos
interruptores de manera que deben
ser ubicados dentro de cajas con protección ambiental. El interruptor de
entrada domiciliaria podrá ser instalado dentro de la de fusibles.
Cuando el interruptor debe manejar corrientes de 20 o s amperes, se
aconseja el uso de interruptores diseñados para evitar la formación de arcos
entre contactos. Los interruptores a cuchilla con mecanismo de disparo
rápido a resorte, o con contactos sumergidos en aceite o en el vacío, son los
indicados. Algunos modelos tienen fusibles de "cartucho" en cada línea de
alimentación. Otros incorporan protección contra rayos, pero este tipo de
protección puede agregarse a posteriori.
Fig. 7.9- Sistema FV Básico con Doble Interruptor de Servicio
Fuentes: (Cortesía de Littelfuse.)
no están diseñados para uso externo,
- 140 -
El medidor de carga de batería está basado en la correlación que existe, en una
batería de Pb-ácido, entre el voltaje de las mismas y el estado de carga. El
indicador funciona como un voltímetro de escala expandida (mayor precisión)
entre un voltaje mínimo (0% de carga) y otro máximo (100% de carga). El
modelo ilustrado en la Figura 9.14 divide esta variación de voltaje en 10 rangos.
Cada uno de ellos representa un 10% de
Fig. 7-10- Medidor de Carga de Batería
Fuente: (Cortesía de SunAmp Power Co.)
variación. Cuando el voltaje de batería alcanza uno de estos valores, un foco LED
se enciende para indicar el rango. Si el voltaje tiene un valor intermedio, dos (2)
de las luces aparecen encendidas con menor intensidad. Existen tres luces
adicionales, una para indicar que se ha alcanzado el voltaje de flotación de carga
(si el control usa este
método de carga), otra para indicar el voltaje de ecualización, el que es siempre
elevado, y una tercera, muy importante, que parpadea en forma continúa cuando
el voltaje de batería es bajo.
MEDIDOR DE CARGA DE BATERIA16
16TEMPOCONTROLADOR CARGA DE BATERÍAS MEDIANTE TECNOLOGÍA PWM.
- 141 -
El mayor abuso que sufre una batería en un sistema FV el exceso de descarga.
Esto puede evitarse usando un interruptor de bajo voltaje, como el ilustrado en la
Figura 7.11
Fig. 7.11 Interruptor de Bajo Volta
Este tipo de interruptor puede manejar corrientes de carga de 30A en un sistema
de 12V o 20A en un sistema de 24V. Tanto el voltaje bajo de batería, como el de
reconexión pueden ser ajustados por el cliente dentro un cierto rango. Debe
recordarse que un bajo voltaje de batería puede, asimismo, afectar otros aparatos
en el sistema, de manera que una protección de este tipo ofrece múltiples
beneficios.
7.5 BAJO VOLTAJE DE BATERIA
- 142 -
Por último mencionaremos el control automático de encendido. La Figura
7.12 muestra una versión de este tipo de componente auxilia
Fig. 7.12- Control Automático de Encendido Modelo SCID
Fuente: (Cortesía de Specialty Concepts, Inc.)
Fig. 7.13 .conexiones de Sensor
Fuente: (Cortesía de Specialty Concepts, Inc.)
Ø CONTROL DE ENCENDIDO
- 143 -
Al anochecer el control activa, automáticamente, el encendido de una o más
luces. Para ello utiliza un sensor luminoso (foto resistor), el que determina
cuando no existe iluminación solar. El modelo del ejemplo tiene una
capacidad máxima de 10A. su conexionado está ilustrado en la Figura
7.13(A).
De necesitarse controlar un consumo mayor, puede utilizarse esta salida
para activar la bobina de un relevador con mayor capacidad de corriente,
como se muestra en la Figura 7.13 (B). Este tipo de co es útil para
activar una luz de seguridad o un cartel de propaganda de carretera que usa
paneles FVs y baterías.
Cuando se utiliza un sistema FV para activar un equipo de bombeo de agua
se utilizan otros componentes auxiliares, como los interruptores que
permiten regular el nivel máximo y mínimo en un tanque cisterna.
Ø CONTROL DE ENCENDIDO
- 144 -
El mejor diseño para un sistema FV es aquel que, incorporando el menor número
de paneles y baterías (si se requieren), satisface las condiciones impuestas por la
carga eléctrica, con un determinado grado de confiabil l sistema.
El grado de confiabilidad, expresado en forma porcentual, es la relación entre el
tiempo durante el cual el sistema FV puede suplir los de la carga y
el tiempo en que ésta debe permanecer activa. Para ser icios críticos, el grado de
confiabilidad es cercano al 100%. La carga en estos servicios permanece activa los
365 días del año, y en algunos sistemas, durante todo día. Ejemplos de servicios
críticos son los servicios médicos (refrigeración de medicamentos), redes de
distribución domiciliarias, sistemas de comunicaciones (repetidores remotos) o de
señalamiento luminoso (boyas marítimas). Los servicios que no son críticos
pueden tener un grado de confiabilidad menor (cerca del 90%).
CONFIABILIDAD Y COSTO
17 ÍÑIGO LÓPEZ AYALA. MADRID pag.138
CAPITULO VIII
8 DETALLAR LOS PASOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICO CON CARGA DE CORRIENTE
CONTINÚA
8.1 CONFIABILIDAD17
Ø
- 145 -
Cuando el grado de confiabilidad aumenta, el costo del sistema se
incrementa. Esta relación no es proporcional. El incremento en el costo es
extremadamente rápido cuando el grado de confiabilidad se incrementa del
95% al 100%. El grado confiabilidad de un sistema FV representa, en cada
instante, un balance entre el consumo y la capacidad de satisfacer ese
consumo. En un sistema FV con régimen de uso nocturno, los días sin sol
introducen un desbalance en la parte generadora, el que debe ser corregido
incrementando la capacidad de reserva, o suplementando la generación con
otras fuentes de energías renovables, como son la eólica o la hidroeléctrica
(sistemas híbridos). En ambos casos, como se señaló con anterioridad, el
costo del sistema se incrementa. Variaciones en la carga afectan, asimismo,
el grado de confiabilidad. Una reducción temporaria del consumo puede
ofrecer una solución de costo nulo para restablecer el balance energético
durante cortos períodos de insolación nula. Por otra parte, la introducción de
cargas no previstas en el diseño original disminuirá e grado de
confiabilidad del sistema, ya que el equilibrio energético se verá afectado
por el aumento del consumo. Es importante recordar que aún los sistemas
convencionales de generación y distribución de electricidad nunca alcanzan
el 100% de confiabilidad (fallas de equipo o tormentas). Otro factor que
afecta negativamente la confiabilidad, en forma imprevisible, es una falla en
su funcionamiento.
A continuación se describen las etapas básicas del proceso de diseño de un sistema
FV. El procedimiento no representa un esquema rígido. Al contrario, como
8.1.1 SECUENCIA DE DISEÑO
- 146 -
veremos al desarrollar el primer ejemplo, varios de los pasos pueden ser
considerados en forma simultánea, o en diferente orden.
La enumeración de los mismos en un cierto orden permite una más clara
presentación de los aspectos que se consideran en el diseño. Esto facilitará la
verificación del mismo o su revisión, cuando se busque una solución más
económica. primer paso en el diseño de un sistema FV consiste en la determinación
de las características y el valor de la carga eléctrica. Este proceso conduce a la
determinación del "caso más desfavorable" para la misma.
ENERGIA A GENERARSE
Si la carga del sistema es sólo de CC, y no se contempla el uso de un banco de
baterías, el valor de la energía a generarse está dado por la suma del consumo más
el de las pérdidas del cableado. Si el sistema requiere un banco de baterías,
deberán sumarse las pérdidas asociadas con el proceso carga y las del control
de carga.
SISTEMAS MIXTOS
Para sistemas FVs con carga mixta (CC y CA), el cálculo energético implica
la determinación, por separado, del valor energético requerido por cada
tipo de carga, ya que las pérdidas asociadas con un sistema de CA son
mayores que las de un sistema con carga de CC
ESTIMACION DE LA CARGA
Cuando la carga permanece conectada sin interrupción, se conoce su
consumo, el cálculo de la energía que ésta ha de consumir se reduce a un
simple proceso de multiplicación. Esta situación se presenta cuando una luz,
de consumo conocido, es activada durante todo el período de utilización del
sistema. Cuando la carga es intermitente, la evaluación de la energía a
Ø
- 147 -
consumirse implica la estimación aproximada de dos variables: la duración
del período promedio activo y el número de éstos durante el tiempo
considerado (noche, día, etc). Esta situación se presenta con la iluminación
ocasional de cuartos en una casa.
COMENTARIOS
La mayor dificultad al querer calcular el consumo energético de las cargas
es el desconocimiento de los dos valores claves: la potencia que éstas
consumen y el tiempo promedio de uso. Para obtener resultados más
realistas es común recurrir al uso de tablas, como se considera los valores
"promedio" para estas dos variables. El cálculo final ser llevado a cabo
usando el valor de potencia proporcionado por el fabricante y ver icando si
el tiempo promedio de uso dado por la tabla refleja los hábitos del usuario
del sistema. El valor del consumo más desfavorable es un valor
estacional, ya que el tiempo de uso varía entre el verano y el invierno. En un
sistema FV para uso doméstico, las horas de iluminación y recreación
(radio, TV) son mayores en invierno, mientras que para un sistema FV de
bombeo de agua el verano es el caso más desfavorable.
Una vez que se ha determinado el valor de la carga (caso más desfavorable), el
siguiente paso es calcular la parte generadora. Este proceso comienza con la
selección del panel FV. Desde un punto estrictamente técnico, los parámetros
eléctricos (voltaje a circuito abierto, potencia de salida, degradación de la misma
con la temperatura, etc) son los más importantes. En la práctica, el costo de la
Ø
8.1.2 SELECCION DEL PANEL FV
- 148 -
unidad, o la selección ofrecida por el mercado local pueden tener más influencia
que los anteriores en el proceso de selección de un panel.
NUMERO DE PANELES18
Una vez hecha la elección, es imprescindible conocer la potencia de salida
del panel elegido a la más alta temperatura de trabajo. El Capítulo 4 muestra
cómo determinar este valor. Como se conocen ahora tant el valor que debe
ser generado como el mínimo proporcionado por el panel, la relación entre
ambos valores dá una indicación del número de paneles en el
sistema. El número exacto de ellos, en algunos diseños, está determinado
por el voltaje de trabajo o la corriente máxima de carga. Estos dos factores
pueden dictar una combinación serie o serie-paralelo de los paneles,
determinando eventualmente el número a usarse.
BANCO DE RESERVA
Si el sistema requiere un banco de reserva, la capacidad de generación
deberá incrementarse, ya que las pérdidas asociadas co el proceso de carga
deben ser compensadas. La capacidad de reserva dependerá de la cantidad
de días consecutivos sin sol y el grado de confiabilidad que se considera
tolerable para el sistema. El número de baterías de Pb-ácido del banco de
reserva estará determinado por el máximo valor elegido para la profundidad
de descarga (PD), así como el tipo de batería de Pb-ácido a usarse (voltaje
nominal y capacidad de reserva de la unidad).
COMENTARIOS
18 ÍÑIGO LÓPEZ AYALA. MADRID pag.268
Ø
Ø
Ø
- 149 -
Los pasos de diseño descriptos hasta el momento nos permiten alcanzar el
balance energético del sistema. La confiabilidad del diseño depende, en gran
proporción, de la veracidad de los datos utilizados (nivel promedio de
insolación, temperatura ambiente, vientos promedios y días consecutivos sin
sol). Si estos valores no le son conocidos, lleve a cabo un primer diseño
usando valores aproximados, y corrija la deficiencia inicial a posteriori,
expandiendo el bloque generador y/o el de reserva. El desarrollado
en este capítulo incluye el rediseño del sistema.
Por último deberán considerarse los detalles de instalación. En la práctica,
como veremos en el ejemplo dado a continuación, éstos tenerse
presentes durante el proceso de diseño. Para comprender esta aparente
anacronía, baste recordar que la selección de los componentes del sistema
está influenciada por la carencia de una adecuada protección ambiental
(detalle de instalación), lo que afecta no sólo la capacidad del componente,
sino su vida útil. Una instalación adecuada contribuye a aumentar el nivel de
confiabilidad y seguridad del sistema, disminuye la posibilidad de una
interrupción del servicio y facilita el servicio de mantenimiento o la
expansión del mismo.
EJEMPLO DE DISEÑO
El ejemplo a desarrollar es el de un sistema FV básico uso doméstico,
el que será rediseñado para mostrar esta fase del proceso. Con posterioridad
se dan, con amplitud de detalle, los comentarios necesarios para extender el
8.1.3 INSTALACION
Ø
- 150 -
procedimiento de diseño a sistemas de mayor consumo. Nuestra carga
tendrá las siguientes características: Régimen: Nocturno; Uso: Diario,
durante todo el año Carga eléctrica:
Luz fluorescente (12V/40W). Uso diario: 4 hrs/día (inv 3 hrs/día
(verano).
Luz incandescente (12V/20W). Uso diario: 20 min/noche (invierno y
verano).
Radio a transistores (12V/10W). Uso diario: 6 horas, durante todo el año.
La carga 1 representa una luz en la zona habitacional la que
permanece encendida durante todo el período de uso. La carga 2 representa
una luz que será activada ocasionalmente en un cuarto dyacente. Los 20
minutos de uso representan la suma de varios períodos activación de
duración variable. El régimen de uso (intermitente), determina el tipo de
fuente luminosa a utilizarse.
Este procedimiento consiste en reducir los valores de consumo de potencia y
las estimaciones de tiempo de uso para cada carga, a un valor energético
dado en watts horas por día (Wh/d).
