Fuentes de Energía Alternativa para Telecomunicaciones

Fuentes de Energía
Alternativa para
Telecomunicaciones
Materiales de entrenamiento para instructores
de redes inalámbricas
Este es un tópico complementario que debe presentarse al final del
entrenamiento. Dura unos 45 minutos.
Versión 2.7: Rob, @24-11-2009
Versión 2.9: Rob, @28-02-2010
Versión 3.2: Ermanno, @04-03-2010
Versión 3.3: Rob, @09-03-2010
Version 3.5: Rob, @12-03-2010
Metas
‣ 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
2
:)
Sistema fotovoltaico
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
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
3
Este diagrama muestra un sistema fotovoltaico completo. En primer lugar,
hablemos de cómo se mide la energía solar.
Energía Solar
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.
4
Dado que la irradianza cambia rápidamente a lo largo del día, es más útil
calcular la energía total incidente por metro cuadrado en un día.
Puesto que la energía máxima que alcanza a la tierra al nivel del mar es de
unos 1000W/m2, es una práctica común dividir por 1000W/m2 la energía
total recibida en un día para obtener el número de horas de sol pico.
Este valor va a ser el número de horas que el sol va a brillar en un punto
determinado para producir la misma cantidad de energía.
La energía del sol puede capturarse también por calentamiento de fluidos, lo
que también puede ser empleado para producir energía eléctrica, pero aquí
sólo nos ocuparemos de la energía fotovoltaica, la transformación directa de
luz en electricidad a través de una determinada combinación de materiales.
La luz solar es entonces una combinación de luz solar y calor radiante.
Irradianza, insolación, y luz solar
El gráfico muestra la irradianza solar (in W/m2),
la insolación (irradianza acumulativa) y la luz solar
(en minutos):
3500
[W/m2]
3000
irradiance
insolation
sunlight
800
[minutes]
4000
2500
2000
1500
1000
500
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
0
hour of the day
5
Tomado de wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_Systems) :
“Tomando en cuenta las nubes y el hecho de que la mayor parte del mundo
no está en el ecuador, además de que le sol se pone en las tardes, la medida
correcta de la energía solar es la insolación – la cantidad promedio de
kilovatios/hora por metro cuadrado por día.
Para el tiempo y latitudes de los EEUU y Europa, la insolación típica oscila
entre 4 kWh/m²/día al norte y 6.5 kWh/m²/día en las regiones más soleadas.
Los paneles solares típicos tienen una eficiencia promedio de 12%, siendo de
20% la de los mejores paneles comerciales. Entonces, una instalación
fotovoltaica en las latitudes del sur de EEUU o de Europa producirá alrededor
de 1 kWh/m²/día. Un panel típico de "150 vatios" tiene un metro cuadrado
aproximadamente. Este panel se espera que produzca un promedio de 1 kWh
cada día, después de tomar en cuenta las condiciones climáticas y la latitud.”
Horas de Sol Pico
1600
irradiance
equivalent area
1400
PSH
1200
[W/m2]
1000
800
600
400
200
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
hour of the day
6
Medir la insolación total obtenida durante un día significa calcular el área
debajo de la curva de irradianza.
Si construimos un rectángulo con la misma área y una altura de 1000W/m2, la
base del rectángulo es el número de horas de sol pico HSP (PSH en inglés).
total solar flux (W/m2)
direct sunlight (minutes)
Datos reales: irradianza y luz solar
!
7
La irradianza se muestra aquí en rojo y la luz solar en naranja a lo largo de 7
días. En este gráfico, la irradianza es denominada flujo total de sol −total solar
flux (escala izquierda), y la luz solar se llama luz solar directa −direct sunlight y
está expresada en minutos (escala derecha). Esto es en oposición a la luz del
sol indirecta o difusa que puede también aprovecharse incluso en días
nublados, pero con un rendimiento muy reducido.
Horas de sol pico
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
El segundo sitio web tiene información limitada pero es más fácil de usar.
El sitio de la Nasa tiene mucha información sobre muchos parámetros
ambientales recolectados por más de dos décadas. La información es gratuita,
pero hay que suscribirse al sitio.
:)
Paneles solares
El componente más notorio del sistema
fotovoltaico lo constituyen los paneles solares.
+
regulador
+
-
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
9
Paneles solares
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
10
Un panel solar individual está hecho de múltiples celdas solares. Las celdas
están conectadas eléctricamente para proporcionar un determinado valor de
corriente y voltaje. Cada celda proporcionará unos 0.5 V, para acumular un
voltaje suficiente como para cargar una batería de 12 V.
