Diseño e implementación de un sistema de iluminación autónomo

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN
AUTÓNOMO PARA ESPACIOS EXTERIORES CON CELDAS
SOLARES
Por
Mariel Desiree Rivas Yerena
Sartenejas, Noviembre de 2005
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN
AUTÓNOMO PARA ESPACIOS EXTERIORES CON CELDAS
SOLARES
Por
Realizado con la Asesoría de
Tutor Académico: Prof. Julio Walter
Tutor Industrial: Ing. Oscar Garzón
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Diseño e Implementación de un Sistema de Iluminación Autónomo para espacios
exteriores con celdas solares
PROYECTO DE GRADO presentado por
REALIZADO CON LA ASESORIA DE: Prof. Julio Walter y el Ing. Oscar Garzón
RESUMEN
El presente trabajo está motivado a solventar parte del problema de electrificación rural
existente en Venezuela. En nuestro país existen comunidades remotas a las que hasta ahora no
se ha podido proveer de electricidad por el difícil acceso a las zonas geográficas en las que se
encuentran, por lo que llevar un tendido eléctrico resulta prácticamente imposible. El objetivo
de este trabajo es desarrollar un sistema de iluminación totalmente autónomo de la red
eléctrica utilizando una fuente de energía alterna. La fuente de energía elegida es la solar ya
que, por su ubicación geográfica, Venezuela dispone de ésta a lo largo del año. El sistema
desarrollado fue del tipo fotovoltaico, de modo que se utilizaron dos paneles solares para
convertir la luz solar en corriente eléctrica, la cual es almacenada por un banco de baterías que
en la noche provee a la luminaria la energía necesaria para generar luz. Para el control de los
paneles, baterías y lámpara se diseño un circuito que ejerce las funciones de: encendido y
apagado de la lámpara, carga y descarga de la batería y configuración de parámetros del
sistema. El prototipo es capaz de manejar cargas de 12VDC y cargas AC por medio del
desarrollo de un convertidor DC/AC de 120Vrms. El proyecto se llevó a cabo en todas sus
fases, desde diseño hasta implementación y los resultados obtenidos por el sistema instalado
fueron óptimos.
PALABRAS CLAVES
Iluminación, Energía Alternativa, Efecto Fotovoltaico, Desarrollo Sustentable.
ii
DEDICATORIA
A Dios, a mi Mamá, a mi Papá y a mi Hermana por
todas sus enseñanzas y su apoyo durante
estos 23 años…
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá, papá y hermana por su cariño, apoyo incondicional, y por alentarme en
momentos difíciles.
Al Prof. Julio Walter, a quien admiro y respeto, por todo lo que me enseñó en este
período, y porque siempre estuvo con buena disposición para ayudarme y aconsejarme.
Al Ing. Oscar Garzón, por darme la oportunidad de realizar este proyecto, por confiar
en mi, por todas sus enseñanzas y por tratarme como una compañera de trabajo más.
A Zorelly González, por ayudarme desinteresadamente, por todo el cariño y apoyo que
me ha dado en este tiempo y porque he podido aprender de ella muchas cosas a nivel
profesional.
Al Ing. Miguel Arellano, porque fue él quien se quedó a ayudarme en los momentos
difíciles del proyecto, por sus enseñanzas y por su amistad.
A Fernando Vera, porque me ayudó a resolver problemas que van más allá de la
electrónica, por estar pendiente de que todo quedara bien y por alentarme.
A Rubén Fernández, por su confianza, por sus palabras de impulso cuando las necesité,
por darme oportunidades y sobre todo por su cariño.
A Maria Elena Fernández, por todas las oportunidades que me ha dado y por su cariño.
Al Prof. Luis Emilio Suberviola, por que sus enseñanzas fueron la clave para el
desarrollo de mi pasantía, y por la donación por parte de su empresa, INTELEC, para la
realización de mi proyecto.
A Yanina, Christian, Kharem y Olguita por apoyarme y por compartir mis tristezas y
alegrías durante la realización de este proyecto.
A Giuseppina, Gilda, Cecilmat, Hermes y Gliver, porque me ayudaron de manera
desinteresada, sintieron todas mis vivencias y me hicieron reír.
A mi amigo Juan Luis, porque aunque no nos hemos visto en todo este tiempo siempre
estuvo pendiente de cómo iba todo y sus palabras de confianza y aliento me ayudaron a seguir.
A mi amiga Aracelys, a Willy y a Juan Carlos por sus consejos y ánimos.
A Zhirley y a Jose, por su gran amistad, porque estuvieron conmigo de principio a fin,
por todo lo que hemos vivido juntos y lo que nos queda por vivir.
iv
Al Ing. Luis Rodríguez, a Marco Gómez y a Pedro Vega, por sus enseñanzas y
asesoría.
Al Ing. José Manuel Rodríguez, al Ing. Gean Carlos Cataldo, al Prof. Guillermo
Villegas y al Prof. Julio Viola, que me ayudaron a resolver problemas durante el desarrollo de
mi pasantía.
Al Prof. Orlando Sucre y al Prof. Juan Muci, por sus consejos y su confianza en mí.
Al Sr. David Delgado de la empresa Exportica C.A, que de manera desinteresada donó
la luminaria necesaria para el desarrollo del proyecto.
En general a todas aquellas personas que de una u otra manera intervinieron en la
realización de este proyecto, gracias.
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN ...................................................................................................................................i
DEDICATORIA......................................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS............................................................................................................. iii
ÍNDICE GENERAL ....................................................................................................................v
ÍNDICE DE TABLAS............................................................................................................. viii
ÍNDICE DE FIGURAS ..............................................................................................................ix
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .........................................................................xi
CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN ............................................................................................1
1.1
Planteamiento del Problema ......................................................................................3
1.2
Importancia y Justificación........................................................................................4
1.3
Antecedentes..............................................................................................................4
1.4
Limitaciones ..............................................................................................................5
CAPÍTULO 2 - OBJETIVOS.....................................................................................................6
2.1
Objetivo General .......................................................................................................6
2.2
Objetivos Específicos ................................................................................................6
CAPÍTULO 3 – MARCO TEÓRICO .........................................................................................7
3.1
Iluminación................................................................................................................7
3.1.1
Luz .............................................................................................................................7
3.1.2
Propiedades Cromáticas de la luz..............................................................................9
3.1.3
Magnitudes y Unidades Luminosas.........................................................................11
3.1.3.1
Flujo Luminoso. ......................................................................................................11
3.1.3.2
Intensidad Luminosa ...............................................................................................11
3.1.3.3
Iluminancia o Nivel de Iluminación ........................................................................12
3.1.3.4
Luminancia ..............................................................................................................12
vi
3.1.4
Lámpara ...................................................................................................................12
3.1.4.1
Criterios que definen el rendimiento de una lámpara..............................................13
3.1.4.2
Principales Tipos de Lámparas................................................................................14
3.1.5
Luminarias ...............................................................................................................23
3.1.5.1
Clasificación de las Luminarias...............................................................................24
3.2
Energía Solar ...........................................................................................................27
3.2.1
Efecto Fotoeléctrico y Efecto Fotovoltaico. ............................................................28
3.2.2
Celdas Solares. ........................................................................................................28
3.2.2.1
Tipos de Celdas Solares...........................................................................................30
3.2.2.2
Circuito Equivalente de una Celda Solar.................................................................31
3.2.2.3
Curva Característica ................................................................................................32
3.2.2.4
Influencia de la Radiación en la Eficiencia de una Celda Solar..............................34
3.2.2.5
Influencia de la Temperatura en la Eficiencia de una Celda Solar..........................34
3.2.3
Paneles o Módulos Solares......................................................................................35
3.2.3.1
Orientación de un Panel Solar. ................................................................................36
3.2.3.2
Ángulo de Inclinación de un Panel Solar. ...............................................................36
3.2.4
Sistema Fotovoltaico. ..............................................................................................37
3.2.4.1
Topologías de Sistemas Fotovoltaicos ....................................................................37
3.2.4.2
Tipos de Sistemas Fotovoltaicos .............................................................................39
3.2.4.3
Elementos de un Sistema Fotovoltaico....................................................................40
3.2.4.3.1 Arreglos Fotovoltaicos ............................................................................................40
3.2.4.3.2 Reguladores de Carga..............................................................................................41
3.2.4.3.3 Acumuladores o Baterías.........................................................................................43
3.2.4.3.4 Inversores ................................................................................................................46
vii
CAPÍTULO 4 – METODOLOGÍA...........................................................................................49
4.1
Selección del Tipo de Lámpara. ..............................................................................49
4.1.1
Estudio del área a iluminar. .....................................................................................49
4.1.2
Estudio de los tipos de lámparas utilizados en sistemas fotovoltaicos....................50
4.1.3
Estudio de las lámparas existentes en el mercado. ..................................................54
4.2
Diseño del Sistema Foovoltaico. .............................................................................55
4.3
Diseño del Regulador de Carga de Baterías. ...........................................................63
4.4
Diseño del Inversor..................................................................................................75
4.5
Diseño del Poste de Iluminación .............................................................................80
4.6
Caracterización del Panel Solar existente en la empresa.........................................82
CAPÍTULO 5 – RESULTADOS ..............................................................................................91
CAPÍTULO 6 – CONCLUSIONES ..........................................................................................95
CAPÍTULO 7 - RECOMENDACIONES ................................................................................97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................98
GLOSARIO .............................................................................................................................101
APÉNDICES ...........................................................................................................................103
APÉNDICE 1 ..........................................................................................................................104
APÉNDICE 2 ..........................................................................................................................107
APÉNDICE 3 ..........................................................................................................................110
APÉNDICE 4 ..........................................................................................................................113
APÉNDICE 5 ..........................................................................................................................118
APÉNDICE 6 ..........................................................................................................................121
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3. 1 Apariencia de color vs Temperatura de color ...........................................................9
Tabla 3. 2 Índice de rendimiento cromático de acuerdo a la fuente de luz. .............................10
Tabla 3. 3 Clases de Luminarias según su Protección Eléctrica. ..............................................25
Tabla 3. 4 Tipos de Alcance .....................................................................................................26
Tabla 3. 5 Tipos de Apertura ....................................................................................................27
Tabla 3. 6 Tipos de Control. ......................................................................................................27
Tabla 3. 7 Ángulo de inclinación óptimo según la latitud.........................................................37
Tabla 4. 1 Cuadro Comparativo de Lámparas...........................................................................53
Tabla 4. 2 Cuadro característico de la lámpara a utilizar en el prototipo. .................................54
Tabla 4. 3 Cargas del sistema fotovoltaico................................................................................58
Tabla 4. 4 Baterías disponibles para el Sistema Fotovoltaico. ..................................................58
Tabla 4. 5 Paneles Solares disponibles para el Sistema Fotovoltaico. ......................................59
Tabla 4. 6 Factor de temperatura ...............................................................................................62
Tabla 4. 7 Valores predeterminados de los tiempos de autonomía diarios. ..............................74
Tabla 4. 8 Resultados obtenidos en la Prueba N°1 del Panel Solar SM144-18 ........................86
Tabla 4. 9 Resultados obtenidos en la Prueba N°2 del Panel Solar SM144-18 ........................88
Tabla 5. 1 Costos del Sistema Fotovoltaico ..............................................................................94
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3. 1 Espectro electromagnético .......................................................................................8
Figura 3. 2 Intensidad Luminosa ...............................................................................................11
Figura 3. 3 Luminancia de una Superficie ................................................................................12
Figura 3. 4 Lámpara Incandescente Convencional ..................................................................14
Figura 3. 5 Lámpara Fluorescente Tubular ..............................................................................16
Figura 3. 6 Lámpara Fluorescente compacta vs. Lámpara Incandescente Convencional. ........17
Figura 3. 7 Lámpara de Mercurio a Alta Presión. .....................................................................17
Figura 3. 8 Lámpara de Luz Mixta. ..........................................................................................19
Figura 3. 9 Lámpara de Vapor de Sodio a Baja Presión............................................................20
Figura 3. 10 Lámpara de Sodio a Alta Presión..........................................................................20
Figura 3. 11 Esquema Básico de un Led. .................................................................................21
Figura 3. 12 Estructura del Chip de un LED .............................................................................21
Figura 3. 13 Características Mecánicas de las Luminarias........................................................25
Figura 3. 14 Alcance Longitudinal. ..........................................................................................26
Figura 3. 15 Apertura Transversal.............................................................................................27
Figura 3. 16 Corte Transversal de una Celda Solar ..................................................................29
Figura 3. 17 Celdas de silicio monocristalino vs. celdas de silicio policristalino .....................31
Figura 3. 18 Circuito equivalente de una Celda Solar...............................................................32
Figura 3. 19 Curva corriente vs. tensión de una celda solar......................................................32
Figura 3. 20 Variación de la corriente y tensión con la radiación. ............................................34
Figura 3. 21 Variación de la corriente y tensión con la temperatura.........................................34
Figura 3. 22 Topología de sistema fotovoltaico para cargas DC ..............................................38
Figura 3. 23 Topología de sistema fotovoltaico para cargas DC y AC ....................................38
Figura 3. 24 Sistema Fotovoltaico conectado a la Red .............................................................40
Figura 3. 25 Arreglo fotovoltaico ..............................................................................................41
Figura 3. 26 Regulador tipo serie ..............................................................................................42
Figura 3. 27 Regulador tipo paralelo .........................................................................................43
Figura 3. 28 Diferentes formas de onda de corriente alterna a 60Hz. .......................................47
x
Figura 4. 1 Diagrama esquemático del regulador de carga desarrollado...................................65
Figura 4. 2 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Carga de la Batería.........................67
Figura 4. 3 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Descarga de la Batería. ..................68
Figura 4. 4 Pantalla Principal ....................................................................................................72
Figura 4. 5 Inversor de Onda Senoidal Modificada. .................................................................76
Figura 4. 6 Onda Senoidal Modificada......................................................................................77
Figura 4. 7 Diseño de la Onda Senoidal Modificada.................................................................78
Figura 4. 8 Ondas PWM y señal resultante del proceso de conmutación. ................................79
Figura 4. 9 Diseño del Poste de Iluminación o Farola Solar. ....................................................81
Figura 4. 10 Condiciones iniciales del panel solar a ser evaluado. ...........................................84
Figura 4. 11 Condiciones finales del panel solar a ser evaluado...............................................84
Figura 4. 12 Diagrama del Circuito Sumidero de Corriente......................................................85
Figura 4. 13 Curva Corriente vs Tensión del Panel SM144-18 obtenida en la Prueba N°1 a
100lx. .................................................................................................................................87
Figura 4. 14 Curva Corriente vs Tensión del Panel SM144-18 obtenida en la Prueba N°2 a
100lx. .................................................................................................................................88
Figura 4. 15 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante...................................89
Figura 4. 16 Curva del panel SM144-18 @ 800W/m2 suministrada por el fabricante vs. curva
obtenida experimentalmente en la Prueba N°1. ................................................................89
Figura 4. 17 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante vs la obtenida en la
experimentalmente en la Prueba N°2. ...............................................................................90
Figura 5. 1 Sistema de iluminación autónomo para espacios exteriores con celdas solares. ...93
xi
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A
Ampere, unidad de corriente.
°C
Grados Centígrados, unidad de temperatura.
°K
Grados Kelvin, unidad de temperatura.
A/D
Análogo a Digital.
AC
Alternating Current, corriente alterna.
Bs
Bolívares, moneda venezolana.
cal
Caloría, unidad de energía.
Cd
Cadmio.
DC
Direct Current, corriente continua.
Hz
Hertz, unidad de frecuencia.
m
Metro, unidad de distancia.
m2
Metro cuadrado, unidad de área.
mA
Unidad de corriente equivalente a 10-3A.
ms
Unidad de tiempo equivalente a 10-3 segundos.
Ni
Níquel.
nm
Unidad de distancia equivalente a 10-9 metros.
Pb
Plomo.
rms
Root Mean Square, valor efectivo de una señal alterna.
T
Período
V
Voltio, unidad de tensión.
VDC
Voltaje de corriente continua.
VPrimario
Tensión en el primario del transformador.
Vrms
Voltaje efectivo o tensión efectiva.
VSecundario
Tensión en el secundario del transformador.
W
Watt (Vatio), unidad de potencia.
γ
Gamma, tercera letra del alfabeto griego.
Φ
Fi, vigésimo primera letra del alfabeto griego.
ω
Omega, vigésimo cuarta letra del alfabeto griego.
CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN
La iniciativa del hombre de desarrollar sistemas de energía autónomos nace de la necesidad de
suministrar energía en sitios a los cuales llevar un tendido de red eléctrica convencional
resultaría costoso, y en algunos casos hasta imposible por razones de ubicación y
características geográficas. Este es el caso de comunidades rurales remotas y aplicaciones
espaciales. Es por esto que comienzan a surgir los desarrollos de sistemas autónomos que no
dependan de centrales eléctricas convencionales ubicadas a miles de kilómetros de distancia,
sino que sean sistemas capaces de tener en un mismo sitio todos los elementos que se
necesitan para generar la energía que se requiere. Por ser sistemas desarrollados para trabajar
en zonas de difícil acceso, son pensados para soportar condiciones extremas y para estar en
funcionamiento largos períodos de tiempo sin requerir mantenimiento.
Los tipos de energía utilizados para sistemas autónomos son la energía solar, eólica,
geotérmica, de biomasa y la producida por combustibles fósiles. La energía producida por
combustibles fósiles como petróleo, carbón y gas natural es la más utilizada en el mundo
actual, sin embargo, es altamente contaminante debido a los residuos y gases que se generan
del proceso de combustión y entra en la clasificación de energías no renovables, es decir,
provienen de fuentes que se agotan.
Los otros tipos de energía mencionados entran en la clasificación de las denominadas energías
alternativas, las cuales se caracterizan por ser renovables y poco contaminantes. Las fuentes de
energías alternativas o renovables nacen de la necesidad de buscar fuentes energéticas
inagotables, en un sentido no estricto, cuyo impacto al ambiente sea mínimo, con respecto al
producido por las fuentes tradicionales como es el caso de los combustibles fósiles.
La energía solar es la que se obtiene de la radiación solar y es utilizada en dos tipos de
sistemas, los Fotovoltaicos y los Térmicos. Los Sistemas Fotovoltaicos, transforman la energía
suministrada por la radiación solar en energía eléctrica; entre sus principales áreas de
aplicaciones tenemos iluminación, comunicaciones, monitoreo, control de procesos, bombeo
de agua y protección catódica. Por otro lado, los Sistemas Térmicos, producen energía térmica
2
(calor) a partir de la radiación solar; los principales usos de estos sistemas son el
calentamiento de agua sanitaria y la calefacción.
Luego tenemos la energía eólica, la cual, es obtenida del paso de corrientes de aire terrestre a
través de molinos. La energía eólica se deriva de la energía solar ya que el viento se origina
por una diferencia de presión, causada a su vez por una diferencia de temperatura entre las
masas de aire, la cual es provocada por la absorción de energía solar. Entre sus aplicaciones
están la generación de energía eléctrica y el bombeo de agua.
La energía geotérmica es la que se obtiene del calor producido entre las capas terrestres,
específicamente entre la corteza y el manto, debido a la desintegración de elementos
radiactivos [1]. Dependiendo de la cantidad de calor producida, en algunos casos ésta energía
llega a manifestarse en la superficie como agua caliente o vapor de agua, los cuales son
utilizados como fuentes de energía. El problema de la energía geotérmica es que al igual que
la energía hidráulica, dependen de una fuente de energía que no puede ser trasladada de sitio,
como es el caso de los ríos, caídas de agua, etc., por lo tanto no es una energía apta para ser
utilizada en un sistema autónomo.