Tabla: 8.1
Invierno Verano
Carga 1: 40W x 4hr = 160 Wh/d 3hr = 120 Wh/d
Carga 2: 20W x (20/60)hr = 6,7 Wh/d 6,7 Wh/d
Carga 3: 10 W x 6hr = 60 Wh/d 60 Wh/d
Total: 26,7 Wh/d 186,7 Wh/d
8.1.4 ENERGIA REQUERID, POR LA CARGA
- 151 -
El caso más desfavorable es el consumo invernal, pero ificaremos
asimismo el de verano, pues la temperatura de trabajo panel es más alta,
disminuyendo la potencia de salida.
DATOS SOBRE LA LOCACION
Para poder continuar con el diseño necesitamos conocer los datos de
insolación y clima de la locación, los que son enumerados a continuación.
Día solar promedio
Invierno: 5 hrs
Verano: 6 hrs
Los valores de insolación corresponden a la inclinación óptima para la
locación para ambas estaciones. Esta asunción implica se usará un
soporte ajustable, cuya inclinación será variada dos veces por año. Observe
como un detalle de diseño afecta el tipo de componente a usarse.
Locación geográfica: Norte del Ecuador. Para esta locación los paneles
deberán orientarse hacia el sur (hacia el norte si la ión estuviere al sur
del Ecuador). Temperatura máxima promedio de verano: 30°C Temperatura
mínima promedio de invierno: 5°C Record de temperatura máxima diaria de
verano: 40°C Record de temperatura mínima diaria de invierno: -5°C
Vientos
Verano: moderados, con excepción del pico del verano, de son
inexistentes o de muy baja velocidad. Invierno: moderados a alta velocidad.
Número de días consecutivos sin sol: 4 Humedad ambiente promedio
Verano: 25-30%
Invierno: 15- 30%
Ø
- 152 -
Conocemos ahora los valores estaciónales de la carga y de la insolación
promedio. El diseño debe establecer el número de paneles y baterías que
permiten alcanzar el balance energético entre la generación y el consumo,
durante todo el año.
ESTIMANDO LAS PERDIDAS
El valor energético a generarse debe tomar en consideración las pérdidas de
energía anticipadas en el sistema (cableado, control de carga y baterías).
Estas pérdidas deben ser compensadas por el bloque generador.
Comenzaremos con las dos primeras. Para nuestro ejemplo asumiremos que
las pérdidas en el cableado y el control de carga representan un 2% del total
a generarse (eficiencia: 98%)
EFICIENCIA DEL SISTEMA
Las pérdidas debidas al uso de baterías de Pb-ácido dependen de la
temperatura del electrolito (Capítulo 6). Asumiremos que las baterías usarán
una caja con aislamiento térmica, que permanecerá en el interior de la casa,
resguardada durante el verano y el invierno. Esta protección ambiental nos
permite asumir una temperatura cercana a los 25°C para el electrolito. La
capacidad de acumulación será del 100% y la eficiencia del proceso de
carga del 90%. La eficiencia total del sistema tendrá un de 0,882 (0,98
x 0,90). Vemos nuevamente como otro detalle de instalación nos permite
optimizar el diseño.
CONSUMOS ESTACIONALES
La energía que deberá generarse en cada estación se obtiene dividiendo los
valores calculados anteriormente por este valor de eficiencia total. Se
Ø
Ø
Ø
- 153 -
necesitarán, respectivamente: 257Wh/d (227 / 0,882) durante el invierno y
212Wh/d durante el verano (187 / 0,882).
El paso siguiente es calcular la parte generadora. El proceso comienza con
la selección del panel FV. Elegiremos uno con alta potencia de salida, de
manera de reducir el número de ellos al mínimo, con un alto voltaje a
circuito abierto, de manera de tener suficiente voltaje de carga para el banco
de baterías durante los días calurosos del verano. Existen en la actualidad
paneles FVs con potencias de salida de 70, 80 y 100W. fin de reducir el
costo del sistema optaremos por un panel de menor potencia de salida, como
el SOLAREX M-60. Si esta solución resultare inadecuada, podrá
considerarse paneles con mayor potencia de salida. Las especificaciones
eléctricas de este panel son:
Potencia pico de Salida: 60W mínimo.
Voltaje a Circuito Abierto: 21V a 25°C Factor de.
Para calcular el banco de reserva debemos entender el régimen de uso del mismo
durante los a los cuatro días sin sol. El gráfico de la Figura 10.1 nos muestra las
variaciones que sufre la reserva durante esos períodos. períodos que preceden y
suceden
8.1.5 VARIACIONES DEL NIVEL DE RESERVA
- 154 -
NUMERO DE DIAS SIN SOL
Vemos que mientras contamos con días soleados las baterías se recargan a
su nivel máximo. La energía consumida durante la noche es restituida por
los paneles al día siguiente. Al comenzar el período sin sol, que
consideraremos de insolación nula, las baterías no pueden ser cargadas.
Durante cuatro días se repite este régimen. Esto significa que el mínimo
nivel de reserva al retornar los días de sol estará dado por el consumo
energético durante los cuatro días sin sol más uno, ya que la descarga
durante la noche anterior es inevitable.
MAXIMA PD
Siendo el consumo invernal el más alto del año, el banco de reserva deberá
acumular 1.135Whr (5 x 227Wh). Para abaratar costos, permitiremos que
las baterías se descarguen un máximo del 80% durante las cinco noches de
utilización de la reserva.
GRAF.: 8.1- Variac ión de la reserva de un banco de
Ø
Ø
- 155 -
Este alto porcentaje de descarga es posible dado su carácter ocasional. Esta
asunción significa que la reserva mínima del banco de baterías deberá ser de
1.419Wh (1.135/ 0,8).
SELECCION DE LA BATERIA
Ahora que conocemos el valor en Wh de la reserva, el siguiente paso es la
selección más económica para las baterías. En nuestro plo hemos
asumido que éstas permanecerán dentro de una caja completamente aislada.
Esta asunción sólo puede ser satisfecha con el uso de baterías de Pb-ácido
del tipo hermético, ya que la caja aislada no tendrá ventilación alguna. Esta
solución permite su instalación dentro de la casa, sin peligro de accidentes.
¿Qué voltaje es el más conveniente? Para contestar esta pregunta debemos
calcular el número de baterías requeridas por cada tipo. La Tabla de
características dadas
Tabla 8.2- Baterías herméticas (gel) de Pb-ácido
6V 12V
180 110
1.080 1.320
Ø
- 156 -
FACTOR DE CONFIABILIDAD OPTIMO
Las baterías de 6V deberán considerarse como "pares en serie", para poder
satisfacer el voltaje nominal del sistema (2.160Wh/par). Si se elije un factor
de confiabilidad del 100% (5 noches consecutivas sin recarga), el banco de
reserva, independientemente del tipo de batería, requiere dos de ellas para
poder satisfacer los 1.419Wh requeridos. Con dos baterías se excede el nivel
mínimo de almacenaje. Si reducimos el banco de reserva a una batería, la
versión de 12V es la única que puede ser considerada, bido a los
requerimientos para el voltaje. Asumiendo nuevamente una PD del 80%,
tendremos 1.056Wh disponibles para cubrir los 1.419Wh Este
nivel de reserva cubre las necesidades durante 4,65 noches consecutivas
(93% de confiabilidad). Este valor resulta ser satisfactorio en la mayoría de
los casos, y nos ahorra el costo de una batería.
TIEMPO DE RECARGA
¿Cuánto tiempo tomará al banco alcanzar el 100% de su El caso
más desfavorable es el del invierno, dado que el consu es el mayor y el
exceso de generación el menor. Con 43Wh/d de exceso de generación, se
necesitarán 26,4 días consecutivos de sol para reponer la carga usada
(1.135Wh). Durante el verano el exceso de generación es mayor y el
consumo menor, permitiendo una más rápida recuperación (18,3 días
soleados).
REDISEÑO: BANCO DE RESERVA
Ø
Ø
Ø
- 157 -
Existen, teóricamente, dos posibilidades: aumentar la idad de
generación, a fin de acortar el período de recuperación del banco de carga, o
aumentar la reserva, de manera que el segundo período ublado no exceda
el 80% de la PD.
es aumentar el número de baterías, ya que su
costo es mucho menor que el de un panel de generación. La mejor solución
es incrementar la capacidad generación. Al hacerlo, se incrementa la
posibilidad de cargar correctamente el banco de baterías en condiciones no
ideales. Una capacidad de generación de 1,3 a 1,5 veces el valor de la carga
máxima es lo más aconsejable. En nuestro ejemplo, agregaremos una batería
de 12V en paralelo (2.640Wh), para tener el máximo número de Wh en
reserva. Con esta adición las baterías alcanzan el 80% de descarga
(2.112Wh) en 9,3 días (2.112/ 227). Este cambio representa casi una
duplicación del número de días consecutivos sin sol, s PD exceda el
80%. En la práctica puede que el nuevo período sin sol (mayor que 4 días)
no se presente en forma continua, ofreciendo algunos días soleados. Estos
dos factores, junto con la mayor cantidad de reserva, n la
probabilidad de que la PD no exceda el 80%. La cantidad de días de
recuperación depende del consumo durante los días nublados y el exceso de
generación. El sistema con dos baterías (4 días totalmente nublados) toma el
mismo número de días de recuperación que el de una sola batería.
REDISEÑO NUMERO DE PANELES
Si en lugar de una batería se agrega un panel FV en paralelo, el exceso de
generación durante el invierno será de 343Wh/d (300 + lo que reduce el
período de recuperación a 3,3 días consecutivos de sol (1.135 / 343). Dado
La solución más económica
Ø
- 158 -
que la corriente de carga se ha duplicado, se requiere un control de carga
con mayor capacidad de corriente. El calibre del cable de conexión exterior
deberá ser recalculado.
PD PARA DIAS SOLEADOS
Cuando el banco ha sido recargado, los días soleados permiten mantener el
balance energético. La PD diaria, durante el invierno, es del 17.2%
(227/1.320) para el sistema de una batería y la mitad ,6%) para el de dos.
Estos valores permiten una larga vida a la batería.
USANDO OTRAS BATERIAS
Si el mercado local sólo ofrece baterías de Pb-ácido con electrolito líquido,
éstas deberán ser colocadas dentro de un cobertizo con buena aislación
ambiental. La Tabla 10.3 resume las características de dos modelos, uno de
6V, el otro de 12V
Puede observarse que para un grado de confiabilidad del 100% el número de
baterías continúa siendo el mismo (2), independientemente del voltaje
elejido. El uso de una sola batería de 12V (PD del 80%) aumenta el grado
de confiabilidad al 99% (1.123/1.135).
El costo de una batería de electrolito líquido es menor que la del tipo
hermético, sin embargo esta última requiere un lugar térmicamente aislado,
con ventilación al exterior, en lugar de una doble caja con aislamiento. Estos
costos, así como otros factores (seguridad) deben ser s y
comparados al elegir un modelo en particular.
CONTROL DE CARGAØ
- 159 -
La potencia máxima para el panel se alcanza durante el invierno (menor
temperatura de trabajo). Las especificaciones del panel dan un valor pico de
corriente de 3,5A.
CONTROL DE CARGA El control de carga deberá manejar 5A como
mínimo. Para disminuir las pérdidas se usará un control de carga del tipo
serie. Para abaratar el costo, ya que la corriente es menor que 20A,
usaremos un modelo con interruptor a relevador. Para prolongar la vida útil
del componente usaremos el modelo que maneja hasta 8A. Como hemos
asumido un buen control ambiental para las baterías, este control no tendrá
entrada para sensor de temperatura, pudiendo ser montado fuera de la caja.
Esto representa una ventaja, ya que el modelo elegido luces
indicadoras que ayudan a monitorear el sistema.
Continuando con la selección de los componentes del sistema, determinaremos a
continuación el calibre del cable de conexión entre el panel y las baterías.
Anticipamos la presencia de roedores en la zona. Muchos de ellos consideran la
aislamiento de los cables un manjar digno de hincar el diente. Para evitar ese tipo
de ataque, así como la acción de los rayos ultravioletas, usaremos un conducto
metálico flexible de protección
VERIFICACION DEL PORCENTAJE DE PERDIDAS
Usando los pasos ilustrados en el Apéndice I puede verificarse que el valor
asumido para las pérdidas es algo menor que el 2%. De verificarse esta
asunción, se debe optar por un cable de mayor calibre. El mismo apéndice
8.1.6 CABLE DE CONECCION EXTERIOR
Ø
- 160 -
sirve para calcular la máxima temperatura que el cable podrá soportar sin
exceder el 2% de pérdidas (63°C).
Si asumimos que todas las cargas eléctricas están conectadas al mismo tiempo
(caso más desfavorable), la máxima potencia en el sistema alcanza los 70W. Para
un voltaje nominal de 12V, esto representa una corriente máxima de 5,83A. Si
dividimos la carga en dos circuitos, uno con la luz de 40W y el otro con la radio
(10W) y la luz de 20W, de manera de nunca quedarse sin iluminación, la máxima
potencia por circuito es de 40W, o 3,33A. Debe recordarse que las pérdidas por
calor dependen del cuadrado del valor de la corriente. Dividiendo los circuitos
podrá usarse un cable de menor diámetro, el que resulta ser no sólo más
económico, pero más fácil de instalar. Un cable de calibre AWG 10 resultará
suficiente para distancias de hasta 10 metros, pérdidas del 2% y corrientes de hasta
3,5A. Como este cable es para uso interior, el tipo ROMEX (nMc) resulta
adecuado.
La carga de este sistema no tiene ningún motor y por lo tanto no existen
transitorios de corriente. El fusible cilíndrico de acción rápida es el más adecuado.
El valor Standard de corriente a elegirse deberá ser igual o algo superior al
19 CAAMAÑO-MARTIN, E. pag. 167
8.1.7 CABLE DE CONECCION INTERIOR
8.1.8 FUSIBLES DE ENTRADA19
- 161 -
nominal del circuito que protege. Otra alternativa es el uso de fusibles para
automotor.
INTERRUPTORES Y TOMA-CORRIENTES
Los interruptores para las luces son, a veces, incluidos con las luces
fluorescentes. Si éste no es el caso, los interruptores para automotores son
los más adecuados. Los tomacorrientes para CA, con capacidad para 10A,
pueden soportar un más bajo nivel de CC, como se vio en el Capitulo VII.
