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UNAM Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico. EXPOSITOR Aarón Sánchez.

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1 UNAM Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico. EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal Temixco, Morelos Tel: (01-55) ; Sandia National Laboratories

2 CONSIDERACIONES GENERALES Un sistema de iluminación es aquel que tiene como finalidad el proporcionar luz artificial en zonas o habitaciones obscuras, o cuando no se disponga de luz natural. Generalmente, los sistemas de iluminación estan formados por un conjunto de elementos que, para generar luz, necesitan consumir energía. UNAM

3 Actualmente, los sistemas de iluminación urbana se basan en elementos que consumen electricidad. UNAM En el campo, lo común es encontrar elementos que, para generar luz, queman combustibles basados en hidrocarburos, desde la tradicional vela de parafina o el quinque, hasta las modernas láparas de gas.

4 Los elementos que generan luz son llamados fuentes luminosas. Las hay naturales y artificiales. Las artificiales comunmente son conocidas como lámparas. La fuente luminosa natural conocida por todos (los que pueden ver y/o sentir) es el SOL. UNAM

5 La radiación electronmagnética solar tiene una porción entre los 0.38 m y los 0.76 m que es detectada por el ojo humano por lo que recibe el nombre del espectro visible. UNAM

6 La mayor sensibilidad del ojo humano al espectro del visible está en la longitud de onda de 550 nm Una fuente luminosa con una emisión alrededor de ese valor será más eficiente que aquella que emita en otra longitud de onda. UNAM

7 CONCEPTOS Y UNIDADES COMÚNES EN ILUMINACIÓN. Irradiancia: Es la potencia lumínica por unidad de área recibida en una superficie. Unidades: Watt/m 2 Flujo luminoso: Es el flujo radiante captado por el ojo humano. Unidad: lumen (lm) Intensidad luminosa: Es el flujo luminoso emitido por una fuente por unidad de ángulo sólido. Unidad: Candela Iluminancia: Es el flujo luminoso por unidad de área. Unidad: Lux (lx) 1 lx= 1 lm/m 2 UNAM

8 CLASIFICACIÓN: Incandescentes, halógenas, de descarga y fluorescentes. LÁMPARAS INCANDESCENTES: Generan luz debido al calentamiento que sufre un filamento por donde fluye una corriente eléctrica. El filamento debe estar contenido en un bulbo que en algunos casos contiene un gas para generar mayor cantidad de luz. GAS HALÓGENO: Funcionan igual que las incandescentes. La incorporación del gas halógeno propicia el aumento del tiempo de vida de la lámpara. UNAM

9 FLUORESCENTES: Son una combinación entre las de filamento y las de descarga. Su principio de operación está en la fluorescencia de rayos ultravioleta en un material depositado sobre las paredes internas del bulbo que contiene al gas. RENDIMIENTO LUMINOSO: Se define como el cociente entre el flujo luminoso entregado por la lámpara (lm) y la potencia eléctrica (W) absorbida por ella. Unidad lm/W DESCARGA: Estan formadas por un bulbo que contiene una mezcla de gases y substancias metálicas. Al fluir corriente eléctrica a través del gas, se produce la emisión de luz debido a la excitación de los átomos del gas. UNAM

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11 CLASIFICACIÓN DE LUMINARIAS TIPO DE ILUMINACIÓNPORCIÓN DISPONIBLE del FLUJO LUMINOSO EN LA SUPERFICE A ILUMINAR Directa90% Semidirecta60% al 90% Difusa30% al 60% Semiindirecta10% al 30% IndirectaMenor del 10% LUMINARIAS: Carcasa o cavidad que contiene a una o varias lámparas. Su función primordial es el proporcionar un medio mecánico de soporte de la lámpara y direccionar el flujo luminoso. UNAM

