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SISTEMAS DE CELDAS SOLARES(Fotovoltaicos)
Cualquier necesidad de energía eléctrica puede satisfacerse mediante un diseño adecuado del
sistema de energía fotovoltaico, las principales aplicaciones de un sistema fotovoltaico son:
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Iluminación
Bombeo
Radio comunicaciones (telemetría)
Electrificación domestica.
Electrificación de cercas.
Anuncios panorámicos.
Faros.
Satélites
Existen varias alternativas para configurar un sistema fotovoltaico de acuerdo al uso que le
daremos algunos se muestran a continuación.
Paneles solares directamente conectados a una carga
Es el sistema mas simple en el cual el generador fotovoltaico se conecta directamente a la
carga, normalmente un motor de corriente continua. Se utiliza fundamentalmente en bombeo de
agua. Al no existir baterías ni componentes electrónicos aumenta la confiabilidad pero resulta
difícil mantener una performance eficiente a lo largo del día.
Sistema módulo batería
Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la descarga de un banco
de baterías que se utilice por ejemplo para el arranque de un motor. Para ello pueden utilizarse los
módulos de silicio amorfo o Monocristalino.
Otra importante aplicación en la que el sistema fotovoltaico se conecta en forma directa a las
baterías es en sistemas de electrificación rural de pequeña potencia, en estos casos se utilizan uno
o dos módulos de silicio Monocristalino de 30 celdas cada uno conectados en paralelo para lograr
la potencia deseada.
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Sistema fotovoltaico general.
Es el sistema en el cual se tiene contemplado para manejar diferentes tipos de carga la cual
puede ser de C.A. y/o de C.D. usando ya sea inversor para C.A. o alimentación directa para C.D.
Las características que debemos de tomar en cuenta de los diferentes elementos que
componen el sistema anterior para diseñarlo en particular son:
Panel de celdas solares
El panel de celdas solares esta formado por un conjunto de celdas individuales agrupadas en
módulos y estos módulos los podemos agrupar para formar conjuntos(paneles) como se muestra
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en la figura siguiente, a los paneles los podemos conectar en arreglos serie-paralelo para obtener
la potencia deseada de acuerdo a las necesidades de la carga.
Debe tomarse en cuenta el movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones
estaciónales. Para la posición optima de los paneles es conveniente posicionarlos con un ángulo
intermedio entre la posición optima del verano con la del invierno de acuerdo como se muestra en
la figura 10.
Figura 10.- Angulo de inclinación optimo en verano e invierno.
Al hacer cálculos es conveniente tomar en cuenta las variaciones de potencia entregada por los
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paneles solares de acuerdo a las condiciones ambiéntales (radiación, temperatura) de acuerdo a la
hora del día y época de año como se muestra en la figura 11, en la figura 12 se muestra un
comparativo de la potencia entregada por un panel y la potencia de consumo de la carga donde se
puede ver la necesidad se los sistemas de que tenga un arreglo de baterías.
Figura 11.- Características V-I de acuerdo a la hora de día.
Figura12.- Comparativo de la potencia entregada por el panel con la de consumo de la
carga para las 24 horas de día
Controlador.
La función del controlador es mantener el banco de baterías en óptimas condiciones así como
lograr el transito de la energía de los paneles a estas como a la carga, las funciones especificas de
un controlador pudieran ser:
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Desconexión por alto voltaje (eliminar el flujo de corriente a las baterías cuando estas
están totalmente cargadas).
Desconexión por bajo voltaje (desconectar las baterías para que ya no se descarguen para
evitar daño).
Protección para polaridad invertida.
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Protección contra retorno de corriente (evitar la descarga de las baterías hacia los
paneles).
Conexión y desconexión por presencia o ausencia de luz solar.
Medir voltaje y corriente en las baterías.
La figura 13 muestra un diagrama a bloques de un controlador donde El controlador fue hecho
para entregar hasta 48 V y trabaja entre 45 a 60 V, el consumo es continuo y constante. La carga
se alimenta siempre del banco de baterías el cual es cargado por un arreglo de módulos solares.