FUSIBLE DE BATERIA
Para completar el diseño deberá agregarse un fusible de batería con
capacidad para 100A y un interruptor en el circuito de entrada. El costo de
este último es bajo en esta aplicación con bajo consumo y, como hemos
visto, no sólo facilita el servicio, modificación o ampliación posterior del
sistema, pero evita un cortocircuito accidental a la salida de la batería
mientras se trabaja con el circuito hogareño.
DEFINICIONES Un sistema FV mixto es aquel que tiene cargas de CC y CA. Un
sistema FV híbrido es aquel que utiliza otras fuentes energía (renovables o no)
para complementar la acción generadora de los paneles FVs. Como vemos, el tipo
de carga a usarse define al primer sistema, mientras que la composición del
bloque de generación define al segundo. En este capítulo presentaremos los dos
tipos, comenzando con el análisis de un sistema mixto.
¿POR QUÉ UNA CARGA DE CA?
Ø
Ø
8.2 DETALLAR LOS PASOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICA CON CARGA DE CORRIENTE ALTERNA
- 162 -
La introducción de cargas de CA en un sistema FV para doméstico está
dictada, en general, por la inexistencia de un modelo o para CC del
aparato requerido
por el usuario. Como los modelos ofrecidos son usados, en su mayoría, en
vehículos de recreación, el voltaje de trabajo típico de 12V. Si el voltaje
nominal del sistema es mayor que 12V, muchos de ellos podrán ser usados o se
necesitará una línea separada de 12V.
Otro factor que determina el uso de aparatos domésticos para CA es la inexistencia
de versiones de CC de bajo voltaje de aparatos domésticos que han alcanzado un
alto grado de aceptación por parte del consumidor.
Este grupo comprende las lavadoras y secadoras de ropa, las máquinas de coser y
las aspiradoras de pisos, para mencionar algunos de los más comunes. El bombeo
de agua en pozos profundos requiere el uso de largos cables de alimentación. Para
abaratar el costo y peso de los mismos es conveniente usar un motor de bombeo de
alto voltaje, como lo es el de CA.
INVERSOR Para poder operar una carga de CA en un de CC, se
necesita transformar a este último voltaje en otro de Esta transformación es
llevada a cabo por el inversor.
En los sistemas eléctricos de CA basados en la tecnología de los EEUU, el voltaje
efectivo (Apéndice I) oscila entre los 117 y los 120 V (valor regulado por cada
estado).
8.2.1 VOLTAJES Y FRECUENCIAS
- 163 -
La frecuencia de línea es de 60 c/s. En los sistemas de CA con tecnología europea
el voltaje efectivo es de 220 V y la frecuencia de línea es de 50 c/s. Varios
fabricantes en los EEUU ofrecen este último tipo de inversor.
La conversión de CC a CA se lleva a cabo con una eficiencia que oscila
entre el 75 y el 91 %. Esto significa que las pérdidas varían entre el 25 y el
9% de la potencia suministrada a la entrada. Los valores porcentuales más
elevados corresponden a los modelos que manejan un bajo valor de
potencia. Esto se debe a que el consumo del circuito del inversor no crece
proporcionalmente con el aumento de la potencia que éste puede manejar.
Porcentualmente, estas pérdidas representan un menor valor cuando la
potencia que maneja el inversor se eleva. Modelos de 100 a 200 W pierden
entre 20 y 25 %. Modelos de más de 400 W pierden entre el 9 y el %.
Dentro del rango de trabajo especificado para la unidad, el porcentaje de
pérdida varía con la carga. Observe este detalle al estudiar las
especificaciones de la unidad elegida.
PERDIDAS EN REPOSO En los inversores de baja potencia el consumo
del circuito interno no varía aún cuando permanecen inactivos (stand by, en
inglés). Los modelos de alta potencia tienen circuitos más elaborados, los
que reducen el consumo de reposo a menos del 1,5% de la máxima potencia
que pueden manejar. Esto permite reducir las pérdidas el sistema sin que
el usuario se vea obligado a desconectar manualmente la entrada del
inversor.
8.2.2 PERDIDAS
PERDIDAS INTERNASØ
Ø
- 164 -
Para un mismo valor de wh/día a entregarse a la carga, el uso de un inversor
incrementa las pérdidas del sistema, forzando un aumento en el bloque generador,
lo que incrementa el costo del mismo. De ser posible, preferible tener sólo
cargas de CC. La introducción de una "pequeña" carga de CA trae aparejado el
uso de un inversor de baja potencia, el que, porcentualmente, tiene las pérdidas
más elevadas.
FORMA DE ONDA DEL VOLTAJE DE SALIDA
Graf.. 8.2 Forma de Onda de Salida de un Inversor
La forma de onda ideal para un voltaje de CA es la sinusoidal (Apéndice I). Los
primeros inversores proporcionaban un voltaje de salida con forma de onda
cuadrada. Con posterioridad aparecieron en el mercado odelos con una forma de
onda de salida que representa una aproximación de la sinusoidal, la que recibe el
nombre de "casi
8.2.3 CARGAS DE CA Y COSTO DEL SISTEMA
- 165 -
voltaje de salida es equipos de audio, rayas negras en
las pantallas de televisores y monitores de video o recalentamiento excesivo en
herramientas eléctricas portátiles. En los EEUU la leg lación permite el
conexionado de un sistema FV de CA a una red de distribución de una generadora,
si cumple con requisitos mínimos. Uno de ellos es que forma de onda sea
sinusoidal. Todos estos factores contribuyeron a que, los últimos años, se
ofrecieran a la venta modelos con voltaje de salida sinusoidal, los que son
ofrecidos dentro de un amplio rango de potencias de tr rcuitos de estos
inversores son más elaborados, lo que se traduce en un ligero aumento de las
pérdidas (5%) y del costo. El grado de "pureza" de la da sinusoidal está dado
por el porcentaje de distorsión armónica de la forma de onda de salida Cuando la
carga de CA tiene motores que giran en sincronía con la frecuencia de línea, o el
sistema FV es conectado a una red de distribución comercial, es importante que el
valor nominal de la frecuencia de línea se mantenga constante. Los inversores con
voltaje de salida sinusoidal, dependiendo del modelo, tienen un error de frecuencia
que oscila entre el 0,1 y el 0,04% del valor nominal de línea, como máximo.
ERROR DE FRECUENCIA
8.2.4 DIAGRAMA EN BLOQUES
- 166 -
Nuestro circuito FV básico se transforma ahora en el de la Figura 9.2.
Fig. 8.1 Diagrama en Bloques de un Sistema FV Mixto
Puede observarse que las secciones identificadas en el sistema básico siguen
presentes en el sistema mixto. El bloque de carga tiene ahora dos ramas
independientes, una de CC y otra de CA. Esta última incorpora el inversor y los
componentes que permiten el control y distribución de energía eléctrica de CA,
los que difieren de los usados en el circuito de CC. Puede apreciarse, asimismo, el
agregado de una toma de tierra conectada a la caja de de CA. Este es un
requerimiento de seguridad.
La potencia de trabajo de un inversor está especificada para un determinado
rango de temperatura ambiente, como se indica en las especificaciones. Esta
capacidad disminuye al aumentar la temperatura ambiente, ya que el equipo no
alcanza a transferir al exterior todo el calor generado internamente.
SOBRECARGAS Otra característica técnica importante que deberá tenerse
presente al seleccionar un inversor es su capacidad para soportar transitorios
de línea. Aparatos como la lavadora de ropa, la aspiradora de pié y la
licuadora generan fuertes transitorios de línea cuando se acopla la carga
mecánica (ropa, fricción del cepillo contra el piso o alfombra, o material
sólido a licuar). La lavadora, en particular, tiene varias transitorias durante
el ciclo de lavado. La licuadora suele usarse para moler hielo. Esta carga
mecánica es considerable, provocando transitorios elevados. Inversores que
20 Energia fotovoltaico de LORENZO, E. y ZILLES pag. 121
8.2.5 POTENCIA Y TEMPERATURA AMBIENTE 20
Ø
- 167 -
manejan más de 500W pueden sostener una sobrecarga del 100% como
mínimo.
La duración máxima del transitorio varía entre un décimo de segundo y
cerca de un minuto. Los modelos que toleran una mayor del
transitorio usan transformadores con núcleo de hierro, que incrementa el
peso de estas unidades. Los que toleran tiempos más cortos (entre 0,1 y 1
segundo) trabajan a frecuencias elevadas, permitiendo uso de
transformadores con núcleo magnético cerámico, reduciéndose
drásticamente su peso.
COMPONENTES PARA CA Como lo hicimos al tratar los sistemas
FVs de CC, antes de proceder con el diseño de un sistema mixto debemos
discutir el criterio usado en el proceso de selección los nuevos
componentes de CA. Comenzaremos con el inversor.
En un sistema FV de 12VCC, el voltaje de salida del inversor (120V) es 10 veces
el DE ENTRADA de entrada. Si asumimos, por un momento, que no hay pérdidas
de conversión, la corriente de entrada alcanzará un valor 10 veces mayor que la de
salida ( Ventr x Ientr = Vsal x Isal ). En la práctica, debido al consumo del circuito
del inversor, la potencia de entrada es siempre mayor la entregada a la carga,
demandando un mayor valor para la corriente de entrada del inversor. Este análisis
se ha hecho para mostrar que para consumos de CA relativamente bajos, la
corriente de entrada del inversor puede alcanzar valores considerables. Si el estado
de carga del banco de baterías es bajo su voltaje disminuye, forzando corrientes de
entrada aún más elevadas. Por eso es común que los inversores tengan circuitos de
Ø
8.2.6 AL INVERSOR CORRIENTE
- 168 -
protección que, automáticamente, desconectan la carga el voltaje de
batería está por debajo del mínimo requerido por la unidad. Otra desconexión
automática ocurre cuando la temperatura de trabajo del inversor excede el límite
del diseño.
EL INVERSOR: Las altas corrientes de entrada al inversor requieren cables de
alimentación de considerable diámetro. Los conectores de entrada deberán el
tamaño y rigidez requerido para permitir un anclaje seguro y de baja
resistividad. Unidades que manejan altas potencias y fuertes transitorios de línea
tienen un peso considerable. Verifique que el diseño mecánico de la unidad ofrece
un anclaje efectivo.
PARAMETROS MECANICOS Existen numerosas opciones que
deberán ser evaluadas para cada sistema y presupuesto. La incorporación de
instrumental de medida, la conversión del inversor en cargador de baterías
cuando se conecta un generador externo, o la posibilidad de cambiar,
automáticamente, la fuente generadora que lo alimenta, son algunas de las más
comunes. La última opción enumerada es importante en sistemas híbridos.
La caja de entrada de CA suele tener un interruptor
bipolar de entrada. Si no lo tuviere,
se necesitará agregar una caja adicional para el mismo, que corte los dos polos
(vivo y neutral). Los fusibles para CA son los automáticos los
que se conectan, a presión, entre dos filas de contactos. Estos están agrupados en
dos secciones, una por cada fase del sistema de distribución domiciliario
comercial (Apéndice I). Hacia un costado, o cerca de la parte inferior de la caja,
existe una barra de cobre con tornillos donde se conectan las conexiones a tierra
(configuración típica en los EEUU). Si el sistema de CA sólo tiene un inversor, las
OPCIONES
CAJA DE ENTRADA
(circuit breakers),
- 169 -
dos filas de conectores que corresponden al "vivo" son conectadas entre sí. Si se
agrega otro inversor, cada hilera de "vivos" puede ser conectada a la salida de uno
de los inversores, los que comparten el común. El cable de tierra no tiene
aislamiento y debido a su calibre, suele ser multi-alambre. Estas cajas de conexión
son para uso interno, a no ser que el fabricante especifique lo contrario, y deberán
ser instaladas en el interior de la casa. La Figura 9.3 ilustra, en forma esquemática,
la estructura descripta. El código de colores es el usado en los EEUU.
CARGAS DE CA serán: una lavadora de ropa, una máquina coser y una
aspiradora de pié. En nuestro ejemplo usaremos los valores promedios dados en la
Tabla 9.1. Para ahorrar energía asumiremos que la ropa será secada al sol.
A.- CARGAS SIMULTANEAS
Antes de proseguir con el cálculo del sistema se hace recordar que el
consumo máximo para un sistema FV está determinado por el usuario del sistema.
En el ejemplo dado en el capítulo anterior asumimos que todas las cargas están
conectadas al mismo tiempo. Un análisis más detallado que esta asunción
es correcta para las dos luces, pero no necesariamente para la radio, cuyo uso no
es esencial. Durante períodos de baja insolación este umo puede reducirse
disminuyendo el volumen de audio o el número de horas uso, o anularse
temporalmente mediante el uso de pilas secas. Otra característica del diseño
mencionado es que la carga no fluctúa diariamente.
B.-CARGAS ESCALONADAS
Cuando se diseña un sistema mixto la capacidad del inversor está determinada por
el consumo "pico" de potencia. El escalonamiento del consumo diario permite la
8.2.7 TIPO DE CARGAS
- 170 -
reducción de este valor, lo que a veces puede traducirse en un inversor de menor
costo. Este objetivo puede verse limitado por la variedad de modelos ofrecidas en
el mercado en relación con el valor de potencia de trabajo requerida por el diseño.
C.-REGIMEN DIARIO VARIABLE
En nuestro ejemplo la carga de CA varía diariamente. S asumimos que dos días
por semana se dedican al lavado y otros dos al uso de la aspiradora, podremos
escalonar el consumo semanal. Otra asunción lógica es l uso de la máquina de
coser y la de lavar en forma simultánea, ya que este último proceso es automático.
