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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE-1117 Energía Solar Fotovoltaica
Profesor: Ing. José Antonio Conejo Badilla
Trabajo Final
Estudiantes:
Gustavo Barboza Mora
A60706
Enrique García Mainieri
B12711
San José, 27 de noviembre de 2015
II Ciclo 2015
Contenido
1.
Introducción ................................................................................................................... 2
2.
Objetivo .......................................................................................................................... 2
3.
Descripción del tema ...................................................................................................... 2
4.
Marco Teórico................................................................................................................. 2
5.
4.1.
Raspberry Pi: ............................................................................................................ 2
4.2.
El UPS Plco: .............................................................................................................. 3
Memoria de Cálculo........................................................................................................ 3
5.1.
Ubicación geográfica................................................................................................ 4
5.2.
Radiación e Información Meteorológica ................................................................. 4
5.3.
Cálculo del ángulo óptimo de los paneles ............................................................... 4
5.4.
Estimación de Carga................................................................................................. 5
5.5.
Estimación de baterías ............................................................................................. 5
5.6.
Estimación del Regulador de voltaje ....................................................................... 5
5.7.
Estimación del cableado .......................................................................................... 6
5.8.
Estimación Paneles .................................................................................................. 6
6.
Planos (esquemático sencillo) ........................................................................................ 6
7.
Bibliografía ....................................................................... Error! Bookmark not defined.
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1. Introducción
Para el presente trabajo nos dimos a la tarea de buscar como satisfacer una necesidad
de una aplicación específica por medio de la Energía Solar Fotovoltaica.
2. Objetivo
Aplicar los conocimientos del curso para el diseño de una fuente de alimentación 100%
autónoma de energía para alimentar una placa de computadora llamada Raspberry Pi que
es instalada en barcos pesqueros alrededor del mundo para la verificación de origen de los
productos marinos.
3. Descripción del tema
Se buscó implementar una aplicación muy específica y muy innovadora actualmente como
lo es la verificación de origen de productos marinos por lo que se necesita un sistema
autónomo de energía que pueda resistir las condiciones de la intemperie marina a la que
son sometidas estas embarcaciones el sistema electrónico consiste de un circuito integrado
programable, un GPS, un módulo de WiFi , un panel solar , una batería y varios
controladores.
4. Marco Teórico
Los siguientes conceptos son de vital importancia para el entendimiento general del sistema
que se alimentará mediante energía solar fotovoltaica:
4.1.Raspberry Pi:
De acuerdo a lo especificado en la página del fabricante, Raspberry Pi es una placa
computadora de bajo costo que fue desarrollada con el objetivo de estimular la
enseñanza de ciencias de la computación en las escuelas. Fue desarrollada por la
fundación Raspberry en el Reino Unido
En realidad, se trata de una diminuta placa base de 85 x 54 milímetros (del tamaño
aproximado de una tarjeta de crédito) en el que se aloja un chip Broadcom BCM2835
con procesador ARM hasta a 1 GHz de velocidad (modo Turbo haciendo overclock), GPU
VideoCore IV y 512 Mbytes de memoria RAM (Las primeras placas contaban con sólo
256MB de RAM).
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Para que funcione, necesitamos de un medio de almacenamiento (Raspberry Pi utiliza
tarjetas de memoria SD o microSD), conectarlo a la corriente utilizando cualquier
cargador microUSB de al menos 1000mah para las placas antiguas y de al menos
2000mah para las modernas, y si lo deseamos, guardarlo todo utilizando una carcasa
para que todo quede a buen recaudo y su apariencia sea más estética.
En función del modelo que escojamos, dispondremos de más o menos opciones de
conexión, aunque siempre dispondremos de al menos un puerto de salida de video
HDMI y otro de tipo RCA, minijack de audio y un puerto USB 2.0 (modelos A y A+, B
dispone de dos USB y B+ y Pi 2 disponen de 4 USB) al que conectar un teclado y ratón.
