Docencia estratégica: un detalle de los componentes de un

16 de abril de 2015 | Energías renovables
Docencia estratégica: un detalle de los
componentes de un sistema solar
fotovoltaico
Este artículo, así como los tres que le sucederán, llevan un solo propósito:
familiarizar al lector con las partes (bloques funcionales) que integran un
sistema Fotovoltaico (FV) independiente (no conectado a la red) de uso
nocturno. La importancia de la difusión de las energías renovables.
Por Gastón Fenés
gaston.fenes@energiaestrategica.com
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Maqueta de un sistema solar fotovoltaico.
El Ing. Hector L Gasquet reside actualmente en Estados Unidos. Se fue de Argentina hace
muchos años, cuando las energías renovables no existían en nuestro país. Tiene 85 y conoce
en detalle el funcionamiento de los sistemas solares fotovoltaicos. En una columna para Energía
Estratégica, el experto hace docencia.
Por el Ing. Hector L Gasquet
Al efecto comenzaré presentando los bloques eléctricos que lo integran, para pasar, en futuros
artículos, a la descripción más detallada de los mismos. El autor cree que este conocimiento
básico es fundamental para poder entender la importancia de los cambios tecnológicos que se
dan a conocer en esta publicación o en la internet.
Conocimientos básicos (no asustarse)
Para no interrumpir el escrito con demasiadas disgreciones, comenzaré asumiendo que el lector
necesita conocer el significado de la terminología eléctrica que me veo obligado a usar. A
continuación definiré las más importantes.
Circuito eléctrico (cerrado)
Es el paso (camino) que recorre la corriente eléctrica, saliendo del polo positivo del generador,
siguiendo el cableado, para regresar a su polo negativo y, por último, por dentro del generador
hasta alcanzar el punto de partida.
Corto circuito
Se produce cuando el paso de la corriente, en forma accidental, se vé “acortado” a la salida del
generador (o banco de acumulación), cuando se conectan directamente los dos polos de salida,
evitando que la corriente pase por la carga. Teóricamente el valor de la resistencia eléctrica es
nulo y, por la ley de Ohm (a continuación) la corriente alcanza un valor infinito. En la práctica la
corriente de cortocircuito es extremadamente elevada, y, por lo tanto, destructiva.
Corriente Continua (CC)
Es la que circula en un circuito cuando el generador no cambia su polaridad con el tiempo. Lo
opuesto es la corriente alternada (CA), la que cambia de polaridad varias veces por segundo
(50 veces en el sistema argentino).
Potencia eléctrica
Su valor, dado en Watts (W), representa la “rapidez de consumo” de la energía eléctrica.
Energía eléctrica
Su valor, dado en Watts.horas (W.h), o múltiplos de esta cantidad, como el KiloWatt.hora (KW.h
= 1.000 W.h) representa el valor energético que se va a consumir (o producir).
Pérdidas óhmicas
La electricidad se manifiesta en forma de una corriente eléctrica, medida en Amperes (A), la que
se establece en un circuito cuando se aplica una diferencia de voltaje, la que se mide en Volts
(V). La corriente circula en los conductores (cables), los que siempre ofrecen una resistencia a
su paso, la resistencia óhmica (R), la que se mide en Ohms ().
Las leyes físicas que gobiernan los circuitos eléctricos muestran que parte de la energía que
entrega un generador se pierde, en forma de calor, debido a la resistencia óhmica (R). Su valor
es P (W) = R x I2. Es importante que el lector note que el valor predominante es el de la corriente
(al cuadrado).
Inter-relación entre valores (Ley de Ohm)
El voltaje (V), la corriente (I) y la resistencia (R) están inter-relacionados por la llamada Ley de
Ohm, la que establece que V = R x I. El lector debe interpretar esta simple fórmula como: “Si
conozco dos de los tres valores, el tercero estará dado por la relación llamada Ley de Ohm”. Es
decir que: V/I = R; I = V/R resultan otras formas de la misma ley.
Carga
Este término se emplea para identificar un componente en el circuito que consume energía
eléctrica.
Ejemplos: una luz que se enciende representa una carga eléctrica, lo mismo que encender un
TV, activar un motor eléctrico o cualquier otro aparato eléctrico.