Los consumos dados por la Tabla 8.1 son: 520W para la lavadora de ropa, 600W
para la aspiradora de pisos y 100W para la máquina de El régimen de uso
adoptado nos permite reducir el valor pico de potencia de 1.220W (uso
simultáneo) a sólo 620W. POTENCIA DE TRABAJO Agregando un 25% a este
valor (Apéndice I), se determina el valor de la potencia de trabajo que deberá
manejar el inversor. Este valor resulta ser de 775W (1.525W de usarse las cargas
en forma simultánea). La potencia de trabajo (régimen de los modelos
ofrecidos en el mercado nos forzamos a elegir una unidad de 1,1KW como
mínimo. NOTAS DE DISEÑO Si el usuario desea incorporar el secador de ropa a
gas, no se necesita cambiar el inversor elegido si se lona su uso el día de
lavado. Si se suprime el uso de la máquina de coser, los 600W de la aspiradora
obligan a seleccionar el mismo modelo de inversor. Estas observaciones están
hechas para mostrar las limitaciones impuestas por los modelos ofrecidos en el
mercado y la importancia de no tener cargas simultáneas conectadas al inversor, y
no deben ser interpretadas como una invitación a la incorporación de más cargas
de CA.
- 171 -
Pasaremos ahora a calcular el número de Wh/d que requiere la carga de CA.
Comenzaremos calculando el requerimiento semanal. La Tabla 9.1 proporciona
los tiempos de uso promedio en h/mes. Las 8h/m para el lavado, 3h/m para la
máquina de coser y 5h/m para la aspiradora representan 2h/sem, 3/4h/sem y
2,5h/sem, respectivamente. El consumo total, por semana, será de:
CONSUMOS PROMEDIO Como en el caso de las cargas de CC, es conveniente
tener una idea del consumo de diferentes aparatos eléctricos de CA, a fin de
estimar los requerimientos de un sistema mixto. La Tabla 8.4 proporciona los
valores promedio de consumo y tiempos de uso para varios aparatos domésticos
de CA. Como se mencionó en el capítulo anterior, el va del consumo en watts
que deberá usarse en el cálculo final es el proveído por el fabricante.
Tabla 8.4
Aspiradora de pié 600 10
Batidora 125 6
Lavadora automática 520 8
Secadora de Ropa (a gas) 250 20
8.2.8 CONSUMO DE ENERGIA (CARGAS DE CA)
CONSUM OS PROM EDIOS
Tipo de Aparato Consumo Uso
Eléctrico Promedio Promedio1
W hrs/mes2
- 172 -
Máquina de coser 100 3
Reloj 10 Uso continuo
Secador de cabello 1.000 2 a 3
Tostador de pan 1.150 4
Plancha 1.100 12
Horno de Microondas 900 a 1.200 60
BLOQUE GENERADOR
Para el cálculo de las pérdidas asumiremos el uso de un inversor Trace Modelo
DR1512, con forma de onda de salida casi sinusoidal, e que puede manejar
1.500W en forma continua, a 25°C. Las curvas de eficiencia dadas por el
fabricante para un consumo de 620W (máx. diario) es del 90% (10% de pérdidas).
El 10% de pérdida (62W) representan RESTO DEL SISTEMA 326Wh/sem (62 x
5,25), o 47Wh/d. Si adicionamos este valor a los 374Wh/d requeridos por la carga
de CA, el requerimiento total para las mismas será de 421Wh/d. El consumo
diario de energía para el sistema alcanza los 1.545Wh/d (421Wh/dCA
+1.124Wh/dCC). A partir de este paso el procedimiento cálculo sigue los
pasos del ejemplo dado en el capítulo anterior. Como revisión, calcularemos, sin
dar excesivos detalles, los bloques principales.
BANCO DE RESERVA
Un razonamiento similar debe ser hecho con las cargas a fin de determinar
la menor cantidad de energía a acumularse. El resto del diseño es el mismo que en
el capítulo anterior. En nuestro ejemplo el valor energético de las cargas de CA
equivale al 27% del total requerido por el sistema. Si en un sistema mixto este por
ciento sobre pasa el 50% del total, deberá considerarse la posibilidad de un
- 173 -
sistema FV donde todas las cargas son de CA. La comparación de los costos de
los dos sistemas determinará la solución más económica. NOTAS DE DISEÑO
Si se adopta un diseño donde todas las cargas son de CA, los mejores resultados
se obtienen emplazando el cobertizo que aloja el banco de baterías tan cerca como
fuere posible de los paneles FVs, ubicando dentro del mismo el control de carga y
el inversor. Esto reducirá la longitud de los cables que interconectan los paneles,
el control de carga, el banco de baterías y la entrada al inversor. Las pérdidas del
sistema asociadas con el cableado y el control de carga pueden ser estimadas en
un 2%. Como el voltaje de salida del sistema tiene un mucho más elevado
(120V), puede usarse cables de alimentación de menor diámetro entre la salida del
inversor y la casa, sin elevar las pérdidas de potencia. La varilla de tierra a la
entrada de la casa debe tener la misma ubicación que la del sistema mixto, a fin de
eliminar la resistencia óhmica entre el punto de tierra y el contacto de tierra en la
caja de distribución. Otro detalle a tener en cuenta cuando el consumo de CA se
incrementa es el de elevar el voltaje de entrada del inversor, a fin de reducir el
valor correspondiente de la corriente.
A continuación se transcriben las especificaciones técnicas más relevantes para
varios inversores ofrecidos en el mercado. Una información detallada de
estos u otros modelos puede ser obtenida del fabricante.
INVERSORES MODELOS 812 y 724 8121
(Cortesía de Trace Engineering)
POTENCIA MAX. (Rég. Permanente)2: TRANSITORIO2:
TIEMPO MAXIMO CON CARGA DE 700W2:
8.2.9 DATOS TECNICOS
- 174 -
EFICIENCIA:
FORMA DE ONDA DE SALIDA:
FRECUENCIA: 60Hz/s
VARIACION DE FRECUENCIA: +/- 0,04% 22mA 25mA
CORRIENTE DE REPOSO: 12V 24V 10,8-15,8V 21,6-30,7V
VOLTAJE NOMINAL DE ENTRADA: 120 o 220VAC
RANGO DEL VOLTAJE DE ENTRADA: 2Wmin.
VOLTAJE DE SALIDA:
CONSUMO MINIMO 30 minutos
DISCONECTADOS AUTOMATICOS: Bajo/alto
PESO: temperatura de trabajo. 7,7Kg
DIMENSIONES: NUMERO DE 14,6 x 26,7 x 20,3 cm
OPCIONES: Cuatro opciones diferentes
para varios aparatos domésticos de CA. Como se mencionó en el capítulo anterior,
el valor del consumo en watts que deberá usarse en el lculo final es el proveído
por el fabricante.
Graf. 8.3 del Inversor
- 175 -
Tabla 8.5
Aspiradora de pié 600 10
Batidora 125 6
Lavadora automática 520 8
Secadora de Ropa (a gas) 250 20
Máquina de coser 100 3
Reloj 10 Uso continuo
Secador de cabello 1.000 2 a 3
Tostador de pan 1.150 4
Plancha 1.100 12
Horno de Microondas 900 a 1.200 60
BLOQUE GENERADOR El consumo diario de energía para el sistema alcanza
los 1.545Wh/d (421Wh/dCA +1.124Wh/dCC) partir de este paso el procedimiento
de cálculo sigue los pasos del ejemplo dado en el capítulo anterior. Como revisión,
calcularemos, sin dar excesivos detalles, los bloques principales. BANCO DE
RESERVA Un razonamiento similar debe ser hecho con las cargas de CC, a fin de
determinar la menor cantidad de energía a acumularse. l resto del diseño es el
mismo que en el capítulo anterior.
CONSUM OS PROM EDIOS
Tipo de Aparato Consumo Uso
Eléctrico Promedio Promedio1
W hrs/mes2
- 176 -
el valor energético de las cargas de CA equivale al 27% del total requerido por el
sistema. Si en un sistema mixto este por ciento sobre el 50% del total, deberá
considerarse la posibilidad de un sistema FV donde todas las cargas son de CA. La
comparación de los costos de los dos sistemas determinará la solución más
económica. NOTAS DE DISEÑO Si se adopta un diseño donde todas las cargas son
de CA, los mejores resultados se obtienen emplazando el cobertizo que aloja el
banco de baterías tan cerca Para el cálculo de las pérdidas asumiremos el uso de un
inversor Trace Modelo DR1512, con forma de onda de salida casi sinusoidal, el que
puede manejar 1.500W en forma como fuere posible de los paneles FVs, ubicando
dentro del mismo el control de carga y el inversor. Esto reducirá la longitud de los
cables que interconectan los paneles, el control de carga, el banco de baterías y la
entrada al inversor. Las pérdidas del sistema asociadas con el cableado y el control
de carga pueden ser estimadas en un 2%. Como el voltaje de salida del sistema tiene
un voltaje mucho más elevado (120V), puede usarse cables de alimentación de
menor diámetro entre la salida del inversor y la casa, sin elevar las pérdidas de
potencia. La varilla de tierra a la entrada de la casa debe tener la misma ubicación
que la del sistema mixto, a fin de eliminar la resistencia óhmica entre el punto de
tierra y el contacto de tierra en la caja de distribución. Otro detalle a tener en cuenta
cuando el consumo de CA se incrementa es el de elevar l voltaje de entrada del
inversor, a fin de reducir el valor correspondiente de la corr Los modelos para
50c/s llevan la letras "E" (230VAC) o "J" (105VAC). La serie tiene otros modelos
con mayores potencias de trabajo y otros voltajes de entrada.
- 177 -
A 25°C y con carga resistiva.
los fabrica realizan varios modelos con salida de onda sinusoidal (Serie SW).
Es el consumo mínimo que se necesita para activar la unidad. Eficiencia Salida del
Inverso
Exeltech fabrica modelos con potencias de trabajo entre 125 y 1.100W dentro de
esta serie, con tres rangos de frecuencia nominal (50/ y 400Hz/c) y voltajes de
entrada desde 12 a 108VCC.
La especificación no indica las condiciones de medida.
fig. 8.3 de eficiencia
- 178 -
SUBSTITUCION DE GENERADORES
Fig . 8.2 INVERSORES MODELOS XP 1100
Fuente: Alchemy Au1100
A partir de este valor de la potencia de trabajo disminuye hasta que suena una
alarma cuando la temperatura interna alcanza los 100°C (5°C por debajo del
máximo tolerable). Comunes entre ellas, para evitar que la energía generada por
una sea absorbida por otra.
La razón más común para la
introducción de un sistema híbrido es la posibilidad de generar energía
eléctrica cuando el nivel de insolación es bajo, aprovechando la presencia de
vientos fuertes o la existencia de una caída de agua. otras circunstancias la
única solución es el uso de un generador externo a motor. Se presenta, asimismo,
la situación opuesta. Esto ocurre en locaciones donde el servicio eléctrico
domiciliario permanece activo sólo durante parte de la noche, pero la radiación
- 179 -
Control de Carga
Interruptor de Entrada
Generador Eólico
CONMUTACION
AUTOM ATIC A
FUENTES EN PARALELO
solar diurna es alta. En este caso un sistema híbrido nde las dos fuentes son el
servicio eléctrico domiciliario y el FV (con banco de baterías conectado a un
inversor) permitirá extenderlas horas de servicio diarias. La Figura 9.4 muestra el
diagrama en bloques de un sistema de este tipo.
La llave conmutadora está activada por el relevador (R), el
que está permanentemente conectado a la fuente externa. Cuando ésta
es activada, el conmutador conecta la carga a la misma. Durante las horas en que
permanece inactiva el relevador vuelve a su posición de reposo, reconectando la
salida del inversor al circuito de entrada de la casa.
Es común que este tipo de conmutador esté integrado dentro de la caja del 9.4 es el
que se utiliza cuando se conecta un generador de CA exterior, el que pasa a
sustituir la red domiciliaria de distribución del ejemplo anterior.
La Figura 9.5 muestra un sistema híbrido con las
dos fuentes generadoras en paralelo (generador eólico y FV). En este ejemplo se
Fig. 8.4 Sistema Híbrido en Paralelo
- 180 -
asume que no hay cargas de CA, y que el voltaje nominal de los dos generadores
es el mismo. ACCION DE Los diodos D1 y D2 proveen el bloqueo eléctr entre
los dos generadores. Durante BLOQUEO la noche los paneles no tienen voltaje
de salida, pero el generador eólido puede estar activo. El diodo D1 tendrá entonces
una polaridad opuesta a la de conducción, bloqueando el paso a través de los
paneles. Durante el día, cuando el voltaje de salida del generador eólico supera el
de los paneles (más la caída en el diodo), éste contribuirá una corriente adicional
al circuito de carga. Si el viento disminuye o cesa, el diodo D2 tiene la polaridad
revertida, impidiendo la conducción en el circuito del generador eólico
- 181 -
CAPITULO IX
9 RENTABILIDAD ECONÓMICA DE LAS
INSTALACIONES
CONSIDERACIONES GENERALES
La demanda social a favor de la energía fotovoltaica se ha traducido en el
establecimiento de normativas y ayudas que priman el vertido a la red de toda la
electricidad generada con sistemas fotovoltaicos, y que subvencionan a la
inversión en este tipo de instalaciones.
En las instalaciones conectadas a red, se reciben retornos económicos por el
esfuerzo financiero realizado en la inversión, al vender a la compañía
distribuidora los Kwh. producidos al precio del mercado más una prima, por ser
un Kwh. de generación solar fotovoltaica.
El análisis económico en estos casos se puede realizar con los métodos de análisis
de inversiones, siendo uno de las más utilizados, y el que se empleará en este
capítulo, el de los años de recuperación de la inversión realizada.
Se considera que un titular de una instalación fotovoltaica querrá recuperar su
inversión en diez años o menos, ya que periodos de recuperación superiores, son
disuasorios incluso para las personas con alta conciencia medioambiental.
En las instalaciones aisladas, al no poder vender el kWh a terceros, sino que la
electricidad limpia generada es para consumo propio, no existe la posibilidad de
un flujo de caja a lo largo de la vida de la instalación. Los retornos no son
directamente económicos sino que provienen de la satisfacción y utilidad de con-
- 182 -
9.1 INSTALACIONES AISLADAS21
Energia fotovoltaico de José María Fernández Salgado. AÑO 2011 pag. 67
sumir la electricidad generada. El cálculo económico que se realiza es,
simplemente el del coste del Kwh. solar producido.
