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 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 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 Sartenejas, Noviembre de 2005 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 PROYECTO DE GRADO presentado por Mariel Desiree Rivas Yerena 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. Sartenejas, Noviembre de 2005 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 Interiores/Exteriores Si requiere Interiores/Exteriores (Comerciales, domésticas e industriales) Si requiere Interiores/Exteriores Si requiere Exteriores Si requiere Interiores/Exteriores (campos deportivos, tiendas, lobbys, techos de gran altura) No Requiere Interiores/Exteriores 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. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Enciclopedia® Microsoft® Encarta 2001. © 1993-2000 Microsoft Corporation. [2] DE CAIRES, L. (1990). Diseño y construcción de un sistema de iluminación con alimentación autónoma (Fotovoltaica). Trabajo de Grado, Universidad Simón Bolívar, Caracas. [3] CASTILLO M., C. (2003). 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. Trabajo de Grado, Universidad Fermín Toro, Cabudare. [4] FERNÁNDEZ, J (s.f). Luminotecnia. Iluminación de interiores y exteriores.[Documento en línea]. Disponible: http://edison.upc.es/curs/llum/indice0.html [Consulta: 2005, Julio] [5] HALLIDAY, D. y R. RESNICK. (1993). 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Disponible: http://dei.uca.edu.sv/dei/html/proyectos/aulasc/aulasc-fase2-cap2-1.html [Consulta: 2005, Octubre] [25] CASTAÑER MUÑÓZ, L. (s.f). Caracterización y ensayo de las células solares. En J. Mompín Poblet (Comp.). (1985). Energía Solar Fotovoltaica. (2a. ed., pp. 82-87). Barcelona: Boixareu. [26] RODRÍGUEZ, B. (1992). Diseño, instalación y prueba de una planta solar fotovoltaica de emergencia para oficina. INDOTECNIA, 5(3), 9 -19. 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