Circuito eléctrico
La Figura 1 muestra un circuito eléctrico típico para un sistema FV independiente de uso
nocturno. He separado con líneas en puntos los diferentes bloques funcionales que lo integran
para facilitar mi explicación. El circuito ilustrado muestra solamente los componentes mínimos.
Figura 1.- Diagrama en bloques funcionales
Bloque Generador
El panel (o paneles) FVs (1) forman el bloque generador. La misión de este bloque es proveer
suficiente energía, durante las horas en que el sol los ilumina, para satisfacer no sólo los
requerimientos nocturnos de la carga, pero, además, compensar por las pérdidas energéticas
que ocurren al circular la corriente, las asociadas con la carga y descarga del banco de
generación y un porcentaje de exceso para compensar, parcialmente, la desventaja de los días
nublados.
Los paneles tienen un marco metálico y cubiertas en ambos lados (la superior transparente, la
posterior metálica) que les dan un mínimo de rigidez mecánica, pero necesitan de un sostén
para poder resistir los vientos o, en climas muy fríos, evitar que la nieve los cubra.
Para salvaguadar los paneles de los rayos siempre se utiliza una descarga a tierra, la que se
conecta a la parte metálica del panel (o sostén, si éste es metálico). En el esquema de la Figura
1, esta conección está identificada por el número 2.
Bloque de Acumulación
Dos componentes están siempre presentes: el Control de Carga (CdC) y el Banco de
Acumulación (BdA), identificados en la Figura 1 por los números 3 y 4, respectivamente. En
algunos sistemas el CdC puede que esté físicamente cerca del bloque generador, pero en
general, el CdC suele estar cerca del BdA, lo que facilita la posibilidad de ofrecer protección
ambiental a ambos componentes. Los CdC modernos ofrecen, mediante el uso de
microprocesadores, la posibilidad de optimizar la carga del BdA.
Un cortocircuito a la salida del BdA dañaría los acumuladores y es muy peligroso (posibilidad
de explosión) y por ello se incorpora un fusible de alta corriente (fusible de baterías) el que, al
fundirse debido al calor generado en el mismo, “abre” el circuito, cortando la circulación de
corriente. Este elemento es el que lleva el número 5 en la Figura 1.
Dada la importancia de conocer el Estado de Carga (EdC) del banco de acumulación, suele
incorporarse al circuito un monitor de carga. Originalmente, éste era un componente auxiliar,
pero los CdC modernos incorporan la capacidad de monitoreo como parte integrante de los
mismos.
El Bloque de Carga (BdC) en sistemas del tipo que describo, representa el consumo dentro de
la casa-habitación. Observe el lector que los cables de alimentación del polo positivo terminan
en una caja de entrada, la que se caracteriza por tener varios fusibles (No 7). Esto permite dividir
la corriente total en secciones.
Esta división tiene dos ventajas. Un cortocircuito provocado por un componente no afecta al
resto de la carga, de manera que si el TV sufre un desperfecto que aumenta anormalmente su
consumo, sólo el fusible asociado con ese circuito se verá afectado, y, por lo tanto, las luces de
otros cuartos permanecerán activas. La otra es que al dividirse el consumo total pueden
utilizarse cables conductores de menor diámetro (menor corriente por circuito) los que son más
baratos y más fáciles de instalar.
La caja de entrada debe ser conectada a tierra, así como el negativo de alimentación, por
razones de seguridad. Esto evita diferencias de voltaje entre el usuario y el aparato eléctrico
con el que entre en contacto. Esta toma de tierra, en la Figura 1, lleva el número 8.
Por último, existe un componente que no aparece como un bloque en particular porque está
distribuído en todo el sistema. Este componente es el cableado, el que conecta los bloques
entre sí, los acumuladores de reserva (cuando se usan más de uno), o distribuyen la corriente
a las secciones que alimentan las cargas dentro del hogar. Su selección determina las pérdidas
óhmicas y la capacidad de obtener el mejor voltaje de carga para el BdA o los componentes que
integran la carga.
