Introducción a la ESF para sistemas autónomos de telecomunicaciones Alberto Escudero-Pascual IT+46 – 1 Octubre 2007 (cc) Creative Commons Share-Alike Contribution Non-Commercial Unidad 15

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 2 Índice Breve introducción a los sistemas de ESF Componentes ✔ Paneles solares ✔ Baterías ✔ Reguladores ✔ Convertidores e inversores ✔ Las cargas Medidas de los componentes

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 3 El sistema aislado o autónomo Aislado = autónomo ✔ no esta conectado a la red eléctrica Fotovoltaico ✔ El uso de energía solar para producir energía eléctrica

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 4 Sistema ESF aislado

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 5 Panel Solar Compuesto por la celdas fotovoltaicas Recoge la energía solar y la convierte en electricidad La asociación de varios paneles forman el sistema de captación o campo de paneles La cantidad de corriente depende del número de celdas y de la radiación solar en el momento Los paneles no pueden almacenar energía Se necesitan baterías

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 6 Batería (Acumulador) Almacena la energía que no se consume en el momento Se almacena en forma de energía química (reacción química reversible) La mayoría de las instalaciones usan baterías sin mantenimiento de plomo-ácido, tambien se las conoce como Recombinantes VRLA (valve regulated lead acid)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 7 Regulador - Controlador La corriente de los paneles y las baterías es DC Las cargas normalmente usan AC o un nivel diferente de DC DC/AC (inversor) La energía se pierde durante la conversión Los conversores de continua DC/DC se usan para adaptar niveles de DC

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 8 Regulador - Controlador Convertidores DC/DC ✔ Perdidas de energia! ✔ Diseña tu sistema para que funcione al nivel de DC de tus cargas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 9 Las Cargas Los equipos/dispositvos que consumen la energía producida y/o almacenada Equipos de telecomunicaciones, routers, estaciones de trabajo, lamparas, VSATs, switches etc. Es fundamental calcular-estimar los consumos de tus cargas Impacto en el tamaño del campo de paneles y las baterías, etc Siempre piensa en equipos debajo consumo

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 10 Empecemos ahora de nuevo... veamos los componentes al detalle

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 11 Paneles solares

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TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 13 Diseño físico Generalmente entre 32 y 36 celdas solares de cristal de silicio Dependiendo del tamaño de las celdas el panel tiene una superficie entre 0'1 y 0'5 m² Dos contactos eléctricos (+ positivo y negativo)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 14 Diseño físico Contactos para instalar diodos de paso (optional) ✔ protege el panel del efecto “hot-spot” (punto caliente) ✔ ocurre cuando parte del panel se queda en sombra y se comporta como una carga (consume energía) ✔ Incrementa la temperatura( ºC)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 15 Paneles solares

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 16 Eficiencia energética Curva característica IV ✔ Todos los valores posible de voltaje/corriente ✔ La curva depende: Temperatura Radiación recibida La corriente es directamente proporcional a la radiación solar (G)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 17 Eficiencia energética El voltaje se reduce ligeramente con el incremento de la temperatura El punto de trabajo del panel depende de la “carga” en sus extremos/contactos. Un buen regulador intenta que el panel trabaje en el punto de máxima potencia. Estos reguladores se conocen como MPT = Maximum power tracking

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 18 Eficiencia eléctrica (10-13%)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 19 Parámetros del panel solar 1. Corriente de cortocircuito (I SC ) La corriente máxima del panel Cuando ponemos los terminales en “corto” 2. Corriente de circuito abierto (V OC ) El voltaje máximo Cuando medimos sin carga Generalmente alrededor de V para paneles que van a trabajar a 12 V

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 20 Parámetros del panel solar 3. Punto de máxima potencia P max = I pmax. V pmax Se mide en Watts (W) or Watts pico (Wp) Recuerda! El panel no suele trabajar a la potencia de Wp debido a la influencia de las cargas Los valores de V Pmax y I Pmax suelen ser un poco inferiores a los de I sc y V oc