En cuanto a la conexión de red, disponemos de un puerto Ethernet (los modelos A y A+
no disponen de puerto Ethernet) para enchufar un cable RJ-45 directamente al router o
podemos recurrir a utilizar cualquier adaptador inalámbrico WiFi compatible. En este
caso, eso sí, conviene que nos decantemos por la Raspberry Pi que incorpora dos
puertos USB, ya que de lo contrario, no podremos conectar el teclado y el ratón.
4.2.El UPS Plco:
Las siglas UPS PIco provienen del ingles Uninterruptible Power Supply with Peripherals
and I2 C control Interface, es una fuente de poder avanzada interrumpible para el
Raspberry Pi que añade una gran cantidad de innovadoras características de
funcionalidad y desarrollo de energía de respaldo al innovador microordenador.
El UPS Plco estándar está equipado con una batería de 300mAh LiPO especialmente
diseñado para activar el apagado seguro durante un corte de energía. Además, este se
puede actualizar fácilmente a la versión extendida de 3000mAh, que permite el uso
prolongado de un Raspberry Pi para un máximo de 8 horas sin una fuente de
alimentación conectada.
El UPS Plco cuenta con un sistema de medición incorporado que comprueba
continuamente la tensión de alimentación del Raspberry Pi. Cuando el cable de
alimentación del Raspberry Pi está ausente, insuficiente, o el dispositivo detecta un fallo
de alimentación el UPS Plco cambia automáticamente a la fuente de batería de la
unidad. El módulo entonces continua comprobando la tensión en el Pi y conmuta
automáticamente al cable normal.
5. Memoria de Cálculo
Especificaciones técnicas de los equipos:
Raspberry Pi A+:
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Tensión de entrada: 5 V.
Corriente de Alimentación recomendada por el fabricante: 1.2 A.
Promedio de Consumo de Corriente: 1 A.
Promedio de Consumo de Potencia: 5 W.
Panel Fotovoltaico RAVPower 15W Dual USB Solar Charger:
Potencia nominal de Salida: 15 W.
Tensión de salida: 5 V.
Corriente de Salida: Cuenta con dos puertos uno de 1 A y otro de 2 A.
Tres celdas: 16cm*24cm
Batería RAVPower 16750mAh Deluxe Portable Charger:
Capacidad nominal: 15000 mAh.
Tensión de entrada: 5 V.
Corriente de entrada: 1.5 A.
Potencia de entrada 7.5 W.
Tensión de Salida: 5 V.
Corriente de Salida: 2.4 A y 2.1 A.
Potencia de Salida: 12 W y 10,5 W
5.1. Ubicación geográfica
Esta ubicación geográfica es variable ya que el sistema es instalado en embarcaciones en
vario lugares alrededor del mundo pero su instalación es predominante en zonas costeras
pesqueras que presentan buenas condiciones solares así como fuertes vientos.
5.2. Radiación e Información Meteorológica
Al tener una ubicación geográfica variable se toma como un promedio mundial de los datos
de irradiación solar Potencia media recibida en la tierra 350 W/m2 tomando en cuenta la
reflexión y difusión de esta. Se diseña el dispositivo con respecto a las peores condiciones
posibles en estos sitios remotos.
5.3. Cálculo del ángulo óptimo de los paneles
Al tener una ubicación de implementación Variable y que las embarcaciones se encuentran
en constante movimiento se diseña la posición del panel solar totalmente perpendicular al
plano normal de la tierra ya que ser sistema es implementado en latitude des del norte así
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como latitudes del sur del planeta tierra por lo que la forma en donde se puede obtener la
mayor potencia solar para una ubicación variable es perpendicular al plano normal de la
tierra.
