Corriente pico del arreglo Amps = Amp-Hrs /dia

Introducción
Energía:
La energía esta relacionada con la idea de una capacidad para obrar,
transformar o poner en movimiento. En física, la energía se define como la
capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, energía se refiere a
un recurso natural.
Electricidad:
La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas.
La podemos observar en una amplia gama de fenómenos que se producen casi en
todo lo que nos rodea. Desde un rayo en el cielo hasta el encendido de un foco.
Desde lo que mantiene unidos a los átomos de las moléculas hasta los impulsos
que se propagan por tu sistema nervioso, en pocas palabras la electricidad está en
todas partes. El control de la electricidad es la base de los aparatos electrónicos de
hoy en día, desde un horno de microondas hasta una computadora.
Cargas eléctricas:
Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las
partículas con carga positiva protones, y las de carga negativa, electrones. La
fuerza de atracción entre esas partículas hace que se agrupen unidades
increíblemente pequeñas, los átomos. (Los átomos también contienen partículas
neutras llamadas neutrones). Cuando un átomo gana o pierde un electrón, queda
cargado eléctricamente.
Voltaje:
También conocido como potencial eléctrico. Un objeto tiene energía
potencial gravitacional debido a su ubicación en un campo gravitacional.
Asimismo, un objeto con carga tiene energía potencial eléctrica gracias a su lugar
en un campo eléctrico. Al igual que se requiere trabajo para levantar un objeto
masivo contra el campo gravitacional de la Tierra, se requiere trabajo para mover
una partícula cargada contra el campo eléctrico de un cuerpo cargado. Ese trabajo
cambia la energía potencial eléctrica de la partícula cargada.
A la energía que posee la partícula en virtud de su ubicación en un campo eléctrico
se le llama energía potencial eléctrica o voltaje.
La diferencia de potencial eléctrico es la causa del flujo de electrones o corriente
eléctrica. El voltaje es una analogía a la diferencia de presión que exista entre dos
recipientes de agua conectados por una tubería, mientras exista una diferencia de
presión entre los dos recipientes, existirá un flujo de agua hasta que la diferencia
sea igual a cero. Es por eso que si medimos el voltaje en un cable respecto a este
mismo, el voltaje siempre es cero, ya que no existe una diferencia de potencial en
un mismo cable, así como no existe una diferencia de presión un mismo recipiente
de agua. En pocas palabras, no existe un flujo de electrones, si no hay una
diferencia de potencial eléctrico.
Corriente Eléctrica:
La corriente eléctrica se debe a un movimiento de los electrones en el
interior del material. Así como una corriente de agua es el flujo de moléculas de
H20, la corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica. En circuitos de alambres
conductores metálicos, los electrones forman el flujo de la carga. Es porque uno o
más electrones de cada átomo del metal tienen libertad de movimiento por toda la
red de átomos. Esos portadores de carga se llaman electrones de conducción.
La tasa del flujo eléctrico se mide en amperes. Un ampere es una tasa de flujo igual
a un coulomb de carga por segundo. (Un coulomb es la unidad normal de la carga, y
es la carga eléctrica de 6.25 millones de billones de electrones.)
Resistencia Eléctrica:
Se denomina resistencia eléctrica a la dificultad u oposición que presenta un
cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. Sabemos que
una batería es el impulsor y fuente de voltaje en un circuito eléctrico. (Algo así
como un motor en el caso de un sistema mecánico.) La corriente que se maneje no
sólo depende de su voltaje, sino también de la resistencia eléctrica que ofrece un
conductor al paso de la carga. Eso se parece a la tasa del flujo de agua en un tubo,
que depende no sólo de la diferencia de presión entre los extremos del tubo, sino
también de la resistencia que presenta el tubo mismo. Un tubo corto presenta
menos resistencia al flujo del agua que uno largo: cuanto mayor sea el diámetro del
tubo, su resistencia será menor. Es igual con la resistencia de los conductores por
los que fluye la corriente. La resistencia de un alambre depende de su grosor y su
longitud, así como de su conductividad. Los alambres gruesos tienen menos
resistencia que los delgados. Los alambres más largos tienen más resistencia que
los más cortos. Para la mayoría de los conductores, mayor temperatura equivale a
mayor resistencia. La resistencia de algunos materiales llega a ser cero a muy bajas
temperaturas, este tipo de materiales se les conoce como superconductores.