Por último tenemos la energía de biomasa, que es la obtenida de recursos biológicos, tales
como madera, estiércol, desechos orgánicos, residuos agrícolas, entre otros. Ésta es una
importante fuente de energía en algunos países.
Los tipos de energía alternativa más comúnmente usados en sistemas autónomos son energía
solar y eólica. Existen sistemas solares, sistemas eólicos y sistemas mixtos, abarcando estos
últimos los dos tipos de energía.
Con el presente trabajo se pretende incursionar en sistemas de energía autónomos que utilicen
únicamente energía solar y sean destinados a alimentar sistemas de iluminación para espacios
exteriores en comunidades rurales o remotas.
3
1.1 Planteamiento del Problema
El Instituto de Ingeniería propone dar un primer paso en el desarrollo de sistemas de
iluminación con paneles solares, buscando como objetivo solventar el problema de
iluminación exterior en comunidades remotas, en las cuales hacer llegar un tendido eléctrico
no resulta viable. A su vez, el resultado obtenido será el punto de partida para desarrollar
futuras aplicaciones más complejas con fuentes de energías alternativas.
El proyecto consiste en el diseño e implementación de un prototipo de sistema de iluminación
autónomo para espacios exteriores, es decir, para áreas públicas, tales como: plazas, calles,
estacionamientos, etc. La finalidad e importancia del alumbrado en áreas públicas es el de
proveer servicio de luz a peatones y/o vehículos que transiten en ellas, permitiendo el
desarrollo de actividades nocturnas y evitando posibles accidentes.
El prototipo de sistema de iluminación autónomo será una farola o poste de luz, cuya única
fuente de alimentación será un panel solar. El sistema deberá contar con los siguientes
elementos: un panel solar, un banco de baterías, un circuito regulador de la carga de las
baterías, un conversor DC/AC o inversor y la carga del sistema que en este caso es una
lámpara.
El proyecto se dividirá en varias fases:
Fase I.
Realizar un estudio del tipo de lámpara a utilizar tomando en cuenta tipo de aplicación, costo,
tiempo de vida y eficiencia.
Fase II.
En esta fase se realizarán los cálculos energéticos para determinar el tipo de panel solar
necesario y luego la capacidad de la batería necesaria.
Fase III.
Por último se diseñará el circuito regulador de carga con inversor incluido para lograr que el
sistema opere de manera autónoma.
4
Adicionalmente se plantea el estudio de un panel solar existente en el Instituto de Ingeniería,
el cual fue instalado para una aplicación de iluminación exterior dentro del mismo Instituto,
hace 15 años. Este panel solar tiene mucho tiempo sin estar operativo, por tanto se desea
definir la eficiencia del mismo para ver si es viable utilizarlo en futuras aplicaciones, para esto
se pretende diseñar e implementar un protocolo de pruebas que permita determinar la
operatividad de paneles solares en general.
1.2 Importancia y Justificación
Con este proyecto se pretende incursionar en el mundo de energía solar por ser una fuente
limpia cuyo impacto al ambiente es mínimo. Existe una opinión mayoritaria con respecto a
que no contamina el ambiente, sin embargo se han hecho estudios tomando en cuenta que en
algunos casos el sistema utiliza un banco de baterías y que una vez que éstas cumplen su
tiempo de vida pasan a ser residuos contaminantes, fuera de esto, un sistema de energía solar
no proporciona ningún impacto negativo al ambiente, y por ello suele recibir el calificativo de
energía ecológica. A su vez, la energía solar es sana para el hombre, porque además de que no
contamina, es absolutamente silenciosa. En general la inversión en un sistema solar se reduce
a la instalación con todos sus elementos y al cambio de batería cada 3 años aproximadamente,
no tiene partes móviles por lo que prácticamente es inalterable con el paso del tiempo y la
energía que recibirán los paneles será totalmente gratis.
El uso de la energía solar viene tomado de la mano con el concepto de Desarrollo Sustentable,
el cual consiste en utilizar los recursos del medio ambiente para satisfacer las necesidades del
hombre causando el menor impacto ambiental posible, de manera que futuras generaciones
también puedan disfrutar de dichos recursos.
1.3 Antecedentes
En el año 1990 el Sr. Antonio Luciano De Caires T., presentó un trabajo titulado: “Diseño y
Construcción de un Sistema de Iluminación con Alimentación Autónoma (Fotovoltaica)” [2],
el cual consistió en el desarrollo de un sistema de iluminación para un estacionamiento
5
público utilizando como fuente de alimentación un panel solar de 120W de potencia nominal,
siendo totalmente independiente de la red eléctrica. El sistema de alumbrado consistió en diez
lámparas fluorescentes capaces de operar a 12VDC, cuyo encendido era controlado por unos
temporizadores.
Más tarde, en el año 2003 el Sr. Carlos L. Castillo M., presentó un trabajo al que llamó:
“Propuesta de un Sistema de Alumbrado Público Solar, como alternativa a la solución de las
pérdidas técnicas y no-técnicas, en la C.A La Electricidad de Caracas” [3], en el cual se
estudió la factibilidad de utilizar sistemas de alumbrado público con energía solar en
sustitución del alumbrado público convencional, con la finalidad de disminuir las pérdidas
técnicas y no-técnicas que éste último genera a la compañía. Durante el estudio se diseñó y
construyó el sistema de iluminación para alumbrado público con energía solar.
1.4 Limitaciones
Como cualquier sistema fotovoltaico, está limitado a las características de radiación solar
de la zona en la que se va a instalar. En este caso se instalará en el Instituto de Ingeniería
cuyo clima se caracteriza por ser nublado lo cual podría dificultar o retardar las pruebas al
sistema.
En el caso de que se decida diseñar un Inversor, será de baja capacidad, acorde al tipo y
número de cargas que manejará en este caso.
Por tratarse de un primer prototipo, se construirá un solo poste o farola de luz que será
sometido a un período de prueba para determinar si es un proyecto factible.
CAPÍTULO 2 - OBJETIVOS
A continuación se exponen los objetivos generales y específicos que se persiguen cumplir con
el desarrollo de este proyecto.
2.1 Objetivo General
Diseño e implementación de un sistema de iluminación autónomo para áreas públicas en
comunidades rurales o remotas.
2.2 Objetivos Específicos
1. Estudio comparativo de los tipos de lámparas existentes en el mercado y escoger la
adecuada para la aplicación.
2. Evaluación del módulo fotovoltaico existente en la empresa y establecer si es
recuperable.
3. Diseño e implementación de un circuito regulador de carga de baterías y un conversor
DC/AC.
4. Implementación de la lámpara seleccionada a nivel de un prototipo industrial,
incluyendo los respectivos circuitos impresos, con capacidad de operar al aire libre
(encapsulados, caja, etc.)
CAPÍTULO 3 – MARCO TEÓRICO
3.1 Iluminación.
Durante el día, la luz del sol permite percibir y distinguir el entorno, pero de noche esta
capacidad de percepción disminuye de manera muy significativa. El ojo tiene la capacidad de
adaptarse a ciertos niveles de luz, por medio de la dilatación y contracción de la pupila, sin
embargo, para que el ojo sea capaz de apreciar algún objeto debe haber una pequeña cantidad
de luz. Por esto el hombre ha tenido que recurrir a fuentes de luz artificial que iluminen sus
noches y hagan posible el desempeño de actividades que sin luz no serían posibles.
Hoy en día el tema de iluminación exterior no sólo tiene que ver con el hecho de poder realizar
actividades nocturnas, sino con el hecho de brindar seguridad al transeúnte, en el sentido que
éste sea capaz de percibir obstáculos en su camino y percibir a otros seres que se encuentren a
su alrededor.
La instalación de un sistema de iluminación tiene que ver con muchos factores que garanticen
el confort visual del observador, por ello a continuación se definirán conceptos importantes y
aspectos que se deben tomar en cuenta al instalar un sistema de iluminación.
3.1.1
Luz
La luz es un conjunto de radiaciones electromagnéticas al cual el ojo humano es sensible. La
sensibilidad del ojo humano varía para cada individuo, pero típicamente un individuo puede
observar la radiación de longitud de onda entre 380nm (Luz Violeta) y 780nm (Luz Roja), esto
corresponde a una pequeña porción del espectro electromagnético que se encuentra entre las
radiaciones ultravioletas y las infrarrojas denominada Luz Visible. (Ver Figura 3.1).
La luz es emitida cuando los electrones exteriores (o de valencia) de los átomos realizan
transiciones.
8
Cuando un átomo es excitado, ya sea por calentamiento, por el paso de una corriente eléctrica
u otro tipo de excitación, los electrones pueden ser elevados desde su estado base (o de
mínima energía) a un estado excitado (de más energía). Transcurrido un pequeño período de
tiempo el electrón tiende por naturaleza a regresar a su estado base, a esto se le llama
transición y en ésta la porción de energía excedente que tenía el electrón excitado es emitida,
esta emisión puede estar en la región visible (luz) si el electrón que fue excitado era un
electrón de valencia. [5]
Figura 3. 1 Espectro electromagnético [4].
Los fenómenos que causan que un cuerpo emita radiaciones son básicamente dos, la
Incandescencia y la Luminiscencia. Se llama Incandescencia a la capacidad que tienen
algunos cuerpos de emitir luz al ser calentados. Ejemplos de luz incandescente son: el Sol, la
llama de fuego, la lámpara incandescente, etc. Por el contrario, la Luminiscencia es la
capacidad de emisión de luz sin intervención de la temperatura. En este caso, la emisión es el
resultado de la excitación de los átomos del cuerpo radiante a través de fenómenos como una
descarga eléctrica o una radiación ultravioleta, entre otros. Ejemplos de Luminiscencia son los
relámpagos y las lámparas de vapores metálicos.
9
3.1.2
Propiedades Cromáticas de la luz.
Para medir las características cromáticas de una determinada fuente lumínica se estudian dos
propiedades:
Temperatura de Color (Tc).
Es una medida para indicar el color de una fuente de luz por comparación de la misma con el
color de la luz emitida por un cuerpo negro, es decir indica la temperatura en grados Kelvin
(°K), a la cual el cuerpo negro emite luz de color similar al de la fuente de luz que se está
estudiando.
Existe una convención que establece una equivalencia entre la Temperatura de Color y la
Apariencia de Color (Ver Tabla 3.1), esta última se refiere a la sensación que produce el color
de la luz en la persona que la está percibiendo, tradicionalmente los colores se clasifican de
forma general en colores cálidos y fríos. Los colores cálidos son los amarillos, naranjas, rojos
y verdes claros. Los colores fríos son los colores violetas, azules y verdes oscuros. [4]
Tabla 3. 1 Apariencia de color vs Temperatura de color [6]
Apariencia de Color
Temperatura de Color [°K]
Cálido
< 3300
Intermedio
3300 – 5300
Frío
> 5300
Índice de Rendimiento Cromático (IRC).
"Es la medida de correspondencia entre el color real de un objeto y la veracidad del mismo
bajo determinada fuente lumínica"[7].
Para medir este valor lo que se hace es tomar como color real del objeto el que produce el
mismo al ser iluminado por una fuente de luz de referencia, y luego éste es relacionado con el
10
color del objeto al ser iluminado por la fuente de luz en estudio. El índice de rendimiento
cromático es expresado por un número que puede estar entre 0 y 100, siendo 100 el valor para
el cual el color del objeto iluminado, por la fuente en estudio, es igual o muy similar a su color
real. En la Tabla 3.2 se muestran los valores de IRC para las fuentes de luz más comunes.
Tabla 3. 2 Índice de rendimiento cromático de acuerdo a la fuente de luz. [6,7]
Fuente de Luz
Índice de Rendimiento Cromático
Cielo azul
85 - 100
Cielo Nublado
85 - 100
Luz solar día
85 - 100
Lámpara Incandescente
100 (Referencia)
Lámpara Luz Mixta
60
Lámpara de Vapor de
Mercurio
45 - 60
Lámpara Metal Halide
60 - 97
Lámpara Sodio Alta Presión
21 - 25
Lámpara Sodio Baja Presión
Nulo (Monocromático)
Lámpara Fluorescente
65 - 97
11
3.1.3
Magnitudes y Unidades Luminosas.
No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo, ni toda la energía consumida por un
bombillo es transformada en luz, por esta razón, se hace necesario definir ciertas magnitudes
que nos permitan evaluar la eficiencia y las características de las distintas fuentes luminosas.
Las magnitudes más utilizadas en Luminotecnia son: el Flujo Luminoso, Intensidad Luminosa,
Iluminancia y Luminancia.
3.1.3.1 Flujo Luminoso.
El flujo luminoso, representado con la letra griega Φ, se refiere a la potencia lumínica emitida
por la fuente de luz. En otras palabras, es la medida de la porción de energía que emite la
fuente por unidad de tiempo, a la cual el ojo humano es sensible.
A pesar de que hablamos de potencia emitida, el flujo luminoso no utiliza el Vatio como
unidad, porque la potencia emitida medida en Vatios toma en cuenta la energía emitida en
todas sus formas. Por esto se crea una unidad que tome como referencia sólo la energía
lumínica emitida por unidad de tiempo, el Lumen [lm].
"Empíricamente se demuestra que a una radiación de 555nm de 1W de potencia emitida por
un cuerpo negro le corresponden 683 lm."[4]
3.1.3.2 Intensidad Luminosa
Es el Flujo luminoso (Φ) emitido en una dirección
por unidad de ángulo sólido (ω), este último
expresado en estereorradián (Ver Figura 3.2). Su
unidad es la candela (cd) y se representa con la letra
I.
Figura 3. 2 Intensidad Luminosa
12
3.1.3.3 Iluminancia o Nivel de Iluminación
Es la relación entre el flujo luminoso que recibe una determinada superficie y el área de la
misma. Se simboliza con la letra E y su unidad es el Lux [lx= lm/m2].
Existen estándares o normas que establecen la magnitud de iluminancia que un sistema de
iluminación debe proveer según la actividad que se realice en el sitio que se desea iluminar.
En el presente trabajo nos regiremos por la Norma Venezolana COVENIN 3290:1997 para
alumbrado público.
3.1.3.4 Luminancia
La Luminancia tiene que ver con lo que percibe el ojo. Se define como la relación entre la
intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección y la superficie vista por el
observador en esa dirección (Ver Figura 3.3). Se simboliza con la letra L y su unidad es cd/m2.
Figura 3. 3 Luminancia de una Superficie [6]
3.1.4
Lámpara
Una lámpara es un elemento capaz de transformar energía eléctrica en radiación
electromagnética visible (luz) [8]. Esta transformación se puede lograr utilizando alguno de
los dos fenómenos mencionados anteriormente, Incandescencia o Luminiscencia.
13
3.1.4.1 Criterios que definen el rendimiento de una lámpara
Existen ciertos criterios que debemos tomar en cuenta al momento de seleccionar una lámpara
para una aplicación en particular, estos son:
Color y Calidad de Reproducción Cromática.
El color se refiere a la temperatura de color de la lámpara y la calidad de reproducción
cromática se refiere al índice de rendimiento cromático de la misma, ambos definidos
anteriormente. (Ver tablas 3.1 y 3.2)
Vida media.
La vida media se refiere al tiempo, en horas, que tardan en fallar el 50% de una muestra de
lámparas, de un mismo tipo y modelo, sometida a pruebas.
Vida útil de la lámpara.
La vida útil de una lámpara se refiere a la cantidad de horas, luego de las cuales el flujo
luminoso emitido por la lámpara ha disminuido a un punto en la que la lámpara ya no resulta
útil, a pesar de que siga emitiendo luz.
Eficiencia.
La eficiencia es la cantidad de lúmenes, o potencia lumínica, que la lámpara emite por cada
Vatio de potencia que se le suministra, por consiguiente se mide en lm/W. Mientras más sean
los lúmenes por vatio producidos más eficiente será la lámpara. En otras palabras, la lámpara
que emita más luz al suministrarle 1W de potencia será la más eficiente y la más ahorradora de
energía.
14
Tiempo de encendido.
Algunos tipos de lámparas como las incandescentes, emiten el 100% de su capacidad desde el
momento en el que son encendidas. Sin embargo, otros tipos de lámparas como las
fluorescentes y las de descarga requieren un tiempo para alcanzar su máximo nivel de flujo
luminoso, por esto, se hace necesario definir el concepto de tiempo de encendido, que es el
tiempo en el que una lámpara logra alcanzar el 80% de su máxima capacidad de producción de
luz.
Este parámetro se debe tomar en cuenta al momento de elegir una lámpara para
aplicaciones en las que el tiempo de encendido es un parámetro crítico.
Posibilidad de reencendido inmediato.
Se entiende por reencendido la capacidad de encender una lámpara inmediatamente después
de que ha sido apagada, emitiendo su máximo flujo luminoso. Las únicas lámparas que
cumplen con esta condición son las incandescentes, el resto requieren un tiempo de
reencendido.
3.1.4.2 Principales Tipos de Lámparas
En el mercado actual podemos encontrar varios tipos de tecnologías de lámparas, las cuales de
acuerdo a sus características pueden resultar más útiles para una aplicación que para otra. A
continuación se describen las más utilizadas.
Lámparas Incandescentes.
El principio de esta lámpara consiste en hacer pasar una corriente
eléctrica por un filamento, generalmente de tungsteno, provocando
que éste alcance altas temperaturas y a su vez emita radiaciones
visibles. Este filamento se coloca dentro de una ampolla de vidrio
sellada al vacío o llena de gas inerte para evitar que el filamento
entre en combustión y se queme. (Ver Figura 3.4)
Figura 3. 4 Lámpara
Incandescente Convencional [6]
15
La eficiencia de este tipo de lámpara es muy baja, sin embargo sigue siendo una de las más
utilizadas en aplicaciones domésticas porque aparte de que ofrece una muy buena calidad de
color y no necesita equipos auxiliares para lograr su encendido, es económica y de tamaño
reducido.
Lámparas Halógenas.
Utilizan el principio de operación de la lámpara incandescente convencional, pero se
diferencian de ésta por poseer un compuesto halógeno (yodo o bromo) en el gas contenido en
la ampolla. Este gas tiene como finalidad controlar la evaporación del tungsteno y de esta
manera evitar que el mismo se condense en la ampolla y la oscurezca.
Estas lámparas operan a altas temperaturas para que el haluro de tungsteno, formado por la
combinación del tungsteno evaporado con el compuesto halógeno, no se condense. Una vez
que el haluro de tungsteno se acerca al filamento y experimente la alta temperatura de éste, se
descompone dando como resultado los dos componentes iniciales, tungsteno, el cual es
depositado en el filamento, y
halógeno en estado gaseoso que se pone en espera para
comenzar de nuevo el ciclo. Para soportar estas altas temperaturas la ampolla de estas
lámparas es fabricada en cuarzo.
Las ventajas que presenta esta lámpara con respecto a la lámpara incandescente convencional
son: mayor tiempo de vida, mayor eficiencia, menor tamaño, mayor temperatura de color y
poca depreciación luminosa en el tiempo [6].
Lámparas Fluorescentes Tubulares.
Su principio de funcionamiento es la descarga eléctrica en vapor de mercurio a baja presión, la
cual produce una radiación predominantemente ultravioleta, ésta radiación excita una
capa de material luminiscente (polvo fluorescente o fósforo) que se encuentra en el
interior del tubo o ampolla, provocando así que éste irradie luz visible. (Ver Figura 3.5)
16
Figura 3. 5 Lámpara Fluorescente Tubular [6]
El tipo y composición del material fluorescente que cubre el interior del tubo es lo que define
las características de la lámpara, ya que determina la temperatura de color, la calidad de
reproducción cromática y la eficiencia.[6]
Las lámparas fluorescentes vienen en dos versiones: cátodo caliente y cátodo frío, las primera
son los tubos convencionales llamados de cátodo caliente porque requieren un
precalentamiento de los electrodos para garantizar el proceso de descarga, el segundo tipo de
lámparas son utilizados generalmente para iluminación de anuncios publicitarios.[8]
Las lámparas fluorescentes necesitan un equipo auxiliar que consta de un balasto, un ignitor, y
un condensador para mejorar el factor de potencia.