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 21 Parámetros del panel solar 4. Factor de forma (FF) La relación entre la P max y el producto de I SC. V OC Nos da una idea de la calidad del panel Buscamos valores de FF cercanos a 1 Valores normales entre 0'7 y 0'8.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 22 Parámetros del panel solar 5. Eficiencia (h) La relación entre la potencia eléctrica máxima que entrega el panel y la radiación solar incidente (P L ) Valores típicos entre 10-12% La eficiencia depende del tipo de materiales y construcción (silicio mono o polocristalino, amorfo o thin film) h = P M / P L = FF. I SC. V OC / P L

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 23 Parámetros del panel solar Valores que nos da el fabricante: I SC, V OC, I Pmax y V Pmax En condiciones estandar de: ✔ Irradiancia (G) = 1000 W/m2 ✔ Temperatura (T) de las celdas de 25 o C ✔ A nivel del mar

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 24 IV Curve

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 25 IV Curve vs G

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 26 IV curve vs temperatura

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 27 Parámetros que necesitamos para el dimensionado Cálculo del número de paneles ✔ Corriente y Voltaje en el punto de máxima potencia (I Pmax y V pmax ) Como el panel no trabaja en este punto, asumimos siempre unas perdidas del 5%

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 28 Interconexión de paneles Campo de paneles ✔ Paneles en serie o paralelo sobre una estructura de soporte común Es importante que todos los paneles sean lo más parecidos posible (iguales) ✔ Misma marca y características ✔ Una dispersión en los parámetros tiene un impacto en el “campo” total

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 29 Interconexión de paneles Gracias al interconexionado podemos conseguir: ✔ Un nivel de voltaje que es cercano (pero superior) al de las baterías ✔ Un nivel de corriente suficiente para alimentar nuestros equipos y cargar las baterías

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 30 Interconexión de paneles

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 31 Interconexión de paneles

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 32 Como elegir un buen panel... En lugares con mucho polvo ✔ Paneles especialmente construidos para no adherir polvo Revisa la construcción del panel ✔ El cristal tiene que ser resistente y el marco de aluminio robusto y bien construido ✔ Los paneles pueden durar hasta 20 años pero eso no significa que no sean frágiles

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 33 Como elegir un buen panel... Asegúrate que tienes acceso a todas las curvas IV Revisa las garantías y la potencia de salida después de “X” meses Calcula el precio del panel por Wp

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 34 Baterías

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 35 La batería

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 36 La batería Reacción química reversible ✔ Permite el almacenamiento de energía eléctrica Las baterías más comunes son las de Plomo-ácido que consisten en: ✔ Compuestas por un número de vasos en serie ✔ Dos electrodos de plomo en una disolución de agua y ácido sulfúrico ✔ La baterías más comunes de ESF son las de 12-24V

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 37 Función de la batería Ofrecer energía a las cargas cuando no tenemos radiación solar Proceso cíclico de carga y descarga ✔ Con sol: el exceso se carga en la batería ✔ Sin sol: Toda la energía proviene de la batería (descarga)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 38 Autonomía: Costo vs Disponibilidad Autonomía: por cuanto tiempo queremos que los equipos funcione en ausencia absoluta de sol El nivel de autonomía depende de: ✔ el tipo de instalación ✔ infraestructura vs CPE Un sistema sobredimensionado es: ✔ Caro ✔ Ineficiente

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 39 Tipos de baterías Las baterías más adecuadas para sistemas de ESF son las diseñadas con las siguientes características: ✔ una posición fija (estacionarias) ✔ escenarios con un consumo “irregular” ✔ no necesitan suministrar corrientes altas en poco tiempo ✔ descargas profundas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 40 Tipos de baterías Electrolito alcalino (como Niquel-Cadmium) ✔ Caras pero de calidad Electrolito ácido (Plomo-ácido) ✔ Baratas, pero lo suficientemente buenas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 41 Las baterías de coche/carro (baterías de tracción) Se pueden usar si no tenemos baterías estacionarias, pero NO son recomendables Diseñadas para suministrar mucha corriente instantánea, no para suministrar corrientes bajas durante largos periodos de tiempo Su vida se acorta en sistemas ESF Necesitan mucho mantenimiento No se pueden descargar más del 70% de su capacidad total Solo se puede usar el 30%