En el día los módulos solares alimentan a la carga y recuperan alas baterías, cuando las baterías
llegan aun voltaje de 59.2 V, los módulos solares se desconectan (K1 se abre) y se reconecta
cuando el voltaje en las baterías es menor a 51.2 V Por las noches las baterías alimentaran por si
solas a la carga y se estarán descargando ya que los módulos solares no mandan corriente. El
arreglo solar esta dividido en subarreglos de cuatro módulos solares en serie cada uno para que
entreguen 48 V. La corriente solar pasa en su totalidad por el control de carga y alimenta por un
lado a la carga y por otro al banco de baterías.
Figura 13.- Diagrama a bloques de un controlador.
El banco de baterías se forma por dos o mas grupos de en paralelo de cuatro acumuladores en
serie de 12 V cada uno. Durante las noches las baterías se descargan un 12% aprox. Por lo que
en la mañana el relevador de carga (K1) se cierra para suministrar corriente cuando los módulos
empiezan a generarla. En el amanecer el voltaje que generan los arreglos fotovoltaicos se eleva
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desde cero hasta igualar al del banco de baterías y de esta forma el diodo 01 se polariza en directa
haciendo que fluya corriente hacia las baterías. La función de este diodo es evitar que las baterías
se descarguen en la noche a través de las celdas. Cuando las baterías se carguen hasta 59.2 V, el
comprador CIM del control de carga detecta que se ha llegado al nivel de desconexión, operando
la bobina del relevador K1 de entrada y por tanto desconecta los módulos, y cuando las baterías
se desconecten hasta 51.2 V en ese momento se reconectan las baterías. Este ciclo se repite varias
veces al día manteniendo cargada la batería. En días nublados la corriente de las celdas
disminuye por lo que las baterías casi no reciben carga. Este controlador esta diseñado para
trabajar en días nublados por tres días manteniendo la carga. Pasado este tiempo se desconectan
las baterías para protegerlas.
El controlador contiene un relevador (K2) en serie con la salida al a carga que se abre cuando
el voltaje de las baterías ha bajado aun nivel en el cual las baterías pueden resultar dañadas. Este
relevador es activado por el comparador CIC que monitorea constantemente el voltaje de las
baterías con un voltaje de referencia. La apertura ocurre a los 45.5 V y se vuelve a cerrar a los 52
V. El control de la carga contiene dos comparadores CIM y CIC independientes entre si que
controlan respectivamente la operación de un relevador de los módulos solares (K1) y la
operación del relevador para desconexión por bajo voltaje (K2).
Banco de Baterías
Las baterías son el tanque de combustible del convertidor. Mientras más grandes las baterías,
mayor tiempo puede el convertidor operar antes que sea necesaria la recarga. Un banco de
baterías demasiado pequeño resultará en una corta vida de la batería y un rendimiento
decepcionante del sistema.
Estimación de los requerimientos de la batería
Para determinar el tamaño apropiado del banco de baterías, es necesario computar el número
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de amperios hora que se usará entre ciclos de carga. Cuando conozca la cantidad de amperios
hora, haga que el las baterías tengan aproximadamente el doble de este valor. Esto asegura que
las baterías no se descarguen excesivamente y extiende la vida de las baterías.
Para computar el uso total en amperios hora, se ha de determinar los requerimientos de cada
aparato a usar y luego sumarlos. La siguiente tabla le ayudará a estimar los amperios por hora
(A/h) que consumen diferentes tipos y tamaños de cargas. Use la tabla de la forma siguiente: (1)
empiece a la izquierda con la línea del aparato o la potencia adecuada, (2) empiece por arriba en
la columna que indique el tiempo que ese aparato funcionará entre ciclos de carga, (3) la
intersección de líneas y columnas indicará los amperios hora que se consumirán.