Ing. Hector L. Gasquet
17 de abril de 2015 | Energía solar
Segunda clase sobre sistemas
fotovoltaicos: usos y funciones del
generador
En esta nota podrás encontrar un análisis sobre el funcionamiento de los
sistemas solares fotovoltaicos. Luego de explicar sobre los componentes
esenciales, Héctor Gasquet, se propone analiza el rol de los generadores.
Docencia estratégica, clase 2.
Por Héctor Gasquet
hector1931@austin.rr.com
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Sistema de generación de energía solar fotovoltaica.
Tipo de celdas usadas
Casi con exclusividad, debido al alto rendimiento (comparable con las celdas cristalinas) y más
bajo costo, los paneles FVs utilizan las llamadas celdas policristalinas, las que tienen un brillo
más opaco que las cristalinas. Los paneles modernos pueden resistir heladas, granizo y
condiciones atmosféricas extremas sin mayores problemas. Los fabricantes suelen dar
garantías de 20 años para los mismos. Existe una degradación inicial durante el primer año de
uso, de alrededor del 1 al 1,5%, pero luego de este período el panel se estabiliza. A no ser que
se usen en zonas extremadamente polvorientas, sin lluvias frecuentes, no requieren limpieza
de su superficie colectora.
Insulación
El “combustible” usado por los paneles FVs proviene de la energía solar. Este valor energético
se mide en KWh/día/m2, para un determinado ángulo de inclinación (respecto a la horizontal). A
este valor se lo conoce como la insulación del lugar, el que varía durante el día, con las
estaciones, así como con el ángulo de inclinación.
Día Solar Equivalente
Estas variaciones hacen imposible llevar a cabo el cálculo de cuánta energía puede generar un
dado panel. Por eso se hizo necesario recurrir a un valor “equivalente”, al que se conoce
comoDía Solar Equivalente (DSE). Su concepto es fácil de entender con un ejemplo.
Supongamos que en un lugar se mide, durante un largo período de tiempo, la radiación solar
(directa y reflejada) para una superficie de 1 m2, para un ángulo de inclinación fijo, durante una
de las estaciones del año (verano, primavera, etc). Las mediciones son llevadas a cabo por
años (10 mínimo), de manera que este valor representa un buen promedio. Si en nuestro
ejemplo asumimos un valor promedio de 6 KWh/día/m2, con un ángulo de inclinación igual al de
la latitud del lugar, durante el verano, este valor es el mismo que se obtiene asumiendo una
irradiación solar (constante) de 1KW durante 6 horas, para la inclinación y estación elegida.
Este último valor representa la duración del DSE para ese lugar, para esa inclinación, y esa
época del año.
El valor de potencia solar irradiada de 1KW representa 1 SOL. La información sobre la
insulación en un lugar de la Tierra se reduce a dar el valor promedio del DSE. Si Ud usa un
panel de 100 W de potencia en esa locación, en principio, podría obtener, durante un día de
verano, una energía diaria de 600 Wh, si la inclinación es la misma.
Normas de evaluación para paneles FVs (STC)
Todos los fabricantes evalúan sus paneles siguiendo una norma común (STC), lo que permite
al consumidor comparar diferentes unidades. Las condiciones usadas en esta norma son:
1. Radiación solar igual a 1 SOL,
2. Espectro luminoso (absorción de energía dentro de la atmósfera) correspondiente a un sol
que tenga una posición de 48º* con respecto a la posición máxima (zenit),
3. Brisa de 1m/seg (3,6 Km/h), y
4. Temperatura de trabajo de 25ºC.
Estas condiciones de medida no reflejan las condiciones “reales” de trabajo, ya que la inclinación
del panel necesaria para obtener el mejor compromiso entre el verano (días largos) y el invierno
(días cortos) aumenta al alejarse el sistema de la línea Ecuatorial. En particular, salvo en climas
muy fríos, el panel FV siempre trabaja a major temperatura que los 25ºC usados en la
evaluación. El valor asumido para la brisa suele diferir substancialmente. Más adelante indicaré
como introducir un factor de corrección (coeficiente de degradación).