La resistencia eléctrica se expresa en unidades llamadas ohms.
Ley de Ohm:
La relación entre voltaje, corriente y resistencia se resume en un enunciado
llamado ley de ohm. Ohm descubrió que la corriente en un circuito es directamente
proporcional al voltaje a través del circuito, y es inversamente proporcional a la
resistencia del circuito.
Corriente = Voltaje/Resistencia
Entonces, para un circuito dado de resistencia constante, la corriente y el voltaje
son proporcionales entre sí. Eso quiere decir que el voltaje doble produce
corriente doble. Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la corriente. Pero si en un
circuito se eleva la resistencia al doble, la corriente bajará a la mitad. A mayor
resistencia, la corriente será menor.
¿Qué causa el choque eléctrico en el cuerpo humano, la corriente o el voltaje? Los
efectos dañinos del choque son causados por la corriente que pasa por el
organismo. De acuerdo a la ley de Ohm se puede ver que esa corriente depende del
voltaje que se aplique, y también de la resistencia eléctrica del cuerpo humano. La
resistencia del organismo depende de su condición, y va desde 100 ohms si está
empapado con agua salina, hasta unos 500,000 ohms si la piel está muy seca.
Corriente directa y corriente alterna:
La corriente eléctrica puede ser corriente directa o corriente alterna. La DC
es corriente directa, que es el flujo de cargas en una dirección. Una batería produce
corriente directa en un circuito, porque sus terminales tienen siempre el mismo
signo: la terminal positiva siempre es positiva y la terminal negativa siempre es
negativa. Los electrones fluyen de la terminal negativa, que los repele, hacia la
terminal positiva, que los atrae, y siempre se mueven por el circuito en la misma
dirección. Aun cuando la corriente se haga en impulsos desiguales, mientras los
electrones se muevan en una sola dirección será DC.
La corriente alterna es lo que su nombre implica. Los electrones en el circuito se
mueven primero en una dirección, y después en dirección contraria, alternando de
aquí para allá con respecto a posiciones relativamente fijas. Esto se hace
alternando la polaridad del voltaje generador. En México casi todos los circuitos
comerciales de AC implican voltajes y corrientes que alternan a una frecuencia de
60 ciclos por segundo. Es corriente con frecuencia de 60 Hz.
Energías Renovables
La energía renovable se puede definir como la energía obtenida de fuentes
continuas o corrientes de energía recurrentes en la naturaleza. También como
flujos de energía que se renuevan al mismo tiempo que se utilizan.
Este manual se enfoca en la energía solar y en el aprovechamiento de su energía
mediante celdas fotovoltaicas.
Existen diversas tecnologías utilizadas para el aprovechamiento de la energía
solar.
Tipos:
Hay muchos tipos de energía renovable, pero en este caso solo nos vamos a
enfocar en la energía solar.
Energía Solar (Usos indirectos):
La radiación solar se puede convertir en energía útil indirectamente, por
medio de otros tipos de energías. El océano de nuestro planeta absorbe un gran
porcentaje de la radiación que le llega a la tierra. Esta radiación calienta el agua y
la evapora. El vapor de agua se condensa y se forman nubes, las nubes alimentan a
los ríos de agua, la energía del agua fluyendo en estos ríos se puede aprovechar por
medio de turbinas que producen energía eléctrica.
Energía Solar (Usos directos):
Por medio de calentadores solares, la energía solar es absorbida para
calentar un espacio o algún fluido. Algunos edificios hoy en día están diseñados con
esto en mente, aprovechando su posición calentando ciertos espacios con energía
solar.
Otra tecnología que existe para el aprovechamiento de la energía solar
directamente son los concentradores solares, los cuales, por medio de espejos
concentran la energía solar logrando un calor intenso para producir energía
eléctrica.
La energía solar se puede convertir directamente en energía eléctrica por medio de
celdas fotovoltaicas también conocidas como paneles solares.
Los paneles fotovoltaicos están formados por numerosas celdas que convierten la
luz en electricidad. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico para transformar
la energía del Sol y hacer que una corriente pase entre dos placas con cargas
eléctricas opuestas.
En este manual veremos que es lo que se debe tomar en cuenta para escoger los
paneles solares adecuados a la aplicación, costos y tecnologías necesarias para su
implementación.