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14 PROBLEMA: Se tiene que iluminar una cas-habitación que tiene las siguientes características: a)Dos recámaras de un área de 9 m 2 cada una. b)Una sala de estar de 12 m 2. c)Un comedor de 9 m 2. d)Una cocina de 6 m 2. e)Un baño de 3 m 2. Se pretende iluminar cada cuarto con luminarias semidirectas con una porción disponible del flujo luminoso del 80%. Determinar la (s) lámpara (s) adecuadas que proporcionen la iluminancia recomendada en cada cuarto- habitación. UNAM

15 SOLUCIÓN: 1.Multiplicar la iluminancia recomendada por el área de la habitación. Esto proporciona el número de lúmenes requerido suponiendo flujo luminoso sin pérdidas. 2.Dado que las luminarias son semidirectas con una porción de flujo del 80% a la altura de la zona que es requerido, dividir el valor encontrado en paso 1 entre El valor encontrado en paso 2 proporciona el número de lúmenes que deberán de ser generados por la (s) lámpara (s). 4.Usando la Tabla de lámparas seleccionar aquella (s) cuyo flujo luminoso sea el requerido o cercano a éste. UNAM

16 SISTEMAS FOTOVOLTAICO Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos que permiten obtener electricidad a un voltaje específico a partir de la energía luminosa del Sol. CLASIFICACIÓN Sistemas Autónomos Sistemas de CD Sistemas en CA Acoplamiento Directo A. c/Seguidor de potencia A. c/Iinversor A. c/Baterías/Controlador A. c/Bat./Cont./Inversor UNAM

17 Sistemas iteractivos con la red FV/Baterías/Inversor/Red FV/Inversor/Red Sistemas Híbridos Fotovoltaico/Motogenerador Fotovoltaico/eolico Fotovoltaico/Eólico/Motogenerador UNAM

18 Arreglo Fotovoltaico Generación de Electricidad en CD Sistema de Almacenamiento de Energía Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Banco de Baterías comúnmente 12 V Controlador de Carga SISTEMAS DE ILUMINACIÓN FV Sol CARGAS EN CORRIENTE DIRECTA

19 UNAM Arreglo Fotovoltaico Sol Generación de Electricidad en CD Sistema de Acondicionamiento de Energía Banco de Baterías (Vn depende del Inversor) Controlador de Carga Tableros de distribución de carga en CA Tableros de distribución de carga en CD CARGAS EN CD Y CA Inversor CD/CA

20 DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO Procedimiento a través del cual se determina la potencia pico óptima del arreglo FV que generará la energía necesaria para una aplicación específica en cierta localidad. Así mismo, determinar la capacidad del sistema de almacenamiento de energía en base a los requerimientos de autonomía requeridos. UNAM

21 GEOGRÁFICOS Localización del sitio, Clima, Conocimiento del sitio, RECURSO SOLAR del sitio CONOCIMIENTOS NECESARIOS: ENERGÉTICOS Tipo de Cargas Tiempo de uso Potencia total Energía total TECNOLÓGICOS Tipo de módulos Tipo de controladores Tipo de estructuras Tipo de baterías Tipo de inversor UNAM

22 CRITERIOS FUNDAMENTALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO FV ENERGÍA GENERADA AL DÍA ENERGÍA ALMACENDADA ENERGÍA TOTAL CONSUMIDA POR DÍA 3 VECES LA ENERGÍA CONSUMIDA POR DÍA CAÍDAS DE VOLTAJE EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 3% DEL VOLTAJE NOMINAL SIMPLICIDAD EN EL DISEÑO UNAM DE DISEÑO... BALANCE ENERGÉTICO

23 UNIDADES Y TÉRMINOS COMÚNES POTENCIA ELÉCTRICA (P): Producto del voltaje con la corriente Unidad: Watt; Símbolo: W; equivalencia 1 W= 1Vx 1A POTENCIA PICO (Pp): En un módulo FV es la potencia máxima generada bajo condiciones estándares de medición. VOLTAJE NOMINAL (Vn): Es el voltaje de especificación comercial de una carga eléctrica, generador, bateria, etc. ENERGÍA ELÉCTRICA (E): Es la potencia eléctrica consumida, generada ó almacenada en un intervalo de tiempo dado. E=Pxt Si el tiempo se mide en horas (h), la unidad para E es Watt-hora (W-h) en el periodo considerado UNAM

