fuentes de energía alternativa para telecomunicaciones · dispositivo viene de fábrica con una...
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Fuentes de Energía Alternativa para
TelecomunicacionesMateriales de entrenamiento para instructores
de redes inalámbricas
Metas
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‣ Proporcionar una visión general sobre las partes que integran un sistema solar fotovoltaico para telecomunicaciones
‣ Entender cuáles variables afectan el desempeño de estos sistemas
‣ Examinar brevemente el uso de electrogeneradores eólicos
Sistema fotovoltaico
: )
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Un sistema fotovoltaico básico consta de cinco componentes principales: el sol, el panel solar, el regulador, las baterias, y la carga. Muchos sistemas también incluyen un convertidor de voltaje para permitir el uso de cargas con diferentes demandas de voltaje.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
Un sistema fotovoltaico se basa en la capacidad de ciertos materiales para convertir la energía electromagnética del sol en energía eléctrica. La cantidad total de energía solar que ilumina un área determinada por unidad de tiempo se llama irradianza y se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).
Esta energía normalmente se promedia durante un período de tiempo, así que es frecuente hablar de irradianza total por hora, por día o por mes.
Energía Solar
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El gráfico muestra la irradianza solar (in W/m2), la insolación (irradianza acumulativa) y la luz solar (en minutos):
Irradianza, insolación, y luz solar
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
irradianceinsolationsunlight
hour of the day
[W/m
2 ]
[min
utes
]
800
0
5
Horas de Sol Pico
6
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
hour of the day
[W/m
2 ]
PSH
irradianceequivalent area
Datos reales: irradianza y luz solar
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!
dire
ct s
unlig
ht (
min
utes
)
tota
l sol
ar fl
ux (
W/m
2 )
Algunas organizaciones han producido mapas que incluyen los valores promedio de la insolación global de las diferentes regiones. Estos valores se conocen como horas de sol pico, o HSP (PSHs, en inglés).
Se puede utilizar el valor HSP de cada región para simplificar los cálculos. Una unidad de “sol pico” corresponde a una densidad de potencia de de 1000 vatios por metro cuadrado.
http://www.solar4power.com/solar-power-global-maps.html
http://www.synergyenviron.com/resources/solar_insolation_tool.asp
http://eosweb.larc.nasa.gov
Horas de sol pico
Paneles solares
: )
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El componente más notorio del sistema fotovoltaico lo constituyen los paneles solares.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
Un panel solar está formado por múltiples celdas solares.
Hay muchos tipos de paneles solares:
‣ Monocristalino: caro, el más eficiente
‣ Policristalino: más barato, menos eficiente
‣ Amorfo: el más barato, el menos eficiente, el de vida útil más corta
‣ De película delgada: muy caro, flexible, baja eficiencia, para usos especiales
‣ CIGS: Seleniuro de Galio-Indio- Cobre
Paneles solares
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Paneles solares: curva IV
Cur
rent
(A
)
Voltage (V)
0 10 20 30
8
6
4
2
Irradianza: 1 kW / m2
Temperatura de la célda: 25 C
MPP
VOC
ISC
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Panel solar: curva IV para diferentes valores de irradianza y temperatura
Irradiance: 1kW / m2
Cell Temperature 25C
75C 50C 25C800W / m2
600W / m2
400W / m2
200W / m2
0
2
4
6
8C
urre
nt (A
)
10 20 30
Voltage (V)
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Optimizar el desempeño del panel
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Si se necesita más energía, se pueden unir múltiples paneles solares en paralelo siempre y cuando haya diodos de bloqueo para proteger los paneles de los desequilibrios.
Sistema fotovoltaico
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panel solarcon diodo de bloqueo
cargador solar y regulador
banco de baterías 12V
convertidorDC/DC
carga12V DC
carga24V DC
carga110V AC
inversorDC/DC
solar panelwith block diode
panel solarcon diodo de bloqueo
panel solarsin diodo de bloqueo
diodo de bloqueo
panel solarsin diodo de bloqueo
diodo de bloqueo
Baterías
: )
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Las baterías están en el corazón del sistema fotovoltaico, y determinan el voltaje de trabajo.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
La batería almacena la energía producida por los paneles que no es consumida inmediatamente por la carga. Esta energía almacenada puede ser usada en períodos de baja radiación solar (en la noche o cuando está nublado).