¿Cómo escoger un panel solar?
Lo más importante es conocer bien el sistema donde se van a implementar.
Conocer precisamente la carga total, las horas de uso, la potencia pico y el tiempo
de autonomía (horas de energía sin la alimentación de CFE o Luz y Fuerza)
dependiendo de la configuración que se escoja para la aplicación.
Principalmente existen 4 factores relacionados para escoger paneles solares
adecuados.
1. Costo:
El costo está directamente ligado al tamaño y durabilidad de los paneles
solares. Es muy importante cuidar este factor, ya que no tiene sentido
escoger un panel solar que no sea una inversión rentable.
2. Tamaño:
El tamaño del panel generalmente es determinado por la potencia que este
puede dar (watts). La potencia también está ligada al tipo de panel. Un
panel de 50 watts mide aproximadamente 2 pies cuadrados.
3. Durabilidad:
La durabilidad está íntimamente ligada a los tipos de paneles solares, sin
embargo enmarcar los paneles hace una gran diferencia en la vida de estos.
Principalmente se utiliza aluminio para enmarcarlos, ya que es ligero y
robusto.
4. Tipo
El tipo de panel solar, ya sea de un solo cristal, policristalino o de película
delgada, depende de la aplicación. Los paneles solares utilizados para
alimentar una casa o un grupo de casas, no son los mismos que los que se
requieren en una aplicación industrial (fábrica).
Recolección de Cargas:
Conociendo estos 4 factores, es claro que lo primero que se debe hacer, es
hacer un estudio y recolección de cargas del lugar donde se van a
implementar los paneles solares. Conforme se va haciendo la recolección es
importante analizar los equipos para ver si existe una tecnología actual más
eficiente (siempre y cuando el costo no sea muy elevado).
El levantamiento de cargas es un proceso que nos sirve para poder obtener un
promedio de la cantidad de energía que utilizamos diariamente.
En la primera columna tenemos el lugar del que se esta haciendo el levantamiento
de las cargas.
En la segunda columna tenemos el elemento del que se va a tomar la carga.
Después tenemos la cantidad de elementos que se están considerando.
También tenemos el voltaje y los amperes que consume cada elemento. Pero
normalmente el consumo de energía esta dado en Watts.
Los Watts totales se obtienen de la multiplicación del número de elementos por la
cantidad de energía que utilizan.
También hay que considerar el tiempo que utilizamos cada elemento, para que así
podamos obtener el promedio de WHr/día a la semana.
Suma del consumo de
todas las cargas.
Para nosotros este es el
dato más importante.
Paneles Solares:
Una vez obtenida la recolección de cargas, nos debemos enfocar en el tipo
de panel solar, ya que el resto de los factores están ligados a este.
Los paneles solares están hechos de células. Una célula solar tiene forma circular
con aproximadamente 2.5 pulgadas de diámetro, están organizadas en renglones y
columnas a lo largo del panel solar. Hay diversos tipos de células solares cada uno
dividido en subcategorías. Los tipos de células solares más comunes son los
siguientes:
1.
Células solares de un sólo cristal de silicio: Son muy utilizadas, ya
que tienen una alta eficiencia, pero son las mas costosas, son las
responsables de que se considere este tipo de energía renovable muy
costosa.
2.
Células solares policristalinas: Son más baratas que las células de un
sólo cristal, pero no tienen una eficiencia tan buena, (pero no es mala) al
convertir la energía solar en eléctrica.
3.
Tecnología de película delgada: Tienen una gran ventaja, son mucho
más fáciles de producir en masa, por lo tanto su costo es menor. Su
durabilidad es cuestionable, no duran tanto como las de cristales de silicio y
son mucho menos eficientes.
Banco de baterías:
Para poder llevar a cabo el análisis para el banco de baterías es necesario
ver las especificaciones del tipo de batería que hemos elegido. Al entrar a la página
de internet de algun proveedor de baterías es necesario sacar la información que
se encuentra en la imagen a continuación.