Hay diferentes tipos de módulos en el mercado lo que permite seleccionar el
más adecuado para una determinada aplicación. El más común es el de silicio
cristalino, y puede ser monocristalino o policristalino. Es silicio amorfo
puede salir más barato pero es menos eficiente en la conversión de energía
solar a eléctrica, y además tiene una vida útil más corta.
Paneles solares: curva IV
Irradianza: 1 kW / m2
Temperatura de la célda: 25 C
ISC
8
MPP
Current (A)
6
4
2
VOC
0
10
20
30
Voltage (V)
11
Isc = Corriente de Cortocircuito −Short Circuit current: es la
corriente producida por el panel cuando la carga tiene resistencia cero
(cortocircuito)
Voc = Tensión de circuito abierto −Open circuit Voltage-: es el
voltaje generado cuando no hay carga (resistencia infinita, circuito abierto)
MPP = Punto de Máxima Energía −Maximum Power Point-: es la
combinación de voltaje y corriente que proporcionan la máxima energía (se
produce a cierto valor de resistencia de la carga).
En la práctica, el punto de operación va a estar determinado por el voltaje
de trabajo del banco de baterías, así que puede estar lejos de lo ideal.
A veces, la especificación de un panel fotovoltaico da el valor del “factor de
llenado” (FF) −“fill factor” (FF): es un número adimensional que da la
razón de la potencia en el MPP y el producto Isc x Voc. Es siempre menor que
1 (es decir, el valor de la potencia en el MPP es menor que el producto Isc x
Voc). Puede también expresarse como porcentaje (1 → 100%, 0,5 → 50%).
Panel solar: curva IV para diferentes valores
de irradianza y temperatura
Irradiance: 1kW / m2
Cell Temperature 25C
8
Current (A)
6
75C 50C 25C
800W / m2
600W / m2
4
400W / m2
2
0
200W / m2
10
20
30
Voltage (V)
12
El desempeño de un panel solar está directamente relacionado con la
temperatura de trabajo y el valor de la irradianza. La curva IV muestra los
valores de voltaje y corriente a diferentes valores de temperatura (a una
irradianza fija, en líneas continuas), y también a diferentes valores de irradianza
(a temperatura fija, en líneas de puntos).
Los paneles más frescos van a proporcionar más energía que
los calientes, !pero obviamente necesitan luz solar para
trabajar bien!
El factor de pérdida de potencia es de unos 0.3-0.5 % por grado Celsius, así
que para un aumento de 30°C en la temperatura, la potencia va a caer en un
9-15 %.
Así tenemos que es mejor mantener el panel lo más fresco posible.
Esto puede lograrse normalmente levantando el panel sobre la altura del
techo para que circule el aire.
Optimizar el desempeño del panel
13
Los paneles solares deberían montarse con la mejor alineación y el mejor ángulo hacia el sol. La regla de oro es orientar
los paneles hacia el Sur en el hemisferio norte y hacia el Norte en el hemisferio sur, con la misma inclinación que la latitud
del sitio + 5º.
En verano es mejor disminuir este valor en 10 grados, mientas que en invierno se recomienda aumentar la misma cantidad.
Recuerde que el polvo, las hojas o los excrementos de aves pueden impactar el panel solar y reducir su eficiencia (!Así que
manténgalo limpio!).
También, las sombras cambian de posición a lo largo del día (es mejor evitar cualquier sombra sobre el panel entre las 9 y
15:00). Los paneles solares nunca deben estar parcialmente sombreados. Las celdas están conectadas en
serie, así que la celda más débil va a afectar al resto. Una sola celda en la sombra va a dañar el
desempeño del panel completo.
Puesto que la celda sombreada actúa como carga, se puede sobrecalentar fácilmente y dañarse.
Por lo tanto, hay que instalar diodos de puenteo para separar las celdas: si una celda opera a voltaje negativo, la
corriente se desvía por el diodo de puenteo.
Los fabricantes de módulos de paneles solares normalmente instalan diodos de puenteo en cada celda (o grupo de celdas)
del panel.
Sistema fotovoltaico
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.
panel solar
sin diodo de bloqueo
panel solar
sin diodo de bloqueo
diodo de bloqueo
diodo de bloqueo
carga
12V DC
panel solar
con diodo de bloqueo
panel solar
con diodo de bloqueo
cargador solar
y regulador
solar panel
with block diode
convertidor
DC/DC
carga
24V DC
inversor
DC/DC
carga
110V AC
banco de
baterías 12V
14
Si se conectan paneles múltiples en paralelo, se deben usar diodos de
bloqueo entre ellos para proteger los paneles en caso de que uno o más
reciban sombra mientras que los demás están al sol. Si no se hace, un panel en
sombra puede actuar como carga y absorber la energía de los otros. Este
proceso va a disminuir la energía total y puede dañar los paneles.
