Introducción a la ESF para sistemas autónomos de

Transcripción

Unidad 15
Introducción a la ESF
para sistemas autónomos de
telecomunicaciones
Alberto Escudero-Pascual
[email protected] IT+46 – 1 Octubre 2007
(cc) Creative Commons Share-Alike Contribution Non-Commercial
Índice
Breve introducción a los sistemas de ESF
Componentes
✔
✔
✔
✔
✔
Paneles solares
Baterías
Reguladores
Convertidores e inversores
Las cargas
Medidas de los componentes
TRICALCAR | www.wilac.net/tricalcar - Versión: febrero 2008
2
El sistema aislado o autónomo
Aislado = autónomo
✔
no esta conectado a la red eléctrica
Fotovoltaico
✔
El uso de energía solar para producir energía
eléctrica
3
Sistema ESF aislado
4
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
5
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)
6
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
7
Regulador - Controlador
Convertidores DC/DC
✔ Perdidas de energia!
✔
Diseña tu sistema para que funcione al nivel de DC
de tus cargas
8
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
9
Empecemos ahora de nuevo...
veamos los componentes
al detalle
10
Paneles solares
11
Paneles solares
12
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)
13
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(85- 100ºC)
14
Paneles solares
15
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)
16
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
17
Eficiencia eléctrica (10-13%)
18
Parámetros del panel solar
1. Corriente de cortocircuito (ISC)
La corriente máxima del panel
Cuando ponemos los terminales en “corto”
2. Corriente de circuito abierto (VOC)
El voltaje máximo
Cuando medimos sin carga
Generalmente alrededor de 19-22 V para paneles que van a
trabajar a 12 V
19
3. Punto de máxima potencia
Pmax = Ipmax . Vpmax
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 VPmax y IPmax suelen ser un poco
inferiores a los de Isc y Voc
20
4. Factor de forma (FF)
La relación entre la Pmax y el producto de ISC .
VOC
Nos da una idea de la calidad del panel
Buscamos valores de FF cercanos a 1
Valores normales entre 0'7 y 0'8.
21
5. Eficiencia (h)
La relación entre la potencia eléctrica máxima que
entrega el panel y la radiación solar incidente (PL)
Valores típicos entre 10-12%
La eficiencia depende del tipo de materiales y
construcción (silicio mono o polocristalino, amorfo o
thin film)
h = PM / PL = FF. ISC . VOC / PL
22
Valores que nos da el fabricante: ISC, VOC,
IPmax y VPmax
En condiciones estandar de:
✔
✔
✔
Irradiancia (G) = 1000 W/m2
Temperatura (T) de las celdas de 25oC
A nivel del mar
23
IV Curve
24
IV Curve vs G
25
IV curve vs temperatura
26
Parámetros que necesitamos para
el dimensionado
Cálculo del número de paneles
✔
Corriente y Voltaje en el punto de máxima potencia
(IPmax y Vpmax)
Como el panel no trabaja en este punto,
asumimos siempre unas perdidas del 5%
27
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
28
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
29
30
31
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
32
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
33
Baterías
34
La batería
35
La batería
Reacción química reversible
✔
Permite el almacenamiento de energía eléctrica
Las baterías más comunes son las de Plomoácido 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 1224V
36
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)
37
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
38
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
39
Tipos de baterías
Electrolito alcalino (como Niquel-Cadmium)
✔
Caras pero de calidad
Electrolito ácido (Plomo-ácido)
✔
Baratas, pero lo suficientemente buenas
40
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%
41
Estado de carga
Sobre-carga
Sobre-descarga
42
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
43
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
44
Parámetros de la batería
1. Voltaje Nominal VNBat (12 V)
2. Capacidad Nominal CNBat
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)
45
3. Máxima profundidad de descarga Pdmax
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%
46
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
47
4. Capacidad Útil CUBat
La capacidad real (útil) de la batería
Es el resultado de multiplicar la capacidad
nominal (CNBat) por la profundidad de
descarga máxima Pdmax
Ejemplo: Batería estacionaría de 120 Ah y
PDmax del 70%, tiene una capacidad útil de
84 Ah.
48
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
49
Medición del estado de carga
de la batería
50
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
51
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)
52
53
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
54
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 “sobrecarga”
✔ Oxidación
En regiones cálidas:
✔ Nunca sol directo
✔ Necesaria la refrigeración natural
55
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
56
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!.
57
Sistema ESF aislado
58
Regulador
59
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
60
Regulador
61
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)
62
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
63
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
64
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
65
Convertidor
66
Convertidor
Dos tipos en sistemas de ESF
✔
✔
DC/DC
DC/AC (inversores)
Pueden incorporar un cargador
67
Convertidor
68
Convertidor
69
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%)
70
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
71
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
72
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
73
Las cargas
74
Consumos de cargas
Equipment
Consumption [W]
Portable computer
30-50
Low power lamp
6-10
WRAP (one radio)
4-10
VSAT modem
15-30
PC (without LCD)
20-30
PC (with LCD)
200-300
Switch (16 ports)
6-8
75
Equipos de radio
Equipment
Consumption [W]
Linksys WRT54G (radio BCM2050)
6
Linksys WAP54 (radio BCM2050)
3
Orinoco/WavePoint II ROR (radio 30 mW)
15
Soekris net4511 (no radio/radio)
WRAP.1E-1 (no radio)
Routerboard 532 (no radio)
Inhand ELF3 (nonradio)
1.8/4.8
2.04/5.04
2.3/5.3
1.53/4.53
Senao 250 mW Radio
3
Ubiquity 400 mW Radio
6
76
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.
77
Equipos de radio
78
Equipos de radio
© Jason Philbrook
http://www.f64.nu
79
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)
80

Introducción a la ESF para sistemas autónomos de

Transcripción

Documentos relacionados

Cálculo de Radioenlace

Unidad 05: Configuración de Estaciones

Configuración de clientes Unidad 05

VoIP Para el desarrollo

Imprimir Ficha