Lámparas Fluorescentes Compactas.
Es una lámpara fluorescente del tamaño de una incandescente, incluso algunas vienen con el
equipo auxiliar integrado para facilitar la sustitución de una lámpara incandescente por
ésta. (Ver Figura 3.6)
Tienen muy buena reproducción de color, consumen poca energía y tienen buena vida útil. [7]
17
En
la
Figura
3.6
se
observa
una
comparación en cuanto a eficiencia entre
una lámpara incandescente de 60W que
produce 700 lúmenes y
un compacto
fluorescente que con 11W produce 600
lúmenes.
Lámparas de Mercurio a alta presión.
Al igual que la de mercurio a baja presión
(fluorescente), ésta es una lámpara de
Figura 3. 6 Lámpara Fluorescente compacta vs. Lámpara
descarga, la cual se realiza en un tubo hecho
Incandescente Convencional.
de cuarzo para soportar la alta presión y la
alta temperatura de trabajo. A su vez, este tubo de descarga es introducido dentro de una
ampolla de vidrio llena de un gas inerte a presión atmosférica, para proteger al tubo de
cambios de temperatura y para disminuir la oxidación de los componentes.[6, 8] (Ver Figura
3.7).
Figura 3. 7 Lámpara de Mercurio a Alta Presión. [6]
18
La radiación característica de la alta presión es de dos tipos: visible de color azul verdosa y
ultravioleta. Para mejorar el color ofrecido por esta lámpara y aumentar la iluminación que
ésta ofrece, se aplica a la ampolla exterior un revestimiento de material fluorescente que
transforme la luz ultravioleta en luz visible.
Para lograr el encendido se utiliza un electrodo de arranque que ioniza el gas interior para
facilitar la descarga. Como todas las lámparas de descarga a alta presión, la lámpara de
mercurio no alcanza su pleno rendimiento inmediatamente, por el contrario, tiene un tiempo
de encendido de aproximadamente 4 minutos, y requiere de un equipo auxiliar (balasto) para
regular la corriente, y un condensador para mejorar su factor de potencia.
Metal Halide.
Son lámparas de vapor de mercurio a alta presión que además contienen diferentes metales en
polvo en forma de haluros, que se disgregan una vez que la lámpara se calienta y evapora el
metal [8]. El agregar haluros metálicos a una lámpara de vapor de mercurio a alta presión
representa una mejora en cuanto a reproducción cromática y eficiencia lumínica.
Requiere de equipo auxiliar para operar, tales como ignitor o arrancador, balasto y
condensador.
Luz Mixta.
Es la combinación de la lámpara de vapor de mercurio a alta presión y la lámpara
incandescente (Ver Figura 3.8), como resultado de tratar de corregir el aspecto azul verdoso de
la luz de la lámpara de mercurio.
El filamento incandescente actúa como regulador de corriente por lo que esta lámpara no
requiere de balasto. Se puede conectar directamente a la red, pues tampoco necesita ignitor.
Tiene un tiempo de encendido de algunos minutos y para ser reencendida necesita enfriarse.
19
Figura 3. 8 Lámpara de Luz Mixta. [6]
Sodio de Baja Presión.
Son lámparas de descarga cuyo principio de funcionamiento es similar a las lámparas de vapor
de mercurio a baja presión. La descarga se produce en un tubo en forma de U, para aprovechar
espacio, hecho de un vidrio especial cubierto interiormente de una capa resistente al sodio. En
su interior contiene sodio metálico de alta pureza y otros gases que ayudan el proceso de
arranque. El tubo de descarga está en el interior de una ampolla, entre el tubo y la ampolla hay
vacío lo cual asegura la estabilidad térmica del tubo (Ver Figura 3.9).
La radiación de esta lámpara es una luz amarilla monocromática, por lo que la capacidad de
reproducción de color de esta lámpara es muy baja, sin embargo es la lámpara más eficiente
que existe pudiendo alcanzar 200 lm/W, y además posee una larga vida.
Requieren de un balasto, un ignitor y un condenador como equipo auxiliar.
20
Figura 3. 9 Lámpara de Vapor de Sodio a Baja Presión.
Sodio Alta presión.
Por las propiedades reactivas del sodio, el
tubo de descarga es fabricado de un
aluminio sintetizado muy resistente, y se
encuentra al vacío en el interior de una
ampolla de vidrio, lo cual evita la
oxidación. La ampolla de vidrio puede ser
de forma ovoidal o tubular, la primera tiene
la particularidad de tener un revestimiento
interno de polvo blanco con la finalidad de
disminuir el alto brillo del tubo de descarga
(Ver Figura 3.10).
Figura 3. 10 Lámpara de Sodio a Alta Presión
La radiación del vapor de sodio a alta
presión abarca una buena porción del espectro visible, lo que implica que la reproducción
cromática sea mejor que en el caso de baja presión. Su aspecto es de color amarillo dorada, y
tienen una muy buena eficiencia.
21
Requieren de un balasto, un ignitor y un condensador como equipo auxiliar. Tienen un tiempo
de encendido de 5 minutos aproximadamente y el proceso de reencendido tarda entre 4 a 15
minutos porque necesitan enfriarse para volver a encender.
LED (Light Emitting Diode).
Como se puede observar en la Figura 3.11, el LED es un dispositivo basado en un chip
semiconductor capaz de emitir luz al aplicarle una corriente eléctrica en el sentido conductor
[9].
Figura 3. 11 Esquema Básico de un Led. [9]
En la Figura 3.12 se muestra la estructura del chip de un LED, el cual está formado por varias
capas de material semiconductor de las cuales la llamada capa activa es la capaz emitir luz una
vez que el diodo es polarizado, esta luz es casi monocromática a diferencia de la luz emitida
por otros tipos de lámparas. [10]
Figura 3. 12 Estructura del Chip de un LED[11]
22
El color del LED lo define el material con el que éste fue fabricado, y hoy en día los
encontramos en toda la gama de colores desde azul al rojo, incluso el blanco que es generado
utilizando una capa adicional de fósforos.
El mejor nivel de iluminación de un LED se obtiene al aplicar sobre él una fuente de tensión
continua, típicamente esta tensión varía entre 2V a 4V, dependiendo del color de luz que emite
el LED. La corriente típica es de 10mA a 70mA.
El pequeño tamaño de esta tecnología es una ventaja con respecto a las otras.
La eficiencia de los LED’s se ha incrementado en los últimos años a 30 lm/W, e inclusive ya
se habla de 50 lm/W [10]. Además se espera que siga incrementando hasta superar la
eficiencia de las lámparas convencionales.
Por otro lado, el rendimiento de un LED se ve afectado por la temperatura, siendo menor a
medida que ésta aumenta. La máxima temperatura a la que puede trabajar es 100°C.
Para utilizar el LED en iluminación se han creado módulos que consisten en arreglos de
LED’s en serie y paralelo, definiendo dos tensiones de trabajo para módulos de distintos
tamaños, estas son 12VDC y 24VDC. [10]
El Led es la tecnología más nueva en iluminación de todas las que hemos descrito y presenta
las siguientes ventajas con respecto a las anteriores:
-
Pequeño tamaño.
-
Bajo consumo
-
Luz puntual
-
Larga vida útil
-
Bajo calor
-
No emite radiación IR (Infrarroja) ni UV (Ultravioleta)
-
Baja mortalidad temprana
23
3.1.5
Resistente a golpes y vibraciones.
Luminarias
La luminaria es el equipo que acompaña a la lámpara con la finalidad de protegerla, brindarle
soporte, fijarla, y además asegurar que la luz producida por ésta sea aprovechada lo máximo
posible. Se define luminaria como:
“ aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias
lámparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijación y la
protección de lámparas, (excluyendo las propias lámparas) y, en caso necesario, los circuitos
auxiliares en combinación con los medios de conexión con la red de alimentación”[6]
Los elementos característicos que conforman una luminaria son:
Armadura o Carcasa.
Es el encapsulado en el que se aloja la lámpara con todos sus elementos y equipos auxiliares.
Existen muchos tipos de acuerdo a la aplicación: de interiores o exteriores, empotradas o de
superficie, de pared, para brazo o poste, etc.
Equipo Eléctrico.
Se refiere a los equipos auxiliares que son requeridos por la lámpara para adaptarse
adecuadamente a la red de alimentación. El equipo eléctrico depende del tipo de lámpara:
-
Incandescentes convencionales: No requieren de equipo auxiliar.
-
Halógenas de bajo voltaje: requieren transformador o fuente electrónica.
-
Fluorescentes y de descarga en general: requieren balasto, condensador e
ignitor.
24
Reflectores.
Son superficies que se colocan en el interior de la luminaria que tienen como función modelar
la forma y dirección del flujo emitido por la lámpara.
Difusores.
Es el elemento de cierre o tapa de la luminaria en la dirección de radiación. Tiene como
objetivo permitir la difusión de la luz emitida por la lámpara al exterior, mientras la protege
del mismo.
Filtros.
Tienen como función incrementar o atenuar algunas características de la radiación con la
finalidad de asegurar el confort visual del observador.
3.1.5.1 Clasificación de las Luminarias.
Entre los criterios utilizados para clasificar las luminarias los más comunes son: según sus
características ópticas, eléctricas y mecánicas.
Según las Características Eléctricas.
Esta clasificación se refiere al grado de protección eléctrica que brinda la luminaria a los
usuarios. De acuerdo al grado de aislamiento eléctrico las luminarias se clasifican en cuatro
clases, tal y como se muestra en la Tabla 3.3
25
Tabla 3. 3 Clases de Luminarias según su Protección Eléctrica.
Clase
0
I
II
III
Símbolo
Protección Eléctrica
Aislamiento Básico.
Sin conexión a Tierra.
Aislamiento Básico.
Con conexión a Tierra.
Con aislamiento doble y/o reforzado.
Sin conexión a Tierra.
Aislamiento de tensión de seguridad extra baja
(50V).
Según las Características Mecánicas.
Las Características mecánicas de la luminaria definen su grado de protección contra golpes,
polvo y líquidos. Para introducir cada luminaria dentro de esta clasificación se le asigna como
parámetro las letras IP seguidas de tres dígitos. El primer dígito representa la protección contra
entrada de polvo y sólidos, puede estar entre 0 y 6, donde 0 representa protección nula y 6
máxima protección. El segundo dígito se refiere a la protección contra entrada de líquido y
puede estar entre 0 y 8. Por último, el tercer dígito es el grado de resistencia a golpes y puede
tener los valores: 0, 1, 3, 5 y 7. (Ver Figura 3.13)
Figura 3. 13 Características Mecánicas de las Luminarias.[4]
26
Según sus Características Ópticas.
Para luminarias de alumbrado público la clasificación según las características fotométricas
basadas en tres parámetros:
-
El Alcance.
Es la extensión de calzada que la
luminaria es capaz de iluminar en
dirección
longitudinal.
Esta
representada por el ángulo γmax el cual
es el ángulo entre 0° y el valor medio de
los dos ángulos correspondientes al
Figura 3. 14 Alcance Longitudinal. [4]
90% de Imax. (Ver Figura 3.14).
El alcance de una luminaria puede ser corto, intermedio o largo de acuerdo a la clasificación
mostrada en la Tabla 3.4
Tabla 3. 4 Tipos de Alcance [6]
-
Tipo
Rango de γmax
Corto
γmax < 60°
Intermedio
60°≤γmax ≤70°
Largo
70° > γmax
La Apertura o Dispersión.
Es la extensión de calzada que la luminaria es capaz de iluminar en dirección transversal a
ésta. Está determinada por el ángulo γ90 el cual es el ángulo acotado por la recta tangente al
diagrama isocandela del 90% de Imax proyectada en la calzada (Ver Figura 3.15)
27
La apertura puede ser estrecha, media o ancha de acuerdo a los valores mostrados en la Tabla
3.5.
Tabla 3. 5 Tipos de Apertura [6]
Tipo
Rango de γ90
Estrecha
γ90 < 45°
Media
45° ≤ γ90 ≤ 55
Ancha
γ90 > 55°
Figura 3. 15 Apertura Transversal.
-
El Control.
Es un parámetro referente al grado de
deslumbramiento que produce la luminaria. Está
definido por el índice específico de la luminaria
SLI. En la Tabla 3.6 se muestran los tipos de
control que puede tener una luminaria.
Tabla 3. 6 Tipos de Control.
Tipo
Rango de SLI
Limitado
SLI < 2
Moderado
2 ≤ SLI ≤ 4
Estricto
SLI> 4
3.2 Energía Solar
Como ya hemos mencionado la energía solar es la proveniente de las radiaciones solares. Se
caracteriza por ser inagotable y no contaminante, sin embargo es intermitente, la tenemos
durante el día pero no durante la noche. También mencionamos que el hombre utiliza dos
formas para transformarla y así aprovecharla, éstas son por conversión fototérmica, que
convierte la energía radiante en calor, y por conversión fotovoltaica que convierte la energía
radiante directamente en electricidad.
Los sistemas fototérmicos se basan en dispositivos llamados colectores dentro de los cuales
circula un líquido que es calentado por efecto de la energía solar absorbida por el colector.
28
Éste líquido es el portador del calor y es almacenado para luego ser utilizado. Por otro lado,
los sistemas fotovoltaicos se basan en el efecto fotoeléctrico.
3.2.1
Efecto Fotoeléctrico y Efecto Fotovoltaico.
En 1839, el científico francés Edmund Becquerel observó que ciertos materiales al ser
expuestos a la luz, producían corriente eléctrica. En 1905, Albert Einstein publica un trabajo
en el cual explica la teoría de este fenómeno, denominado Efecto Fotoeléctrico, trabajo por el
cual más tarde gana el premio Nobel de Física en 1921.[12, 13]
El efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de partículas eléctricamente cargadas, por
parte de ciertos materiales cuando son expuestos a la luz. Los electrones del material expuesto
absorben la energía de las partículas de luz (fotones) y si esta energía es suficiente el electrón
es liberado a la superficie del material. La cantidad de energía depende de la longitud de onda
de la luz incidente y no de la intensidad de la misma. [1]
El término Efecto Fotovoltaico se la da al fenómeno fotoeléctrico producido específicamente
en materiales semiconductores y en el caso de que ocurra en una juntura de dos
semiconductores diferentes se provoca un potencial eléctrico en dicha unión. [1]
3.2.2
Celdas Solares.
Una Celda Solar, también conocida como Celda Fotovoltaica, es un dispositivo semiconductor
dopado (tipo N-P), que convierte la luz que incide sobre él, directamente en electricidad,
debido al efecto fotovoltaico.
En la Figura 3.16 se muestra un corte transversal de una celda solar, el material semiconductor
de que está hecho la celda, generalmente silicio, es dopado positivamente con boro por un lado
(tipo P) y por el otro lado negativamente con fósforo (tipo N), similar a un diodo de unión. El
lado negativo es el expuesto a la luz y la corriente generada es recogida por unos contactos
metálicos delanteros y posteriores que cierran el circuito, permitiendo así que ésta fluya. Los
29
contactos frontales o delanteros son diseñados de tal forma que cubran la menor cantidad de
superficie semiconductora posible para disminuir lo menos posible la eficiencia de la celda.
Una celda solar está formada por varias capas, la de contacto posterior, la de silicio dopado
positivamente, la de silicio dopado negativamente, y por último con los contactos delanteros
se encuentra una capa antirreflejo, ésta última es la que le da a la celda su color azul
característico.
Figura 3. 16 Corte Transversal de una Celda Solar [14]
La corriente generada por una celda solar va en una sola dirección del lado “p” al “n”, es decir
corriente continua o DC y su intensidad es proporcional a la frecuencia (color) de la luz
incidente [13]. El voltaje que produce una celda no depende de su tamaño y se mantiene
prácticamente constante con las variaciones de la intensidad de luz. Por el contrario, la
corriente producida por una celda es directamente proporcional a la intensidad de luz que
incide sobre ésta.
El porcentaje de luz solar incidente sobre la celda transformada en corriente eléctrica, es lo
que se llama eficiencia de una celda [15]. Éste parámetro es utilizado para comparar los tipos
de celdas entre sí.
La celda fotovoltaica no posee partes móviles ni produce reacciones químicas, lo que hace que
ésta posea una larga vida útil de hasta más de 30 años.[16]
30
3.2.2.1 Tipos de Celdas Solares
El material más utilizado para fabricar celdas solares es el silicio. De acuerdo a las técnicas de
fabricación empleadas las celdas de silicio se pueden dividir en tres grupos:
Celdas de Silicio Monocristalino.
La fabricación de éste tipo de celdas consiste en fabricar barras cilíndricas de silicio
monocristalino (un solo cristal de silicio), en hornos especiales a aproximadamente 1400°C y
luego cortarlas obteniendo obleas delgadas (celdas) de entre 0,4 y 0,5mm de espesor.[17]
Son las que presentan máxima eficiencia, superior a un 12% hasta un 17% [18, 19], pero
también son las más costosas debido a que su proceso de fabricación es el más complejo.
Celdas de Silicio Policristalino
El proceso de fabricación consiste en fundir trozos de silicio puro en moldes especiales. Luego
se deja enfriar hasta que el producto esté totalmente solidificado. En este proceso los átomos
no se organizan en un único cristal sino que por el contrario se obtiene un material
policristalino. Una vez solidificado se procede a cortar las obleas de dicho material obteniendo
las celdas.[17, 20]
Este proceso de fabricación es menos complejo que el de las celdas monocristalinas, esto se
traduce a menos costo por celda pero también a menor eficiencia, hasta un 15% de eficiencia
[18]. En la Figura 3.17 se pueden observar celdas de silicio monocristalino y policristalino.
Una celda de silicio monocristalino de 12,5cm x 12,5cm (156cm2) tiene la capacidad de
generar aproximadamente 0,51V de tensión y 4,8A de corriente continua en condiciones de
irradiancia solar de 1000W/m2, mientras que una celda de silicio policristalino de 11,5cm x
15,5cm (178cm2), bajo estas mismas condiciones, es capaz de generar aproximadamente
0.47V y 4,75A
31
Figura 3. 17 Celdas de silicio monocristalino vs. celdas de silicio policristalino
Celdas de Silicio Amorfo o película fina.
La fabricación de éste último tipo de celda consiste en depositar una película muy delgada de
silicio sobre superficies de vidrio o metal. Esta es la menos eficiente, entre 5 y 10% [18], pero
el proceso de fabricación es el más barato. [17]
Las celdas de película fina también son fabricadas con otros materiales, tales como seleniuro
de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, entre otros.[20]
3.2.2.2 Circuito Equivalente de una Celda Solar
Una celda solar puede representarse mediante un circuito equivalente como el mostrado en la
Figura 3.18, en la cual el comportamiento de una celda queda expresado como una fuente de
corriente en paralelo con un diodo y dos resistencias que representan las pérdidas intrínsecas y
al comportamiento del material del que está hecha la celda. La resistencia en serie rs,
representa la resistencia del material, las interconexiones y la resistencia entre los contactos
metálicos y el semiconductor. Por su lado, la resistencia en paralelo (rp), representa la no
idealidad de la unión PN y a las impurezas existentes cerca de la juntura. [21]
32
Figura 3. 18 Circuito equivalente de una Celda Solar
3.2.2.3 Curva Característica
La representación estándar que se utiliza para caracterizar un dispositivo fotovoltaico es su
curva corriente vs. tensión. En general la característica corriente vs. tensión de toda celda
fotovoltaica tiene la forma mostrada en la Figura 3.19.