En instalaciones aisladas, para evaluar la opción fotovoltaica frente a otras
opciones se deberá calcular los costes del kWh de todas ellas, teniendo especial
cuidado de incorporar todos los conceptos.
Por ejemplo, si se compara el coste del kWh fotovoltaico con el de red, como se
hace en este capítulo, habría que añadir en este caso, los costes iniciales de llevar
la red al lugar de consumo.
Los sistemas fotovoltaicos son soluciones ideales para instalaciones aisladas. Esta
alternativa evita el tendido de la línea eléctrica que una el punto de consumo con
el de transformación de la red de distribución. Con ello se obvia el impacto
ambiental de dicha línea y su coste de inversión, que puede estimar en 6.000
Euros por Km.
La instalación incluye los paneles fotovoltaicos, la batería de acumuladores que
almacene la electricidad excedente en horas diurnas para disponer de ella en horas
nocturnas y el inversor de corriente si los consumos son en corriente alterna. A
mayor demanda en los periodos sin sol se precisa mayor capacidad de
almacenamiento.
El análisis económico genérico de una instalación aislada, se calcula tomando
como modelo un módulo de 1.000 Wp, totalmente instalado. Los parámetros
técnico económicos para esta potencia son los siguientes:
21
- 183 -
Inversión inicial 14.000 Euros
Vida útil de la instalación 40 años
Para que la vida de la instalación se pueda considerar de 40 años, se debe tener en
cuenta que la batería deberá cambiarse cada cierto número de años, no así los
paneles fotovoltaicos u otros elementos de la instalación, los cuales en
condiciones normales, con un mantenimiento sencillo, funcionarán durante ese
periodo de tiempo.
Para un sistema fotovoltaico bien dimensionado cuyo diseño incluye una batería
de uso fotovoltaico, se puede considerar:
Cambio de la batería cada 10 años
Las horas útiles a potencia nominal, las horas denominadas pico, dependerán
principalmente de la insolación del lugar y de la vigi que tenga la ins-
talación. Instalaciones en zonas poco soleadas en España y que por sus cir-
cunstancias se pueda tardar días en detectar una avería, pueden estar en valores de
1.200 horas útiles, mientras que instalaciones con circunstancias totalmente
favorables podrían gozar de un mayor número de horas útiles. Se hacen los
cálculos a efectos informativos del efecto que tiene la insolación, con 1.200 y
1.500 horas.
En las gráficas que siguen, se ha considerado que los os se devuelven en 7
años, por un lado con un 6% de interés y por otro lado sin interés, que la tasa de
descuento para actualizar los costes es del 4%, y que el titular es un particular y
no puede repercutir el IVA, por lo que éste impuesto entra en la parte que debe
financiarse, ya que el IVA no es nunca subvencionable.
•
- 184 -
Para el caso que la parte no subvencionada se cubra con fondos propios, la gráfica
del coste del Kwh. coincide con la correspondiente a cubrirla con préstamos con
Graf. 9.1 costos del Kwh. según la subvención del préstamo
Fuente: energía solar Fotovoltaico de la comunidad de Madrid
Graf. 9.2 costos del Kwh. según el interés del préstamo
Fuente: energía solar Fotovoltaico de la comunidad de drid
- 185 -
9.2 INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED ELÉCTRICA
9.3 INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED.
interés cero. Se incluye en las gráficas, a efectos comparativos, el coste total del
Kwh. si se tuviera acceso a la red eléctrica de Baja Tensión.
Las primas aplicables a la electricidad generada por los sistemas fotovoltaicos
varían según la potencia de las instalaciones:
Las instalaciones de menos de 5 kwp de potencia reciben una prima de 0,360607
Euros/Kwh. sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el
precio medio del Kwh. del mercado, se puede vender la electricidad vertida a la
red a 0,396668 Euros/kWh.
Las instalaciones de más de 5 kwp de potencia reciben una prima de 0,180304
Euros/Kwh. sobre el valor de subasta de la electricidad en la red. Sumándole el
precio medio de la energía determinado por el mercado, el precio de venta de la
electricidad vertida a la red es de 0,216364 Euros/kWh.
La prima la pagan en último término todos los consumidores de electricidad en
España, que pagan un porcentaje infinitesimal de su facturación eléctrica para este
propósito. Para el cálculo de la prima, se considera como potencia de la
instalación fotovoltaica o potencia nominal, la suma de las potencias de los
onduladotes instalados.
Así mismo para fomentar estas aplicaciones las Administraciones Públicas
establecen ayudas a fondo perdido a la inversión inicial.
Con potencia inferior a 5 kWp
- 186 -
Normalmente, estas instalaciones aprovechan las estructuras de las viviendas y
edificios, colocando sobre ellos paneles fotovoltaicos, que vierten a la red toda la
electricidad producida.
El cálculo de la superficie de paneles a instalar puede seguir dos criterios dis-
tintos:
Instalaciones a medida, ocupando la máxima estructura isponible, siempre que
reúnan las adecuadas condiciones técnicas y de orientación.
Instalaciones estándar, propuestas por los diferentes a fin de
minimizar el precio específico de la instalación.
Para la segunda alternativa, que es la más común, se plantea el análisis económico
siguiente:
Para una instalación de una potencia instalada total de 3 kWp,
Inversión inicial 22.500 Euros
Producción anual de electricidad 3.600 Kwh.
(con insolación equivalente de 1.200 horas pico y 4.500 Kwh. con 1.500 horas
pico)
- 187 -
Graf. 9.3 Años de retorno de la inversión
Fuente: energía solar Fotovoltaico de la comunidad de drid
Estas instalaciones, al igual que las instalaciones aisladas, se pueden acoger a
programas de ayuda a la inversión que gestionan el Instituto para la Diversi-
ficación y Ahorro de la Energía (IDAE) y la Dirección de Industria
Energía y Minas de la Consejería de Economía e Innovación Tecnológica de la
Comunidad de Madrid. Ambos organismos estudian las solicitudes y las
características de los proyectos, decidiendo la financiación y subvenciones
aplicables en cada caso.
Para el análisis económico de estas instalaciones, se blecen los siguientes
supuestos:
No se consideran costes de mantenimiento, los préstamos son a devolver en 7
años, por un lado con un 6 % de interés y por otro lado sin interés, la tasa de
descuento para actualizar los ingresos y costes es del 4%, y que el titular repercute
el IVA y lo recupera, a más tardar, al final del primer año.
- 188 -
9.4 INSTALACIÓN CONECTADA A LA RED.
De potencia superior a 5 kWp
La incorporación de instalaciones fotovoltaicas de potencia superior a 5 kWp, en
edificios hoteles, oficinas, complejos deportivos, etc., suponen aportaciones de
electricidad en las horas punta, que en muchos casos coincide con la punta de
demanda de esos mismos edificios. A estas instalaciones les corresponde un
precio de venta de electricidad de 0,22 Euros/kWh.
Aunque por su tamaño se puede conseguir un precio total instalado inferior al de
las instalaciones menores de 5 kWp, el menor valor de la prima hace que las
rentabilidades disminuyan considerablemente. Se pueden considerar tres tipos de
instalaciones de más de 5kWp: Instalaciones medias entre 5 y 100 kWp,
integradas y condicionadas por el diseño arquitectónico del edificio. Su coste de
inversión se estima alrededor de 7 Euros/W instalado. el coste total del
edificio, existirá un ahorro debido a la sustitución de elementos arquitectónicos
convencionales por elementos fotovoltaicos integrados).
- 189 -
CAPITULO X
10 GUIA PARA LA INSTALACION DE UN SISTEMA
FOTOVOLTAICO
1.- Primero identificar el problema y elegir la solución mas practica y económica.
En nuestro caso Energía Solar
2.- La cantidad de hogares a beneficiarse em nuestro caso es de 65 hogares.
3.- Calculo de estudio de carga electrica em nuestro caso nesecitamos 62,484 wh
4.- Estudio de elementos adicionales:
Paneles
Inversor y instalaciones
Acumuladores
Cables y otros
Este estudio esta desarrollado en la presente investigación incluyendo la orientación y
montaje de los orientadores, y los pasos a seguir recuerda las instrucciones descritas en
este estudio
El conocimiento de las limitaciones de un producto o la secuencia a seguir durante su
montaje o conexionado no sólo facilita su instalación, pero puede ahorrarle dolores de
cabeza y costos adicionales.
Utilice el apoyo técnico que le brinda el fabricante o el representante local para verificar
si su decisión es la más acertada. Preguntar es un signo de inteligencia. Asumir es lo
contrario. Siempre tenga presente las normas básicas de seguridad. El conocimiento
técnico, junto con una dosis de sentido común suelen ser la mejor guía.
Ø
Ø
Ø
Ø
- 190 -
10.1 SOPORTE PARA PANELES
10.2 SOPORTE PANELES22
Instale el sistema pensando que, en algún momento, deberá ser mantenido,
reparado o ampliado. Esto implica que todos los componentes en la instalación
deben tener un acceso fácil.
Recuerde que la temperatura y humedad ambiente, sean estas muy altas o bajas,
afectan el funcionamiento y la vida útil de todos los componentes del sistema. Esta
recomendación es extremadamente importante en el caso de las baterías, controles
de carga e inversores.
El uso de un soporte comercial de buena calidad es la solución más aconsejable,
ya que los metales utilizados en su construcción han sido tratados contra la
oxidación y vienen acompañados de tornillos especial para evitar el ioro por
efecto galvánico.
Este último toma lugar cuando dos metales diferentes comparten una superficie de
contacto que está expuesta a la intemperie. La presencia de agua en la atmósfera,
que siempre contiene impurezas, crea un medio electrolítico. de los metales
adquiere un potencial mayor que el otro, convirtiéndose en el ánodo de la juntura.
La corriente que circula entre ellos produce la destrucción del metal con mayor
potencial eléctrico
Este mecanismo, cuando es utilizado en tanques de acumulación para agua
caliente, se lo denomina "ánodo de sacrificio". Cuando se usa el acero inoxidable
22 José María Fernández Salgado. AÑO 2010 pag. 45
- 191 -
10.3 ORIENTACION
con alto contenido de cromo se consigue un material mu resistente a la corrosión,
incluso la galvánica.
SOPORTE CASERO Si Ud. piensa construir el soporte, el ial más indicado
es el aluminio, pues resiste la oxidación destructiva. La otra ventaja en el uso
del aluminio es que al atornillar el marco metálico del panel al soporte se tiene una
juntura de aluminio contra aluminio, lo que ayuda a evitar la corrosión galvánica.
Sin embargo, deberá adoptarse precauciones especiales l colocar los tornillos,
como se ilustra al tratar el montaje de los paneles. El uso de largeros de aluminio
en ángulo le facilitará la construcción del soporte. Un espesor de 1/8 de pulgada,
con lados de 1 y 1/4 pulgadas, respectivamente, son adecuados para este tipo de
construcción. Si este material es muy caro, el hierro lvanizado o la madera
pueden representar soluciones más económicas. Las varillas de hierro lvanizado
en ángulo, pre-perforadas, simplifican enormemente la construcción.
Si el sistema es instalado al norte del Ecuador, los paneles deberán mirar al sur.
Sistemas instalados al sur del Ecuador deberán mirar al norte. La determinación
exacta de estos puntos cardinales no es crítica, dado la variación de la
insolación con la orientación no es brusca. El uso de brújula permite la
determinación del norte (o sur) magnético. Para determinar el norte (o sur)
geográfico, Ud debe corregir la posición sabiendo el v de la declinación del
lugar. Este último valor representa la diferencia, en grados, hacia el este o el
oeste, entre el sur (o norte)
- 192 -
SUR
EST
SUR
10.4 MONTANDO LOS PANELES AL SOPORTE
NORTE GEOGRAFICO NORTE M AGNETICO
OESTE
° 360°
Fig. 10.1- Angulo de Declinación de 20°
Fuente: Cortesía de Specialy Concepts, Inc.
Otro método para determinar el sur (o norte) geográfico es el siguiente: plante una
estaca en el suelo perforación y aislarlo y observe la longitud de su sombra.
Cuando ésta se reduce a un mínimo, se ha alcanzado el solar para esa
estación del año. La dirección de la sombra y tornillo y el marco y entre la
arandela la posición del sol le indican la dirección del sur (o norte) geográfico.
Este método puede ser perfeccionado si el diario local publica el tiempo de salida
y puesta del sol. La mitad de esa diferencia horaria, a la hora de salida,
proporciona la hora para el mediodía solar. En ese momento puede observar la
dirección de la sombra y la posición del SOL .UBICACION Y ANGULO DE
INCLINACION En ningún momento del día los paneles deberán estar a la
sombra, aunque ésta sea sólo parcial, pues la resistencia interna (Apéndice I) del
panel incrementa drásticamente en la zona sombreada. Observe cuidadosamente,
durante el invierno, dónde cae la sombra de árboles o cercanas a donde
Ud. va a instalar los paneles. Si los ubica en el suelo, evite que sean dañados por
- 193 -
animales o vehículos, proveyendo un cerco de protección. Si ubica los paneles en
el techo y éste no es plano, el ángulo del techo forma parte del valor del ángulo de
inclinación (Figura 11.2). Fig. 11.2- Angulo de Inclinación a paneles FVs puede
hacerse sobre el techo, siempre que deje una separación mínima de 10 c
inferencia directa del calor del techo a los paneles FVs. Oriente los separadores de
manera de no el lugar, lo que permitirá una menor temperatura de trabajo para el
panel Para acortar la longitud de los cables de conexión, elija el lado del techo más
cercano al banco de baterías TENIENDO EN CUENTA EL CLIMA Si los
paneles van a estar instalados en una región donde no hay nevadas, instálelos con
el lado más largo a lo ancho, para disminuir el brazo palanca que ejercerá el
viento sobre la estructura. Si hay nevadas, el soporte deberá ser elevado del suelo
una altura cercana al máximo de acumulación de la nieve, para evitar que los
paneles queden sepultados. En este caso monte los paneles usando la parte más
angosta a lo ancho. Esto facilitará el deslizamiento de la nieve, si ésta llegare a
acumularse sobre el panel.
cortos entre los terminales y la barra de polaridad correspondiente, reduciéndose
la resistencia total CAJA DE ENTRADA, FUSIBLES Y CABLEADO INTERNO
Antes de instalar una caja de fusibles verifique si el diseño de la misma permite
un montaje exterior o interior. La carga es elevado, use varios fusibles para
minimizar la corriente por circuito. Separe los que tienen transitorios de los que
no los tienen Los cables para conexionado interno son de alambre sólido. Elija la
distribución de las corrientes de carga de un sistema alto consumo de manera
tal que el calibre del cable a usarse no exceda el de n AWG 10. Esto abaratará el
costo y facilitará el cableado.