Si se está seguro de que los paneles va a trabajar a pleno sol, se pueden
remover los diodos de bloqueo para incrementar la energía máxima
generada, pero al riesgo de dañar las celdas si alguna de ellas queda en la
sombra en algún momento.
Algunos paneles traen un diodo de bloqueo ya instalado en los terminales de
salida, !pero esta no es la norma!
:)
Baterías
Las baterías están en el corazón del sistema
fotovoltaico, y determinan el voltaje de trabajo.
+
regulador
+
-
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
15
A menudo, usted va a terminar gastando tanto en baterías como en el panel
solar. Pero las baterías son necesarias para garantizar el abastecimiento de
energía en la noche.
Baterías
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).
16
Todos los sistemas fotovoltaicos requieren de almacenamiento por baterías.
Los módulos fotovoltaicos cargan las baterías durante las horas de luz y las
baterías proveen la energía cuando se necesita: en la noche o en clima
nublado.
Capacidad de la batería:
Batería de automóvil: acerca de 50Ah @ 12V = 600Wh
En comparación: Pilas tamaño D (de linterna): cerca de 10 Ah @ 1.5V =
15Wh
!Pero no se puede usar toda la capacidad!
Descargar la batería completamente probablemente la dañe, y seguramente le
limita su vida útil.
Baterías
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.
17
Baterías de Plomo-ácido: son las más comunes en sistemas FV porque su costo inicial es más bajo y porque se consiguen
fácilmente en casi cualquier sitio del mundo. Hay muchos tamaños y modelos de estas baterías, pero la característica
importante es si son de ciclo profundo o de ciclo superficial.
Baterías de ciclo superficial: Igual que las usadas para arrancar los autos, están diseñadas para proporcionar una gran
cantidad de corriente por corto tiempo, y aguantan ligeras sobrecargas sin perder electrolito. Desafortunadamente, no
aguantan una descarga profunda. Si se las descarga repetidamente más del 20%, van a tener vida corta. Las baterías de auto o
camión !no son una buena elección para un sistema FV!
Baterías de ciclo profundo: están diseñadas para soportar descargas frecuentes tan grandes como del 80% de su
capacidad, así que son una buena opción para sistemas de energía. A pesar de que su diseño les permite soportar ciclos
profundos, estas baterías van a tener más vida si los ciclos son superficiales. Trate de mantenerlas por encima del 50% de su
capacidad.
Todas las baterías de plomo-ácido va a fallar prematuramente si no se las recarga completamente después de cada ciclo.
Dejar una batería de plomo-ácido descargada por muchos días seguidos va a causar sulfatación del borne positivo y una
pérdida permanente de capacidad. La inactividad también daña las baterías, sin embargo las de plomo-ácido no tienen memoria
(como las de Níquel-Cadmio). Las baterías de plomo-ácido contienen ácido sulfúrico que puede causar quemaduras graves.
También liberan hidrógeno cuando se cargan o se hace un corto entre los terminales, incluso si son del tipo que están
selladas. Una adecuada ventilación es necesaria para prevenir explosiones, especialmente si las baterías son del tipo de celdas
llenas de ácido.
Es una buena idea protegerse los ojos con lentes de seguridad cuando manipule baterías. Recuerde que el plomo es tóxico:
asegúrese de desechar de manera adecuada sus baterías gastadas.
Voltaje de operación
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).
18
Si se requiere usar un voltaje DC más alto, considere el uso de un
convertidor DC a DC (se explicarás más adelante). Son más eficientes que la
combinación de inversor y otra fuente de alimentación al voltaje más alto.
Cuando se necesiten voltajes DC más bajos, un simple regulador de voltaje es
suficiente.
También existen los llamados “reguladores inteligentes” que le ofrecen
al panel la carga óptima, independientemente
del consumo real de corriente. Pueden ahorrar hasta 15% de energía.
Cómo diseñar un banco de baterías
El 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.
19
Cuando diseñe un sistema de energía, todos estos factores se toman en
cuenta, y aquel que requiera la capacidad más grande va a definir el tamaño de
la batería. La temperatura tiene un efecto significativo en las baterías de
plomo-ácido. A temperatura baja, Por ejemplo, si la capacidad de la batería es
de 120 Ah y la carga consume dos A, se llevaría 60 horas descargar
completamente la batería.