Figura 3. 19 Curva corriente vs. tensión de una celda solar.
Esta curva es para condiciones de radiación, temperatura de celda y distribución espectral de
luz definidas, el estándar establecido para que los fabricantes hagan las especificaciones es:
33
1Sun de radiación (que equivale a 1000W/m2), 25°C de temperatura de celda y 1,5 AM de
distribución espectral.
En general vemos que la celda se comporta como una fuente de corriente constante, ya que
ésta es prácticamente invariable dentro del rango de tensión de operación.
Los parámetros que sobresalen en la curva de operación de una celda solar son:
Corriente de cortocircuito (Icc): Es la corriente de salida cuando la tensión de salida es
nula, bajo condiciones de radiación, temperatura y distribución espectral específicas, esta
equivale a la máxima corriente que puede entregar la celda.
Tensión de circuito abierto (Vca): Es la tensión de salida cuando la corriente de salida es
cero, bajo condiciones de radiación, temperatura y distribución espectral específicas, y
corresponde a la máxima tensión que puede entregar la celda.
Potencia Pico (Pmp): Es la máxima potencia que la celda es capaz de entregar, en la
Figura 3.19 corresponde al punto en el que el producto V x I es máximo y se toma como
potencia nominal de la celda.
Corriente a máxima potencia (Imp): Es la corriente de salida en el punto de máxima
potencia, bajo condiciones de radiación, temperatura y distribución espectral específicas,
esta se toma como corriente nominal de la celda.
Tensión a máxima potencia (Vmp): Es la tensión de salida en el punto de máxima
potencia, bajo condiciones de radiación, temperatura y distribución espectral específicas,
la cual se toma como tensión nominal de la celda.
34
3.2.2.4 Influencia de la Radiación en la Eficiencia
de una Celda Solar
Una vez que se ha entendido el comportamiento de
una celda solar para condiciones de radiación constante
se procede a variar esta condición para ver cómo varía
su respuesta corriente vs. tensión.
En la Figura 3.20 se muestra la curva corriente vs.
tensión de una celda para tres condiciones de radiación
diferentes. Podemos observar que la corriente de la
celda es directamente proporcional a la radiación, a
medida que la radiación disminuye, la corriente
también lo hace. Por su lado, la tensión permanece
Figura 3. 20 Variación de la corriente y
tensión con la radiación.
prácticamente constante para variaciones de la radiación.
3.2.2.5 Influencia
de
la
Temperatura
en
la
Eficiencia de una Celda Solar
Otro factor que influye sobre el comportamiento de la
celda es la temperatura. En la Figura 3.21 se visualiza
la curva corriente vs. tensión de una celda para
diferentes temperaturas, en ella se puede observar que
el incremento de temperatura, a pesar de provocar un
ligero
aumento
en
la
corriente,
provoca
una
considerable reducción en el voltaje, lo que da como
resultado final una considerable reducción en la
potencia entregada por la celda. Por esta razón se
recomienda tener las celdas en lugares aireados.
Figura 3. 21 Variación de la corriente y
tensión con la temperatura.
35
3.2.3
Paneles o Módulos Solares.
Dado que una sola celda fotovoltaica no genera la energía suficiente para alimentar a los
equipos eléctricos existentes en el mercado, éstas son agrupadas en arreglos serie y/o paralelo
llamados módulos fotovoltaicos, también conocidos como paneles solares.
Generalmente, las celdas son agrupadas de tal manera que el módulo sea capaz de alimentar
equipos que cumplan con el estándar de 12V. Por ejemplo, suelen encontrarse en el mercado
módulos solares de 36 celdas solares en serie, que dan como resultado un voltaje pico de
salida de 18V, los cuales son utilizados para cargar acumuladores (o baterías) de 12V, siendo
diseñados para generar 6V más (18V) tomando en cuenta las pérdidas en el cableado y
equipos de control.
El comportamiento de un panel solar es equivalente al descrito para una celda solar, y al igual
que para ésta, para caracterizar un módulo fotovoltaico se emplea la curva corriente vs. tensión
que define sus parámetros más importantes, tal y como son: corriente de cortocircuito (Icc),
tensión de circuito abierto (Vca), potencia pico (Pmp), corriente a máxima potencia (Imp), y
tensión a máxima potencia (Vmp). Las potencias nominales (o máximas) de los paneles que se
encuentran en el mercado varían entre 25W y 300W. [18]
Dado que los paneles solares son fabricados para proveer electricidad a sistemas en la
intemperie, es necesario fabricarlos de tal manera que sean resistentes a los agentes climáticos.
Para fabricar un panel se procede a conectar las celdas en serie y/o paralelo y se encapsulan en
un plástico elástico (Etilvinilacelato) que tiene función de aislante eléctrico, por la cara
superior se cubre con un vidrio templado, a veces éste es remplazado por plástico transparente,
y por el lado posterior con una capa de poliéster. Luego este conjunto de capas es enmarcado,
con un marco de aluminio que le proporciona rigidez. [17]
36
3.2.3.1 Orientación de un Panel Solar.
La luz solar llega a la Tierra en línea recta, sin embargo una vez que entra en la capa
atmosférica sólo una parte de esta luz sigue su trayectoria inicial, la otra parte es dispersada
por los gases. De esta forma la luz solar que llega a la superficie puede presentarse en dos
formas: luz solar difusa y luz solar directa.
Un panel solar es capaz de generar corriente eléctrica incluso en un día nublado en el que solo
percibe luz solar difusa, sin embargo, la condición para una óptima producción de corriente
eléctrica es el captar la mayor cantidad de luz solar directa posible. Por esto al instalar paneles
o grupos de paneles solares se busca orientarlos lo mejor posible hacia el sol, de modo de
aprovechar al máximo la luz solar directa. La mejor orientación para un panel solar ubicado en
el Hemisferio Norte es hacia el Sur y para un panel solar ubicado en el Hemisferio Sur es
hacia el Norte. [19]
3.2.3.2 Ángulo de Inclinación de un Panel Solar.
La orientación de un panel solar viene dado por un ángulo de inclinación del mismo hacia
dicha orientación, el cual varía de acuerdo a la latitud en la que se esté ubicado y a la época
del año. La posición del Sol con respecto a la Tierra varía a lo largo del año debido a los
movimientos de rotación y traslación de la misma. Por tal razón la mejor orientación en época
de invierno no es la mejor en época de verano, de acuerdo a esto, en el diseño se debe escoger
la orientación más óptima capaz de aprovechar el máximo de energía solar posible en un año.
37
En general, a medida que nos ubicamos más lejos del ecuador la inclinación del panel debe ser
mayor y orientada al hemisferio contrario del que se está ubicado. Y en las zonas cercanas al
ecuador, como no hay mucha variación en las distintas épocas del año, en teoría el panel no
requiere ningún tipo de inclinación, sin embargo se recomienda un ligero ángulo de
inclinación para permitir que la
Tabla 3. 7 Ángulo de inclinación óptimo según la latitud.[19]
lluvia limpie el panel de polvo,
tierra, desperdicios de aves, etc.
En general todo panel solar que
se instale debe poseer un ángulo
de inclinación por pequeño que
sea.
En la Tabla 3.7 se muestran los
valores recomendados de ángulo
de inclinación de acuerdo a la
latitud.
3.2.4
Sistema Fotovoltaico.
Un sistema fotovoltaico es un sistema capaz de generar energía eléctrica a partir de la energía
solar, para alimentar ininterrumpidamente cargas de corriente continua (DC) y/o de corriente
alterna (AC) [22]. Un sistema fotovoltaico no es solo el panel solar, o arreglo de paneles
solares, es además el conjunto de elementos (acumuladores, reguladores de carga e inversores)
que hacen posible que se aproveche de manera adecuada la electricidad generada por éste, o
éstos, para suministrar energía a las cargas ininterrumpidamente y sin dañarlas.
3.2.4.1 Topologías de Sistemas Fotovoltaicos
De acuerdo al tipo de carga que se desea alimentar, un sistema fotovoltaico puede tener
diferentes topologías:
38
Sistema Fotovoltaico para cargas DC
Esta topología se utiliza en los casos en los que la carga que se desea alimentar opere con
corriente continua (DC). En la Figura 3.22 se muestra el esquema de este tipo de sistema con
todos sus elementos.
Figura 3. 22 Topología de sistema fotovoltaico para cargas DC [23]
El sistema está compuesto por un generador fotovoltaico conformado por el arreglo de paneles
solares, un acumulador o arreglo de acumuladores (baterías) cuya función es almacenar la
energía que los paneles generan durante el día para proveer de ésta a las cargas durante la
noche, un regulador de carga para evitar que la batería se sobrecargue, y las cargas DC.
Sistema Fotovoltaico para cargas DC y AC
Esta topología, que se muestra en la
Figura 3.23, es similar a la anterior pero
incluye un elemento adicional, un
Inversor. El inversor tiene como función
convertir la energía de corriente continua
suministrada por el panel o batería, en
corriente alterna. Esto se hace necesario
ya que la mayoría de los equipos
eléctricos funcionan con corriente alterna.
Figura 3. 23 Topología de sistema fotovoltaico para cargas DC y
AC [21]
39
3.2.4.2 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
Existen tres tipos de sistemas fotovoltaicos:
Sistema Fotovoltaicos Puros
Son los sistemas en los cuales toda la energía que entrega el sistema es generada a partir de
energía solar, como son los mostrados en las Figuras 3.22 y 3.23. Entre las aplicaciones de
este tipo de sistemas tenemos: telecomunicaciones, telemetría, señalización, protección
catódica y electrificación de áreas rurales. [22]
Sistema Fotovoltaicos Híbridos
Son sistemas en los que la energía entregada viene de la combinación entre un generador
fotovoltaico con otro tipo de generador de energía, tal como: eólico, hidráulico o diesel. [24]
Este tipo de sistemas es utilizado comúnmente en aplicaciones de Telecomunicaciones. [22]
Sistema Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica
Son sistemas fotovoltaicos que están conectados a la red eléctrica, de modo que si las baterías
llegan a descargarse por completo, la red eléctrica suministra la energía necesaria para
cargarlas y además para energizar las cargas. [24]
Existe otra modalidad de sistema fotovoltaico conectado a la red llamada Net-Metering,
consiste en sistemas fotovoltaicos capaces de entregar a la red eléctrica la porción de energía
generada por el mismo, que no es consumida por las cargas (no utiliza baterías); a su vez
también puede consumir energía de la red en el caso de que le haga falta. Como se muestra en
la Figura 3.24, un contador toma registro de la energía recibida de la red y la entregada a la
red, luego el usuario paga a la compañía eléctrica la diferencia entre éstas, pudiéndose dar el
caso de que tenga que cobrar a la compañía eléctrica por proveerle energía con su sistema
fotovoltaico. [24]
40
Figura 3. 24 Sistema Fotovoltaico conectado a la Red [23]
Este tipo de sistema es aplicado en electrificación de áreas urbanas. [22]
3.2.4.3 Elementos de un Sistema Fotovoltaico
Los elementos que conforman a un sistema fotovoltaico son: Arreglo Fotovoltaico, Regulador
de Carga, Acumuladores o Baterías e Inversor.
3.2.4.3.1 Arreglos Fotovoltaicos
Para aplicaciones a gran escala en la que se requiera de mucha energía, es necesario formar
arreglos de paneles que consisten en agrupar a éstos en serie y/o paralelo de acuerdo al voltaje
y corriente que requiera el sistema a alimentar. Al igual que para un módulo, el
comportamiento de un arreglo es equivalente al de una celda solar, y su curva característica es
la de corriente vs. tensión, donde estos valores varían de acuerdo al número de paneles
conectados, y a como son conectados.
Para obtener un mayor nivel de voltaje los paneles son conectados en serie, y para obtener
mayor cantidad de corriente son conectados en paralelo. El voltaje de salida de un arreglo en
serie es la suma de los voltajes individuales de los módulos conectados en serie, y la corriente
es la suma de cada panel o conjunto de paneles conectados en paralelo.
Adicional a los paneles, al formar un arreglo es necesario colocar diodos de bloqueo y de paso.
Los diodos de bloqueo se utilizan para garantizar que la corriente sólo fluya en una dirección,
41
del arreglo a la carga y nunca en dirección contraria. Por otro lado, tenemos los diodos de paso
que se utilizan para que la corriente circule a través de ellos cuando un panel (paralelo al
diodo) se encuentra sombreado, esto se hace para evitar que el panel sombreado que se
comporta como un punto de resistencia, consuma la corriente generada por el resto de los
paneles originando que éste se caliente y degrade (Ver Figura 3.25). [18]
Figura 3. 25 Arreglo fotovoltaico
3.2.4.3.2 Reguladores de Carga
Los circuitos reguladores de carga tienen como función primordial proteger a la batería de
sobrecargas y sobredescargas, que pueden disminuir la vida útil de la misma.
El regulador debe monitorear la tensión de la batería, el cual es el indicador del estado de
carga de la misma, si ésta se encuentra descargada el regulador debe dar una señal para
conectar el panel en paralelo con la batería y la cargue. Una vez que se ha alcanzado la tensión
para la cual se dice que la batería está cargada (14,1-14.7Vpara baterías de plomo-ácido
selladas), el regulador debe enviar una señal de control que desconecte el panel de la batería y
así evitar que esta se sobrecargue.
Por otro lado, una vez que la batería comience el proceso de descarga, el regulador debe
monitorear su tensión y si ésta logra disminuir hasta alcanzar la denominada tensión de
42
sobredescarga el regulador debe desconectar la carga (función denominada LVD), y así evitar
que la batería se descargue en exceso. [22]
A parte de las funciones ya mencionadas, el regulador debe evitar que la batería se descargue a
través del arreglo fotovoltaico, esto se hace con el ya mencionado diodo de bloqueo, el cual
asegura que la corriente fluya en una sola dirección, del arreglo a la carga. Otras funciones que
se le pueden agregar a un regulador a parte de las mencionadas, son indicadores y/o alarmas
del estado del sistema y visualización de parámetros importantes del mismo.
De acuerdo a las aplicaciones suelen emplearse dos topologías de reguladores, estás son:
regulador tipo serie, y regulador tipo paralelo.
Regulador tipo serie.
El regulador tipo serie, mostrado en la Figura 3.26, consiste en agregar un elemento
conmutador en serie entre el panel y la batería, controlado de acuerdo al voltaje de la batería,
de manera que cuando la batería alcance la tensión de sobrecarga el elemento conmutador
desconecte al panel de la batería, formando un circuito abierto y cuando se necesite cargar la
batería los conecte, cerrando el circuito. El elemento en serie puede ser un dispositivo
electromecánico como un relé o un contactor, o puede ser un dispositivo de estado sólido
como un transistor bipolar o un MOSFET. [24]
Figura 3. 26 Regulador tipo serie [24]
43
Regulador tipo paralelo.
Consiste en agregar un elemento en paralelo entre el panel y la batería, de modo que una vez
que la batería ha alcanzado su tensión de carga máxima, este dispositivo cree un camino de
baja resistencia, desviando la corriente de la batería, disipándola. Una vez que la batería
necesite ser cargada el elemento forma un circuito abierto obligando a que la corriente del
panel sea conducida a las baterías. Esta configuración es mostrada en la Figura 3.27.
Figura 3. 27 Regulador tipo paralelo [24]
3.2.4.3.3 Acumuladores o Baterías
Una batería se define como:
“Sistema eléctrico que permite la acumulación de energía y su posterior suministro” [1]
En un sistema fotovoltaico la función del acumulador o batería es la de acumular la energía
generada por el arreglo fotovoltaico durante el día, para poder utilizarla en las noches y en
períodos de mal tiempo.
Existen muchos tipos de baterías, para escoger la batería adecuada debemos entender cuales
son las características que la definen, éstas son: capacidad en Amperios-horas, profundidad de
descarga y vida útil.
44
Capacidad de una batería.
La capacidad de una batería es la magnitud de la cantidad de amperios de corriente que la
batería es capaz de entregar por el número de horas en las que los entrega. Su unidad es el
Amperio-hora (Ah). Con esta magnitud podemos saber cuánto tiempo puede una batería
alimentar a una carga ininterrumpidamente, lo cual determina el tiempo de autonomía del
sistema.
Por ejemplo, una batería de 350Ah, debería tener la capacidad de dar 350A en 1 hora, 175A en
2 horas, 50A en 7 horas, etc. Sin embargo, esto depende del tipo de batería, ya que ciertas
baterías están diseñadas para ser descargadas a una cierta velocidad y si se descargan de forma
más lenta o más rápida su capacidad puede variar. En general si una batería es descargada más
lentamente de lo especificado por el fabricante, su capacidad va a aumentar ligeramente, y si
por el contrario es descargada más rápidamente su capacidad disminuirá.
La temperatura a la que se expone una batería, es otro factor que puede modificar la capacidad
de la misma. Si la batería es expuesta a una temperatura menor a la especificada, su capacidad
disminuirá significativamente, por el contrario si se expone a una temperatura mayor su
capacidad aumentara ligeramente. [24,14]
Profundidad de Descarga.
La profundidad de descarga, es el porcentaje de la capacidad de la batería que es descargado
en un ciclo. Por ejemplo, las baterías de “ciclo poco profundo”, se diseñan para ser
descargadas entre un 10% y un 20% de su capacidad total en cada ciclo, y las baterías de
“ciclo profundo”, se diseñan para ser descargadas en un 80% de su capacidad total en cada
ciclo. En general mientras mayor sea la profundidad de descarga menor serán los ciclos de
trabajo de la batería, en general para los sistemas fotovoltaicos se utilizan baterías de ciclo
profundo.
45
Vida útil.
Es el número de ciclos de la batería, un ciclo es el intervalo formado por un período de carga y
uno de descarga [24].
Los dos tipos de baterías más comunes son: de Plomo-Ácido y de Níquel-Cadmio.
Baterías de Plomo-Ácido.
Este tipo de batería es el más empleado, por ser la mejor opción costo/beneficio. Esta
tecnología consiste en placas de plomo y antimonio sumergidas en un electrolito que es una
solución de ácido sulfúrico. El voltaje por celda es 2.0V, por lo que una batería de 12V está
conformada por 6 celdas y su vida promedio es de 1200 a 1500 ciclos, es decir 5 a 6 años. [14]
Como cualquier batería ésta se ve afectada por el efecto de autodescarga cuando la batería está
desconectada. Este efecto consiste en un proceso de descarga provocado por corrientes de fuga
existentes entra las placas, es por esto que cuando las baterías están cargadas requieren de un
voltaje de flotación que es de 2.25 V por celda que evita este proceso de autodescarga, de este
modo una vez que se conecte la carga el 100% de la capacidad de la batería estará disponible.
Una vez que comenzamos el proceso de descarga, la tensión de la batería tenderá rápidamente
a su tensión nominal, es decir de 2.25V por celda (tensión de flotación) a 2.0V por celda
(tensión nominal), durante el proceso de descarga esta tensión se mantendrá prácticamente
constante, hasta que la batería se aproxime al final de su capacidad que comenzará a disminuir
hasta a la denominada tensión o voltaje final de descarga, que es 1.75V por celda. Los
fabricantes recomiendan interrumpir la descarga cuando la batería alcance este punto, ya que
al seguir descargándola se puede provocar una sobredescarga de la batería trayendo como
consecuencia la disminución de su vida útil.
46
Baterías de Níquel-Cadmio.