Siga este procedimiento para cada aparato que desee usar con el convertidor. Sume los
requerimientos. El tamaño mínimo del banco de baterías debe ser el doble de este valor. También
podrá calcular los requerimientos de baterías usando los consumos indicados en las placas de
características de cada aparato. La fórmula es Potencia = Voltios x Amperios. Divida la potencia
de su carga entre el voltaje de la batería para determinar el amperaje que la carga consumirá de
las baterías. Multiplique el amperaje por las horas y tendrá, con razonable precisión, los amperios
hora. Recuerde que los períodos de tiempo menores de una hora serán fracciones (10 minutos es
1/6 de una hora).
Notas: Si se conoce la corriente AC, entonces el amperaje que un aparato absorberá de la batería
será: Corriente AC por voltaje AC dividido entre el voltaje de la batería.
Normalmente los motores vienen marcados con el consumo durante el funcionamiento y no
con el consumo de arranque. El consumo de arranque puede ser de 3 a 6 veces el consumo de
funcionamiento.
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Etapas de carga de las baterías
Los inversores tienen como opción que puedan actuar como cargadores de baterías que
automáticamente recargan y mantiene el sistema de baterías a su plena carga. Esta sección
describe la carga en tres etapas y como configurar su cargador para su banco de baterías. La
mayoría de los inversores/cargadores realizan un programa de carga y de mantenimiento en tres
etapas -En bruto, absorción y flotación-.
Etapa de carga en bruto: Durante esta etapa el inversor carga las baterías a corriente constante.
Esta causa un incremento del voltaje de las baterías. Cuando este voltaje alcanza el nivel ajustado
de carga en bruto, el cargador pasa a la etapa de absorción.
Etapa de absorción: Durante esta etapa la corriente de carga se va reduciendo gradualmente
mientras que la tensión en la batería se mantiene constante al voltaje bruto de carga durante 2
horas (14.3 VDC para baterías selladas, 14.7 VDC para baterías no selladas). Si el voltaje AC cae
por debajo de 90 voltios AC durante esta etapa, la carga será interrumpida, y el cargador
terminará el periodo de carga cuando esta tensión se de nuevo por encima de 90 voltios AC. Esto
asegurará que las baterías estén plenamente cargadas.
Estado de flotación: En este punto la tensión de la batería se le permite disminuir hasta el punto
fijado de voltaje de flotación, donde se mantiene hasta que otro ciclo de carga en bruto se inicie.
Esto reduce el gaseo de la batería y la mantiene plenamente cargada. Un nuevo ciclo de carga en
bruto se iniciará cuando una fuente AC se aplique a la entrada AC del cargador/inversor.
Configuraciones de conexiones de bloques de baterías
Se pueden crear bancos de grandes tamaños conectando juntas varias baterías. Hay tres
maneras de hacerlo. Las baterías pueden conectarse en serie, en paralelo, o en serie/paralelo.
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Conexión en Serie
Cuando las baterías se conectan con el terminal positivo de una al negativo de la siguiente, están
en serie. Un grupo de baterías en serie tendrá el amperaje hora indicado de una sola batería pero
un voltaje igual a la suma de los voltajes de las baterías individuales.
Conexión en paralelo
Las baterías están conectadas en paralelo cuando todos los terminales positivos de un grupo de
baterías están conectados y a su vez todos los terminales negativos están conectados entre sí. En
paralelo, las baterías tendrán el mismo voltaje de una sola batería y el amperaje hora igual a la
suma del de las baterías individuales.
Conexión en Serie y Paralelo
Como lo indica su nombre, es una combinación de ambas de las técnicas indicadas anterirmente.