5.4. Estimación de Carga
El sistema al utilizar una serie de circuitos integrados consume una potencia variable
conforme a la operación del dispositivo por lo que para la estimación de carga se realiza con
un valor promedio de consumo de 5 W aunque el sistema puede llegar a consumir como
máximo 8W dependiendo de la operación. Debido a que el sistema fue diseñado para zonas
rurales en donde no hay muchas capacidades técnicas se sobre diseño la capacidad de carga
para obtener mayor seguridad de carga a 8 W.
5.5.Estimación de baterías
Al tener una estimación de potencia de 8.064 W para la salida del panel solar la batería se
diseña con una entrada de potencia menor a esta para tomar en cuenta ciertas perdidas
que se dan en los procesos de transporte así como variaciones de temperatura y campos
electromagnéticos, se elige una batería con una potencia de entrada de 7.5 W y también
está entrada de 5V debido que el controlador del panel solar cuenta con un regulador de
tensión que mantiene la salida de potencia a esta tensión reduciendo las variaciones de
tensión y el rizado de la señal. Para el diseño de la batería se estima que el sistema pueda
resistir en condiciones normales de operación por al menos dos días por lo que , si el sistema
utiliza normalmente 1 A se necesita que la batería pueda brindar 48000 mAh como este
parámetro es un poco elevado se modificó el sistema para que tuviera un modo de bajo
consumo en los momentos que las embarcaciones no se encuentran en actividades por lo
que el dispositivo consume 0.3A en el modo de bajo consumo y promediando un tiempo de
12horas de actividad diarias se tiene que 7200 mAh en bajo consumo y 24000 mAh entonces
se tiene un sistema que necesita de 31200 mAh para un tiempo de 2 días de actividad sin la
exposición a la radiación solar. Como este parámetro continua siendo un poco
sobredimensionado se diseñó el sistema de baterías para 15000 mAh en donde
teóricamente el sistema podría encontrarse en operación sin la necesidad de la radiación
solar por al menos un día en el peor de los casos.
5.6. Estimación del Regulador de voltaje
Para este sistema se utilizaron dos dispositivos de regulación de tensión un para la etapa
del panel solar a la batería y otro para la etapa de la batería al sistema del circuito integrado
estos reguladores son diseñado para la misma tensión de 5 V pero diferentes potencias. En
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la etapa del panel a la batería se tiene una potencia nominal de 15 W a 1 A y para la etapa
de la batería al circuito integrado de 12 W pero 2.1 A
5.7. Estimación del cableado
Se diseñaron igualmente dos tipos de cableado insolado con conectores de conexiones
impermeables para los ambientes más rigurosos de la intemperie un tipo de cableado para
la potencia que es entregada del panel a la batería esto con cables #16 AWG de cobre que
resisten una corriente de corto circuito teórica de 4.25 A y otro tipo de cable para el sistema
de la batería al circuito integrado con cable #18 AWG de cobre con capacidades de hasta
2.68 A.
5.8. Estimación Paneles
El sistema fotovoltaico al contener 3 celdas de 16 cm*24 cm tiene una área en donde
inciden los rayos electromagnéticos de 1152 cm² por lo que utilizando la potencia solar
promedio en la superficie de la tierra se tendría una potencia de irradiación de 40.32 W esto
tomando una eficiencia del panel solar de un 20% se obtiene un promedio de 8.064 W de
potencia que puede ser entregada al sistema por el panel solar.
6. Planos (esquemático sencillo)
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7. Referencias
PiModules & ModMyPi (2015). Uninterruptible Power Supply with Peripherals and I2C
control Interface. Recuperado el 23 de noviembre del 2015 de
http://www.pimodules.com/_pdf/_pico/UPS_PIco_BL_FSSD_V1.0.pdf
Raspberry Pi Foundation (2015). Raspberry Pi Hardware. Recuperado el 23 de noviembre
del 2015 de https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/
RAVPower Inc. (2015). Technical details. Recuperado el 23 de noviembre del 2015 de
http://www.ravpower.com/15w-foldable-solar-charger.html#pd y
http://www.ravpower.com/16750mah-portable-charger-power-bank-black.html#pd
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