Para esta tecnología las placas positivas son hechas con hidróxido de Níquel, las negativas con
óxido de cadmio y el electrolito es hidróxido de potasio. El voltaje por celda es 1.2V, por lo
que una batería de Ni-Cd de 12V está constituida por 10 celdas. Presentan las siguientes
ventajas con respecto a la batería de Pb-Ácido:
-
Soportan procesos de congelación y descongelación sin ser afectado su
comportamiento.
-
Son menos susceptibles a los cambios de temperatura.
-
Les afectan menos las sobrecargas.
-
Pueden descargarse por completo sin sufrir daños.
-
Necesita menos mantenimiento aún que las de Pb-Ácido.
-
Tiene una vida útil más larga.
Las desventajas que tiene esta tecnología es el alto costo, que es considerablemente elevado
con respecto a las de Pb-Ácido, y esta es la razón por la cual no se utiliza en sistemas
fotovoltaicos. Además tiene como desventaja que posee el “efecto memoria”, lo que quiere
decir que la batería “recuerda” la profundidad en la cual fue descargada y reduce su capacidad
a esta profundidad.
Otro tipo de batería es la batería de Gel, en la cual el electrolito tiene consistencia de gel, que
evita que se derrame y gasifique, por lo que son completamente selladas, sin embargo tienen
como desventaja que solo admiten descargas poco profundas.
3.2.4.3.4 Inversores
La energía generada por un arreglo fotovoltaico y la entregada por un banco de baterías es de
corriente continua (DC), sin embargo, muchas aplicaciones requieren de corriente alterna para
operar, es por esto que en muchos sistemas fotovoltaicos se hace necesario incluir un elemento
adicional que sea capaz de convertir la energía de corriente continua proporcionada por los
47
paneles o las baterías en energía de corriente alterna. Este elemento es denominado inversor o
conversor DC-AC.
Existen varios métodos para convertir corriente continua a corriente alterna, lo que varía entre
ellos es la forma de la onda obtenida. La forma de una señal alterna estándar en Venezuela es
una Senoidal de 60Hz, sin embargo, mientras más se quiera asemejar la salida de un inversor a
esta onda más complejo será el mismo. Por esto en algunos casos, cuando la carga no requiere
que la señal alterna no se asemeje tanto a una señal Senoidal, se prefiere utilizar métodos más
sencillos y económicos para generar señales alternas no senoidales.
En la Figura 3.28, se ilustran tres formas de onda de señales alterna, en primer lugar tenemos
la forma estándar que es la Senoidal, luego una señal Cuadrada y por último una que se
asemeja más a la primera que es la llamada onda Senoidal Modificada.
Figura 3. 28 Diferentes formas de onda de corriente alterna a 60Hz. [14]
Inversores de Onda Cuadrada.
Son los menos complejos y más económicos. Generalmente el método que se utiliza es hacer
pasar la corriente continua a través del devanado primario de un transformador en una
48
dirección durante 8ms y luego en la dirección contraria durante los siguientes 8ms, de esta
manera se refleja en el secundario un voltaje positivo/negativo durante los primeros 8ms y
negativo/positivo durante los siguientes 8ms, formando así un período.
La desventaja de este tipo de inversor es que la onda cuadrada posee muchos armónicos que
causan interferencia por lo que no son aptos para alimentar cualquier carga.
Inversores de Onda Senoidal Modificada.
Este método busca modificar el ancho de pulso para disminuir los armónicos y de esta forma
asemejarse más a la senoide, el proceso es más complejo porque requiere de modulación de
ancho de pulso y por ende es más costoso. Sin embargo, el resultado obtenido es muy bueno y
de hecho esta es la mejor opción en relación a calidad/costo para conexiones de iluminación,
televisores y otros.
Inversores de Onda Senoidal.
Con el uso de métodos más elaborados se ha logrado obtener ondas senoidales puras. Sin
embargo, por el alto costo que esto implica se prefieren utilizar los métodos más sencillos a
menos que la carga que se desee alimentar requiera de manera estricta que la señal alterna
tenga esta forma.
CAPÍTULO 4 – METODOLOGÍA
4.1 Selección del Tipo de Lámpara.
Para un sistema fotovoltaico es importante escoger una fuente luminosa de alto rendimiento y
en lo posible de bajo consumo, ya que la cantidad de energía que se le puede suministrar está
limitada por la capacidad de los paneles y de las baterías. Para seleccionar la luminaria más
adecuada se siguieron los siguientes pasos:
1) Estudio del área a iluminar.
2) Estudio de los tipos de lámparas utilizados en sistemas fotovoltaicos.
3) Estudio de las lámparas existentes en el mercado.
4.1.1
Estudio del área a iluminar.
El sistema de iluminación está orientado a iluminar áreas exteriores públicas, tales como
plazas, estacionamientos, veredas, entre otras. De acuerdo a esto es necesario regirnos por la
Norma COVENIN 3290 basada en alumbrado público. En esta norma se define el nivel de
iluminación para cada tipo de alumbrado y vía de acuerdo a la intensidad de tráfico, la
velocidad de los vehículos, el tránsito de peatones, la importancia de reproducción de colores,
los tipos de accesos y la geometría general de la vía.
En este caso, el sistema de iluminación se va a implementar en vías que se caracterizan por:
•
Velocidad de circulación → Muy reducida (Al paso).
•
Volumen de Tránsito → Muy reducido (Menor a 100 vehículo/h).
Al aplicar estos criterios y de acuerdo a las Tablas A1.1 y A1.2 extraídas de la Norma
COVENIN 3290, mostradas en el Apéndice 1, el tipo de alumbrado es V(B2), y el tipo de
vía es B2, ya que son vías en las que la circulación, el tráfico y la señalización son mínimas.
50
Por último, para determinar qué valor de iluminancia debe cumplir un sistema de iluminación
como el que estamos construyendo utilizamos las Tablas A1.3 y A1.4 extraídas de la Norma,
expuestas en el Apéndice 1, en éstas se visualiza información de las características de
iluminación de vías rurales y áreas públicas de circulación de peatones específicamente. De
acuerdo a estas dos tablas se determina que el nivel de iluminancia que debe cumplir el
sistema en desarrollo es entre 10 y 15 lux.
4.1.2
Estudio de los tipos de lámparas utilizados en sistemas fotovoltaicos.
Para elegir el tipo de lámpara adecuado para un sistema fotovoltaico se deben seguir los
siguientes criterios:
Dado que en sistemas fotovoltaicos la energía es limitada, se prefieren lámparas de
alto rendimiento y bajo consumo, lo que se traduce a alta eficiencia, es decir más luz
por menos vatios.
Dado que los paneles solares y las baterías generan corriente continua, se debe buscar
utilizar lámparas que trabajen con corriente continua, a 12VDC o 24VDC, y así poder
omitir el elemento inversor y a su vez eliminar las pérdidas que éste genera al
sistema.
Al igual que para cualquier sistema de iluminación, se debe seleccionar una lámpara
adecuada para el tipo de aplicación para el que se va a utilizar.
Adicionalmente, se deben tomar en cuenta criterios específicos para la aplicación particular,
que en este caso es iluminación exterior para comunidades remotas:
Lámpara de iluminación exterior para ser utilizada en plazas, estacionamientos,
calles, jardines, etc.
Lámpara de larga vida útil que no requiera mucho mantenimiento, ya que va a ser
implementada en sitios remotos y de difícil acceso.
51
La luminaria debe estar protegida contra suciedad y humedad, que sea resistente a
golpes, que tenga las protecciones eléctricas pertinentes y que requiera de poco
mantenimiento.
Una vez establecidos los criterios para elegir el tipo de lámpara se procedió a realizar un
cuadro comparativo (Tabla 4.1) de los tipos de lámparas estudiados.
Con los datos suministrados en la Tabla 4.1 se concluye que:
1. Los tipos de lámparas más eficientes son los siguientes:
-
Sodio de Baja Presión (60 -150 lm/W)
-
Sodio de Alta Presión (50-140 lm/W)
-
Metal Halide (70-115 lm/W)
-
Fluorescentes Tubulares (30-110 lm/W)
-
Fluorescentes compactas (50-70 lm/W)
2. Los tipos de lámparas menos eficientes son:
-
Incandescente (10-17 lm/W)
-
Halógenas (12-22 lm/W)
-
Luz Mixta (19-28 lm/W)
A su vez, observamos que además de ser las menos eficientes, son las que presentan
menor vida útil, por lo que quedan descartadas para esta aplicación.
3. Las lámparas de mercurio tienen una larga vida útil, sin embargo, su eficiencia no es
muy buena y además contaminan, por lo que en general no se utilizan.
4. El tipo de lámpara que presenta mejor vida útil es la tecnología semiconductora LED
con 100.000 h, lo cual es muy superior a la vida útil de cualquier otra tecnología. En
general esta tecnología presenta buenas cualidades de luz y además opera con corriente
continua por lo que no necesitaríamos el inversor. Sin embargo, todavía es una
52
tecnología relativamente nueva por lo que es muy costosa, y a pesar de que se espera que
en un futuro su eficiencia supere a las otras tecnologías, actualmente su eficiencia
todavía es relativamente baja en comparación con las otras. Por tales motivos, se
descartó el uso de esta tecnología al no resultar rentable en un primer prototipo.
Es importante señalar que la tecnología LED ya está siendo usada en iluminación con
energía solar, por tener larga vida útil, trabajar en corriente continua y tener buenas
cualidades de iluminación.
5. Las lámparas fluorescentes y las de vapor de sodio son las que mejor cumplen con
los criterios señalados. Las lámparas de sodio son las comúnmente utilizadas para
aplicaciones de alumbrado en exteriores.
6. Luego, e realizó un estudio de los diferentes tipos de lámpara utilizados en sistemas
de iluminación con energía solar para alumbrado público. Se determinó que las lámparas
fluorescentes ahorradoras de energía y las lámparas de sodio de baja presión son las
actualmente utilizadas en sistemas fotovoltaicos, lo cual concuerda con el resultado
obtenido del cuadro comparativo, en el punto 5. En el mercado internacional se
consiguen estas dos tecnologías con capacidad de operar a 12VDC, que es el voltaje que
da la batería, eliminando así la necesidad de incluir el Inversor al sistema.
Tipo
Eficiencia
[lm/W]
Vida Útil
[h]
Incandescente
10-17
750 - 2.500
Halógenas
12-22
2.000 4.000
Índice de
Rendimiento
Cromático
(IRC)
100
(Excelente)
100
(Excelente)
Fluorescentes
Tubulares
30-110
7.000 24.000
50-90 (Medio
a Bueno)
Fluorescentes
Compactas
50-70
10.000
65-88
(Bueno)
Mercurio a
alta presión
25-60
16.000 24.000
45-60 (Pobre
a Medio)
Metal Halide
70-115
5.000 20.000
Luz Mixta
19-28
6.000
60-97 (Medio
a Excelente)
50-60
(Medio)
2700-2800
(Cálido)
2900-3200
(Cálido)
2700-6500
(Cálido a
Frío)
2700-6500
(Cálido a
Frío)
3200-7000
(Cálido a
Frío)
3700
(Intermedio)
3500-4200
(Intermedio)
Sodio Baja
Presión
60-150
12.000 18.000
Nulo
Sodio Alta
Presión
50-140
16.000 24.000
LED (Luz
Blanca)
30
100.000
Temperatura
de Color [°K]
Dispositivos
Auxiliares
Aplicaciones
Comunes
No requiere
Interiores/Exteriores
(Comerciales y domésticas)
Si requiere
Si requiere
(Comerciales, domésticas e industriales)
Si requiere
Si requiere
Exteriores
Si requiere
Interiores/Exteriores (campos deportivos,
tiendas, lobbys, techos de gran altura)
No Requiere
1800 (Cálido)
Si Requiere
Exterior (calles, estacionamientos)
21-25 (Pobre)
2100 (Cálido)
Si requiere
≈ 80 (Bueno)
5250-6250
(Frío)
No requiere
Exterior (alumbrado de vías públicas,
parques, estacionamientos, plantas
industriales)
Interiores/Exteriores(señalización en
general, iluminación empotrada)
Tabla 4. 1 Cuadro Comparativo de Lámparas
53
54
4.1.3
Estudio de las lámparas existentes en el mercado.
En el mercado Nacional, en general no se encuentra la tecnología Sodio a Baja presión ni
fluorescentes ahorradoras de energía que operen a 12VDC, salvo por unos pocos proveedores
que, por encargo, pueden traer dicha tecnología a un costo elevado.
En consecuencia y debido a que se desea utilizar una tecnología existente en el país, las
mejores opciones en cuanto a costo/beneficio y tipo de aplicación son: vapor de sodio a alta
presión y fluorescentes compactas ahorradoras de energía, las cuales operan a corriente alterna
haciéndose necesario incluir en el sistema el elemento inversor.
Con respecto a la lámpara de sodio a alta presión, se tiene como limitante que en el mercado
nacional ésta sólo existe en altos valores de consumo, esto es de 100W en adelante, lo cual
representa mucho consumo para un sistema fotovoltaico.
Se concluye que para este diseño la mejor opción es la lámpara fluorescente compacta de
ahorro de energía, existente en el mercado venezolano. Las lámparas fluorescentes lineales son
descartadas porque, además de ser más costosas, poseen una forma alargada que dificultaría su
instalación en un poste de alumbrado público estándar. Por otro lado, la fluorescente
ahorradora de energía, es menos costosa, tiene balasto electrónico integrado, y su rosca es del
tipo E27 al igual que un bombillo incandescente convencional, por lo que su instalación se
puede llevar a cabo dentro de una luminaria de alumbrado público estándar. Las características
de la lámpara seleccionada se presentan en la Tabla 4.2.
Tabla 4. 2 Cuadro característico de la lámpara a utilizar en el prototipo.
Tipo
Fluorescente compacta
ahorradora de energía
Consumo
Tensión de
Flujo
Costo
[W]
Operación [V]
Luminoso
[Bs]
45
120 +/- 10%
2900
45.000
55
4.2 Diseño del Sistema Foovoltaico.
Una vez determinada la carga del sistema se procede a realizar el dimensionado del mismo, el
cual consiste en realizar un estudio de energía, llamado balance energético, para determinar la
capacidad del banco de baterías y del arreglo de paneles solares necesarios.
Los pasos a seguir en el dimensionado de un sistema fotovoltaico son los siguientes:
1) Recopilación de Información de las Características Geográficas y Meteorológicas de
la zona.
Para dimensionar el sistema necesitamos información acerca de las Horas Efectivas de Sol
(HES) que recibirá el arreglo de paneles en un día. Las Horas Efectivas de Sol, HES, son
el número equivalente de horas en las que el panel solar recibe un nivel de radiación
máximo de 1Sun (1000W/m2) equivalentes a un día de radiación. Dado que la radiación en
un día varía desde que amanece hasta que anochece se hace necesario calcular la energía
total recibida en un día y de este valor calcular las horas que equivalen a una radiación
constante de 1Sun (HES) en las que se obtendría esta misma cantidad de energía.
Para obtener los datos de radiación es preciso establecer la ubicación de la zona en la que
se va a instalar el sistema. La planta piloto donde será instalado este prototipo es en el
Instituto de Ingeniería, con el fin de someterlo a un período de prueba y luego replicarlo a
las comunidades remotas. La ubicación geográfica del Instituto de Ingeniería en
coordenadas geográficas es la siguiente:
Longitud: 66º 53’ 21’’
Latitud: 10º 20’ 05’’
La estación meteorológica más cercana es el Observatorio Cajigal, la cual proporcionó
para este proyecto información de radiación solar en un período de 40 años (1961 -2000),
(Ver Apéndice 2). En las estaciones meteorológicas no se encuentra información acerca de
56
las HES, pero encontramos información acerca de la Radiación Total Directa y Difusa
sobre superficie horizontal (RTDDSH), esta es la radiación total que llega a una superficie
cuyas componentes son:
-
Radiación Solar Directa, formada por los rayos procedentes directamente del Sol.
-
Radiación Solar Difusa, formada por los rayos originados por efectos de dispersión
de los componentes de la atmósfera incluyendo a las nubes.
-
Radiación Terrestre, formada por los rayos originados por efectos de reflexión en
el suelo. [24]
Las unidades de la radiación total directa son Langleys/día, que equivalen a cal/cm2/día o
KWh/m2/día.
En las tablas suministradas por el Observatorio Cajigal, se muestra la media de radiación solar
mensual en el período mencionado, y además se muestra la media anual. Para sistemas
fotovoltaicos se suele utilizar el método del peor mes, que consiste en dimensionar el sistema a
partir de los datos de radiación del peor mes del año, es decir, el que presente menor radiación,
de esta forma se garantiza que el sistema operará efectivamente los 12 meses del año. De
acuerdo a la información recopilada, el mes que tiene la peor radiación es Noviembre con
337 cal/cm2/día.
A partir de este valor se calcula las HES. Primero se realiza la conversión de cal/cm2día a
KWh/m2/día con la siguiente relación:
[
RTDD SH KW
m2
[
]
[
⋅ día = 0.01162 × RTDD SH cal
RTDD SH KW
m2
]
[
cm 2
⋅ día = 0.01162 × 337 cal
RTDDSH = 3.92 KW
m2
.día
]
⋅ día (4. 1)
cm 2
⋅ día
]
57
Luego, a partir de la siguiente expresión se obtienen las Horas Efectivas de Sol:
HES =
HES =
RTDDSH RTDDSH
=
(4. 2)
1Sun
1 KW 2
m
3.92 KW
1 KW
m2
⋅ día
= 3.92 h
m2
día
Cabe destacar que existe un factor de corrección de la RTDDSH para obtener la Radiación
Total Directa y Difusa sobre superficie inclinada (RTDDSI), esto se hace debido a que el panel
solar siempre va a tener una inclinación, y de acuerdo a ésta la radiación que reciba va a
variar. Este factor es suministrado en tablas producto de mediciones experimentales y al igual
que la radiación se obtiene un valor para cada mes y se debe aplicar el criterio del peor mes. Si
la inclinación del panel es suficiente como para considerar este factor, la metodología a seguir
para calcular las HES es la siguiente:
1. Se hace la conversión de la RTDDSH de cal/cm2día a KWh/m2/día utilizando la
ecuación 4.1.
2. Luego se multiplica por el factor de corrección debido a la inclinación del panel
(FC) para obtener la RTDDSI
RTDDSI = FC × RTDDSH (4. 3)
3. Por último se obtiene las HES a partir de la relación 4.4:
HES =
RTDDSI
(4. 4)
1Sun
En este caso no se considerará este factor ya que la inclinación del panel no es muy
representativa por la zona geográfica en la que estará ubicado.
58
2) Elementos disponibles para el sistema
En esta etapa se procede a definir cuales son los componentes de los que se dispone para
desarrollar el sistema:
En primer lugar se debe definir las características de la(s) carga(s) del sistema, tal
como se muestra en la Tabla 4.3.
Tabla 4. 3 Cargas del sistema fotovoltaico.
Cantidad
1
Tipo
Lámpara Fluorescente
Ahorradora de Energía
Tensión (V)
Potencia (W)
120V +/- 10%
45
Se contó con la donación de 3 baterías por parte de la empresa INTELEC. En la
Tabla 4.4 se resumen las características de las mismas.
Tabla 4. 4 Baterías disponibles para el Sistema Fotovoltaico.
Cantidad
Modelo
Tipo
Voltaje Nominal
Capacidad
[V]
88Ah @ 20h
3
UPS12-310
Plomo-Ácido
12
a 1.75VPC
@ 25°C
Para ver la hoja técnica de la batería remitirse al Apéndice 3.
Igualmente la empresa INTELEC, donó 2 Paneles Solares con las características
mostradas en la Tabla 4.5.
59
Tabla 4. 5 Paneles Solares disponibles para el Sistema Fotovoltaico.