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 42 Estado de carga Sobre-carga Sobre-descarga

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 43 Sobrecarga El agua en el ácido sulfúrico se rompe y produce oxigeno y hidrógeno(gasificación) Desventaja: El electrodo positivo se oxida Ventaja: La presencia del gas previene la estratificación del ácido Se necesita un compromiso: ✔ Se permite de manera periodica la sobre-carga controlada ✔ El regulador se carga de este proceso conocido como ecualización

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 44 Sobre-descarga Desventaja: La batería se estropea ✔ Se crean cristales de sulfato ✔ Las placas pierden material activo El regulador previene este estado ✔ Cuando la batería llega a un límite, se desconectan las cargas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 45 Parámetros de la batería 1. Voltaje Nominal V NBat (12 V) 2. Capacidad Nominal C NBat La máxima cantidad de energía que se puede extraer de la batería (Ah o Wh) Depende la velocidad de descarga La capacidad de batería se especifica a distintas velocidades de descarga (C100)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 46 Parámetros de la batería 3. Máxima profundidad de descarga Pd max Es el % de energía que se extrae de la batería en una descarga Lo limitan los reguladores/controladores y están calibrados para un nivel de descarga típico de PD 70%

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 47 Parámetros de la batería La vida útil de la batería depende de la profundidad de descarga en cada ciclo El vendedor debe suministrar el número de ciclos en la vida útil de la batería Evita la descarga profunda (más de 50%) y tan solo 30% se se trata de baterías de tracción

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 48 Parámetros de la batería 4. Capacidad Útil C UBat La capacidad real (útil) de la batería Es el resultado de multiplicar la capacidad nominal (C NBat ) por la profundidad de descarga máxima Pd max Ejemplo: Batería estacionaría de 120 Ah y PD max del 70%, tiene una capacidad útil de 84 Ah.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 49 Medición del estado de carga de la batería Asumimos: ✔ Batería sellada de plomo-ácido 12V ✔ Descarga lineal durante operación Carga completa: 12.8 V Con carga (carga completa): 12.6 V Descargada: 11.6 V 70% se alcanza cuando el voltaje es 11.9 V

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 50 Medición del estado de carga de la batería

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 51 Protección de la batería Se debe proteger la batería de corto-circuitos ✔ Interruptores termomagneticos ✔ Fusibles Los fusibles se deben dimensionar para el nivel de corriente máximo y el voltaje de uso El nivel de corriente del fusible tiene que ser ligeramente superior (10%) al máximo esperado ✔ Por ejemplo para un instalación de 4A usaremos un fusible de 5 A

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 52 Protección de la batería Nunca se debe reemplazar un fusible por un “cable” o un fusible de amperaje superior Dos tipos de fusible: ✔ Lentos (aceptan sobrecargas más tiempo) ✔ Rápidos (reacción casi instantánea)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 53 Protección de la batería

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 54 Efectos de la temperatura en baterías La capacidad de la batería varía con la temperatura Es importante incluir sensores de temperatura en los cargadores Es importante diseñar espacios para alojar las baterías ✔ Sin luz directa ✔ Secos

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 55 Temperaturas altas La capacidad de la batería (normalizada a 25°C) incrementa en un 1%/°C En caso de temperaturas demasiado altas tiene lugar el mismo efecto descrito en “sobre-carga” ✔ Oxidación En regiones cálidas: ✔ Nunca sol directo ✔ Necesaria la refrigeración natural

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 56 Temperaturas bajas La vida útil incrementa pero también el riesgo de congelación del electrolito El punto de congelación depende de la densidad de la solución ✔ La densidad depende del estado de carga de la batería A mayor densidad menos posibilidad de congelación, es necesario no descargar tanto las baterías