24 Watt-hora (W-h) es la cantidad de energía producida o consumida por un equipo eléctrico. 1 kW-h= 1,000 W-h Amper-hora (A-h) es la cantidad de energía consumida o prioducida por un equipo eléectrico a un voltaje nominal dado. 1.2 kW-h = 1,200 W-h = V La energía cosumida o producida en un día puede expresarse de manera indistinta mediante las siguientes unidades: INSOLACIÓN: Irradiancia acumulada en un tiempo dado Unidad: W-h/m 2 IRRADIANCIA: Potencia luminosa incidente en una unidad de área. Unidad: W/m 2 Máximo valor Irr directa= 1,000 W/m 2 UNAM

25 ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL UNAM

26 El concepto de horas-pico como una manera de trabajar la energía recibida en un captador Horas de Sol 8:00 12:00 16:00 1,000 W/ m 2 10:00 14: W/ m 2 HORAS-PICO 8 h-p 4 h-p Area bajo la curva A= 8,000 W-h/m 2 Area bajo la curva A= 4,000 W-h/m 2 UNAM HORAS PICO H P : Energía disonible del Sol obtenidan por la integración de la irradiancia respecto del tiempo y expresado en horas de máxima irradiancia.

27 Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anual Captador Horizontal Unidades Horas-Pico Unidades Horas-Pico UNAM R S (I)= R S (H)/cos (0.87L)

28 UNAM Sistemas Fotovoltaicos Módulos de Silicio monocristalino Potencia luminosa: 100% AM1 Vm = 17.4 V Im = 3.15 A Temperatura módulo: 25ºC Largo: cm Ancho: 32.9 cm Espesor: 3.4 cm No. Celdas: 36 Peso 5.5 kg CARACTERÍSTICAS MÓDULO SIEMENS SM55 Vca = 21.7 V Icc = 3.45 A

29 EL MÓDULO FOTOVOLTAICO Características eléctricas bajo condiciones NTC UNAM

30 MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO AMPER-HORA: Método sencillo aplicable para sistemas FVs con voltajes nominales iguales o menores de 48 VCD. Características: El método asigna a los módulos de 33 y 36 celdas un voltaje nominal de 12 V CD. El voltaje nominal requerido por las cargas es obtenido al configurar módulos en serie. La energía generada por el módulo (o un arreglo en serie hasta 48 V CD se obtiene de multiplicar Im bajo NTC con el Recurso Solar. No se consideran variaciones de voltaje debido a la temperatura y a la irradiancia. UNAM

31 EFECTO DE LA TEMPERATURA En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celda En la potencia: reducción del 0.35%/ºC UNAM

32 Método de amper-hora UNAM

33 Conexiones Serie – Paralelo Módulos Fotovoltaicos Conexión Paralelo AUMENTO DE CORRIENTE Tres módulos Conectados en paralelo Diodo de bloqueo Diodo de paso Conexión Serie AUMENTA EL VOLTAJE Tres módulos Conectados en serie 9 amp 12 V 12 Volts 12 V 36 V 24 V 12 V 0 V 36 Volts UNAM

34 WATTS-HORA: Método que se aplica cuando el voltaje nominal del sistema FV es grande. Características: Recomendado para voltajes mayores o iguales de 120 V DC. Es necesario establecer el Voltaje de Operación Vop, o el rango de voltajes que la carga en CD requiere. El método asigna para el cálculo del No. de módulos conectados en serie para dar el Vop de la carga en CD, el Vm del módulo bajo condiciones normales de operación NOCT. Para módulos de 36 celdas, Vop 15 Tm=50ºC. Las pérdidas de energía deben ser conocidas explicitamente para el caso de sistemas autónomos y/o híbridos. Recomendado para sistemas iteractivos con la red. UNAM MÉTODO DE DIMENSIONAMINETO....