Cantidad
Ppico [W]
Ipico[A]
2
60
3
3) Balance de Energía.
Para realizar el balance de energía debemos partir de las siguientes premisas:
Tiempo de Autonomía diario (TA): Es el número de horas por día que se desea
energizar a la carga, en este caso es el número de horas por día que se desea que
la lámpara permanezca encendida. Definimos 8 horas de autonomía diaria.
Días de Autonomía (DA): Es el número de días durante los cuales el sistema es
capaz de mantener a la carga energizada de forma continua, en sistemas
fotovoltaicos pequeños como este se recomienda 3 días de autonomía.
Máxima Profundidad de Descarga: Es el máximo porcentaje de profundidad de
carga que se va a extraer de la batería, para este tipo de sistemas se recomienda
un 80% de máxima profundidad de descarga.
Factores de Diseño: Son los factores que se deben tomar en cuenta al momento
de realizar los cálculos por efectos de temperatura, envejecimiento de los
elementos del sistema y pérdidas.
Una vez establecidas las premisas de diseño se debe seguir la siguiente metodología de
diseño:
1. Cálculo del Consumo diario de las cargas.
Para calcular el consumo diario de la carga se utiliza la siguiente relación:
E CARGA = PCARGA × T A (4. 5)
ECARGA = 45W × 8h = 360Wh
En este caso como el sistema incluye el elemento inversor, se deben tomar en cuenta
las pérdidas que este introduce al sistema. Por lo tanto, si se parte de la suposición de
60
que la carga del sistema es el conjunto formado por la lámpara y el inversor; se debe
aplicar, como factor de corrección a la energía calculada la eficiencia del inversor.
Como se verá más adelante, la eficiencia del inversor que se diseñó para el sistema es
0.8, por lo tanto:
E CARGA+ INV =
360Wh
= 450Wh (4. 6)
0.8
2. Dimensionado del arreglo de Paneles Solares.
Se procede a calcular la energía que debe suministrar el arreglo fotovoltaico tomando
en cuenta las pérdidas del sistema, aplicamos como factor de diseño que la energía
suministrada por los paneles debe ser un 20% más de la consumida por la carga
E ArregloPaneles = 1.2 × ECARGA+ INV (4. 7)
E ArregloPaneles = 1.2 × 450Wh = 540Wh
Calculamos la cantidad de energía que un panel de 60W, modelo del cual disponemos,
es capaz de generar en un día:
E PANEL = PPANEL × HES (4. 8)
E PANEL = 60W × 3.92h = 235.2Wh
Por último calculamos el número de paneles que requiere el sistema:
N ° PANELES =
N ° PANELES
E ArregloPaneles
(4. 9)
E PANEL
540Wh
=
= 2.30
235.2Wh
Sólo se dispone de dos paneles, por lo que se selecciona trabajar con ambos conectados
en paralelo para conservar el mismo voltaje y duplicar la corriente, pero como estos no
61
serán capaces de proveer la energía diaria necesaria para 8 horas de encendido diaria,
ya que se requiere de más de dos paneles, se realiza el cálculo anterior de nuevo, pero
esta vez partiendo del número de paneles para obtener la cantidad de energía que estará
disponible para la carga y con ésta calcular el tiempo de autonomía diario:
N ° PANELES = 2
Despejando de la ecuación 4.9 se tiene que,
E ArregloPaneles = N ° PANELES × E PANEL
E ArregloPaneles = 2 × 235.2Wh = 470.4Wh
Se calcula la energía disponible para las cargas sabiendo que la energía que da los
paneles debe ser un 20% mayor a esta (ecuación 4.7),
E CARGA+ INV =
E ArregloPaneles
1.2
= 392Wh
Luego de la ecuación 4.6,
E CARGA = ECARGA+ INV × 0.8 = 313Wh
Por último se tiene que el tiempo de autonomía diario que se podrá obtener con dos
paneles, según la ecuación 4.5, es:
TA =
ECARGA 313Wh
=
= 6.97 h
PCARGA
45W
TA ≈ 7h
62
3. Dimensionado del Banco de Baterías.
Por último, se calcula la capacidad de la batería, la cual viene dada por la siguiente
expresión:
CB =
FactoresDiseño × EnergíaDiaríaExtraída × T A
(4. 10)
% Máxima Pr ofundidadDesc arg a
Los Factores de diseño que debemos tomar en cuenta son:
-
Factor de Temperatura. El comportamiento de las baterías varía con la temperatura,
a mayor temperatura la batería es capaz de entregar más energía y viceversa. En la
Tabla 4.6 se muestra el factor de temperatura. Por las condiciones climáticas del
sitio en el que vamos a instalar el sistema, se debe tomar como factor de diseño
1,00.
Tabla 4. 6 Factor de temperatura
-
Temperatura [°C]
Factor de Temperatura
> 25
1,00
< 25
>1,00
Factor de Envejecimiento. Este factor sobredimensiona la batería tomando en
cuenta el envejecimiento de la batería, típicamente es 1,25.
-
Factor de Crecimiento. Este factor sobredimensiona la capacidad del banco de
batería previendo que en un futuro se desee agregar nuevas cargas al sistema.
Típicamente está entre 1,1 y 1,15. Para este caso se utilizará como factor de
crecimiento 1,1.
De acuerdo a lo anterior el factor de diseño, FD, de la batería es:
FD = 1.00 × 1.25 × 1.1 = 1.375
La energía que se le extrae a la batería diariamente, es la energía consumida por la
carga y el inversor, calculada en el primer punto y recalculada en el punto de
dimensionado del arreglo de paneles solares:
E DiariaExtraída = ECARGA+ INV = 392Wh
63
Para expresarla en Amperios-hora, se divide entre el voltaje de la batería:
E DiariaExtraída =
392Wh
= 32.67 Ah
12V
El tiempo de autonomía para un sistema como éste generalmente es de 3 días, para
aplicaciones industriales se toman 4 días.
Por último la profundidad máxima de descarga de batería utilizada en sistemas
fotovoltaicos es de un 80%.
De acuerdo a estos criterios la capacidad del banco de baterías debe ser:
CBSIST . FOTOVOLTAICO =
1.375 × 32.67 Ah × 3días
= 168.44 Ah
0.8
Conociendo el modelo de batería a utilizar, se calcula el número de éstas que el sistema
requiere:
N ° BATERÍAS =
CBSIST . FOTOVOLTAICO
(4. 11)
CBUPS12−310
N ° BATERÍAS =
168.44 Ah
= 1.91
88 Ah
N ° BATERÍAS ≈ 2
4.3 Diseño del Regulador de Carga de Baterías.
Dado que el objetivo es desarrollar un regulador de carga de batería que sea comercial, se
realizó una investigación acerca de los modelos existentes en el mercado y las funciones que
estos manejan.
Una vez hecho este estudio se tomó la decisión de utilizar un microcontrolador como cerebro
del sistema, de modo que éste reciba información del estado de los elementos que conforman
el sistema y a partir de ésta tome decisiones y modifique dichos estados. En la Figura 4.1 se
muestra el diagrama esquemático del regulador de carga y el regulador diseñado.
64
El
microcontrolador
seleccionado
para
realizar
esta
función
fue
el
Motorola
MC68HC908GP32, el cual presenta, entre otras, las siguientes características:
Posee 8 canales de conversión A/D, por aproximaciones sucesivas de 8 bits.
Hasta 33 pines de entradas/salidas de propósito general.
Posee un módulo de Interrupción Externa (IRQ), el cual atiende interrupciones
generadas externamente.
Posee 2 módulos contadores de tiempo (TIM1 y TIM2), de dos canales cada uno y
capaces de generar señales PWM.
Posee un módulo de comunicación serial (SCI).
32 Kbytes de memoria FLASH programable en circuito.
512 bytes de memoria RAM.
Corriente de entrada/salida de hasta 10mA en todos los puertos.
Encapsulado plástico de 40 pines DIP, 42 pines SDIP o 44 pines QFD.
Puerto de 8 bits para manejo de teclado.
65
Figura 4. 1 Diagrama esquemático del regulador de carga desarrollado.
66
Una vez seleccionado el microcontrolador, se procedió a diseñar el sistema el cual cumple con
las siguientes funciones y características:
Regular el Proceso de Carga de la Batería.
Para regular el proceso de carga de la batería, se utilizó uno de los canales de conversión
Análogo/Digital del microcontrolador, para medir continuamente el voltaje de la batería y
de esta forma saber el estado de la misma.
En la Figura 4.2, se muestra el Diagrama de Flujo del proceso de control de carga de
batería, en él se observa que una vez iniciado el proceso, lo primero que se realiza es medir
el voltaje de la batería para establecer el estado en el que se encuentra la misma. Si el
voltaje es mayor a 12V, la batería está cargada y se procede a aplicar el voltaje de flotación
(13,5V), para evitar que se autodescargue. El voltaje de flotación es activado por el
microcontrolador, el cual envía una señal para que por medio de un relé se encienda el
regulador de voltaje de 13.5V, y de esta forma suministrarle el voltaje de flotación a la
batería.
Si el voltaje de la batería resulta menor a 12V, la batería está descargada y se inicia el
proceso de carga. Para ello se verifica que el panel tenga un voltaje mínimo aceptable
(12V). En el caso en el que el panel tenga un voltaje menor al mínimo aceptable (12V)
para iniciar el proceso de carga, significa que no está en capacidad de cargar la batería, por
lo que se coloca a ésta última en un estado de Espera hasta que el panel tenga la energía
suficiente para cargarla. Por el contrario, si el voltaje del panel es mayor o igual al mínimo
aceptable se conecta el panel en paralelo con la batería para iniciar así el proceso de carga.
(Para medir el voltaje del panel se utilizó otro canal de conversión A/D)
Una vez que se ha definido el estado actual de la batería el sistema lleva un seguimiento
para ver si hay que realizar un cambio de estado. Si la batería se encuentra en estado de
Flotación, se mide de nuevo el voltaje de la batería para verificar el estado. Por otro lado,
si la batería se encuentra en estado de Espera, se mide el voltaje del panel de forma
67
continua hasta que éste esté listo para iniciar el proceso de carga, y por último si la batería
se encuentra en el proceso de Recarga, se mide continuamente su voltaje para detener este
proceso cuando el voltaje de la misma llegue a 14,7V, y de esta forma evitar la sobrecarga
de la batería. Al completarse la carga de la batería ésta es llevada a estado de Flotación.
1
Inicio
Medir Voltaje
de la Batería
2
4
SI
¿La Batería
está en
Flotación?
SI
2
Edo. Batería = Flotación
VBat≥12V
NO
NO
1
Medir Voltaje
del Panel
SI
¿La Batería
está en
Espera?
3
3
SI
NO
Edo. Batería = Cargando
VPanel≥12V
NO
Edo. Batería = Espera
1
¿La Batería
se está
Cargando?
NO
2
SI
1
Medir Voltaje
de la Batería
SI
VBat≥14.7V
NO
1
Figura 4. 2 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Carga de la Batería
4
68
Regular el Proceso de Descarga de la Batería.
De forma similar al proceso de carga, el proceso de descarga de la batería es controlado
monitoreando el voltaje de la misma. En la Figura 4.3 se muestra el diagrama de flujo del
proceso de descarga.
Inicio
1
Medir Voltaje
del Panel
Medir Voltaje
de la Batería
NO
VPanel ≤ 3V
SI
Salir
Apagar Lámpara.
Edo. Bat.=Descargada
VBat≤ VFD
SI
NO
Medir Voltaje
de la Batería
Ir a Rutina
de Carga de
Batería
Medir Voltaje
del Panel
NO
NO
¿Está
cargada?
Salir
VPanel≥5V
Salir
SI
SI
Encender Lámpara.
Edo. Batería = Descargando
Apagar Lámpara.
Salir
1
Figura 4. 3 Diagrama de Flujo del Proceso de Control de Descarga de la Batería.
Como se muestra en la Figura 4.3 el proceso de descarga se inicia una vez que el voltaje
del panel es menor a 3V, esto se debe a que el encendido automático del sistema es a
través del panel utilizado como un sensor crepuscular, de modo que cuando el voltaje del
panel es menor a 3V indica que ha anochecido y se debe encender la lámpara; en este caso
69
el sistema verifica el estado de la batería y si ésta está cargada envía la señal de encendido
de la lámpara e inicia el proceso de descarga. Si la batería está descargada no se inicia el
proceso de descarga y sale de esta rutina.
Una vez que se ha iniciado el proceso de descarga, el sistema monitorea continuamente el
voltaje de la batería, mientras este sea mayor al voltaje final de descarga (VFD)
recomendado por el fabricante el proceso de descarga continúa a menos que el voltaje del
panel sea mayor a 5V, lo cual indica que ya ha amanecido y por lo tanto la luz de la
lámpara no es necesaria, por esta razón el regulador envía la señal de apagado. Si no ha
amanecido y el voltaje de la batería llega a ser igual al voltaje final de descarga se envía la
señal de apagado y se establece el estado de la batería como descargada.
Control del Encendido y Apagado de la Lámpara
El encendido y apagado de la lámpara se puede realizar de forma automática o manual:
Encendido/Apagado Automático.
El encendido de la lámpara automático es el controlado por el voltaje del panel, que
como se explicó anteriormente se usa como sensor crepuscular, de modo tal que si el
voltaje del panel es menor a 3V se enciende la lámpara de forma automática, a su vez
se da inicio una cuenta regresiva del tiempo de autonomía establecido.
El apagado de la lámpara automático puede ocurrir por una de tres posibles
condiciones, la primera es cuando la cuenta regresiva del tiempo de autonomía expira,
de modo que si se configura el sistema para encender la lámpara por 4 horas, una vez
transcurrido este tiempo la lámpara se apaga de forma automática. La segunda
condición de apagado es cuando el sistema percibe que es de día (Voltaje del Panel ≥
5V), y la última es cuando la batería ha llegado a su voltaje final de descarga y se hace
necesario apagar la lámpara para impedir que la batería continúe descargándose.
70
Encendido/Apagado Manual.
El encendido y apagado manual de la lámpara se hace a través de un pulsador
conectado al módulo IRQ del microcontrolador, el cual, al recibir la señal del pulsador,
origina una interrupción para encender la lámpara en el caso de que esté apagada y
viceversa.
Por otro lado tenemos que el sistema tiene dos modos de encendido, estos son:
Modo de Encendido Normal.
Si el sistema está configurado para encender en este modo, la lámpara se enciende y se
apaga cuando ocurre alguna de las condiciones de apagado anteriormente descritas, ya
sea automática o manual.
Modo de Encendido con Sensor de Movimiento.
Para este modo se instaló al sistema un sensor de movimiento por infrarrojo, marca
OPTEX, modelo LX-802N. Los detalles técnicos de este modelo se encuentran en el
Apéndice 4.
Cuando el sistema está configurado en este modo, al iniciar el tiempo de autonomía la
lámpara permanece apagada, y así cuando el sensor detecta movimiento el sistema
envía la señal de encendido de la lámpara. El tiempo durante el cual ésta permanece
encendida es de 10 minutos, una vez concluido este tiempo la misma se apagará de
forma automática.
La idea de agregar un sensor de movimiento al sistema se debe a que resulta
innecesario tener la lámpara encendida durante toda la noche, ya que hay horas que
presentan mayor transito de personas que otras, de modo que si el sistema se configura
en este modo la lámpara sólo encenderá cuando alguna persona transite por el área y
71
requiera de luz. Mientras no transiten personas, la lámpara permanecerá apagada y
ahorrará la energía para cuando alguien realmente la necesite.
Interfaz con el Usuario
El sistema ha sido diseñado pensando en que el usuario pueda adecuar los parámetros del
sistema en base a sus necesidades. Para ello se incorporan elementos que permiten la
interacción con el usuario, como lo son: una pantalla de cristal líquido (LCD), 3 pulsadores
para navegar en el menú que se muestra en la pantalla, un pulsador de encendido y
apagado de la lámpara y un interruptor selector del tipo de carga.
A continuación se describen las funciones de cada uno de los elementos mencionados
anteriormente:
Pulsadores para Navegar en el Menú del LCD.
Para Navegar en el menú de la pantalla se dispone de 3 pulsadores:
-
Pulsador Menú/Ok: Al presionar este botón por primera vez se accederá al menú
principal, y además tiene la función de dar acceso a la opción seleccionada por el
usuario una vez dentro de algún menú o submenú.
-
Pulsador ►/Minutos: Este pulsador permite al usuario desplazarse entre las
opciones del menú en sentido ascendente, configurar los minutos del tiempo de
autonomía y/o los decimales del voltaje de recarga.
-
Pulsador ◄/Hora: Este pulsador permite al usuario desplazarse entre las opciones
del menú en sentido descendente, configurar las horas del tiempo de autonomía y/o
los dígitos enteros del Voltaje de Recarga.
72
Pantalla de Cristal Líquido (LCD).
Para el desarrollo del sistema se utilizó una pantalla de 2 líneas x 16 caracteres, marca
Xiamen Ocular.
Una vez encendido el sistema se muestra la pantalla principal como se muestra en la
Figura 4.4.
FII
www.fii.org
Figura 4. 4 Pantalla Principal
Para acceder al Menú Principal el usuario debe presionar el pulsador Menú/Ok, con lo
cual, se mostrará en pantalla la primera opción y luego con ayuda de los pulsadores,
►/Minutos y ◄/Hora, éste podrá desplazarse a las demás opciones. Una vez que el
usuario elija una opción debe presionar el pulsador Menú/Ok para ingresar a ésta. A
continuación se enumeran y describen las opciones del menú principal:
1. Valores de Batería. Esta opción permite al usuario ver en qué estado se encuentra la
batería y configurar el voltaje al cual se desea recargarla. Al seleccionar esta opción,
se ingresará al siguiente submenú:
-
Estado Actual. Al seleccionar está opción el usuario ingresará a una pantalla
donde se visualiza el voltaje actualizado de la batería y el estado de la misma.
Los estados que puede tener la batería son: Flotación, Cargada, Descargada y
Descargando.
-
Ajustar Vrec. Con esta opción el usuario ingresará a una pantalla en la cual se
muestra el Voltaje de Recarga de batería predeterminado por el sistema que
es 14.7V. Sin embargo, con la ayuda de los pulsadores, ►/Minutos y
◄/Hora, el usuario podrá reconfigurar este voltaje de acuerdo a la tecnología
de batería que desee utilizar.
73
2. Tiempo de Autonomía. En esta opción se ingresará a un submenú que permitirá
configurar el tiempo de autonomía y el modo de encendido.
Dado que se tienen dos modos de encendido, se decidió crear dos tiempos de
autonomía los cuales serán ejecutados de forma consecutiva, al encenderse la
lámpara se iniciará el tiempo de autonomía 1 e inmediatamente finalizado éste, se
iniciará el tiempo de autonomía 2. De esta forma se podrán distribuir las 7 horas de
autonomía entre estos dos tiempos que se podrán configurar con modos diferentes.
Las funciones disponibles en esta opción son:
-
Configurar Ta1. Al seleccionar está opción se ingresará a otro submenú que
permite configurar los valores del tiempo de autonomía 1:
•
Modo. Al ingresar a este menú se mostraran en pantalla los dos modos
posibles: normal y sensor de movimiento. El modo actualmente
seleccionado se mostrará titilando.
•
Ajustar Tiempo. Con esta opción se accederá a una pantalla que muestra
las horas y minutos predeterminados para el tiempo de autonomía 1. El
usuario podrá reconfigurar este tiempo utilizando el pulsador ►/Minutos
para ajustar los minutos y el pulsador ◄/Hora para ajustar las horas.