Sostén de paneles
Los sostenes de paneles no sólo permiten inclinar los paneles, pero ofrecen protección
mecánica contra los vientos, o la acumulación de nieve en climas extremadamente fríos. En una
amplia zona de nuestro planeta el mejor compromiso entre invierno y verano está dado por un
ángulo de inclinación igual al de la Latitud del lugar + 15º, pero si el sistema está muy cerca de
la línea Ecuatorial, la mejor inclinación será la horizontal (ángulo de inclinación nulo). Si se está
cerca de una zona polar, la mejor inclinación es 90º respecto a la horizontal. Este comentario
muestra que un soporte de paneles fijo puede, en muchos sistemas, ser la solución ideal.
Los seguidores automáticos, dependiendo del tipo, pueden seguir la trayectoria solar de Este a
Oeste (seguidores de un eje) o agregar la trayectoria Norte-Sur (seguidores de dos ejes). Su
costo sólo puede justificarse cuando se usan muchos paneles FVs en el sistema y en latitudes
donde la “altura” del sol sobre el horizonte varía substancialmente entre el verano y el invierno.
Correcciones para la potencia de salida máxima
La más importante es la disminución de la potencia de salida con el incremento en la
temperatura de trabajo. La Figura 2 (puntos de colores) muestra cómo varía el punto de máxima
potencia generada por un panel FV. Los productos de los valores V e I (8A) para cada punto,
proporcionan los valores para la potencia generada a una dada temperatura.
Figura 2- Variación del punto de máxima potencia de salida vs temp.
Los Controles de Carga (CdD) más modernos usan una tecnología conocida por la sigla inglesa
MPPT (seguidor del punto de máxima potencia) la que hace que los paneles trabajen al máximo
nivel posible. Observe el lector que un panel puede alcanzar una temperatura de trabajo de
80ºC.
Si el CdC no es del tipo MPPT, y la temperatura ambiente es elevada (40ºC), y sopla una brisa
frecuentemente, use un Coeficiente de degradación (Cd) de –0,45%/ºC por sobre los 25 ºC
usados en la evaluación. Si no hay brisa, eleve el Cd al 0,8 % (0,008). Ejemplo. Su panel de
100W alcanza una temperatura de trabajo de 75 ºC, o 50º por sobre los 25ºC. La salida del
panel estará dada por:
W(T) = {100 – (50 x 0.0045) } = 100 – (100 x 0,225) = 77,5
W
Estos cálculos demuestran porqué los controles del tipo MPPT son usados frecuentemente en
los nuevos sistemas.
Orientación
Sistemas instalados al norte del Ecuador deben orientarse mirando al Sur. Los instalados al Sur
del Ecuador deben orientarse mirando al Norte. Ambos puntos cardinales pueden estimarse
con un error de +/- 15º sin que el sistema sufra un alto porcentaje de pérdidas. Si quiere ser
más exacto, corrija la posición usando una tabla de declinación magnética para su lugar, la que
le dará la posición exacta de los puntos cardinales.
Otros detalles
Los paneles FVs son estructuras herméticamente cerradas. Los modernos tienen cables de
salida con conectores de plástico resistentes a las condiciones ambientales. Estos están
diseñados para proveer una fácil conección con otros paneles, insertando uno dentro del otro.
Un pequeño giro activa un mecanismo de retén.
Las antiguas “cajas de conección”, así como la necesidad de soldar y protejer las conecciones
entre cables para garantizar una conección duradera han desaparecido por completo.
Tendencias del mercado
Los comentarios al respecto reflejan la tendencia actual del mercado de EEUU, donde resido, y
pueden ser completamente diferentes en el mercado local.
Los fabricantes de paneles FVs ofrecen, hoy día, paneles de altas potencias (160 a 300 W), con
voltajes de salida de 24 ó 48 V. Los paneles de baja potencia (70 a 100 W), con voltaje de salida
de 12 V, son hoy los menos comunes. En términos de costo, durante los últimos 5 años la
tendencia ha sido una reducción sensible en el costo del panel, pero un incremento en el costo
de los acumuladores. Diez años atrás el costo más importante era el de los paneles FVs.
Ing. Hector L. Gasquet
21 de abril de 2015 | Energía solar
Docencia estratégica clase 3: acumulación
y control de carga de un sistema
fotovoltaico
En esta nota podrás encontrar un análisis sobre el funcionamiento de los
sistemas solares fotovoltaicos. Luego de explicar sobre los componentes
esenciales, Héctor Gasquet, se propone analiza el rol de dos componentes
específicos: el acumulador y el Control de Carga (CdC). Docencia
estratégica, clase 3.