- 194 -
TOMA-CORRIENTES
Los tomacorrientes de CA tienen dos colores, uno cobrizo (vivo en CA) y otro
que la batería. Cuando se requieren cables de conexión de elevado diámetro, use
recensores montaje dadas por el fabricante para asegurase que el cuerpo del
mismo está a la misma temperatura para obtener un buen anclaje mecánico e
impedir la acción nociva del peso de los mismos en los contactos. Corte la
longitud de los cables con un pequeño exceso, para
Los cables pueden ser atornillados a los costados del toma-corriente o insertados
en hoyos ubicados en su parte inferior, los que están dos para retener el
cable. Si necesita sacarlos, debe usar un pequeño dest lador que penetre en la
ranura adyacente. Esta presión libera el mecanismo de permitiendo su
remoción. Pelando el cable una longitud algo menor que el espesor del
tomacorrientes proporciona una buena superficie de contacto. Si atornilla el cable
colóquelo de manera tal que al apretar el tornillo se que alrededor del cuerpo
del mismo.
- 195 -
Las muestran el atornillado e inserción de un cable sólido en un tomacorriente.
Los tomacorrientes dobles de diseño americano tienen una sección entre los dos
que puede ser cortada si se quiere independizar las dos partes. Por ejemplo,
cortando el lado de positivo se tendrá un negativo común (neutral común) y dos
positivos (vivos) independientes.
CAJAS DE CONECCION Los tomacorrientes y las luces de u habitación están
atornillados a una caja de conexión (metálica o de plástico)
Estas pueden ser clavadas o atornilladas para su montaje. Estas cajas tienen, en
cada uno de sus lados, círculos semi-cortados. Empujando la sección pre-cortada
se crean agujeros de entrada o salida para los cables la instalación. Si UD. no
las consigue, puede improvisar una de madera, la que deberá ser tratada con brea
o aceite usado de auto para hacerla impermeable. La Fi 12.17 muestra el
montaje de un interruptor (o tomacorriente) a la caja, el que es cubierto con la
- 196 -
Energia fotovoltaico de José María Fernández Salgado. AÑO 2011 pag. 134
tapa adecuada. Este tipo de caja se utiliza asimismo para montar un receptor a
rosca, en el que se enrosca un foco de iluminación.
CONECTORES Para evitar que el aislamiento externo del cable pueda ser dañada
por el borde filoso de la DE ENTRADA caja metálica, puede protegerse al cable
con cinta aisladora o usar los que proveen, asimismo, anclaje mecánico para los
cables.
Observe que todos ellos terminan en una parte roscada, la que se inserta a través
del orificio de la caja de conexión. Una tuerca de poco espesor, atornillada del
lado interior de la caja, sirve para retener al conector en su lugar. Esta tuerca tiene
hendiduras en su perímetro, permitiendo su ajuste martillando con la punta de un
destornillador plano. El otro extremo del conector tiene un yugo de retensión,
cuya presión es controlada por dos tornillos en sus extremos
DE LOS CABLES DE BATERIAS23 Dado que no es siempre posible obtener los
cables de interconexión entre baterías en un negocio local, he decidido incorporar
el material presentado a continuación. La información basada en un artículo,
escrito por el Sr Richard Pérez, de la revista "Home P (No. 7, Págs 36 y 37)
el que he traducido con su autorización. Cuando deba usar cables multialambre
con diámetros superiores a los 8 mm, UD puede hacerse terminales usando
tubos de cobre blando, siguiendo los pasos que se dan a continuación, los que son
complementados con ilustraciones. Quite unos 4,5 cm. de aislamiento, usando
una navaja, de los extremos donde colocará los terminales. s, de manera que éstos
Desenrosque los alambre sean paralelos ere sí. Corte un pedazo de tubo de cobre
de unos 6 cm. de largo. alambre No 1/0, 3/4" (19 mm) para los Nos 2/0 y 3/0 y 1"
(25.4mm) para el No 4/0.Limpie el interior del NOTA: Se aconseja (16 mm
23
- 197 -
aprox.) para un tubo y los alambres con un cepillo de acero, y úntelos con pasta
de soldar VENTILACION Cuando se usan baterías de Pb-ácido con electrolito
líquido, se forman gases de hidrógeno DEL BANCO y oxígeno cuando éstas son
cargadas. Un método de ventilación de estos gases, que aparece DE BATERIAS
como muy seguro y fácil de instalar, es el propuesto p el Sr Gerald Ames en la
revista Home Power (No 6, Págs 31 a 33). Con su autorización, transcribo a
continuación su artículo. La idea fundamental es la de permitir que los gases de
todas las celdas del banco de batería abandonen el cobertizo sin invadir cuarto
de baterías. Para conseguir este objetivo el Sr. Ames liza un caño central de
ventilación, el que recoge los gases de todas las baterías del cuarto, antes de salir
al exterior. Esto resulta en un sistema "cerrado" que es seguro y fácil de instalar.
DETALLES DE Para recoger los gases de cada celda se utilizan tubos plásticos
de un W (6,4mm) de CONSTRUCCION diámetro, los que conectan las celdas de
cada batería con el tubo central de ventilación. La Figura 12.24 ilustra esta
realización.
Fig. 10.2- Sistema Cerrado de Ventilación
- 198 -
Fuente Lillesand y r. w. kiefer, sistema aislado de ge nergía electrice con erguía solar
El caño central de ventilación es de plástico (PVC) y tiene entre 1/ y 3" de
diámetro, dependiendo del número de baterías en el banco. La conexión de salida
para cada celda se lleva a cabo perforando cada tapón plástico con un agujero
que permita la entrada, en forma ceñida, del tubo plástico de W, el que es
"soldado" al tapón, usando una pegadura para material lástico, para evitar
pérdidas. Usando un procedimiento idéntico se conecta l otro extremo al caño
central de ventilación. Las perforaciones en este tubo no deberán ser hechas "en
línea", sino en forma zigzagueante, a fin de no debilitar al mismo. El caño central
debe ser instalado con un pequeño declive (alrededor de 5 cm por metro de
longitud). El extremo más alto, que sale al exterior, iene un codo de 90 grados,
seguido de un acople vertical, al que se le agrega un sombrero de protección para
evitar que penetre el agua de lluvia. El extremo más bajo termina en una sección
roscada, la que tiene una tapa removible. Esto permiti drenar, ocasionalmente,
cualquier residuo de ácido sulfúrico que haya escapado de las baterías.
CAJA TERMICA Cuando el banco de baterías tiene entre una y cuatro baterías
herméticas, el uso de una caja térmica para su almacenamiento y protección
ambiental resulta muy conveniente. Esta protección se obtiene construyendo dos
cajas de madera, ubicadas una dentro de la otra y separadas por material aislante.
Una tapa removible, que también está aislada, permite l acceso a la caja central.
La Figura 12.25 ilustra un corte de esta caja.
- 199 -
Fig.10.3 Caja Térmica
Fuente: energía solar Fotovoltaico de la comunidad de Madrid
De ser posible utilice unos 5cm (2") de aislamiento del tipo esponjoso, la que
puede conseguirse en "spray". Si no la puede obtener, deje más espacio entre las
cajas, para poder utilizar, sin comprimirlo excesivamente, el material de lana de
vidrio usado para aislar casas, o el material usado para proteger envíos postales.
La caja interna debe tener un ancho que permita acomodar las baterías a usarse,
así como el control de carga, y permitir el uso de las manos para colocar o
remover las baterías. La tapa debe tener el mismo espesor de aislamiento, y puede
asegurarse firmemente usando retenes mecánicos. Esto ayuda a mantener un
cierre hermético, evitando que menores incursionen dentro de la misma. Use
pequeños separadores de madera o plástico entre las dos cajas, para ayudarle a
posicionar una caja respecto de la otra. Para poder conectar el banco con el resto
del sistema, es conveniente incorporar cuatro tornillos, como se stra en la
Figura 12.25. Dos de ellos permiten conectar los paneles FVs a la entrada del
control de carga, los otros dos son los de salida del banco de baterías.
PRECAUCION USANDO FARDOS DE PAJA Si usa aislantes en "spray"
recuerde que este producto es altamente inflamable. Si las recomendaciones del
Tapa
- 200 -
fabricante, usándolo en lugares ventilados y sin la presencia de llamas o
cigarrillos encendidos. ósea construir un refugio para las baterías usando fardos
de paja, éstos pueden ser retenidos al piso usando barras de metal para cemento
armado, las que se clavan a través del fardo. Deje una porción saliendo de la parte
superior si añade otras hileras de fardo para darle altura al refugio. Esto le
permitirá calzar la nueva hilera. Clave más barras entre hileras para dar rigidez a
la pared. El techo puede hacerse usando planchas de ma sobre la que se
coloca más fardos de paja. Para preservar el refugio de la lluvia revoque los
costados con tierra arcillosa (adobe) y use planchas de metal acanalado para el
techo. El alambre de fardo facilita el "cosido" entre Puede asimismo
usarse barras dobladas en forma de "U" para las esquinas.
Los retenes identificados con los Nos 1 y 2 son usados en superficies de cemento
para anclar soportes para paneles FVs. El primero logra su fuerza de retensión
expandiéndose dentro del agujero perforado en el cemento.
Las arandelas planas (Nos 1 y 2), combinadas con las de retensión
SISTEMAS DE MAYOR CONSUMO
Fig. 11.8 diferentes Tuercas de conexión
Fuete: Gerling alrededor de las Maquinas Herramientas
Ø
- 201 -
El ejemplo que hemos desarrollado resulta en un sistema de uno (o dos
paneles), con una (o dos) baterías en el banco de reserva. ¿Cómo se lleva a
cabo el diseño de un sistema de mayor consumo?. La contestación es
asombrosamente simple: siguiendo el mismo procedimiento de cálculo. El
proceso de diseño deberá tener en cuenta los nuevos valores de consumo,
generación y almacenamiento del sistema. Para ilustrar algunas de las
alternativas que pudieren presentarse, los comentarios serán agrupados por
temas.
- 202 -
CAPITULO XI
11 GUIA PARA EL MANTENIMIENTO DE SISTEMAS
FOTOVOLTAICO
11.1 INSPECCION SISTEM A VISUAL DEL COMPONENTE
DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
INTRODUCCION La mejor manera de justificar un plan de mantenimiento es
recordar el refrán que dice: "mejor es prevenir que curar". El plan de
mantenimiento debe contemplar inspecciones periódicas sistema, así como
el registro e historial de algunas de las mediciones hechas en el mismo. Este
plan debe dar prioridad a los componentes más susceptibles de sufrir deterioro.
La frecuencia de las inspecciones estará dictada por las condiciones de uso, la
edad del sistema, los problemas potenciales que se hayan identificado, o por
situaciones fortuitas (tormentas o períodos de baja insolación).
La inspección visual es la más fácil de llevar a cabo. Si se realiza en forma
detallada podrá detectarse lo que se deterioro prematura de los componentes
expuestos a los rigores del clima (temperatura, radiac ultra-violeta, lluvia,
granizo, etc.), el ataque de los roedores, la oxidación o el aflojamiento de los
tornillos usada para conectar cables o amarrar sostenes. Si el sistema tiene
algún tipo de medidor (voltímetro, amperímetro o medidor de Ah) o
simplemente luces indicadoras, la inspección visual de los mismos dará una
rápida evaluación dinámica del sistema.
- 203 -
11.2 NORMAS DE SEGURIDAD24
Ø
Ø
INSPECCION VISUAL DE LAS BATERIAS En el caso del banco de
baterías la inspección visual deberá determinar si hay pérdidas excesivas
del electrolito. Estas se manifiestan como depósitos en el contacto
positivo, residuos ácidos en las bandejas plásticas o el deterioro de la
base de sostén. Dos veces al mes las baterías deberán ser agitadas, con
suavidad, para evitar la estratificación del electrolito.
DENSIDAD DEL ELECTROLITO Una vez por mes, o con mayor
frecuencia si se nota algún problema, deberá medirse la densidad del
electrolito (specific gravity, en inglés) en cada una de las celdas que
componen el banco de baterías y archivar los resultados. La comparación
de los resultados con medidas hechas con anterioridad á detectar
el comienzo de problemas en una determinada celda. Bruscas
variaciones en la densidad o el nivel del electrolito, ayudan a determinar
el envejecimiento de una batería de Pb-ácido o el uso incorrecto del
sistema fotovoltaico.
Por último, es importante que las tareas de inspección sean hechas teniendo
en consideración la seguridad de quien las lleva a cabo. Al respecto debe
recordarse que las herramientas a usarse (pinzas, destornilladores, etc.)
pueden, accidentalmente, producir un cortocircuito de al tocar el
terminal opuesto. Para minimizar esta posibilidad se recomienda cubrir con
cinta aisladora las superficies metálicas que no son utilizadas.
24 Energia fotovoltaico de LORENZO, E. y ZILLES pag. 48
- 204 -
11.3 ORGANIZANDO
Ø
Ø
NORMAS DE SEGURIDAD Evite usar anillos, cadenas de oro o un
reloj pulsera con malla metálica mientras trabaja con baterías.
