UNAM Sandia National Laboratories Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico. EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco, Morelos Tel: (01-55) 5622 9716; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

CONSIDERACIONES GENERALES UNAM 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.

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.

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

UNAM 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.

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

CONCEPTOS Y UNIDADES COMÚNES EN ILUMINACIÓN. UNAM Irradiancia: Es la potencia lumínica por unidad de área recibida en una superficie. Unidades: Watt/m2 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/m2

LÁMPARAS UNAM CLASIFICACIÓN: Incandescentes, halógenas, de descarga y fluorescentes. 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.

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 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

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Carcasa o cavidad que contiene a una o varias lámparas. 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 CLASIFICACIÓN DE LUMINARIAS TIPO DE ILUMINACIÓN PORCIÓN DISPONIBLE del FLUJO LUMINOSO EN LA SUPERFICE A ILUMINAR Directa 90% Semidirecta 60% al 90% Difusa 30% al 60% Semiindirecta 10% al 30% Indirecta Menor del 10%

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PROBLEMA: Se tiene que iluminar una cas-habitación que tiene las siguientes características: Dos recámaras de un área de 9 m2 cada una. Una sala de estar de 12 m2. Un comedor de 9 m2. Una cocina de 6 m2. Un baño de 3 m2. UNAM 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.

SOLUCIÓN: Multiplicar la iluminancia recomendada por el área de la habitación. Esto proporciona el número de lúmenes requerido suponiendo flujo luminoso sin pérdidas. 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 0.8. El valor encontrado en paso 2 proporciona el número de lúmenes que deberán de ser generados por la (s) lámpara (s). Usando la Tabla de lámparas seleccionar aquella (s) cuyo flujo luminoso sea el requerido o cercano a éste. UNAM

SISTEMAS FOTOVOLTAICO UNAM 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 Acoplamiento Directo A. c/Seguidor de potencia A. c/Iinversor A. c/Baterías/Controlador Sistemas de CD Sistemas en CA Sistemas Autónomos A. c/Bat./Cont./Inversor

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

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

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

DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO UNAM 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.

CONOCIMIENTOS NECESARIOS: UNAM GEOGRÁFICOS Localización del sitio, Clima, Conocimiento del sitio, RECURSO SOLAR del sitio 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

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

UNIDADES Y TÉRMINOS COMÚNES UNAM 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

La energía cosumida o producida en un día puede expresarse de manera indistinta mediante las siguientes unidades: UNAM 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 = 100 A-h @ 12V IRRADIANCIA: Potencia luminosa incidente en una unidad de área. Unidad: W/m2 Máximo valor Irr directa= 1,000 W/m2 INSOLACIÓN: Irradiancia acumulada en un tiempo dado Unidad: W-h/m2

ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL UNAM

UNAM HORAS PICO HP: Energía disonible del Sol obtenidan por la integración de la irradiancia respecto del tiempo y expresado en horas de máxima irradiancia. 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 14:00 0.0 W/ m HORAS-PICO 8 h-p 4 h-p Area bajo la curva A= 8,000 W-h/m2 A= 4,000 W-h/m2

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

Temperatura módulo: 25ºC Sistemas Fotovoltaicos Módulos de Silicio monocristalino UNAM Potencia luminosa: 100% AM1 Vm = 17.4 V Im = 3.15 A Temperatura módulo: 25ºC Largo: 129.3 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

EL MÓDULO FOTOVOLTAICO UNAM Características eléctricas bajo condiciones NTC

MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO UNAM AMPER-HORA: Método sencillo aplicable para sistemas FV’s 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.

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

Método de amper-hora UNAM

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

MÉTODO DE DIMENSIONAMINETO.... UNAM 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 V @ 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.

INCREMENTANDO POTENCIA

Energía Eléctrica generada por Módulos Fotovoltaicos NOC UNAM

Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico NOC UNAM Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m2; AM1.5; Tm = 25ºC Pp = 55 W Tm = 62ºC Pp = 44W Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos

RUTA DE DIMENSIONAMIENTO UNAM 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.

RUTA DE DIMENSIONAMIENTO UNAM 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).

EJEMPLO: CUADRO DE CARGAS DE UN PROBLEMA HIPOTÉTICO UNAM

ELECCIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL DEL SISTEMA FV UNAM 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: VnAFV= VnB= 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: VnAFV= VnB = VnI= Vn(S)

CÁLCULO DEL TAMAÑO DEL ARREGLO Criterio amper-hora UNAM No. de módulos en serie= un panel NS= Vn(S)/12 siendo 12 V el voltaje nominal del módulo No. de paneles en paralelo NP: Se calcula considerando el balance de energía y considerando las pérdidas de energía por el manejo y almacenamiento de ésta. Ec es la energía total a consumir por las cargas. FS es el factor de sobredimensionamiento (5% al 10%). Hp 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%).

¿Cual es el voltaje del banco de baterías? 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/m2 al día. b) Un recurso solar mínimo promedio diario mensual de 3.5 HP UNAM Solución Datos: Ec= 109.2 A-h @ 12VCD; ¿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 HP Calculen NP para (a) y para (b)

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO UNAM La capacidad de un banco de baterías, CB, 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: amper-hora @ Vn

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

Características eléctricas de un acumulador Pb-ácido UNAM Vn= 12V; voltaje nominal Voc = 12.8V @ 100% carga; Voc= 11.4V @ 0% carga Voc<11.0 V muerta Voltaje máximo de carga VM= 15.2 V Voltaje mínimo de descarga Vm= 11.8 V @ 80% DOD Eficiencia en el proceso carga/descarga: 92% al 98%. Eficiencia en voltaje de carga y descarga: 88% Eficiencia global: 84%

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD UNAM Ec es la energía consumida expresada en W-h. Au es la autonomía del sistema expresada en días. VnB 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.

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

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

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

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

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

Sistemas Fotovoltaicos Controladores de Carga Comerciales UNAM

INVERSORES UNAM 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. 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.

Sistemas Fotovoltaicos Inversores UNAM

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

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.