Por Héctor Gasquet
hector1931@austin.rr.com
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Mini-red fotovoltaica aislada con autoconsumo.
Tipo de acumulador
El tipo más usado es el que utiliza un electrolito del tipo Plomo-Acido. Esta tecnología, originada
en Francia en el año 1859 ha evolucionado muchímimo, convirtiéndose hoy día en la solución
más económica para integrar un Banco de Acumulación en un sistema FV independiente de
uso nocturno.
Acumulador solar
La pregunta lógica es: ¿Porqué se necesita un acumulador especial? La respuesta es: Porque
deben acumular una gran cantidad de energía eléctrica, la que entregan a la carga durante
varias horas, sin posibilidad de ser recargados, durante varios años de trabajo. Una batería para
automotor, por el contrario, entrega un elevado valor de energía durante un muy corto período
(arranque); el resto del tiempo recibe carga constantemente (alternador). Los acumuladores
solares resuelven el problema en una forma primitiva pero efectiva, usando placas de gran
tamaño. Por eso pesan mucho más (por unidad de volumen) que los usados en los automotores.
Tipos de construcción
Existen tres tipos diferentes de acumuladores solares del tipo plomo-ácido:
1Con
electrolito
líquido,
2Con
electrolito
gelatinoso
(acumulador
hermético),
y
3- Con placas de diseño especial, las que se conocen, en inglés, con la abreviatura AGM
(acumulador hermético).
El acumulador con electrolito líquido es el más parecido a una batería de automotor. La
diferencia reside en el mayor espesor de las placas. Este tipo de batería emana gases
(explosivos) al cargarse y deben tener ventilación al exterior. Si accidentalmente se los vuelca,
el electrolito (altamente caústico) escapa del continente plástico que le sirve de envase. La
proporción de agua en el electrolito es elevada, comparada con los restantes, sobre todo si la
batería no está bien cargada, lo que los hace propensos al congelamiento (temperatura
ambiente menor de 0ºC).
Los acumuladores con electrolito gelatinoso son del tipo hermético. No emanan gases durante
la carga, lo que hace posible su instalación dentro de la casa-habitación. Como su electrolito
contiene menos agua, son más resistentes a las bajas temperaturas, pero se degradan con altas
temperaturas ambientes.
Por razones de seguridad tienen una válvula de emergencia. Si los gases generados no llegan
a ser reabsorbidos, la presión interna abre la misma, permitiendo su evacuación. Esta
emergencia puede deberse a una actividad química fuera de lo usual, debido a un cortocircuito
entre sus bornes de salida o una excesiva corriente de carga.
Las placas de los acumuladores tipo AGM tienen una malla metálica tejida, la que retiene un
electrolito pastoso, colocado a presión. Este tipo de construcción minimiza la distancia entre
electrodos, disminuyendo substancialmente la resistencia interna del acumulador, lo que
permite mantener voltajes más altos de salida con corrientes elevadas (menor caída de voltaje
interna).
El último tipo es el de mayor calidad, pero el de más alto costo. El tipo gelatinoso representa
una buena calidad, con menor precio. El que tiene electrolito líquido es el más barato de los
tres, para una dada capacidad de almacenaje.
Ciclo Carga-Descarga
Un ciclo de este tipo asume la entrega de una dada cantidad de energía a la carga y su posterior
reposición. Los acumuladores solares de mejor calidad son los que pueden sostener, sin
deteriorarse, el mayor número de ciclos de carga-descarga, sin sufrir deterioro en su
funcionamiento.
Profundidad de Descarga (PdD)
Esta cantidad, dada en forma porcentual, representa la fracción de energía que la carga usa
durante la noche. Si consume la cuarta parte del máximo acumulado (¼) la PdD será del 25%.
Si consume la tercera parte (1/3) el valor para la PdD alcanza el 33,3%. Si bien existen
diferencias entre fabricantes respecto al valor recomendado para la PdD, éste suele no exceder
el 30%, a fin de garantizar una reposición completa de la energía usada, alargando la vida útil
del acumulador.