Una batería en un sistema FV debería tener la suficiente capacidad para
proporcionar la energía necesaria durante el período más largo de tiempo
nublado que es de esperar en la zona.. Es mejor que un banco de baterías
tenga un 20% más de capacidad de la calculada para tomar en cuenta
situaciones impredecibles. Si se dispone de una fuente de energía de respaldo,
como un generador de reserva con un cargador de baterías, el banco de
baterías no necesita calcularse para condiciones del “peor tiempo posible”.
http://www.green-trust.org/offgridtutor.htm#pvsystems
:)
El regulador
El regulador es la interfaz entre los paneles solares
y la batería, y puede a menudo proporcionar energía
para cargas DC moderadas.
+
+
-
regulador
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
20
El regulador
21
El regulador solar, (también llamado controlador de carga solar) garantiza que la batería trabaje
en condiciones apropiadas. Evita sobrecargas y sobredescargas de la batería, ambas condiciones
nocivas para la vida de la batería.
Para garantizar la carga y descarga apropiada de la batería, el regulador mantiene registro del estado
de carga (SoC -State of Charge-) de la batería.
Muchos reguladores desconectan la carga cuando la batería cae por debajo del voltaje fijado, con lo
que se previenen daños al equipo. También evitan que la batería se descargue a través del panel solar
durante la noche eliminando la necesidad del diodo de bloqueo.
Comente la foto: este es un modelo profesional de regulador. Tiene muchos terminales (de izquierda
a derecha): 2 terminales para la conexión del/los paneles solares; 4 terminales para la conexión al
banco de baterías (la mayor parte de los modelos de reguladores son más sencillos y sólo tienen dos
terminales para las baterías; en este caso, los dos terminales adicionales se usan para el detectar el
voltaje el voltaje y por ende la carga de la batería) y dos terminales para conectar la carga.
Se usan LED para mostrar si hay carga (es decir, si los paneles están produciendo suficiente energía
para cargar las baterías), y el estado de la carga (verde-amarillo-rojo) de las baterías. Tiene incluso un
conector para sondeo de temperatura para monitorizar la temperatura de la batería.
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.
‣ 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.
22
Monitorizar el estado de carga
‣ 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.
23
La Tensión de Corte Baja −Low Voltage Disconnect (LVD) de una
batería dependerá del tipo de ésta. Las de auto deben evitarse, pero si tiene
que usarlas, no deje que se descarguen más allá del 20% (es decir,
desconéctelas cuando lleguen al 80% de la carga máxima).
Maximizar la vida de la batería
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.
24
“Baterías Libres de mantenimiento” deberían tener una corriente de
auto-descarga muy baja. Sin embargo, estas baterías necesitan de
mantenimiento también. El nivel del fluido electrolítico debe se revisado
constantemente, especialmente en climas cálidos. Si hay pérdida de fluido, hay
que añadir agua destilada en los receptáculos del fluido. Olvidarlo, puede
causar el daño de la batería.
!Cargar demasiado las baterías también las va a dañar! La corriente de carga
debe ser regulada. La carga excesiva e ilimitada va a destruir la batería. Usar
un regulador de carga debidamente programado va a prolongar bastante la
vida de su batería.
:)
Convertidores de voltaje
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
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
25
Los inversores siempre desperdician energía, así que es mejor evitarlos. Los
equipos de telecomunicaciones son siempre alimentados con corriente
continua, así que después del inversor deberá utilizar una fuente de
alimentación para suministrar el voltaje DC deseado.
Si Ud. necesita un volataje DC diferente del que le suministra la batería,
considere utilizar un converso DC/DC, esto le evitará usar la fuente de
alimentación, usualmente muy poco eficiente.
Inversores DC/AC
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.
26
Evite en lo posible el uso de inversores.
Gastan energía: los equipos electrónicos siempre trabajan con voltaje DC, así
que el inversor debe estar seguido por una fuente de energía DC a un voltaje
diferente. Recuerde que cada conversión de energía gasta un poco de esta, así
que ir de DC a AC y de nuevo a DC es una pérdida. Más bien use un
convertidor DC/DC (próxima diapositiva).
Convertidores DC/DC
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.
27
Los convertidores DC a DC son más eficientes porque la conversión a AC y
de vuelta a DC se hace dentro del mismo circuito y esá altamente optimizada.
:)
La carga
Satisfacer las necesiades de la carga constituye el
verdadero motivo del sistema fotovoltaico.
+
+
-
regulador
inversor
carga AC
conversor
DC/DC
carga DC
paneles solares
+
carga DC
+
banco de baterias
28
En un mundo ideal, los requisitos de voltaje de la carga se corresponderían
exactamente a la salida del banco de baterías. En un mundo real, este voltaje
necesita ser adaptado usando un convertidor DC/DC, o convertido en una
aproximación de AC usando un inversor.