-
Configurar Ta2. Esta opción funciona igual a la anterior con la diferencia de
que los valores mostrados y los que se configuren serán para el tiempo de
autonomía 2.
Los valores predeterminados para los tiempos de autonomía son los
mostrados en la Tabla 4.7.
74
Tabla 4. 7 Valores predeterminados de los tiempos de autonomía diarios.
Tiempo de Autonomía
Modo
Tiempo [h]
1
Normal
5:00
2
Sensor de Movimiento
3:00
3. Seleccionar Idioma. Esta opción permite al usuario cambiar el idioma del
menú. Las opciones son Español e Inglés.
4. Salir. Esta opción permite al usuario salir del menú principal y volver a la
pantalla principal (Figura 4.4).
Pulsador ON/OFF de la Lámpara.
Es el pulsador de encendido y apagado manual. Una vez que el usuario enciende de
forma manual la lámpara, se deshabilita el modo de apagado por sensor crepuscular, de
manera que si el usuario decide encender la lámpara de día el sistema no la apagará. La
única manera de que se apague, una vez que ha sido encendida por este pulsador, es
que expiren los tiempos de autonomía o que se descargue la batería.
De igual manera, si se apaga la lámpara con este pulsador, se deshabilita el encendido
automático por sensor crepuscular de modo que si el usuario la apaga estando de noche
el sistema no la reencienda al detectar que es de noche. Si la lámpara se ha apagado de
forma manual la única manera de volver a encenderla es de forma igualmente manual.
Interruptor Selector del Tipo de Carga.
Este interruptor permite al usuario configurar el tipo de carga, DC o AC, que va a
manejar el sistema. A pesar de que esta aplicación es para una carga AC, se diseñó el
sistema para que sea capaz de manejar cargas DC de 12V, de modo que si el usuario
conecta una carga DC se deshabilita el inversor y se procede a conectar la carga
75
directamente a la batería. Si el usuario selecciona carga AC, esta función quedará
deshabilitada y al aparecer la señal de encendido se habilitará el inversor.
Protecciones del Sistema
-
El sistema está protegido contra inversión de polaridad mediante diodos de
bloqueo en las entradas de panel y batería.
-
Está protegido contra sobre-corriente mediante un fusible en la entrada del
voltaje de la batería.
-
Está protegido contra sobrevoltaje.
Etapa de Comunicación Serial para futuras aplicaciones.
Esta etapa es creada pensando en futuras aplicaciones en las que se desee crear alguna interfaz
desde una PC para monitorear y controlar el sistema desde la misma, para esto se deja
disponible el módulo de comunicación serial del microcontrolador (SCI), y además se agrega
al plano del circuito impreso el hardware necesario para realizar la conexión a la PC.
4.4 Diseño del Inversor.
En el desarrollo del documento, se han mencionado las formas más comunes para obtener una
señal alterna y basados en el estudio realizado, la mejor opción costo/beneficio que tenemos
para sistemas de iluminación es utilizar Inversores de Onda Senoidal Modificada.
Para este prototipo se seleccionó la configuración de Inversor de Onda Senoidal Modificada
mostrada en la Figura 4.5.
76
Figura 4. 5 Inversor de Onda Senoidal Modificada.
El diseño se basa en la conmutación de dos Mosfets controlados cada uno por una señal PWM,
las cuales son generadas utilizando los dos canales del Modulo TIM del microcontrolador.
Cada PWM es de 400Hz y está diseñada para conmutar los Mosfet de forma alternada, de
manera de inducir corriente en el transformador en un sentido y luego en otro, originándose la
señal alterna cuadrada con retorno a cero deseada en el secundario del transformador. Se eligió
trabajar a 400Hz de modo que el transformador también opere a esta frecuencia, lo cual trae
beneficios en cuanto a costos y tamaño, además esto no altera el funcionamiento de la lámpara
de acuerdo a pruebas realizadas en el laboratorio.
La señal senoidal que proviene de la red eléctrica y para la cual los dispositivos están
diseñados tiene las siguientes características:
VPico = 170V
Vrms= 120V
En la búsqueda de generar una señal lo más parecida posible a ésta, se diseñó el inversor con
el fin de obtener a su salida una onda senoidal modificada que cumpla con estas dos
77
condiciones. Para cumplir con la primera condición se diseñó el transformador con dos
devanados en el primario y uno en el secundario, y cuando se aplique en el primario una señal
de entrada de 12V (voltaje de la batería), en el secundario se refleje un voltaje de salida pico
de 170V.
Para cumplir con la condición del voltaje rms debemos calcular el ancho de pulso que debe
tener la onda senoidal modificada con voltaje pico de 170V que cumpla con 120Vrms. Luego
este es el ancho de pulso que deben tener las señales PWM que conmutan a los Mosfets.
La forma de onda deseada en la salida del transformador es la mostrada en la Figura 4.6.
Figura 4. 6 Onda Senoidal Modificada
Para calcular el voltaje rms se utiliza la expresión 4.1:
Vrms =
1
T
∫
T
0
(V ) 2
(4. 12)
78
El voltaje rms debe ser 120V y queremos saber cuál debe ser el ancho de pulso de la onda. De
acuerdo a la Figura 4.6, el ancho de pulso es Dc*T, donde Dc (Duty Cycle) simboliza el ciclo
de trabajo del pulso. Sustituyendo los valores en la ecuación 4.1 y despejando la incógnita nos
queda que:
Vrms
T
+ DC T
1 ⎛ DCT
2
2⎞
2
⎜
⎟ = 120
(
)
(
)
=
170
+
170
T
∫
⎟
T ⎜⎝ ∫0
2
⎠
DC
2
(
120 )
=
2
2(170 )
= 0.249 ≈ 0.25
Una vez realizados los cálculos se concluye que para obtener la onda senoidal modificada de
120Vrms, cada uno de los dos ciclos de trabajo debe ser de un cuarto de período (0.25T), es
decir que la onda senoidal modificada debe ser una onda cuadrada, como se muestra en la
Figura 4.7.
Figura 4. 7 Diseño de la Onda Senoidal Modificada
79
Ahora se procede a establecer como deben ser las dos señales PWM, de modo que la señal a la
salida del inversor sea la deseada. Como se muestra en la Figura 4.5, la PWM1 va a excitar a
Q1 cuya conducción originará el ciclo positivo de la señal alterna, mientras que la PWM2 va a
excitar al Q2 que va a originar el ciclo negativo. Cada PWM va a tener un solo ciclo de trabajo
de un cuarto de período, pero van a estar retardadas 0.25T milisegundos entre sí. En la Figura
4.8, se muestran cada una de las PWM y la señal resultante de la conmutación.
Figura 4. 8 Ondas PWM y señal resultante del proceso de conmutación.
Si se fija a un solo valor de ancho de pulso, a medida que la batería se vaya descargando el
voltaje pico disminuirá y por ende también el voltaje rms. Por esta razón, el microcontrolador
es configurado para variar el ancho del pulso de acuerdo al voltaje de la batería. De este modo,
si el voltaje de la batería disminuye el ancho de pulso aumenta para mantener el voltaje rms en
120V.
80
Para esta aplicación se seleccionaron los Mosfet de Potencia modelo IPS0151, que poseen las
siguientes características:
Se polarizan con 5V, que es el voltaje pico de las PWM generadas por el
microcontrolador.
Pueden manejar hasta 35A.
Disipan poca potencia (Pdmax=2W).
El transformador diseñado presenta las siguientes especificaciones técnicas:
Dos devanados en el primario y uno en el secundario.
Para VPrimario=12V → VSecundario=170V.
Frecuencia de trabajo: 400Hz. (Más pequeño y más barato que el de 60Hz)
Potencia nominal: 100VA. Se elige este valor ya que la lámpara fluorescente, que es
la carga del inversor, es de 45W con factor de potencia >0.58 lo cual representa
77.6VA.
4.5 Diseño del Poste de Iluminación
En la Figura 4.9, se muestra el modelo del poste diseñado para la aplicación. Es un poste
de iluminación de vías públicas cuya fabricación fue realizada en el Centro de Ingeniería
Mecánica del Instituto de Ingeniería.
Características:
Altura de montaje: 5m. Para seleccionar esta altura nos remitimos a la Norma
COVENIN 3290, de acuerdo a ésta, para iluminación en veredas, vías de peatones,
jardines públicos, parques, estacionamientos, entre otros, se permiten alturas de
montaje menores a 6m pero en el caso de parques, calles de circulación restringida y
jardines públicos no se recomienda alturas menores a 4m.
81
Figura 4. 9 Diseño del Poste de Iluminación o Farola Solar.
En la parte más alta del poste, a 6,5m del suelo, se ubican los paneles solares
conectados en paralelo, cuya base presenta la característica de girar 360°
horizontalmente, de manera que una vez elegida la ubicación del poste se proceda a
orientar los paneles hacia el Sur, como se explicó en capítulos anteriores. Además
puede girar en el plano vertical (paralelo al poste) 180° para establecer la inclinación
adecuada de acuerdo a la latitud de la zona geográfica en la que se instale.
El prototipo fue instalado en el Instituto de Ingeniería, cuya latitud es 10º 20’ 05’’,
y de acuerdo a la Tabla 3.7, el ángulo óptimo de inclinación de los paneles para
esta latitud es de 15° con respecto al eje horizontal, paralelo al suelo.
La Luminaria en la que va a ir la lámpara fluorescente compacta de 45W, es una
luminaria especial para alumbrado público, que cumple con los requerimientos
mínimos para estar expuesta a la intemperie y la cual fue donada por la empresa
Exportica C.A. para la realización de este proyecto. La Luminaria es sostenida a 1,5m
del poste por un brazo, como se muestra en la Figura 4.9.
82
Por último se diseño la base del poste para que fuera la caja de control del sistema, en
la cual estará el banco de baterías y toda la electrónica del sistema (regulador e
inversor). Para Farolas Solares como ésta, generalmente se ubica la caja de control a
una altura considerable del poste de modo que sea poco accesible, esto es porque se
han reportado problemas de robo de baterías al ponerlas a una altura accesible. Sin
embargo, para este primer prototipo ubicado dentro del mismo Instituto de Ingeniería
se decidió poner la caja de control en la parte baja para poder manipular mejor los
controles, ya que una vez finalizada la instalación se desea poner en período de prueba
el sistema y ver como se comporta al variar sus parámetros.
4.6 Caracterización del Panel Solar existente en la empresa.
El panel solar a estudiar fue utilizado en el año 1990, se encuentra inactivo desde hace más de
10 años, es marca Siemens, y se caracteriza porque sus celdas son de silicio monocristalino. El
modelo es SM 144-18, el cual se encuentra descontinuado actualmente, está constituido por
144 celdas solares y su capacidad nominal es 120W. Las celdas que conforman el panel están
dispuestas de la siguiente manera: 4 grupos de 36 celdas conectadas en serie y a su vez estos
grupos conectados en paralelo. En el Apéndice 5, se muestra la hoja técnica de dicho panel
incluyendo su característica corriente-tensión.
Para el desarrollo de esta etapa del proyecto se definieron las siguientes fases de trabajo:
1. Documentación
En esta fase se buscó información acerca del tipo de pruebas experimentales o ensayos que
se utilizan para caracterizar un panel.
En general existen diversas técnicas para estudiar los parámetros de una celda solar, en
este caso, se busca obtener las características eléctricas de un conjunto de celdas que
conforman el panel solar. Para esto utilizamos las medidas fotoeléctricas, que son el
conjunto de técnicas utilizadas para evaluar las magnitudes eléctricas de la celda solar
sometida a una inyección luminosa. [25]
83
De las medidas fotoeléctricas se debe tomar en cuenta, en particular, la característica
corriente vs. tensión, mencionada en el capítulo 3, ya que ésta es el dato dado por el
fabricante cuando el panel estaba nuevo y con el cual podemos comparar el
comportamiento actual del mismo. Esta característica proporciona información
operacional del dispositivo, como son los posibles puntos de trabajo en corriente y tensión
[25]. Para la realización de esta medición, en una celda solar, se necesita crear un
ambiente adecuado caracterizado por:
-
Una fuente de luz, natural o artificial.
-
Un sistema adaptador de espectro, en caso de utilizar fuente de luz artificial ya
que el espectro de ésta debe ser semejante al del Sol.
-
Un control de temperatura.
-
Un Radiómetro (detector de potencia luminosa recibida)
Las condiciones óptimas para realizar las medidas son: iluminación de 1KW/m2 a 1,5 AM,
con temperatura de 28°C +/- 2%. Una vez creado el escenario apropiado, se procede a
tomar las medidas de los puntos de trabajo de corriente y tensión, para ello se debe colocar
una carga variable que simule desde una carga de impedancia cero hasta una de
impedancia infinita, y así obtener todos los puntos de la curva corriente vs. tensión. La
carga de impedancia cero representa el punto de corriente de cortocircuito, y la de
impedancia infinita representa el punto de voltaje a circuito abierto, además de estos dos
parámetros, son muy importantes el punto de máxima potencia y la eficiencia.
La eficiencia se obtiene dividiendo la potencia instantánea que entrega el panel entre la
potencia solar que recibe [26]:
N=
PPanel
G× A
en donde G es la Potencia Solar y A el área del panel.
84
2. Desinstalación y Limpieza del
Panel
En esta fase se desinstaló el panel del
lugar en el que se encontraba desde
hace 15 años.
En la Figura 4.10 se muestra las
condiciones en las que se encontró el
panel solar.
Figura 4. 10 Condiciones iniciales del panel solar a ser
evaluado.
El panel estaba completamente sucio y
presentaba oxidación en las partes
metálicas. Se procedió a limpiarlo con
sumo cuidado utilizando jabón líquido y
agua para no rayar el vidrio antirreflejo.
En las partes metálicas se utilizó una
fina lija para eliminar el óxido, el
resultado se muestra en la Figura 4.11.
Figura 4. 11 Condiciones finales del panel solar a ser
evaluado.
3. Elaboración de Circuitos de Prueba
El circuito de prueba debe ser un simulador de carga variable, de impedancia cero a
infinito, que además sea capaz de manejar 120W que es la potencia nominal del panel.
Luego de realizar varias pruebas con distintas configuraciones de circuitos, la que prestó
mejores resultados fue la configuración conocida como Sumidero de Corriente, mostrada
en la Figura 4.12.
El diseño consiste en variar el voltaje entre compuerta y surtidor (VGS) de un Mosfet,
mediante un potenciómetro o resistencia variable, para controlar la corriente entre el
drenador y surtidor (IDS) y de esta manera el voltaje controlado por el potenciómetro
85
define la cantidad de corriente que el circuito pedirá al panel solar, simulando así una
impedancia variable.
Figura 4. 12 Diagrama del Circuito Sumidero de Corriente
Para el desarrollo de este diseño se utilizó un Mosfet de potencia, al cual se le agregó un
disipador con ventilador para disminuir el aumento de temperatura producido por el paso
de corriente. El funcionamiento del circuito se basa en comparar el voltaje ajustado con el
potenciómetro R7 con el voltaje en la resistencia R3 que depende de la corriente que
entrega el panel. En otras palabras, por medio de una realimentación del valor actual de
corriente del panel, se ajusta el voltaje entre compuerta y surtidor para a su vez ajustar la
corriente del panel.
Para la realización de las pruebas se utilizó la luz del sol. En principio se requiere de un
radiómetro para medir la potencia luminosa, sin embargo al no tenerlo, se dispuso de un
luxómetro y así medir la iluminancia. La diferencia entre un radiómetro y un luxómetro es
que el primero mide la potencia por unidad de área [W/m2] originada por la incidencia de
todos los tipos de radiación emitida por el Sol, mientras que el luxómetro [lx=lm/m2] sólo
86
mide la potencia por unidad de área originada por la porción de radiaciones
correspondientes a luz visible, 1KW/m2 de radiación solar directa y difusa equivale
aproximadamente a 110-120lx.
Se expuso al panel a la luz solar, sin inclinación, y al lado de éste se colocó el luxómetro
calibrado para que tomara medida de la Iluminancia, por último se conectó el panel al
circuito de prueba, Sumidero de Corriente.
Se estableció un período de espera hasta que la
Tabla 4. 8 Resultados obtenidos en la
Prueba N°1 del Panel Solar SM144-18
medida tomada por el luxómetro se estabilizara, para
Prueba1
100lx
lo cual se necesita un cielo despejado, condición que
V
I
0
7,01
0,7
7
4,18
6,8
11,64
6
modo de comenzar por el caso en el cual la
13,05
5,75
impedancia equivalente del circuito era cero y
14,34
5,28
terminando en el caso en el que era infinita. De este
15,19
4,73
modo se observó el comportamiento eléctrico del
15,75
4,17
panel para diferentes cargas, y el resultado se muestra
16,4
3,31
en la Tabla 4.8.
16,7
2,78
17,04
2,13
17,18
1,72
17,42
1,17
17,68
0,5
17,9
0,02
18
0
se cumplió para 100lx, y se comenzó a tomar nota de
la corriente entregada por el panel y el voltaje en los
terminales del mismo, variando el potenciómetro de
Con estos valores se procedió a graficar la curva
corriente-tensión del panel para éstas condiciones,
utilizando como herramienta el software Microsoft
Excel, obteniendo la curva presentada en la Figura
4.13
87
8
0; 7,01
0,7; 7
7
4,18; 6,8
Pmax=75,72
6
11,64; 6
13,05; 5,75
14,34; 5,28
5
Corriente[A]
15,19; 4,73
15,75; 4,17
4
16,4; 3,31
3
16,7; 2,78
17,04; 2,13
2
17,18; 1,72
17,42; 1,17
1
17,68; 0,5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
17,9;
18; 00,02
20
Tensión[V]
Figura 4. 13 Curva Corriente vs Tensión del Panel SM144-18 obtenida en la Prueba N°1 a 100lx.
De esta gráfica se pueden obtener los siguientes datos:
Icc= 7A
VCA= 18V
Pmax= 75,72W
Luego se repitió la prueba, para la misma condición, 100lx, y se obtuvieron los resultados
mostrados en la Tabla 4.9, y la gráfica mostrada en la Figura 4.14.
La curva obtenida para este caso tuvo una forma particular que se atribuye a posibles
cambios en el nivel de iluminación durante la prueba. Se obtuvieron los siguientes
resultados:
Icc=7A
VCA=18V
Pmax= 81,05W
88
Tabla 4. 9 Resultados
obtenidos en la Prueba N°2
del Panel Solar SM144-18
Prueba2 100lx
V
I
0
8
0; 7,01
0,787; 7
7
7,01
0,787
7
10,6
6,5
11,52
6
13,24
5,89
14,58
5,56
15,23
5
15,73
4,53
15,68
4,08
16,03
3,98
16,39
3,58
10,6; 6,5
11,52; 6
6
Pmax=81,06
13,24; 5,89
14,58; 5,56
15,23; 5
Corriente [A]
5
15,73; 4,53
15,68; 4,08
16,03; 3,98
4
16,39; 3,58
3
16,56; 3,01
16,73; 2,74
2
16,98; 2
17,24; 1,5
17,37; 1,1
17,4; 1,02
1
17,7; 0,5
0
18; 0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
16,56
3,01
16,73
2,74
16,98
2
17,24
1,5
17,37
1,1
17,4
1,02
17,7
0,5
1000W/m2 y a su vez esta última para 25, 45 y 60°C. Dado que no
18
0
sabemos exactamente a que potencia lumínica se realizó la
Tensión [V]
Figura 4. 14 Curva Corriente vs Tensión del Panel SM144-18 obtenida en la
Prueba N°2 a 100lx.