Energía acumulada
Este valor, medido en Wh está dado por el producto V x Ah, donde V es el voltaje nominal del
acumulador y Ah es un valor derivado de la prueba de descarga. Si un acumulador tiene un
valor de 200Ah, y su voltaje nominal es de 12V, su capacidad de acumulación es de 2.400 Wh
= 2,4 KWh.
Amps.horas (Ah)*
Si un acumulador entrega una corriente constante de 10A durante 20hrs, el producto de la
corriente por el tiempo representa el número de Ah para ese componente. La especificación en
Ah se dá para un determinado valor en horas. En el ejemplo, 200Ah(20hr).
Estos dos valores establecen el de la máxima corriente de descarga permitida en la unidad, a
la que se le asigna la letra C. En nuestro ejemplo: 200/20=10A o C=10. Si la corriente de
descarga es menor que C, el número de horas de uso se incrementa. Ejemplo. Si C es 10 veces
menor (C/10), el tiempo de descarga especificado es 10 veces mayor.
Lo que no es admisible es calcular el tiempo de descarga cuando el valor de la corriente excede
el de C, ya que la reacción electroquímica no puede ser acelerada.
Vida útil (número de ciclos de carga-descarga)
Este valor está dado por los fabricantes para una determinada PdD, y varía con la temperatura
ambiente. Si bien al finalizar la descarga que determina el número de Ah el acumulador entrega
80% de su carga inicial, este valor, como indiqué con anterioridad, acortaría radicalmente la vida
útil de la unidad. El número de ciclos de carga-descarga oscila entre 2.000 y 3.000, dependiendo
del tipo de acumulador empleado, el valor usado para la PdD, la efectividad con la que se
recarga el BdA**, y la temperatura ambiente. Si consideramos un ciclo/día, la vida útil del
acumulador oscila entre los 5 y 8 años.
Controles de Carga
Cumplen varias funciones. La principal es asegurar la forma más rápida y efectiva de cargar el
BdA. A esta función se agregan:
1El
monitoreo
del
BdA
(instrumental
o
luces
del
tipo
LED),
2- La apertura automática de su entrada cuando los paneles no proporcionan un voltaje de salida
mínimo (noche o días nublados), evitando la descarga del BdA a través de los mismos, y
3- La corrección automática del voltaje de carga cuando varía la temperatura de trabajo del
electrolito. Esta función se lleva a cabo monitoriando, con un sensor térmico, la temperatura
ambiente (aprox. la del electrolito), y suele ser ofrecida como opción en algunos modelos.
Diseños
He mencionado el tipo MPPT al referirme al bloque de generación. Sólo me falta agregar que
este tipo de CdC usa un conversor CC-CC, el que tolera un valor de voltaje más elevado a la
entrada que el nominal de salida. Esto permite el uso de un bloque generador con voltaje de
salida de 24 o 48V. Para un dado valor de potencia de generación (W), el aumento del voltaje a
su salida implica un menor valor para la corriente (W=VxI), disminuyéndose así las pérdidas por
calor (RxI2), a la vez que se abarata el costo del cableado (menor diámetro).
Como el costo de un CdC del tipo descripto es algo elevado, suele usarse los CdC multi-etapas.
Este diseño usa un microprocesador con un programa fijo, el que responde al valor del voltaje
del BdA. Suelen tener tres etapas.
La primera fuerza el mayor valor posible para la corriente de carga hasta que el voltaje del BdA
indica que éste ha alcanzado un 80% del total que puede acumular.
Este valor (determinado por el fabricante) inicia la segunda etapa de carga, la que se caracteriza
por la disminución del valor de la corriente de carga (para evitar problemas de sulfatación de las
placas). El CdC crea un voltaje de CC pulsante de amplitud constante y período variable. El
tiempo de conducción se acorta al incrementarse el voltaje del BdA.
La tercera etapa es de “relleno” (flotación) y usa el menor valor posible para la corriente de
carga, dejando que el electrolito se homogeinice.
Notas
Ambos tipos se elijen para que puedan manejar, con amplitud, los mayores valores para la
corriente y voltaje de carga anticipado para el sistema. Existen versiones, en general para
consumos elevados, que incorporan opciones auxiliares como la entrada de un generador
auxiliar (a gasolina o eólico), el encendido automático de un sistema de iluminación exterior, etc.