Tipos y constitución de baterías
Actualmente predominan los elementos secos, en los que el electrolito ya no es líquido, si no
que se ha aglutinado en un gel de electrolito. (Se habla también de electrolito "inmovilizado")
Elementos primarios de las baterías
Cinc-Carbón
La clásica batería de cinc-carbón sigue siendo una alternativa económica frente a la batería de
álcali-manganeso o la de acumuladores. Sin embargo. Poco a poco los crecientes requisitos de
capacidad y entrega de potencia van desplazando a este tipo de baterías. El elemento de cinccarbón está formado por un electrodo de carbón con un recubrimiento de peróxido de manganeso
(MnO2) que absorbe el hidrógeno que pueda aparecer. Como electrolito se utiliza una solución de
sal de amoníaco espesada. Un vaso de cinc forma el electrodo negativo. Durante la descarga se
disuelve paulatinamente este revestimiento de cinc, de tal forma que en una batería vacía cabe la
posibilidad de que se salga electrolito. Se obtiene una mayor capacidad con el sistema de cinccloruro, que es una variación de la ya descrita batería de cinc-carbón.
Cinc-Aire
En las baterías de este tipo reacciona oxígeno, el cual puede entrar en el elemento a través de
unas pequeñas aberturas, con un cátodo catalítico y un ánodo de cinc. Gracias a que tiene un
cátodo muy estrecho se dispone de relativamente mucho espacio para el material del ánodo. Por
medio de esto, las baterías de cinc-aire obtienen una capacidad de los elementos relativamente
elevada. En el campo de las aplicaciones de consumo representan la densidad energética más
elevada, por ejemplo en audífonos, en donde son importantes las dimensiones más pequeñas,
unas elevadas capacidades y una característica de descarga plana. Los elementos de cinc-aire
tienen una elevada resistencia óhmica y por ello son adecuados para aplicaciones con las mínimas
corrientes de carga. El elemento se activa extrayendo el sello de obturación a través de las
aberturas de entrada de aire. En estado sellado, las baterías de cinc-aire pueden almacenarse
durante un tiempo casi indefinido.
Mercurio
En muchas baterías comerciales se ha podido reducir el contenido en mercurio hasta el límite
de comprobación -no así en las pilas de botón, que a pesar de sus mínimas dimensiones deben
poseer una estabilidad de tensión, una elevada densidad energética y un rendimiento excepcional.
Los sistemas de mercurio se han conformado a partir de un par de óxidos de cinc/mercurio.
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Entregan unas tensiones de funcionamiento estables de entre 1,35 y 1,4 V por elemento. A
temperatura ambiente, estas pilas (de botón) tampoco pierden un valor importante de su
capacidad si se las almacena durante largos períodos de tiempo: después de un año y medio a
20ºC, su capacidad sigue siendo el 95% de su valor inicial.
Oxido de Plata
En los sistemas de óxido de plata lo más característico es una curva de descarga muy plana.
Las pilas disponibles en forma de elementos de botón tienen una tensión nominal de 1,5 V y se
utilizan sobre todo en relojes de pulsera de cuarzo y en el campo de la fotografía. A temperaturas
ambiente, estas baterías pueden almacenarse hasta dos años.
Dióxido de litio-manganeso
El metal ligero litio juega un papel cada vez mayor en la fabricación de baterías y
acumuladores, ya que entrega una tensión tres o cuatro veces mayor de lo que es posible con
otros materiales. Al principio sólo existían baterías de litio como elementos primarios. Fue en
1993 cuando se dio, con los acumuladores ligeros de iones de litio en Camcorder, el salto al
campo de los elementos secundarios. En los elementos primarios de LiMnO2 se combina un
ánodo de litio con un cátodo de dióxido de manganeso. Este elemento se ha conformado
totalmente sin agua, porque el electrolito se ha disuelto en una sustancia orgánica. Como
consecuencia de ello, en estos elementos tampoco se produce hidrógeno. La salida de corriente de
los elementos de LiMnO2 se sitúa en el margen situado entre unos pocos mA y varios cientos de
mA. Por ello se emplean en unas aplicaciones, en las que circulan unas corrientes de carga muy
escasas, a las que sin embargo se superponen unos impulsos de corriente mayores.