Baterías
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El tipo más común de batería usado en aplicaciones fotovoltaicas son las de plomo-ácido libres de mantenimiento, también llamadas recombinantes o baterías VRLA (Plomo-ácido regulada por válvula −valve regulated lead acid). Estas pertenecen al tipo de ciclo profundo o estacionarias, a menudo usadas como respaldo de energía para comunicaciones telefónicas.
Ellas determinan el voltaje de trabajo de su instalación. Para una mayor eficiencia, cualquier otro dispositivo debe ser diseñado para trabajar al mismo voltaje de las baterías.
Baterías
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Los sistemas fotovoltaicos más autónomos trabajan a 12 o 24 voltios. Preferiblemente, un sistema inalámbrico que funcione con corriente continua (DC) debería operarse a los 12 voltios que proporciona la mayoría de las baterías de plomo ácido.
Un enrutador o AP que acepte 8-20 voltios DC es ideal. La mayoría de los AP baratos tienen incorporado un regulador de voltaje de modo conmutado y aceptan trabajar en un rango muy amplio de voltaje sin necesidad de modificación y sin recalentarse (incluso si el dispositivo viene de fábrica con una fuente de energía de 5 ó 12 Voltios).
Voltaje de operación
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Cómo diseñar un banco de bateríasEl tamaño del banco de baterías va depender de:
‣ la capacidad de almacenamiento requerida
‣ la tasa de descarga máxima
‣ la temperatura de almacenamiento de las baterías (sólo las de plomo ácido).
‣ La capacidad de almacenamiento de la batería (cantidad de energía eléctrica que puede retener) se expresa normalmente en amperios-hora (Ah).
‣ Un banco de baterías en un sistema PV debería tener la suficiente capacidad de proporcionar la energía que se necesite en el periodo nublado más largo previsto.
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El regulador
: )
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El regulador es la interfaz entre los paneles solares y la batería, y puede a menudo proporcionar energía para cargas DC moderadas.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
El regulador
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‣ Sobrecarga: ocurre cuando la batería llega al límite de su capacidad. Si se sigue inyectando energía más allá del punto de carga máxima, el electrolito comienza a descomponerse. Esto produce burbujas de oxígeno e hidrógeno, pérdida de agua, oxidación en el electrodo positivo y, en casos extremos, hay peligro de explosión.
Monitorizar el estado de la carga
Hay dos estados especiales de la carga que pueden presentarse durante los ciclos de carga y descarga de la batería. Ambos deben evitarse para preservar su vida útil.
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‣ Sobredescarga: ocurre cuando hay demanda de la carga en una batería descargada. Descargar una batería más allá del límite recomendado por el fabricante puede producir daño en la batería. Cuando la batería cae por debajo del voltaje que corresponde a un 50% de descarga, el regulador impide que se extraiga más energía de la batería.
‣ Los valores apropiados para prevenir las sobrecargas y sobredescargas deberían programarse en el controlador de carga para que coincidan con los requisitos de su banco de baterías.
Monitorizar el estado de carga
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Las baterías de plomo-ácido se degradan pronto si se descargan completamente. Una batería de camión va a perder un 50% de su capacidad nominal en 50 -100 ciclos si se carga y descarga completamente durante cada ciclo.
Nunca descargue una batería de plomo-ácido de12 voltios por debajo de los 11.6 voltios porque acortaría significativamente la vida útil de la misma. En uso cíclico, no se aconseja descargar una batería de camión por debajo del 70%. Mantener la carga en un 80% o más, va a aumentar considerablemente la vida útil de la batería. P. ej. , una batería de camión de 170 Ah tiene una capacidad de uso de sólo 34 - 51 Ah.