Recuerde que el voltaje de salida de un inversor puede causar la muerte
por electrocutación. Aún los voltajes más bajos de CC n sostener
corrientes en el cuerpo humano como para causar problemas. A veces la
reacción incontrolada que provoca un cortocircuito inesperado puede
causar un accidente imprevisible. Utilice guantes, botas y delantal de
goma al trabajar con baterías de Pb-ácido. Mantenga a mano una
abundante cantidad de bicarbonato de soda para neutral el ácido del
electrolito y de agua para enjuagarse.
La mejor manera de organizar el registro de los valores de la densidad
del electrolito EL REGISTRO es usar una combinación de dos números
(o un número y una letra), para identificar DE MEDIDAS cada celda y
su correspondiente batería. Por ejemplo, las combinaciones 1-3 o 1-C,
identificarán la tercera celda de la batería número 1. Un esquema del
banco de baterías, conteniendo esta información, le permitirá asociar la
locación de cada batería y la de cada celda dentro de la misma
DENSIMETRO La medición de la densidad del electrolito en una celda
se lleva a cabo con un Densímetro La Figura 11.1 ilustra este aparato de
medida.
- 205 -
Fig. 11.1 Densímetro para batería de Pb-ácido
Fig. 11.2Densímetro para batería de Pb-ácido a, b
Fuente: energía solar Fotovoltaico de la comunidad de Madrid
El bulbo del flotador tiene un balastro de peso fijo, que termina en un tubo
que tiene impresa una escala (Figura 11.1b). El flotador está colocado dentro de
un tubo de vidrio de mayor diámetro. Uno de sus extremos tiene una perilla de
goma; el opuesto un tubo flexible del mismo material, de diámetro reducido, el
que puede introducirse dentro de la celda a medir (Figura 11.1a). Oprimiendo la
perilla de goma se desplaza el aire dentro de la misma, produciéndose un vacío
- 206 -
11.4 LECTURA DE ESCALA
que permite llenar el tubo de prueba con electrolito de la celda cuando ésta se
infla nuevamente. Dependiendo de la densidad del electrolito, la sección de la
escala que emerge de la superficie del líquido tendrá una longitud variable. La
lectura de la escala debe hacerse como lo ilustra la Figura 11.1a, tomando en
consideración el nivel del líquido en la parte media, que permite determinar
el valor de la densidad del electrolito con un mínimo de error.
NOTAS DE MEDICION La escala del flotador sólo es válida para una
temperatura del electrolito cercana a los 27°C. Para otros valores de
temperatura se necesita corregir los valores leídos, como se verá más
adelante. La medición de la densidad debe hacerse con una batería en
reposo, sin llenar excesivamente el tubo de prueba, lo que evitaría la
libre flotación del bulbo de medida. Para equilibrar la temperatura del
densímetro, al medir la primer celda (densímetro frío), es conveniente
llenar y vaciar el tubo de prueba, lentamente, unas tres veces. Para evitar
que el flotador se adhiera a la pared del tubo de prue golpee
suavemente la pared exterior del densímetro con los dedos.
PRECAUCION Algunos densímetros de bajo precio sólo tienen
marcadas tres zonas, usando tres coloraciones y designaciones: roja
(batería descargada), amarilla (batería cargada parcia y verde
(batería con carga total). Estos valores son válidos para medir el
electrolito de la batería de un automotor y no las de ciclo profundo.
Asegúrese que existe una escala numérica para evaluar la
densidad del electrolito.
Ø
Ø
- 207 -
11.4.1 VARIACIONES DE DENSIDAD
La escala tiene graduaciones con valores entre 1,000 y 1,300. Estos valores
representan LA el número de veces que la densidad del electrolito supera la del
mismo volumen de agua. Para facilitar la impresión, la escala no muestra la
coma decimal. Un valor de densidad 1,200 veces mayor q la del agua
aparece como 1200. Esta manera de presentar las cantidades, por consistencia,
continúa al darse los valores de corrección por temperatura, de manera que el
valor +0,020 aparece como +0020.
La Tabla 11.1 proporciona los valores de corrección para temperaturas
del electrolito entre +54 y -12°C. Observe que el signo de la corrección
cambia con la temperatura.
TABLA Nª 10.1
Porcentaje de Carga Densidad del Electrolito Voltaje(bat.12V)
100 % 1260 12,60 (o mayor)
75 % 1220 12,36
50% 1185 12,18
25% 1150 11,94
Descargada 1120 11,85(o menor)
Cuando la batería ha sido cargada, el valor de la densidad del electrolito no
debe diferir más de 0020 entre celdas. Si la densidad una celda, respecto al
resto de ellas en una batería, está 0020 o más unidades por debajo, ésta debe
consideres con problema. Controle el nivel del electrolito y su densidad con
mayor frecuencia.
- 208 -
PRECAUCION
11.5 MEDICIONES ELECTRICAS
EJEMPLO Para practicar con el uso de las tablas, asumiremos que la densidad
leída en el flotador es de 1240. La temperatura del electrolito es de 38°C.
Usando la Tabla 13.2 calculamos una corrección de +0008. La densidad del
electrolito es de 1248. El estado de carga de la batería es del 80% del máximo.
Para llegar a este valor se calcula la parte proporcional que corresponde a un
cambio de 8 unidades en 40 (75 al 100%).
NIVEL DE ELECTROLITO Para saber el nivel correcto del lectrolito
en una celda debe obtenerse la recomendación del fabricante. Si no
puede obtenerla llene la celda con agua destilada solamente, pero deje
suficiente separación (2cm mínimo) entre el borde superior donde va el
tapón y la superficie del electrolito. Una excesiva cantidad de electrolito
acelera su expulsión al exterior, lo que se traduce en una pérdida del
ácido. Al agregar agua destilada la densidad del elect ito cambia, de
manera que es aconsejable dejar pasar un período de carga antes de
volver a medir la densidad. Vigile la velocidad de pérdida del electrolito.
Si todas las baterías bajan rápidamente el nivel del e rolito, el sistema
de carga está forzando una gasificación excesiva.
. NUNCA agregue productos que prometen la
restauración instantánea de una celda.
Desde el comienzo del proceso de instalación, y continuando más tarde con el
servicio de mantenimiento, se requiere el uso de instrumentos eléctricos de
medida que nos permitan conocer los voltajes y corrientes en el sistema, o
Ø
- 209 -
SELECCION DE MODELOS
determinar si una conexión está abierta o cerrada. Estos instrumentos se
conocen, respectivamente, con el nombre de voltímetro, amperímetro y
medidor de continuidad. Es recomendable la incorporación, en forma
permanente, de un voltímetro y un amperímetro en el sistema, pues sus
lecturas facilitan la evaluación rápida y dinámica del funcionamiento del
mismo. Sin embargo, durante la instalación y el mantenimiento es
imprescindible efectuar mediciones en diversos puntos del sistema.
PORTABILIDAD: EL MULTITESTER Para poder brindar portabilidad y
simplicides al proceso de medición se ofrecen instrumentos versáti que
pueden ser convertidos de un tipo a otro actuando sobre una llave selectora.
Estos instrumentos reciben el nombre de multitester. medir baterías de
bajo voltaje, evaluar diodos o, en el caso de los digitales, una señal auditiva
que se activa si el circuito bajo medida tiene continuidad.
PRECISION La mayoría de las medidas a efectuarse en un sistema FV
no requieren una alta precisión. La única excepción la constituye la
medida del voltaje de batería si quiere determinarse su estado de carga.
Como es más recomendable la medición de la densidad del electrolito, la
precisión para el resto de las mediciones no necesita ser muy alta.
Si se elije un instrumento digital puede elegirse un modelo de "2% dígitos".
Esta nomenclatura expresa que el último dígito (el de derecha) es un valor
aproximado. Si se elije un instrumento a aguja se recomienda uno que tenga un
voltímetro para CC con más de 10KW/V. Cuanto más alto es este valor, menos
se altera el circuito a medir (mayor resistencia interna).
SELECCION DE MODELOS
Ø
Ø
- 210 -
11.6 MEDIDOR DE CONTINUIDAD ANALOGICO 25
Al respecto, un buen instrumento de aguja tiene entre 20 y 100KW/V,
mientras que uno digital tiene 1MW/V como mínimo. La cantidad de
W/V del voltímetro de CA en la versión analógica se reduce
drásticamente debido a la necesidad de convertir el vo en otro
de CC para hacer la medición. Esto significa que voltajes de CA de bajo
valor se verán afectados por un mayor error que los del mismo valor en
CC. Los voltímetros de CA, en las dos versiones, sólo ueden medir con
precisión voltajes con forma de onda sinusoidal. El alto costo de un
"verdadero" voltímetro de CA, que tome en consideración las armónicas
de un voltaje no-sinusoidal (Apéndice I) no se justifica para nuestra
aplicación.
Para convertir al óhmetro en un medidor de continuidad se debe elijir la escala
de resistencias más baja y, como siempre, verificar el cero de la escala. Si al
medir la resistencia entre dos puntos la aguja indica un valor de resistencia
nulo (máxima deflexión angular) existe continuidad entre los dos puntos
medidos. Si la aguja no se mueve, el circuito está abierto.
MEDICIONES Para medir un voltaje entre dos puntos de u circuito, el
voltímetro se conecta en paralelo. Para medir la corriente que circula entre dos
puntos de un circuito, el amperímetro se conecta en serie. Estas dos situaciones
son ilustradas en la Figura 11.4.
25 CAAMAÑO-MARTIN, E. pag. 39
- 211 -
Si el circuito es de CC, y se usa un multitester analógico, deberá observarse, en
ambos casos, la polaridad de los puntos a medir y seleccionarse, previo a su
conexión, el rango máximo a usarse para no dañar al instrumento. Si se usa un
instrumento digital con selección automática esta precaución no es necesaria,
ya que el instrumento mostrará el valor medido, precedido del signo
negativo si la polaridad
Fig. 11.5 MULTI-TESTER ANALOGICO
Fuente Promotisa corp
Fig. 11.4- Mediciones de Voltaje y Amperaje
Fuente Lillesand sistema aislado de generación de energía electrice con erguía solar
- 212 -
TABLA DE CORRECCION ESTADO DE CARGA El valor corregido
Funcion Rango Precisión
Voltaje de CC 5 a 1.000V +/- 3,0%
(20KW/V)
Voltaje de CA 10 a 1.000V +/- 4,0%
(10KW/V)
Corriente de CC 50uA a 250mA +/- 3,0%
(Caída interna 250mV)*
Resistencia 2KW a 2 MW
Fig. 11.5 MULTI-TESTER digital
Fuente Promotisa corp
- 213 -
ANALOGICO Y DIGITAL Existen en la actualidad dos tipos de multitester:
el analógico, o instrumento de aguja, y el digital. ¿Cuál es el mejor? La
respuesta no es tan simple, pues la versión analógica tiene, a veces, ventajas
sobre la digital y viceversa. Desde el punto de vista práctico, si el lector no
tiene familiaridad con el procedimiento de medida, la ersión digital de mayor
costo suele brindar más flexibilidad y protección cuando se cometen errores de
medición, como se verá más adelante. Sin embargo ninguna de las versiones es
completamente inmune a todos los errores que pueden cometerse. Hasta que se
adquiera familiaridad, deberá verificarse que la selección elegida la correcta
antes de efectuar la medida. Como se dice en los EEUU: "mida varias veces,
corte sólo una vez".
DESCRIPCION El multitester típico, independientemente tipo, tiene dos
voltímetros, un amperímetro y un medidor de resistencias. Uno de los
voltímetros es para CC; el otro para CA. El amperímetro es sólo para CC. Para
cada instrumental se ofrecen varios rangos máximos de El
multitester tiene dos cables de medida, los que suelen tener pinzas cocodrilo en
un extremo, proporcionando un amarre mecánico al punto de medida. Estos
cables de medición tiene dos colores: rojo (positivo) negro (negativo), los
que deben ser insertados en los bornes de entrada que la misma
- 214 -
NOTA:
polaridad. En algunos modelos, para medir altos voltajes o corrientes se
necesita cambiar la llave selectora y el terminal de entrada donde se conecta el
cable positivo. Al final de este capítulo se ilustran delos, uno digital, el
otro analógico, de los que se dan las especificaciones más relevantes.
Este modelo ofrece rango y polaridad automática, una p para medir continuidad
con alarma auditiva y una barra de segmentos que está bicada debajo del valor digital.
La cantidad de segmentos crece o decrece con el valor de entrada. Esta característica
hace que los fabricantes llamen a este multitester una versión con combinación digital y
analógica. Requiere una batería de 9V para operar.
- 215 -
MATERIALES
METODOS
1.-
2.-
3.
E) MATERIALES Y METODOS
Se utilizo materiales de escritorio
Servicios de fotocopiadoras
Servicio de Internet
Materiales bibliográficos
Servicio de tipeo
En la presente investigación ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICO EN EL
DISTRITO DE ORCOTUNA REGION JUNIN se utilizo la Metodología para
Contratación y demostración de la Hipótesis
En la presente investigación no se presenta el tipo de muestreo por
desconocimientos propios de las diferentes tecnologías en la obtención de la
energía eléctrica
- En la presente investigación se basa en la Investigación técnica y científica
utilizando la técnica descriptiva y lógica empleado en la concentración y
demostración con el.
Método Teórico
Método Práctico
Método tecnológico
4.- En la presente investigación la técnica de estadística no se utiliza, solo la
identificación de las informaciones y analizando datos técnicos
•
•
•
•
•
- 216 -
F) RESULTADO
Llego a la conclusión que el trabajo de investigación
a
cumplido con la hipótesis de proporcionar la energía eléctrica para iluminar 65
viviendas con energía solar mediante placas fotovoltaicas que están formado por
materiales de tipo semiconductores. Obteniendo los siguientes consumo de energía
Iluminación 20,280.00 wh
Poe electrodomestico 26,500.00 wh
Alumbrado publico 613. wh
Total 46,393.00
COSTO DEL PROYECTO
Elemento Cantidad Costo $
Paneles solar 179 62,650.00
Inversor y instalación 3 640.00
Acumulador (bateria) 3 1,239.00
Otros 3,300.00
Total 67,829.00
“ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICO EN EL DISTRITO DE ORCOTUNA REGION JUNIN”
- 217 -
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL
Empleo y desarrollo local. O
El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la
, un dispositivo construido de silicio (extraído de la arena común).