Para la implementación del sistema fotovoltáico de la universidad Ayuuk,
decidimos utilizar la batería PVX –2120 L. Estás son las baterías utilizadas en
Radio Ibero de la Universidad Iberoamericana en la ciudad de México. Cumplen
con el requisito de demanda eléctrica, generalmente se utilizan para el respaldo de
sistemas fotovoltáicos, son de plomo- ácido por lo que son de recarga. (El precio
está en el promedio del precio de las baterías en el mercado). Los datos que son
importantes están circulados con azul claro.
A continuación explicaremos como calculamos las variables mostradas en la figura
de arriba.
Whrs/dia Promedio = La energía que recibimos de los paneles solares es
corriente directa por lo que es necesario de un inversor para convertir CD en CA.
La eficiencia del inversor es de un 90%. Por lo que dividimos los (Whrs/dia (AC)
Promedio / Eficiencia del inversor.) + Whrs/dia (DC) Promedio
Necesitamos de un banco de baterías que alimenten 39,000 W.
Amp-Hrs /dia Promedio = Whrs/dia Promedio / Voltaje del banco de
baterías Como se mencionó antes para conseguir un mayor voltaje, se deberán
colocar 4 baterías en serie. 812.5 Amp.
Total Amps- Hrs requeridos = (Amp – Hrs /dia promedio * Días de
autonomía ) / límite de descarga. 2,321.4 Amp.
Baterías en Paralelo = Total Amps- Hrs requeridos / Capacidad de la
batería Amps-Hrs. (La capacidad se obtuvo de las especificaciones de
fábrica). 11 Baterías en paralelo
Si se toma en cuenta que son necesarias 11 baterías en paralelo y 4 baterías en
serie, serían 44 baterías en total.
Horas uso baterias Hrs/dia. Se estima que las baterías estarán en uso por 12
Hrs.
Ahora explicaremos el porque escogimos los siguientes paneles solares. Con la
información específica calcularemos Corriente Pico Baterías Amps.
Paneles Solares:
Para comenzar es necesario ubicar las siguientes especificaciones en la hoja
técnica del panel (módulo)
Amp-Hrs /dia Promedio = El valor se obtiene de la tabla de Banco de Baterías
que analizamos anteriormente.
Eficiencia de la batería = El valor se obtiene de las especificaciones Generales.
Horas pico de Sol Hrs/dia = Tiempo estimado en el que los paneles solares
podrán funcionar en el día.
Corriente pico del arreglo Amps = Amp-Hrs /dia Promedio / Eficiencia de la
batería / Horas pico de Sol Hrs/dia.
Corriente pico del módulo Amps/module = El dato se obtiene de las
especificaciones Generales.
Módulos en Paralelo = Corriente pico del arreglo Amps / Corriente pico del
módulo Amps/module.
Voltaje del sistema DC = El valor se obtiene de las especificaciones Generales.
Voltaje nominal del módulo = El valor se obtiene de las especificaciones
Generales.
Potencia nominal del módulo = El valor se obtiene de las especificaciones
Generales.
Módulos en serie = Ya que el voltaje nominal del módulo es mayor que el voltaje
del sistema en DC, no es necesario colocar módulos en serie para aumentar el
voltaje, ya que 1 módulo abastece el suficiente voltaje.
Total de módulos = Se multiplica el total de Módulos en Paralelo * Módulos en
Serie.
Potencia nominal del arreglo (Watts) = Se multiplica la Potencia Nominal de
Módulo * Total de Módulos.
Energía nominal en horas pico de sol del arreglo WHrs = Se multiplica el
número de horas que los paneles solares funcionan de día * Potencia nominal del
arreglo.
Corriente max. pico (mpp) del arreglo Amps = Corriente pico del módulo *
Total de módulos.
Potencia max. (mpp) del Arreglo (Watts) = Corriente max. Pico (mpp ) del
arreglo * Voltaje nominal del módulo.
Energia max. (mpp) en horas pico de sol del arreglo WHrs = Se multiplica la
potencia max * número de horas.
Energia utilizada en horas pico de sol del arreglo WHrs = Se multiplica la
Corriente max. pico (mpp) del arreglo Amps * Voltaje sistema DC * Horas pico de
Sol.
Es necesario ahora definir un Inversor para poder convertir la corriente directa
que los paneles generan en corriente alterna.
La potencia max que el arreglo puede producir es de 7,417 W.
Inversor:
Para elegir el inversor es necesario volver a analizar la tabla de “ANÁLISIS DE
CARGAS AL SISTEMA FOTOVOLTÁICO” en el campo de WATTS TOTAL
observamos que el total es de 9,500 W.