La carga
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.
29
La carga puede incluir equipo de comunicación inalámbrica, enrutadores,
estaciones de trabajo, modems VSAT, etc. Aunque no es posible calcular
precisamente el consumo total exacto de su equipo, es vital poder hacer un buen
estimado.
En este tipo de sistema es absolutamente necesario el uso de equipo de baja
tensión y alta eficiencia para evitar el desperdicio de energía.
La carga viene normalmente expresada en vatios. Al dividir los vatios entre el
voltaje, se obtiene la corriente absorbida por la carga. Así que a menudo, la carga
se expresa en términos de amperios de corriente.
Para determinar la carga, todas las cargas simultáneas deben sumarse. Nótese
que a menudo no todo el equipo va a funcionar al mismo tiempo.
La energía es potencia*tiempo, medida en J, pero a menudo se expresa en Wh
(vatios * hora). Cuando el voltaje está sobrentendido, la energía puede también
expresarse en Ah (amperio * hora).
La capacidad de almacenamiento de energía de una batería se expresa siempre en
Ah.
Consumo de energía
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.
30
También se puede medir el consumo de energía usando una resistencia de
valor conocido en serie con la carga. Al medir la caída de voltaje a través de
la resistencia y dividirla por el valor de esa resistencia en ohmios, se obtiene
la corriente. Al multiplicar por el voltaje de la carga, se obtiene el consumo
de energía en vatios.
Consumo de energía
La cantidad de energía consumida puede calcularse
con la fórmula:
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.
31
Energía eólica
Un generador eólico es una opción para un
sistema autónomo instalado en un cerro o
montaña.
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
32
La velocidad del viento debe ser bastante grande como para proporcionar
suficiente energía a su aplicación.
El generador eólico debería estar 6 metros más alto que otros objetos que se
encuentren dentro de una distancia de 100 metros. Los sitios lejos de la
costa o en altitudes bajas van a carecer del viento necesario para hacer
funcionar un sistema basado en energía eólica.
A menudo, las fuentes de energía eólica y solar pueden ser combinadas en la
cima de montañas para proporcionar una fuente de energía continua. Cuando
llueve, podría haber vientos fuertes.
Los vientos demasiado fuertes pueden dañar el generador.
Energía eólica
La máxima energía eólica disponible está dada por:
P = 0.5 * 1.225 * v3 [W/m2]
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%
33
Puesto que la energía disponible depende de la velocidad del viento al cubo,
es muy importante tener la mayor velocidad posible.
A mayor altura del sitio, mayor velocidad del viento. Evite los obstáculos que
podrían bloquear el viento.
El segundo factor más importante es el área, así que tener aspas más grandes
es ventajoso.
También existen generadores de eje vertical que son menos peligrosos y más
fácil de montar en áreas accesibles, pero tienden a ser menos eficientes.
Generadores eólicos
‣ 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.
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Los generadores eólicos son hoy en día muy avanzados y tienen características muy útiles:
‣
La electrónica integrada proporciona regulación de voltaje, rastreo de picos de tensión, y frenado electrónico de las
aspas para evidar desbocamiento en vientos muy fuertes. Las aspas de fibra de carbón son muy livianas y fuertes. !
También son muy afiladas! La punta de estas aspas giratorias puede moverse a 400 km por hora o más. Los
generadores eólicos deben instalarse muy lejos del alcance de los curiosos.
‣
La velocidad del viento puede medirse con un instrumento casero hecho con una pelota de ping pong amarrada con
una cuerda de 30 cm de largo, a un transportador que se usa para medir el ángulo de desviación que le impone el
viento a la pelota.
‣
de: Scientific American, October 1971 , p 108-110
Para la medida de la velocidad del viento con el transportados:
v= 19.59 (cot a) ^1/2 en milas/h a es el ángulo de desviación del cordel en condiciones estándar.
v= 31.52 (cot a) ^1/2 en km/h
En general:
v = 31.72 [(cot a) (t+273)/P]^1/2,
t en Celsius y P en mmHg.
u = 51.04 [(cot a) (t+273)/P]^1/2 en km/h
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!
La energía eólica ha sido aprovechada desde hace siglos con el uso de molinos
de viento de diversos tipos.
Un molino de viento puede ser acoplado a un generador estándar de autos
que producirá un voltaje DC proporcional al cuadrado de la velocidad del
viento.
Un regulador de voltaje apropiado se requiere para evitar sobrevoltajes que
puedan dañar la batería o la carga.
Conclusiones
‣ 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.
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Gracias por su atención
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/
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Véase el Capítulo 7 del libro para obtener información más detallada sobre el
material presentado.