Elementos secundarios
Níquel-Cadmio
El elemento secundario más conocido, junto con el acumulador de plomo, es el acumulador de
níquel-cadmio (NiCd). Con él nos encontramos casi a diario, por ejemplo en máquinas de afeitar,
al trabajar con destornilladores de acumuladores o en la electrónica comercial. Los acumuladores
de NiCd, que tienen una tensión nominal de 1,24 V, se emplean también habitualmente como
sustitutos de las baterías comerciales de cinc-carbón o álcali-manganeso en el sector de los
electrodomésticos o de los hobbys. Los acumuladores de NiCd están formados por un electrodo
positivo de láminas sinterizadas o de espuma metálica, que se combina con un electrodo negativo
de electrodepósito. Estos electrodos altamente porosos se han bobinado en elementos redondos
con forma de espiral, formando una potasa cáustica el electrolito del elemento.
Las ventajas especiales del acumulador de NiCd estriban en su reducida resistencia interior, su
capacidad de carga rápida y una característica plana de descarga. Que encuentra aplicación
especialmente en las herramientas alimentadas por acumuladores con unas potencias elevadas.
Sin embargo, también existen inconvenientes como una auto-descarga relativamente elevada y
unos mayores costes de adquisición en relación a los sistemas de plomo. Aparte de esto, en los
acumuladores de NiCd puede producirse un efecto Memory, que reduce por ello la capacidad así
como su rendimiento. La causa de este efecto Memory son unas constantes descargas parciales o
bien unas prolongadas pausas de utilización (auto-descarga) con una carga que se conecta
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directamente (es decir, sin una descarga completa). En ambos casos cristaliza el electrolito en los
electrodos y con esto impide el flujo de electrones en el elemento. Puede eliminarse este efecto
mediante la descarga del acumulador, hasta una tensión final de descarga de 0,9 V, y una ulterior
carga. El acumulador vuelve a recuperar de esta manera su plena capacidad. Un aparato de carga
con un dispositivo incorporado de descarga puede evitar eficazmente el efecto Memory, de tal
forma que en la actualidad pueden obtenerse ya 1.000 ciclos de carga o más. En cualquier caso,
los acumuladores de NiCd no deben descargarse hasta por debajo de la tensión final de descarga.
El proceso de carga tiene lugar con una corriente constante, que puede ser, según el
procedimiento de carga desde 1/10 de la capacidad nominal hasta el doble de la capacidad
nominal. Dependiendo de esto, el tiempo de carga puede oscilar entre 14 y 16 horas y aprox.
media hora. Para prevenir daños al acumulador, el proceso de carga debe finalizar con una
tensión final de carga de 14,7 V (a 20ºC). Para este proceso de regulación la temperatura del
elemento es un parámetro importante. Si se supera la tensión final de carga, el acumulador
empieza a desprender gases. Una válvula de sobrepresión con auto-cierre impide que se produzca
una sobrepresión inadmisible en el elemento y con ello que exista riesgo de explosiones.
Tampoco es despreciable la auto-descarga dependiente de la temperatura del acumulador de
NiCd: con un tiempo de almacenamiento de tan solo tres meses se pierde aprox. el 30% de la
carga.
Hidruro metálico de níquel
Los acumuladores metálicos de níquel (NiMH). Desarrollados hace pocos años, se diferencian
de los acumuladores de NiCd esencialmente en que no poseen metales pesados tóxicos como
plomo, cadmio o mercurio. En lugar de ellos se encuentran otros metales de la gama de las tierras
raras: el cadmio en el electrodo negativo se sustituye aquí por una aleación metálica de níqueltitanio o niquel-lantanio. Estas aleaciones son excepcionalmente buenas para almacenar
hidrógeno sin presión. Por medio de esto se obtiene una capacidad casi un 80% superior, en
comparación con los sistemas de NiCd. A causa de su estructura, en los elementos de NiMH no
se produce ningún efecto Memory. Al tener una tensión de elemento de 1,2 V son compatibles
con los elementos de NiCd. La densidad de energía de los acumuladores de NiMH está situada
aprox. en 55 Wh/kg - el doble del valor correspondiente para los elementos de NiCd. Los
elementos de hidruro metálico de níquel pueden además almacenarse durante un tiempo mayor y
soportan procesos de carga rápida. Como inconveniente debe tenerse en cuenta que muestran una
auto-descarga más elevada, son más sensibles frente a la sobrecarga y poseen una resistencia
interior superior.