También sabemos que el Voltaje del banco de baterías es de 48 V.
Por lo que elegiremos un inversor de 3 kW con 48 V.
Y para satisfacer los 9,500 W. de WATTS TOTAL necesitaremos 2.
Esta es la tabla final donde se insertan la cantidad total de todo lo que fue
utilizada calculando su precio en dólar (cuando calculamos los costos el dólar se
consideró en $13.00 pesos) lo que daba un total de alrededor de 1.2 Millones de
pesos.
Ahorro de Energía:
Hemos estudiado los conceptos de energía. Es importante entender que
además de buscar formas alternativas de energía, también debemos de ahorrar
energía.
A continuación se presenta una lista de medidas básicas para ahorrar energía:
1) Usar conectores múltiples, así se pueden apagar todos los aparatos al mismo
tiempo y se previene que estos consuman energía en modo de espera.
2) Secar los platos al aire libre.
3) Lavar la ropa de la lavadora en agua fría.
4) Usar focos fluorescentes compactos.
5) Tomar duchas cortas ya que el agua que se calienta para las duchas gasta mucha
energía.
6) Mantener la temperatura del refrigerador entre 3 y 6 grados del congelador
entre -31 y -26 grados.
7) Mantener llenos el refrigerador y congelador ya que gasta menos energía, se
puede llenar este espacio con jarras de agua en la parte de atrás del congelador y
refrigerador.
8) Limpiar la bobina del condensador del refrigerador ya esta puede acumular
polvo y bajar la eficiencia del aparato. Las bobinas se encuentran en la parte
trasera inferior de la mayoría de los modelos.
9) Verificar que las puertas del refrigerador cierren bien y se queden cerradas.
Verificar que el sello de la puerta no tenga hoyos ni aberturas.
10) Abrir la puerta del refrigerador lo menos posible.
11) Permitir que la comida se enfríe antes de meterla al refrigerador.
12) Siempre tapar todos los recipientes de comida ya que la humedad que escapa
de la comida destapada hace que el condensador del refrigerador trabaje más.
13) Descongelar la comida en el refrigerador 24 horas antes de necesitarla. Esto
permite que se enfríe el refrigerador mientras se descongela la comida.
14) Escoger el sartén de acuerdo con la cantidad de comida que se vaya a calentar.
15) No usar muchos aparatos al mismo tiempo, la suma de la energía consumida
por estos al mismo tiempo es mucho mayor que de uno en uno.
16) Mantener limpios los filtros del aire acondicionado, estos se deben de limpiar
por lo menos una vez al mes.
17) Mantener el flujo del aire sin obstrucciones alrededor de ventilas y filtros.
18) Mantener las puertas cerradas en los cuartos con aire acondicionado.
19) Instalar un ventilador de techo ya que esto ayuda a mover el aire alrededor de
la casa y mantenerla más fría además de que este tipo de ventilador gasta menos
energía que el convencional de piso.
20) Abrir las ventanas en la noche así tomamos ventaja del aire mas fresco de la
noche
21) Plantar árboles de sombra alrededor de la casa ya que estos absorben en calor
radiante antes de que el sol caliente la casa .
22) Mantener las cortinas cerradas cuando hace frío, estas actúan como un aislante
adicional y mantienen el calor dentro.
23) Apagar la luz cuando no es necesaria.
24) Limpiar los focos ya que la suciedad puede disminuir la emisión de luz hasta
un 10 %.
25) Solo usar el número necesario de focos necesario para iluminar una área.
26) Permitir que la mayor cantidad de luz entre en la casa, esto evita usar
electricidad.
27) Pintar y decorar en colores claros ya que estos reflejan la luz y hacen que se
necesite menos luz eléctrica.
28) Usar luz especifica para cada trabajo sin utilizar las demás luces.
31) Poner protectores bajo las puertas para evitar que el calor o el frío se escapen.
32) Resanar las fisuras en la pared ya que escapa mucho calor o frío por ahí.
34) Aislar doblemente las ventanas con algún plástico grueso durante tormentas
por ejemplo con un aislante para ventanas.
MANUAL DE ENERGÍA Y
CÁLCULO DE UN SISTEMA
FOTOVOLTÁICO.