Maximizar la vida de la batería
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Convertidores de voltaje
: )
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Un inversor cambia DC en AC, normalmente a 110V ó 220V. Un convertidor DC/DC cambia el voltaje DC de entrada en el valor deseado.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
La electricidad provista por el regulador es DC a un voltaje fijo. El voltaje proporcionado podría no ajustarse a los requisitos de la carga. Un convertidor continua/alterna (DC/AC), también conocido como inversor, convierte la corriente DC de la batería en AC. Esto tiene el precio de perder energía en la conversión.
Inversores DC/AC
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Si es necesario, se puede usar un convertidor para obtener DC a niveles de voltaje diferentes a los proporcionados por las baterías. Los convertidores DC/DC también hacen perder energía en la conversión. Para un funcionamiento óptimo, se debería diseñar el sistema fotovoltaico de manera que genere un voltaje que se ajuste lo más posible a los requisitos de la carga.
Convertidores DC/DC
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La carga
: )
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Satisfacer las necesiades de la carga constituye el verdadero motivo del sistema fotovoltaico.
regulador
paneles solares
carga DC
inversor carga AC
conversorDC/DC
carga DC+
-
+
-
+
-
+
-
banco de baterias
La carga es el equipo que va a consumir la energía generada por el sistema fotovoltaico.
La carga se expresa en vatios:
watts = volts × amperes
Si el voltaje está ya definido, la carga puede expresarse a veces en amperios.
La carga
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La forma más fácil de medir cuánta energía requiere la carga, es usar una fuente de alimentación de laboratorio dotada de voltímetro y amperímetro. . Se puede graduar el voltaje y ver cuánta corriente está consumiendo un dispositivo a diferentes voltajes.
Si no tenemos una de estas fuentes, la medición puede hacerse usando la fuente que viene con el dispositivo. Despegue un cable que vaya a la entrada DC del dispositivo e inserte un amperímetro.
Consumo de energía
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La cantidad de energía consumida puede calcularse con la fórmula:
Consumo de energía
P = V × I
P es la energía en vatios, V is voltaje in voltios, e I es la corriente en amperios.
Por ejemplo:
6 vatios = 12 voltios × 0.5 amperios
Si este dispositivo funciona durante una hora, va a consumir 6 vatios/hora (Wh), ó 0.5 amperios/hours (Ah) a 12V. Entonces, el dispositivo va a consumir 144 Wh ó 12 Ah por día.
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Un generador eólico es una opción para un sistema autónomo instalado en un cerro o montaña.
Energía eólica
La velocidad promedio del viento en un año debería ser de al menos 3-4 metros por segundo.
Ojo: ubique el generador lo más alto posible
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Energía eólica
La máxima energía eólica disponible está dada por:
donde v es en m/s, y la densidad del aire es de 1.225 kg/m3.Esto corresponde al aire seco, a presión atmosférica estándar, al nivel del mar, y a temperatura de 15 Celsius.
La eficiencia de los generadores eólicos se ubica entre el 20 y el 40%
P = 0.5 * 1.225 * v3 [W/m2]
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‣ Electrónica integrada: regulación de voltaje, seguimiento de potencia pico y frenado electrónico.
‣ Las aspas de fibra de carbón son muy livianas y resistentes.
‣ Los generadores eólicos pueden usarse en combinación con paneles solares para acumular energía incluso de noche.
Generadores eólicos
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Un generador eólico barato puede construirse con un alternador de automóvil conectado a un aspa
adecuada.
De todas maneras, se necesitan un regulador de voltaje y una batería.!Siga las instrucciones de seguridad para este tipo de cosntrucciones!
Conclusiones
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‣ Las energías solar y eólica son medios viables de producir energía alternativa
‣ Se necesitan baterías para almacenar energía y reguladores de carga adecuados.
‣ Estos últimos también son útiles donde haya energía de red pero que no sea confiable.
‣ Los sistemas fotovoltaicos son caros, así que conviene hacer un cálculo cuidadoso de los requisitos mínimos.
‣ Evite el uso de inversores de tensión.
Para más detalles sobre los tópicos presentados en esta charla, vaya al libro Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo, de descarga gratuita en varios idiomas en:
http://wndw.net/
Gracias por su atención
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