En el Apéndice 5, se muestra la hoja técnica del panel en la cual se
visualizan las curvas corriente vs. tensión para 650, 800 y
medición, se debe tomar como punto de comparación la curva de la
hoja técnica cuyo VCA e ICC se aproxime más al valor medido. En la gráfica de 800W/m2 se
observa una corriente de corto circuito (ICC) de 7A, y un voltaje a circuito abierto (VCA) de
21V, lo cual es muy semejante a los valores obtenidos en las experiencias prácticas.
De esta gráfica de 800W/m2, se tomaron varios puntos para reproducirla utilizando el software
mencionado y se obtuvo la curva mostrada en la Figura 4.15.
89
8
7
Corriente [A]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
Tensión [V]
Figura 4. 15 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante.
Una vez hecho esto se procede a superponer esta gráfica con las gráficas obtenidas de forma
experimental para realizar una comparación. Los resultados son mostrados en las Figuras 4.16
y 4.17.
8
7
Corriente [A]
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
Tensión [V]
20
25
Curva SM 144-18 @ 800W/m2
P rueba N°1
Figura 4. 16 Curva del panel SM144-18 @ 800W/m2 suministrada por el fabricante vs. curva obtenida
experimentalmente en la Prueba N°1.
90
8
7
Corriente [A]
6
5
4
3
2
Curva SM144-18 @800W/m2
1
Prueba2
0
0
5
10
15
20
25
Tensión [V]
Figura 4. 17 Curva del panel SM144-18 suministrada por el fabricante vs la obtenida en la experimentalmente en
la Prueba N°2.
Se observa que las curvas obtenidas se asemejan mucho a la dada por el fabricante,
coincidiendo en el punto de corriente de corto circuito. Sin embargo hay un desplazamiento
hacia el lado izquierdo de las curvas experimentales, lo cual podemos atribuir a que las
condiciones de temperatura no eran iguales. En la hoja técnica del panel se observa que a
medida que aumenta la temperatura, la gráfica se desplaza hacia la izquierda disminuyendo así
el voltaje a circuito abierto pero la diferencia en el valor de corto circuito es mínima. Sabemos
que la curva de 800W/m2 fue obtenida en un ambiente de temperatura controlada a 25°C, sin
embargo, en las pruebas realizadas en el Instituto de Ingeniería no hubo control de temperatura
y la luz del sol que incidía sobre el panel logró calentarlo a una temperatura aproximada de
40°C, lo cual explica el desplazamiento de la gráfica.
El comportamiento que se apreció en general se asemeja al comportamiento descrito por el
fabricante, no se puede dar una conclusión exacta de su condición actual ya que el
experimento realizado no pudo cumplir con todas las condiciones necesarias, presentando un
argen de error. Sin embargo, dada la similitud apreciada a simple vista, concluimos que el
panel está en capacidad de operar correctamente en un sistema fotovoltaico.
CAPÍTULO 5 – RESULTADOS
Instalado el sistema se obtuvieron los siguientes resultados:
Al encender la luminaria se pudo observar una muy buena iluminación, lo cual se
comprobó con un Luxómetro midiendo el nivel de iluminación (iluminancia) del
sistema. El resultado dado por el instrumento fue exactamente 30lux, y de acuerdo a la
Norma COVENIN 3290, a la cual nos remitimos, el mínimo nivel de iluminancia
establecido para este tipo de aplicaciones es de 10 a 15 lux, es decir, el sistema
desarrollado ilumina el doble de lo requerido.
Para verificar el buen funcionamiento de los modos de encendido se realizó la siguiente
prueba:
Se configuró el tiempo de autonomía 1 (Ta1) con los siguientes parámetros:
•
Modo: Normal
•
Tiempo: 00:01 h (1 minuto)
El tiempo de autonomía 2 (Ta2) conservó sus parámetros predeterminados:
•
Modo: Sensor de Movimiento
•
Tiempo: 03:00 h (3 horas)
Luego, se procedió a encender la lámpara de modo manual y se observó el inicio de
la cuenta regresiva del Ta1 en la pantalla LCD. Al cabo de un minuto la cuenta
regresiva llegó a 0 y la lámpara se apagó, una vez que el sensor detectó movimiento
la lámpara se encendió por 10 minutos y se apagó automáticamente. Se notó que el
sensor no cumple con el alcance especificado en su hoja técnica (24m), y la
cobertura del mismo no parece ser simétrica, parece detectar mejor los movimientos
hacia el lado derecho de su eje horizontal.
En horas del día se verificó que el arreglo de paneles le suministra carga al banco de
baterías, y con una Pinza Amperimétrica por Efecto Hall se midió la corriente de carga.
La corriente máxima medida fue un poco más de 6A, cuando la esperada era justamente
6A porque el arreglo de paneles está en paralelo. Es decir, los paneles generan un poco
92
más de corriente que lo especificado en la hoja técnica, lo cual es favorable para el
sistema.
Se realizaron pruebas de laboratorio al inversor para evaluar su comportamiento, y se
pudo observar que al conectar a su salida una lámpara incandescente (carga resistiva),
la señal vista a la salida del inversor fue la onda senoidal modificada esperada con
170VPico y 120Vrms, pero al conectar la lámpara fluorescente la onda observada era una
onda aproximadamente cuadrada no retorno a cero (NRZ), en la cual el ciclo de trabajo
tanto positivo como negativo era del 50% del período, por lo que el voltaje rms era
mayor a 120V, esto se debe a que la lámpara fluorescente posee balasto electrónico con
inductancias internas.
Para corregir el valor rms se disminuyó el ancho de pulso de las señales PWM. El
voltaje rms fue disminuido hasta 100Vrms y no se percibió, a simple vista, cambios en el
nivel de iluminación, dado este resultado, se decidió hacer una aplicación en la cual,
una vez encendida la lámpara, el microcontrolador de forma automática disminuya
progresivamente el ancho de pulso de las señales PWM y con esto disminuir el voltaje
rms a la salida del inversor a 100V. De este modo la lámpara opera con menos consumo
y el sistema se hace más eficiente. Esta aplicación está en período de prueba por lo que
por los momentos sólo se habilita en el caso de encendido por sensor de movimiento,
en el cual el tiempo de encendido de la lámpara son sólo 10 minutos.
En las pruebas del inversor también se midió de manera experimental la eficiencia del
inversor, la cual viene dada por la expresión 5.1.
η INV =
PO
PI
(5. 1)
η INV = 0.812
Esto equivale a 81,2% de eficiencia.
93
El sistema de iluminación autónomo desarrollado se muestra en la Figura 5.1 y está
conformado por los siguientes elementos:
•
1 Lámpara Fluorescente ahorradora
de energía de 45W y 2900
lm.
•
2 Baterías de Plomo-Ácido selladas
de 88Ah.
•
2 Paneles Solares policristalinos de
60W.
•
1 Regulador de carga de 12VDC.
•
1
Inversor
de
Onda
Senoidal
Modificada de 12VDC a 170VAC
(120Vrms) @ 400Hz y capacidad de
100VA.
•
1 Poste con base para paneles y caja
para almacenar baterías y equipos de
Figura 5. 1 Sistema de iluminación autónomo para
espacios exteriores con celdas solares.
control.
•
1 Luminaria de Alumbrado Público.
•
Presenta las siguientes características técnicas:
•
7 horas de autonomía diaria.
•
3 días de autonomía en total.
•
Encendido y Apagado automático de la lámpara por sensor crepuscular (panel solar)
o sensor de movimiento.
•
Encendido y Apagado manual mediante un pulsador.
•
2 Tiempos de encendidos programables.
•
Voltaje de recarga de batería programable.
•
Señalización de voltaje y estado actual de la batería.
•
Capacidad de manejar cargas DC y AC.
•
Protección contra sobrevoltaje, sobrecorriente e inversión de polaridad.
•
Interfaz de usuario en dos idiomas, Español e Inglés.
94
En la Tabla 5.1 se exponen los costos de los componentes y el costo total del prototipo de
sistema de iluminación autónomo desarrollado.
Tabla 5. 1 Costos del Sistema Fotovoltaico
Tipo
Lámpara Ahorradora de Energía de 45 W
Regulador – Inversor
Baterías UPS12-310
Panel Solar 60W
Poste y Base de paneles
Luminaria de Alumbrado Público
Otros Materiales(Cables, pintura, gomas,
abrazaderas, etc)
Sensor de Movimiento (Opcional)
Cantidad
1
1
2
2
1
1
Costo/unidad [Bs.] Costo total [Bs]
45.000
45.000,00
650129,41
650.129,41
553.990,50
1.107.981,00
1.200.000
2.400.000,00
700.000,00
700.000,00
280.000
280.000,00
1
300.000,00
273.050,00
Total
300.000,00
273.050,00
5.756.160,41
Este costo incluye la fabricación de la tarjeta impresa, cuyo plano superior se puede
visualizar en el Apéndice 6. Inicialmente no se ha fabricado el circuito impreso, dado
que el sistema desarrollado se encuentra en período de prueba, sin embargo, los
archivos para la fabricación del mismo han sido generados con las herramientas
virtuales Orcad y el Pcad para ser utilizados una vez que el período de prueba finalice.
Luego de experimentar con varias configuraciones de cargas variables, intentando
graficar la curva corriente vs. tensión del panel solar SM144-18, el que prestó mejores
resultados fue la configuración Sumidero de Corriente.
En las pruebas realizadas al panel solar existente en la empresa se observó que éste
cumple con un comportamiento típico de un panel solar y se logró medir una potencia
máxima de 81,06W a 100lx de iluminancia.
CAPÍTULO 6 – CONCLUSIONES
El objetivo primordial fue alcanzado, el sistema de iluminación desarrollado es totalmente
autónomo de la red eléctrica y es funcional, cumpliendo con los estándares venezolanos
correspondientes a sistemas de alumbrado público.
De acuerdo al costo obtenido, mostrado en la Tabla 5.1, y a pesar de que éste disminuiría
considerablemente si se fabrica el prototipo en grandes cantidades, el sistema de
iluminación con energía solar no es rentable como sustitución de un sistema de iluminación
con energía convencional, sólo es aplicable en sitios en los cuales no existe un tendido
eléctrico como es el caso de las zonas rurales y remotas. Por ello, el sistema, por ahora, no
puede competir con sistemas de energía convencional, sin embargo, vale la pena seguir
desarrollando esta área de energía ya que es una solución al problema de electrificación en
zonas de difícil acceso existente y además es un buen ejemplo de aprovechamiento de un
recurso natural sin dañar al ambiente.
En principio se trazó como meta resolver una sola necesidad, la iluminación de espacios
exteriores, sin embargo, esta solución sirve como punto de partida para desarrollar otros
sistemas que solventen otros problemas de electrificación.
El panel solar existente en la empresa desde hace 15 años está todavía en buenas
condiciones para ser utilizado en alguna aplicación fotovoltaica, lo cual es una prueba de la
larga vida de los paneles solares sin requerir mantenimiento.
El aprovechamiento de la energía solar es un tema que se viene desarrollando en el mundo
desde hace varios años, ya se ha logrado disminuir su costo desarrollando nuevas técnicas
de fabricación de las celdas como son las policristalinas y las de silicio amorfo, sin
embargo esta reducción de costo también a traído como consecuencia disminución en la
eficiencia de la celda. Aún resolviendo el problema del costo de las celdas, quedaría otro
elemento costoso que es el banco de baterías. La energía solar tiene un gran potencial en
Venezuela, por esto es interesante realizar estudios para tratar de disminuir el costo del
96
sistema, además de incursionar en el desarrollo de las otras topologías de sistemas
fotovoltaicos, como son el sistema híbrido y el sistema con conexión a la red.
CAPÍTULO 7 - RECOMENDACIONES
El nivel de iluminación obtenido es el doble del mínimo requerido, por tanto se recomienda
en un futuro implementar el sistema cambiando la lámpara por una del mismo tipo, pero de
menos consumo, el flujo luminoso disminuirá por lo que se debe verificar que la
iluminancia siga estando por encima de los 15lux. De esta forma se ahorrará energía dando
la posibilidad de alargar el tiempo de autonomía, y todo esto cumpliendo con el estándar de
la Norma COVENIN 3290 para Alumbrado Público. Otra alternativa es que se utilice la
misma lámpara pero se aumente la altura del poste y con esto incrementar el área
iluminada.
Cuando se decida llevar el prototipo a una aplicación real se debe recordar colocar la caja
de control a una altura considerable para evitar el robo de las baterías. A su vez esta caja
debe ser protegida contra filtración de agua.
Una valor agregado que se le puede dar al prototipo es desarrollar un software con el cual el
microcontrolador pueda comunicarse con una PC, de modo que entre éstos exista un
intercambio de información acerca del estado y control del sistema. Para esto se
recomienda utilizar comunicación serial a través del módulo SCI del microcontrolador
recordando que todo el hardware necesario para lograr este objetivo ya está incluido en el
circuito impreso desarrollado.
El sistema con energía solar es ideal para zonas geográficas en las cuales durante el año el
cambio estacionario no es muy notorio. Para zonas en las que esto no ocurre se debe tener
en cuenta la topología de sistema híbrido en la cual se puede combinar el generador solar
con otro tipo de generador. Siguiendo con la tendencia al tema del desarrollo sustentable y
la energía renovable, se promueve el estudio de un sistema híbrido, partiendo del producto
aquí desarrollado, que además de energía solar utilice energía eólica.
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GLOSARIO
AM. Masa de aire sobre la superficie terrestre. La atenuación y el cambio en el espectro
dependen de la masa de aire atravesada por la luz.
Balasto. Dispositivo que limita la corriente que circula por el gas de la lámpara, que de otro
modo aumentaría hasta producir la destrucción del bombillo.
Balastro. Balasto.
Candela. Unidad fotométrica internacional, basada en la radiación de un cuerpo negro a la
temperatura de solidificación del platino. Dicha radiación, por centímetro cuadrado,
equivale a 60 candelas.
Combustibles fósiles. Sustancias ricas en energía que se han formado a partir de plantas y
microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles fósiles, que incluyen
el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energía que mueve
la moderna sociedad industrial.
Condensador. Dispositivo utilizado para compensar el factor de potencia introducida por
la reactancia inductiva (balasto), y así lograr un factor de potencia que se aproxime a la
unidad.
Cuerpo Negro. Objeto cuya emisión de luz es debida únicamente a su temperatura. Es el
radiante perfecto teórico.
Deslumbramiento. Turbación de la vista por luz excesiva o repentina.
Diagrama Isocandela. Representación en un plano, mediante curvas de nivel, de los
puntos de igual valor de la intensidad luminosa.
Estereorradián. Unidad de ángulo sólido del Sistema Internacional, equivalente al que,
con su vértice en el centro de una esfera, determina sobre la superficie de esta un área
equivalente a la de un cuadrado cuyo lado es igual al radio de la esfera. (Símb. sr).
Gas inerte. Gas o mezcla de gases en la que el contenido de oxígeno es tan bajo que es
imposible la combustión.
Haluros. Derivados de los halógenos, los cuales son: flúor, cloro, bromo y yodo.
Ignitor o Arrancador. Dispositivo que suministra un pico de tensión entre los electrodos
del tubo de la lámpara, necesario para iniciar la descarga y vencer la resistencia inicial del
gas a la corriente eléctrica.
102
Irradiancia. Es la energía de la radiación solar que se recibe en una superficie determinada
en un instante dado y se mide en unidades de W/m2.
Transformador. Aparato eléctrico para convertir la corriente alterna de alta tensión y débil
intensidad en otra de baja tensión y gran intensidad, o viceversa.
APÉNDICES
APÉNDICES
104
APÉNDICE 1
APÉNDICE 1
TABLAS DE LA NORMA COVENIN 3290: 1997 PARA
ALUMBRADO PÚBLICO
105
Tabla A1. 1 Tipos de alumbrado público
Tabla A1. 2 Características de clasificación de las vías de tránsito.
106
Tabla A1. 3 Características de iluminación de vías rurales
Tabla A1. 4 Características de iluminación de vías y áreas públicas de circulación de peatones.
107
APÉNDICE 2
RADIACIÓN SOLAR (PERÍODO: 1961-2000)
OBSERVATORIO CAJIGAL
APÉNDICE 2
108
109
110
APÉNDICE 3
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LAS BATERÍAS
UPS12-310
APÉNDICE 3
111
UPS12-310
UPS12-310
Valve Regulated Lead Acid
Battery
for UPS standby power
applications
12V 88 AH @ 20 hr rate,
12V 330 watts/cell @ 15 min.
rate
FEATURES
Flame-arresting one-way pressure-relief vent for safety and long life.
Thermally welded case-to-cover bond to eliminate leakage.
Absorbent Glass Mat (AGM) technology for efficient gas recombination of up to 99% and
freedom from electrolyte maintenance.
Computer-generated grid design optimized for high power density.
UL-recognized component.
Multicell design for economy of installation and maintenance.
Can be mounted in any orientation.
Not restricted for air transport – Complies with IATA/ICAO Special Provision A67.
Not restricted for surface transport – Classified as non-hazardous material as related to DOTCFR Title 49 parts 171-189.
Computer designed lead, low calcium alloy grid for minimal gassing and ease of recycling.
Case and cover available in both standard and flame retardant polypropylene.
Flame retardant polypropylene case and cover compliant with UL 1778 (optional).
112
*All dimensions in inches and (millimeters). all dimensions are for reference only.
Contact a C&D Representative for complete dimensional information.
UPS12-310 - Specifications
Cells
Per Unit
Voltage
Per Unit
6
12.84
Weight
Electrolyte
67 lbs.
30 kg .
Absorbed H2SO4
SG = 1.300
Capacity
Maximum
Discharge Current
800 Amps
Short
Circuit
Current
4200
Amps
@ 0.1 sec.
Ohms Imped.
60 Hz
0.0030 Ohms
330 watts per cell at the 15 minute rate to 1.67 volts per cell at 77°F (25°C).
88 Ah @ 20 hr. rate to 1.75 volts per cell @ 77°F (25°C).
76 Ah @ 10 hr. rate to 1.80 volts per cell @ 20°C (68°F).
Operating Temperature Range
Discharge; -40°F (-40°C) to +160°F (71°C)
Nominal Operating Temperature
Range
+74°F (23°C) to +80°F (27°C).
Float Charging Voltage
13.5 to 13.8 VDC/unit Average at 77°F (25°C).
Charge; -10°F (-23°C) to +140°F
(60°C).
(with temperature compensation)
Recommended Maximum Charging C/5 amperes (17.6 amperes @ 100% depth of discharge) @ 20 hour rate.
Current Limit
Equalization and Cycle Service
Charging Voltage
14.4 to 14.8 VDC/unit Average at 77°F (25°C).
Maximum AC Ripple (Charger)
0.5% RMS or 1.5% P-P of float charge voltage recommended for best results.
Maximum voltage allowed = 1.4% RMS (4% P-P).
Maximum current allowed = 4.4 amperes RMS (C/20).
Self Discharge
Dynasty UPS batteries may be stored for up to 6 months at 77°F (25°C) and then a
freshening charge is required. For higher temperatures the time interval will be shorter.
Accessories
Inter unit connectors, racks and cabinet systems are available.
Terminal
"L" terminal with 0.28" clearance hole to accept 0.25" (6mm) bolt.
Terminal Hardware Initial Torque
65 in.-lbs. (7.4 N-m).
Terminal Hardware Annual
Retorque
52 in.-lbs. (5.88 N-m).
113
APÉNDICE 4
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL SENSOR DE
MOVIMIENTO
APÉNDICE 4
114
115
116
117
118
APÉNDICE 5
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PANEL SOLAR
SM144-18
APÉNDICE 5
120
121
APÉNDICE 6
PLANO DEL CIRCUITO IMPRESO
APÉNDICE 6
122
APÉNDICE 6

Diseño e implementación de un sistema de iluminación autónomo

Transcription

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