Sin t

1
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 [phone]
e-mail asj_at_mazatl.cie.unam.mx
2
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.
3
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.
4
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.
5
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.
6
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.
7
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
8
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.
9
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
10
UNAM
11
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
12
UNAM
13
UNAM
14

• 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.
15

• 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
16
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
17
UNAM
Fotovoltaico/Motogenerador Fotovoltaico/eolico Fot
ovoltaico/Eólico/Motogenerador
Sistemas Híbridos
Sistemas iteractivos con la red
FV/Baterías/Inversor/Red FV/Inversor/Red
18
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
19
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)
20
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.
21
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

22
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
23
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. EPxt
Si el tiempo se mide en horas (h), la
unidad para E es Watt-hora (W-h) en el
periodo considerado
24
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 _at_ 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
25
ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL
26
HORAS PICO HP Energía disonible del Sol
obtenidan por la integración de la irradiancia
respecto del tiempo y expresado en horas de
máxima irradiancia.
27
Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio
anual Captador Horizontal
RS(I) RS(H)/cos (0.87L)
Unidades Horas-Pico
28
Sistemas Fotovoltaicos Módulos de Silicio
monocristalino
UNAM
29
EL MÓDULO FOTOVOLTAICO
UNAM
Características eléctricas bajo condiciones NTC
30
MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO
UNAM
AMPER-HORA Método sencillo aplicable para
sistemas FVs 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.
31
EFECTO DE LA TEMPERATURA
UNAM
En el voltaje reducción de 2.2 mV/ºC/celda En la
potencia reducción del 0.35/ºC

32
Método de amper-hora
UNAM
33
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
34
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 _at_ Tm50ºC.
• Las pérdidas de energía deben ser conocidas
  explicitamente para el caso de sistemas autónomos
  y/o híbridos.
• Recomendado para sistemas iteractivos con la red.

35
INCREMENTANDO POTENCIA
36
Energía Eléctrica generada por Módulos
Fotovoltaicos NOC
UNAM
37
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
38
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.
39
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).
40
EJEMPLO CUADRO DE CARGAS DE UN PROBLEMA
HIPOTÉTICO
UNAM
41
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)
42
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).

43
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 _at_ 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)
44
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 _at_ Vn
45
Baterias comerciales para sistemas FV
UNAM
12 V
6 V
2 V
6 V
46
Características eléctricas de un acumulador
Pb-ácido
UNAM
Vn 12V voltaje nominal Voc 12.8V _at_ 100
carga Voc 11.4V _at_ 0 carga Voclt11.0 V muerta
Voltaje máximo de carga VM 15.2 V Voltaje mínimo
de descarga Vm 11.8 V _at_ 80 DOD
Eficiencia en el proceso carga/descarga 92 al
98. Eficiencia en voltaje de carga y descarga
88 Eficiencia global 84
47
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, Fi1.05 para
placa delgada y Fi1.35 para placa gruesa.
48
Sistema de Almacenamiento de Energía
UNAM
I
R
V
-

12V
Una Batería
49
Sistemas Fotovoltaicos Estructuras para Paneles FV
UNAM
Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar
Horizontal
50
Sistemas Fotovoltaicos Estructuras para Paneles FV
UNAM
Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar
51
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

52
Sistemas Fotovoltaicos Controlador de carga
UNAM
Controlador de carga - Medidor para sistemas
fotovoltaicos Modelo CMCX - 12/15/20
53
Sistemas Fotovoltaicos Controladores de Carga
Comerciales
UNAM
54
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.
55
Sistemas Fotovoltaicos Inversores
UNAM
56
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

57
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.