Figura nº 1 montaje de las placas fotovoltaicas
La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables, inagotable,
limpia, respetuosa con el medio ambiente y sentando las bases de un
autoabastecimiento. Al igual que el resto de las energías limpias, contribuye a la
reducción de emisión de gases de efecto invernadero y especialmente de CO2,
ayudando a cumplir los compromisos adquiridos por el Protocolo de Kioto y a proteger
nuestro planeta del cambio climático.
La energía fotovoltaica se emplea principalmente en zo rurales o aisladas, ya que allí
no se disponen de sistemas de electricidad artificial la única forma que estos pueblos
tienen de abastecerse es mediante la utilización de esta energía
frece importante oportunidad de trabajo en el área rural,
El estudio de investigación cumple con dar solución a los objetivos previstos en el
planteamiento de problema
célula
fotoeléctrica
- 218 -
nos brinda numerosas ventajas
La producción de energía fotovoltaica es
Segura.
Sencilla.
G) DISCUSIÓN
La energía fotovoltaica , en comparación con
otros sistemas de generación de energía eléctrica, entre ellas, los paneles
fotovoltaicos son limpios, silenciosos no dañan el medio ambiente, el instalar un
panel de este estilo requiere una obra, su construcción es bastante rápida y a su
vez requieren de un mantenimiento mínimo brindándonos cambio un largo
período de vida útil. Como ventaja principal, es el único sistema que puede
ofrecernos un suministro de energía continuo ya que podemos utilizarlo haya sol o
no. Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya ue no puede utilizarse
más energía de la acumulada en períodos en donde no ha sol; por último uno de
los mayores problemas para al gente que está pendiente de la estética de su casa
una de las mejores alternativas a nivel
mundial para obtener energía eléctrica.
Una inversión que genera ingresos recurrentes, previsibles y garantizados
por la ley sin ningún esfuerzo de Gestión por su parte.
Una inversión que necesita poco mantenimiento, sin emisiones ni
consumos, que funcionará en silencio durante más de 25 años.
- 219 -
Energia solar
BOMBAS DE CALOR
Y ENERGÍAS RENOVABLES EN EDIFICIOS, Barcelona:
Segunda Edición, 2005
APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR
Finalmente en las zonas rurales del Perú se podría implementar este sistema
tratando de incentivar a profesionales y a estudiantes que se dirijan hacia este
campo para solucionar la falta de energía eléctrica ya que a la larga será uno de las
tecnologías más comunes y necesarias a ser utilizadas.
H) REFERENCIAS
Caamaño Martín, E y Lorenzo, E. y Zilles, R. ELECTRIFICACION RURAL
FOTOVOLTAICA España: ISBN: 9788486505912 Primera Edición, 2001
fc.uni.edu.pe/.../ %20 %20en%20Peru%20perueconomico.pdf
Fernández Salgado, José Maria. GUÍA COMPLETA DE LA ENERGÍA
SOLAR TÉRMICA Y TERMOELÉCTRICA España: cuarta Edición , 2010
Fernández Salgado, José. COMPENDIO DE ENERGÍA SOLAR
"FOTOVOLTAICA, TÉRMICA Y TERMOELÉCTRICA" España: ISBN
9788496709096 Segunda Edición, 2008
Madrid Vicente, A. ENERGÍA SOLAR. FOTOVOLTAICA, TÉRMICA Y
TERMOELÉCTRICA España: ISBN: 9788484763598 AÑO: 2009
Martínez Francisco, Javier Rey, Velasco Gómez, Eloy.
ISBN
9788497323956,
Meinel, A.B. , España: ISBN
9788429141993 Segunda Edición,1982
Nuria, Martín. INTEGRACIÓN DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA
EN EDIFICIOS España: Editorial Mc. Graw Hill Primera Edición,
2011
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
-
- 220 -
Pareja Aparicio, Miguel. RADIACION SOLAR Y SU
APROVECHAMIENTO ENERGETICO, España:
Energía solar
fotovoltaico
solar
energiasolar
mas
Fotovoltaicas
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
ISBN: 9788497, 1ra
Edición, 2010
Tomás Perales, Benito ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA España: ISBN
978849630067, 1ra Edición, 2008
wikipedia.org/wiki/ _
www.articulosahora.com/Article/... .../1244
www.cen .es/menu2.htm
www.saecsa .com/promoweb/peru.html
www.scribd.com/.../Proble -y-Fallas-Tipicas-en-Instalaciones-
-
www.galeon.com/ /
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www.sunelec.com
energiasolar
- 221 -
GLOSARIO
HSP
Células fotovoltaicas:
Placas fotovoltaicas:
El Regulador:
Baterías
I) APENDICES
APENDICES I
: número de horas de Sol máximo promedio que incide en el lugar de
instalación en el Periodo de invierno (Mes de Diciembre, Enero y Febrero )
Es dónde se produce la conversión fotovoltaica, las más
empleadas son las realizadas con silicio cristalino. La incidencia de la radiación
luminosa sobre la célula crea una diferencia de potencial y una corriente
aprovechable.
Son un conjunto de células fotovoltaicas conectadas entre
sí. Estas células están encapsuladas para formar un conjunto estanco y resistente.
Tiene por función regular la carga y la descarga de las baterías y
eventualmente protegerlas de una sobrecarga excesiva.
: Son el almacén de la energía eléctrica generada. En tipo de
aplicaciones normalmente se utilizan baterías estacionarias, que no sólo permiten
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El inversor:
disponer de electricidad durante la noche y en los momentos de baja insolación
por varios días.
Transforma la corriente continua (a 12, 24 o 48 v) generada por las
Figura nº 1 conexión del inversor
placas fotovoltaicas a corriente alterna (a 230 v y 50 Hz).
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Energía Recurso (en tep por año)
Solar
APENDICES II
VENTAJAS DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA SON:
Evita un costoso mantenimiento de líneas eléctricas en zonas de difícil acceso
Elimina los costes ecológicos y estéticos de la instalación de líneas
Contribuye a evitar el despoblamiento progresivo de determinadas zonas
Es una energía descentralizada que puede ser captada y utilizada en todo el
territorio
Una vez instalada tiene un coste energético nulo
Mantenimiento y riesgo de avería muy bajo
Tipo de instalación fácilmente modular, con lo que se puede aumentar o
reducir la potencia instalada fácilmente según las necesidades
No produce contaminación de ningún tipo
Se trata de una tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir el coste y
aumentar el rendimiento.
Hidráulica 1,7 * 10 ^ 9
9,8 * 10 ^ 13
Eólica 1,4 * 10 ^ 10
Biomasa 2,8 * 10 ^ 9
Geotérmica 2,3 * 10 ^ 16
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
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Aplicaciones domésticas de la energía fotovoltaica
Maremotriz 1,9 * 10 ^ 9
Maremotérmica 2,8 * 10 ^ 13
Olas 1,7 * 10 ^ 9
es una energía de fácil
instalación, de ocupación mínima, de que no sea antiestética se ha confirmado
en la instalación de los llamados "tejados solares".
Ø
- 225 -
APENDICES III
FUTURO DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La evolución tecnológica está mejorando los rendimientos de las células.
Este tipo de energía se utiliza para abastecer de electricidad a numerosos poblados
y fábricas en Senegal, Jordania, Brasil, Filipinas, Indonesia y Chile. La
producción mundial asciende a 60 megavatios hora al año. En España son 25000
las viviendas que se benefician de este tipo de energía.
Ventajas incomparables de la energía, tanto a nivel ecológico, como económico se
puede pensar que ésta será una de las grandes energías del futuro. Es de esperar,
pues, que su parte en la producción mundial aumente en los próximos años.
Al contrario de lo que sucede con los grupos electrógenos, los sistemas
fotovoltaicos no requieren abastecimiento de combustible, son totalmente
silenciosos, y tienen una vida útil mucho más larga.
Prácticamente el único mantenimiento que se requiere es controlar el nivel
del electrolito en la batería y añadirle agua destilada cada cierto tiempo.
La duración de una batería de tipo estacionario oscila entre 10 y 15 años.
Los paneles solares tienen una duración hasta 25 años).
Utilizan una fuente de energía renovable (la radiación solar), lo que quiere
decir que a la escala temporal humana es inagotable, al contrario de lo que
sucede con las fuentes de energía convencionales que dependen de un
recurso que es limitado (petróleo, carbón, gas natural, etc).
Ø
Ø
Ø
Ø
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Ø Producen electricidad sin necesidad de ningún tipo de o
combustión, evitando la emisión a la atmósfera de CO2 otros
contaminantes
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Módulos fotovoltaicos
APENDICES IV
Las células solares constituyen un producto intermedio de
la industria fotovoltaica: proporcionan valores de tensión y corriente limitados, en
comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales, son
extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico.
Después, son ensambladas de la manera adecuada para constituir una única
estructura: los módulos fotovoltaicos.
Algunos módulos fotovoltaicos presentes en el mercado
El módulo fotovoltaico es una estructura robusta y manejable sobre la que se
colocan las células fotovoltaicas. Los módulos pueden tener diferentes tamaños
(los más utilizados tienen superficies que van de los 5 m2 a los 1,3 m2) y
constan normalmente de 36 células conectadas eléctricamente en serie.
Los módulos formados tienen una potencia que varía entre los 50Wp y los
150Wp, según el tipo y la eficiencia de las células que lo componen. Las
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Generador fotovoltaico
panel,
rama
campo
generador
características eléctricas principales de un módulo fotovoltaico se pueden resumir
en las siguientes:
Potencia de Pico (Wp): potencia suministrada por el módulo en condiciones
estándar (Radiación solar = 1000 W/m2; Temperatura = 25 °C; A.M. = 1,5).
Corriente nominal (A): corriente suministrada por el módulo en el punto de
trabajo.
Tensión nominal (V): tensión de trabajo del módulo.
Está formado por el conjunto de los módulos
fotovoltaicos, adecuadamente conectados en serie y en lo, con la
combinación adecuada para obtener la corriente y el vo necesarios para una
determinada aplicación.
El elemento base es el módulo fotovoltaico.
Varios módulos ensamblados mecánicamente entre ellos forman el
mientras que módulos o paneles conectados eléctricamente en serie, para obtener
la tensión nominal de generación, forman la . Finalmente, la conexión
eléctrica en paralelo de muchas ramas constituye el .
Los módulos fotovoltaicos que forman el , están montados sobre una
estructura mecánica y que está orientada para optimizar la radiación solar.
La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico varía durante el
año en función de la insolación de la localidad y de la latitud de la misma.
Para cada aplicación, el generador tendrá que ser dimensionado teniendo en
cuenta los siguientes aspectos:
Ø
Ø
Ø
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La célula fotovoltaica
J) ANEXOS
ANEXO I
es un dispositivo formado por una delgada lámina de un
material semi-conductor, frecuentemente de silicio. que conversión de la radiación
solar en una corriente eléctrica
Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y
los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie
aproximadamente igual a 100 cm2.
Para la realización de las células, el material actualmente más utilizado es el
mismo silicio utilizado por la industria electrónica, cuyo proceso de fabricación
presenta costes muy altos, no justificados por el grado de pureza requerido para la
fotovoltaica, que son inferiores a los necesarios en electrónica.
Otros materiales para la realización de las células solares son:
- de rendimiento energético hasta 15 ð 17 %;
- de rendimiento energético hasta 12 ð 14 %;
- con rendimiento energético menor del 10 %;
- Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, te io
de cadmio; Actualmente, el material más utilizado es el silicio mono-cristalino
que presenta prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro
material utilizado para el mismo fin.
Silicio Mono-cristalino:
Silicio Poli-cristalino:
Silicio Amorfo:
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Inconvenientes
ANEXO II
Como todo, las poblaciones rurales de muchos países en desarrollo han quedado
excluidas de la mayor parte de los beneficios del impulso económico y de la transición
hacia servicios de energía eléctrica de mejor calidad. las fuentes tradicionales de energía
siguen siendo los principales y con frecuencia los únicos recursos energéticos
disponibles para millones de familias rurales, con limitaciones y efectos bien
documentados en el bienestar rural en ámbitos como la salud, la seguridad alimentaria y
la producción agrícola.
El Programa 21, emanado de la Conferencia de 1992 de las Naciones Unidas sobre el
Medio Ambiente y el Desarrollo, pide fomentar la “transición a la problemática
energética rural”. La FAO fue designada organismos coordinador que correspondiente
al fomento de la agricultura y desarrollo rural sostenibles como medio para mejorar
efectivamente las condiciones socioeconómicas de las poblaciones rurales,
fotovoltaicos (FV) para uso destinado al desarrollo agrícola y rural, especialmente para
las actividades que producen ingresos, como base de un desarrollo rural sostenible.
Impacto en el proceso de fabricación de las placas: Extracción del Silicio,
fabricación de las células
Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno
Impacto visual
•
•
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PRODUCTORES MUNDIALES DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA
ANEXO III
: Actualmente, es el principal país productor de energía fotovoltaica a
nivel mundial, el segundo puesto lo ocupa ALEMANIA.
: Es uno de los países europeos con niveles más altos radiación
solar y tiene un elevado mercado potencial interior en sistemas conectados a la
red. Pero, por contra, en la implantación de energía solar se encuentra por detrás
de países nórdicos como Suecia, Holanda o Alemania.
En España inciden 1.500 kilowatios/hora/m2 que se pueden aprovechar
directamente (calor) o se pueden convertir en otra fuente de energía (electricidad).
La producción mundial de módulos fotovoltaicos viene creciendo desde el año
2000 en un 30% anual y actualmente España es considerada, junto con Estados
Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes inversores mundiales en el
desarrollo de la energía solar para producir electricidad
•
•
•
JAPÓN
ESPAÑA