Plomo-Ácido
Entre los diferentes tipos de reacciones químicas que se pueden generar, un tipo de reacción
llamado redox (es decir, reducción- oxidación) resulta ser de particular interés. Una reacción
redox no sólo implica reacción química entre dos sustancias, sino también una transferencia de
electrones de una de las sustancias (el agente reductor) a las otras sustancias (el agente oxidante).
Como podría esperarse, si una reacción redox se estableciera de manera que causara que la
transferencia de electrones se llevara a cabo por un alambre, se tendría realmente un medio de
generación de corriente eléctrica. Precisamente, estas condiciones son las que se establecen en
una celda o batería que de esta manera actúa como una fuente de electricidad. (Una batería es un
grupo de celdas conectadas en serie y en paralelo para proporcionar el voltaje y la corriente
deseados. Por lo general las celdas individuales también se denominan baterías.)
Existen tres componentes esenciales en una batería: un ánodo, un cátodo y un electrolito. Al
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ánodo y al cátodo juntos se les conoce como electrodos y están compuestos por productos
químicos que finalmente reaccionan para causar la transferencia de electrones. Además, los
electrodos deben proporcionar un medio que ayude a la reacción química y una trayectoria
conductiva adecuada para facilitar la circulación de electrodos. Esta última estructura se conoce
como rejilla del electrodo. El ánodo es el electrodo que libera a los electrones (que llegan a
oxidarse) durante la descarga de la batería. Igualmente, el cátodo es el electrodo que absorberá
los electrones (que se reducirán) durante la descarga de la batería. El electrolito es un líquido
generalmente una solución acuosa hecha conductiva por medio de la disolución de un ácido, una
base o una sal. El electrolito completa la trayectoria conductiva entre los electrodos de polaridad
opuesta. Se puede resumir e ilustrar esto con una celda seca primaria convencional.
Convertidor.
El convertidor es el dispositivo que se encarga del manejo de la alimentación a la carga ya sea
de Corriente Directa o de Corriente Alterna(inversor).La gran mayoría de las cargas en corriente
directa se conectan directamente al banco de baterías ya que disponemos una gran variedad de
voltajes posibles en ellas.
Cuando la carga es de Corriente Alterna hacemos uso de un circuito que convierte corriente
directa(paneles solares o baterías) en corriente alterna, este circuito es el inversor.
Inversor.
Las características propias para elegir un inversor son:
• Tipo de carga.
• Forma de onda de salida.
• Voltajes de entrada y de salida.
• Protección contra sobrecargas.
• Eficiencia de operación.
• Factor de potencia.
Circuito inversor .
Un diagrama esquemático de un circuito inversor se muestra en la figura 13. En este diagrama
podemos observar que se conecta un rectificador a la batería de 12V para que éste nos de un
voltaje fijo de 5V para poder de esta forma alimentar los dispositivos digitales. Existe un
multivibrador astable que genera pulsos aproximadamente a 240Hz. Estos pulsos son enviados al
conjunto de flip-flop's que dividirán la frecuencia cada uno entre 2 para de esta forma tener
pulsos de 60Hz. Estos pulsos alimentan de forma alternada, las bases de los TIP120, que son los
transistores que activarán a los transistores de potencia que nos darán la corriente necesaria para
general la señal alterna a 120V y 1 A (como el transformador es de 1:10 la corriente que entregan
es de aproximadamente 10 A). Estos pulsos son enviados al transformador, el cual elevará el
voltaje de 12V a 120V. A la salida del transformador podremos entonces, conectar cualquier
dispositivo que no requiera de una señal senoidal y que no consuma más de lA. (Ej.
computadoras, televisores, radios, lámparas fluorescentes, etc.)
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Figura 13 Diagrama esquemático del circuito inversor.
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