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 57 Vida de la batería y sus ciclos Es el componente de la instalación que va a necesitar remplazo Nunca descargar las baterías mas del 30% para aumentar su tiempo de vida Si se descarga completamente la batería puede durar menos de un año Es más barato comprar baterías de más capacidad que cambiarlas cada año!.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 58 Sistema ESF aislado

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 59 Regulador

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 60 Regulador Se le conoce como: ✔ controlador de carga ✔ controlador de voltaje ✔ controlador de carga-descarga ✔ controlador de carga Se instala entre: ✔ el campo de paneles y las baterías ✔ las baterías y las cargas/equipos

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 61 Regulador

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 62 Regulador Se conecta en “serie” NUNCA en paralelo Desconectan el campo de paneles para evitar sobrecarga Desconectan las cargas para evitar sobredescarga El sistema de desconexión es por interruptores: ✔ Electromecánicos (relés) ✔ Estado sólido (transistor bipolar, MOSFET)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 63 Regulador Los reguladores modernos: ✔ Pueden desconectar las cargas durante la noche ✔ Sobrecarga las baterías para mejorar su vida útil (equalización) ✔ Utilizar un mecanismo conocido como pulse width modulation (PWM) para evitar gasificación

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 64 Parámetros del regulador Corriente máxima de operación ✔ Debe ser al menos el 20% mayor que la corriente máxima del campo de paneles Voltaje de operación: 12, 24, or 48 V

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 65 Parámetros del regulador (Avanzados) Valores de LVD, LRV y HVD Compensación por temperatura ✔ Muestrea la temperatura y calcula los distintos puntos de corte (desconexión y re-conexión) Sensores e instrumentación ✔ Estado de carga, corriente, voltaje, etc ✔ Alarmas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 66 Convertidor

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 67 Convertidor Dos tipos en sistemas de ESF ✔ DC/DC ✔ DC/AC (inversores) Pueden incorporar un cargador

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 68 Convertidor

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 69 Convertidor

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 70 Convertidor DC/DC Convierte DC(Va) a DC(Vb) Se usa entre las baterías y las cargas Dos tipos de conversión: ✔ Linear (quema el resto de la energía) ✔ Conversión (más complejo e eficiente, > 80%)

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 71 DC/AC Inversor Cargas AC Trocea e invierte la corriente continua Dos tipos: ✔ Onda cuadrada (senoidal modificada) ✔ Onda senoidal pura Los inversores de onda cuadrada son más eficientes pero no todos los equipos lo aceptan ✔ Problemas con impresoras ✔ Audio

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 72 Parámetros de un inversor Gestión de sobrecargas Eficiencia de conversión Inclusión de “cargador” Cambio automático en presencia de diferentes fuentes de energía: red-solar, generador, etc

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 73 A tener en cuenta en equipos de comunicaciones Evitar el uso de AC Investigar el voltaje de entrada de los equipos y la posibilidad de usar directamente alimentación en DC

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 74 Las cargas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 75 Consumos de cargas

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 76 Equipos de radio

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 77 Equipos de radio El consumo tambien depende de: ✔ el número de interfaces de red ✔ tipo de memorias, HD y tráfico de red Algunos números para recordar: ✔ Placas 2-3 W ✔ Una radio de 200 mW va a consumir hasta 3 W ✔ Un radio de alta potencia como la Ubiquity de 400 mW consume hasta 6 W ✔ Una estación repetidora va a consumir como mínimo de entre 8 y 10 W.

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 78 Equipos de radio

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 79 Equipos de radio © Jason Philbrook

TRICALCAR | - Versión: febrero 2008www.wilac.net/tricalcar 80 Dimensionado en 5 pasos Carga: 12 W, Voltaje: 12 V, Corriente: 1 A Consumo día: 24 Ah Autonomía (4 días): 24 x 4 = 96 Ah Batería (máx 50%) = 194 Ah (200 Ah C100) Panel 80 Wp (Imax = 5 Ah) ✔ 5 horas de sol-pico en el mes peor (25 Ah/dia)