Por último, quiero destacar la importancia de proveer protección ambiental y ventilación
adecuada (si se necesita) para el banco de acumulación. La vida útil del BdA se alarga cuando
la temperatura de trabajo del electrolito se mantiene cercana a los 25ºC y se implementa un
plan de mantenimiento para el BdA.
Ing. Hector L. Gasquet
23 de abril de 2015 | Energía solar
Clase 4 sobre funcionamiento de sistemas
fotovoltaicos: bloque de carga y cableado
En esta nota podrás encontrar un análisis sobre el funcionamiento de los
sistemas solares fotovoltaicos. Luego de explicar sobre los componentes
esenciales, Héctor Gasquet, se propone analiza el rol de dos componentes
específicos: bloque de carga y cableado . Docencia estratégica, clase 4.
Por Héctor Gasquet
hector1931@austin.rr.com
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Maqueta de un sistema solar fotovoltaico.
Introducción
He decidido agrupar estos dos temas en un solo escrito porque, como veremos a continuación,
los detalles relacionados con el tipo de componente a usarse en la carga dependen del mercado
local, del cual, después de más de 50 años de ausencia, desconozco por completo. Respecto
a los conductores cada país tiene su normas. Mis observaciones, por lo tanto, tendrán un
carácter genérico.
Bloque de Carga
Si el propietario de un sistema independiente nocturno quiere incorporar varios aparatos
domésticos que no se consiguen en la versión de bajo voltaje de CC (12 V), entonces puede
resultar mucho más económico convertir la carga en un circuito de CA. Incorporar cargas como
un refrigerador de tamaño éstandard, una aspiradora o una máquina de lavar la ropa, dictan el
uso de un convertidor (CC a CA). Lógicamente, el costo del sistema se eleva substancialmente,
no sólo por la adición de un nuevo componente, pero por el mayor uso energético dictado por
la carga. Por otra parte, el cableado dentro de la casa se simplifica, debido al fácil acceso de
cables de reducido diámetro, cajas de entrada con fusibles automáticos, los que se abren al
aumentarse el consumo, pero pueden ser reactivados manualmente (circuit breakers), así como
interruptores y enchufes con toma de tierra.
Cuando el consumo se reduce a dar un mínimo de iluminación, hacer funcionar un TV y/o una
radio, puede que el mercado local ofrezca no sólo los focos del tipo LED, pero aparatos usados
en las llamadas casas rodantes (RV, en inglés). En EEUU se ofrecen pequeñas heladeras y
congeladores de bajo voltaje (12V), así como otras que funcionan con gas de garrafa, lo que
elimina totalmente la carga eléctrica. Esta solución requiere la existencia de una infraestructura
de distribución para el gas envasado.
Caja de entrada
La practicidad que brinda la división de la carga es considerable, pero la implementación de la
misma, si el mercado no ofrece un producto adecuado, debe tener en cuenta la protección
ambiental (instalación exterior o humedad ambiente elevada), así como la necesidad de tener
un interruptor de entrada, por si se necesita aislar la carga en forma temporaria. De ser posible,
este interruptor debe ser del tipo “rápido” (con acción a resorte) para minimizar el tiempo de
duración del arco eléctrico que se forma cuando se abre un circuito de CC si circula corriente
por el mismo.
En circuitos de bajo o mediano consumo pueden usarse llaves interruptoras para automotores
que toleren corrientes máximas superiores a la de la carga (interruptores de batería). Los
fusibles de la caja de entrada, si no se consiguen los del tipo automático, pueden ser los que se
usan en los automotores. Para no crear resistencia óhmica, éstos deberán tener buenas
superficies de contacto y un agarre seguro. Recuerde la necesidad de retornar el negativo a
tierra, para evitar diferencias de voltaje entre el usuario (parado sobre tierra) y el aparato
eléctrico con el que entre en contacto.
Cableado
Es importante respetar la polaridad del voltaje de CC. Al respecto pueden marcarse con rojo el
polo positivo en los enchufes y toma-corrientes. Otra solución es usar las versiones de CA
(220V) que tienen tres contactos (uno siendo el de tierra). Si incorpora estos componentes,
disminuya el valor máximo especificado para la corriente un 10 a 15%, debido a los arcos
eléctricos, los que no existen en circuitos de CA (polaridad oscilante).