35 INCREMENTANDO POTENCIA

36 Energía Eléctrica generada por Módulos Fotovoltaicos NOC UNAM

37 Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m 2; AM1.5; Tm = 25ºC Pp = 55 W Tm = 62ºC Pp = 44W Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico NOC UNAM

38 RUTA DE DIMENSIONAMIENTO EL QUE..., EL PARA QUE..., y EL COMO... 1º: IDENTIFICACIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS Cargas en CD o en CA. 2º. ELABORAR UNA RELACIÓN DE CARGAS EN CD Y CARGAS EN CA. 3º. IDENTIFICACIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL Y SU POTENCIA DE OPERACIÓN DE LAS CARGAS. De preferencia, todas las cargas deben de operar al mismo Vn. UNAM

39 4º. IDENTIFICACIÓN DE LA POTENCIA NOMINAL Ó DE OPERACIÓN DE LAS CARGAS. 5º. ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERACIÓN DE CADA CARGA. 6º. CÁLCULO DE LA ENERGÍA ESTIMADA (parcial y total). RUTA DE DIMENSIONAMIENTO UNAM

40 EJEMPLO: CUADRO DE CARGAS DE UN PROBLEMA HIPOTÉTICO UNAM

41 ELECCIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL DEL SISTEMA FV RECOMENDACIONES: a) Cargas únicamente en CD: Se elige como voltaje nominal del sitema Vn(S) al Vn máximo de cualquier carga R. Por lo cual: Vn AFV = Vn B = Vn(máximo) = Vn(S) b) Cargas en CA: Las cargas en corriente alterna requieren de un inversor CD/CA. De aquí que el voltaje nominal del sistema Vn(S) estará definido por el voltaje nominal del inversor seleccionado. Por lo que: Vn AFV = Vn B = Vn I = Vn(S) UNAM

42 CÁLCULO DEL TAMAÑO DEL ARREGLO Criterio amper-hora No. de paneles en paralelo N P : Se calcula considerando el balance de energía y considerando las pérdidas de energía por el manejo y almacenamiento de ésta. No. de módulos en serie= un panel N S = Vn(S)/12 siendo 12 V el voltaje nominal del módulo Ec es la energía total a consumir por las cargas. F S es el factor de sobredimensionamiento (5% al 10%). H p recurso solar disponible en horas-pico. Im corriente del módulo en el punto máximo bajo NTC. es la eficiencia en el manejo de energía: cables (97%), controlador (97%), inversor (95%), coulómbica en batería ( 95%). UNAM

43 EJEMPLO: Consideremos el cuadro de cargas anterior, y se desea calcular cuantos módulos en serie y en paralelo se requieren para generar la energía requerida en una localidad que tiene: a) Un recurso solar promedio diario anual de 6,000 W-h/m 2 al día. b) Un recurso solar mínimo promedio diario mensual de 3.5 H P Solución Datos: Ec= VCD; ¿Cual es el Vn(S)? ¿Cual es el voltaje del banco de baterías? Seleccionen módulo. ¿Cual es el voltaje nominal del módulo a usar? ¿Cuantos módulos se requieren en serie para dar Vn(S)? ¿Cual es el recurso de la localidad en H P Calculen N P para (a) y para (b) UNAM

44 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO La capacidad de un banco de baterías, C B, se dimensiona en función de la energía consumida diariamente por las cargas eléctricas y la autonomía requerida en el sistema. En un sistema FV la autonomía del banco de baterías se define como el número de días que funcionarán las cargas eléctricas con cero insolación. Unidad de medición: Vn UNAM

45 Baterias comerciales para sistemas FV 6 V 12 V 2 V 6 V

46 Características eléctricas de un acumulador Pb-ácido Vn= 12V; voltaje nominal Voc = 100% carga; Voc= 0% carga Voc<11.0 V muerta Voltaje máximo de carga V M = 15.2 V Voltaje mínimo de descarga V m = % DOD Eficiencia en el proceso carga/descarga: 92% al 98%. Eficiencia en voltaje de carga y descarga: 88% Eficiencia global: 84% UNAM

47 CÁLCULO DE LA CAPACIDAD Ec es la energía consumida expresada en W-h. Au es la autonomía del sistema expresada en días. Vn B es el voltaje nominal del banco de baterías (igual al Vn(S)). fu es el factor de uso de la batería, fu= 0.5 para placas delgadas y fu= 0.8 para placas gruesas. Fi es el factor de incremento en la capacidad debido a una razón de descarga mas lenta, Fi=1.05 para placa delgada y Fi=1.35 para placa gruesa. UNAM

48 Sistema de Almacenamiento de Energía V Voltaje I Corriente R Resistencia (carga) C Capacidad en AH Una Batería + + Vt = V1 = V2 = V3 It = I1 + I2 + I3 Ct = C1 + C2 + C3 Baterías conectadas en Paralelo 12V Baterías conectadas en Serie _ + _ + _ Vt = 3V It = I1= I2 = I3 Ct = C1 = C2= C3 12V 36V - + V R I 12V

49 Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar Horizontal UNAM Sistemas Fotovoltaicos Estructuras para Paneles FV

50 Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar UNAM Sistemas Fotovoltaicos Estructuras para Paneles FV

51 CONTROLADORES Dispositivo electrónico cuya función es el de mantener el estado de carga adecuado en el banco de baterías. Características: 1.Evitar la sobrecarga. 2.Evitar la descarga fuera de los rangos establecidos. Puntos de Control: 1.Desconexión de módulos FV: de 14.0 a 15.5 V. 2.Voltaje de flotación: de 13.5 a 14.0 V 3.Reconexión de módulos FV: de 12.8 a 13.4 V 4.Desconexión de cargas por bajo voltaje: de 11.4 a 11.8 V 5.Reconexión de cargas: de 13.2 a 13.8 V UNAM

52 Sistemas Fotovoltaicos Controlador de carga Controlador de carga - Medidor para sistemas fotovoltaicos Modelo CMCX - 12/15/20

53 UNAM Sistemas Fotovoltaicos Controladores de Carga Comerciales

54 INVERSORES Dispositivo electrónico que transforma la electricidad en Corriente Directa a Corriente Alterna. La entrada de alimentación es con voltajes nominales desde 12, 24, 36, 48 hasta 120, 240 VCD. La salida de la electricidad es de 120/240 VAC nominales con ondas tipo cuadrada, semisenoidal y senoidal pura con frecuencias de 50 o 60 Hz. UNAM Se especifican por la potencia nominal dada por el fabricante (desde 100 W hasta...) y se seleccionan por la potencia necesaria para satisfacer la potencia de un conjunto de cargas.

55 UNAM Sistemas Fotovoltaicos Inversores

56 UNAM Sistemas Fotovoltaicos Características Fundamentales de un Inversor Y 1500 watts de potencia continua Y Señal de salida de onda modificada Y 94% de eficiencia pico Y Construido para cargar, 120 amperes, para baterías Y Capacida de 3500 watts en un instante Y User programmable setpoints Y Protección, automatica para bajo estado de carga de baterias. X 4000 watts de potencia continua X baja distorción, Señal de salida de onda perfecta X 94% de eficiencia pico X Construido para cargar, 120 amperes, para baterías X Conección automatica del generador X User programmable setpoints X Large, LCD digital meter

57 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA 1. Lasneir F. And Ang T.G., Photovoltaic Engineering Handbook, IOP Publishing Ltd 1990, Edit by Adam Hilger, New York. 2. Strong S.T. and Scheller W.G., The Solar Electric House, Edit by Sustainability Press, 1993, Massachusetts. 3. Markvart T., Solar Electricity, second edition, Edit by John Wiley and Sons, 2000, New York. 4. New England Solar Electric Inc., The Solar Electric Independent Home, 4th Editio, 1998, Worthington, Ma.


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