Si necesita llaves interruptoras (luces, por ejemplo), use los diseñados para los automotores, ya
que el valor especificado para la máxima corriente corresponde al valor de CC.
Normas para conductores
Las especificaciones dadas para los conductores varía en cada país, pero el concepto para su
elección es universal.
Un cable conductor tiene, como mínimo, dos partes: la interior, que conduce la corriente; la
exterior que provee aislación eléctrica. Muchos cables, usados dentro de conductos metálicos
o plásticos, agregan una tercera capa de protección mecánica exterior para disminuír la fricción
entre ambos. Otros tienen una tercera capa para defenderlos del medio ambiente (substancias
químicas, rayos ultra-violetas, etc). Existen cables de tres capas que pueden ser enterrados sin
protección alguna.
Parte conductora
El metal conductor de uso universal (CC o CA) es el cobre. Al respecto, nunca use cables de
cobre en enchufes o toma-corrientes hechos para cables de aluminio. La diferencia entre
metales crea un potencial entre ellos (potencial galvánico) que termina destruyendo a uno de
los metales, creando un contacto con alta resistencia óhmica.
El metal conductor más divulgado tiene una sección circular y puede ser sólido
(alambre conductor) o multi-alambre (cable conductor). En este último la superficie conductora
se obtiene retorciendo, suavemente, varios alambres de menor diámetro. Esta construcción dá
al cable conductor una mayor flexibilidad, ya que los alambres exteriores se mueven respecto a
los centrales al curvarse el cable conductor. En inglés a este tipo de cable se lo llama “stranded”.
La Figura 3 ilustra estos dos tipos de conductores.
Figura 3- Alambre y cable multi-alambre
Las normas eléctricas clasifican a los conductores en función de la superficie de conducción,
especificando su diámetro, al que se le asigna una determinada codificación que identifica
su calibre. Diferentes calibres permiten diferentes valores para la máxima corriente que pueden
tolerar, la que se vé limitada por la temperatura de trabajo.
Parte aisladora
Los alambres y cables modernos usan, casi con exclusividad, aislaciones plásticas (polivinilo,
poliuretano, etc). La cubertura plástica suele tener marcaciones que definen el tipo de conductor
usado, de acuerdo a las normas de un país o región (Europa, EEUU, etc). Los cables que
permiten ser enterrados son muy útiles en los sistemas FVs, ya que, al colocarlos a un metro a
metro y medio de profundidad, la temperatura exterior permenece prácticamente constante
durante todo el año. Se aconseja colocar estos conductores sobre una base permeable (arena),
y darles una suave ondulación para que puedan estirarse y retraerse sin ejercer tensión externa.
Si los paneles FVs son colocados en el techo de la casa, el conductor debe tener protección
contra los rayos ultra-violetas (UV), los que alteran la estructura química del material aislante.
Tan importante como los conductores son los terminales usados en sus extremos, los que ya
sea usando presión o soldadura, deben ofrecer un contacto mecánico firme y de baja resistencia
óhmica. Los cables que conectan los acumuladores dentro del BdA tienen terminales iguales o
similares a los usados en los automotores.
Toma de tierra
La ejecución de una toma de tierra depende del grado de humedad del terreno y su constitución
geológica (piedras o terreno penetrable). En la mayoría de los casos se puede obtener una
buena conección a tierra usando una barra de acero recubierta de un depósito de cobre, la que
alcanza un largo de aproximadamente 3 m, la que tiene un terminal especial, de cobre, anclado
con un tornillo (no debe soldarse). A este conector se ancla un cable multi-alambre (de cobre)
sin aislación (desnudo), de grueso calibre.
Eléctricamente la mejor conección a tierra es la que minimiza la resistencia óhmica entre la
barra (electrodo) y el terreno. El diámetro de la misma varía entre los 13 y los 25 mm,
dependiendo de las condiciones del terreno. Si éste es rocoso, suele darse una inclinación a la
barra para incrementar la superficie de contacto y, a la vez, evitar encontrar una formación
rocosa.
Ing. Hector L. Gasquet