domingo, 15 de noviembre de 2009

Sistema Solar


Me referiré como "Sistema Solar" al conjunto mínimo de componentes que nos ayudan a disponer de energía eléctrica generada a partir de la luz del sol para cubrir alguna necesidad; por ejemplo, prender un foco, encender un motor, aparatos electrodomésticos, etc.

Si eres nuevo en el tema y estás interesado en conocer un poco, te aconsejo leer este documento que cuidadosamente he preparado. Aquí recordaras o conocerás algunos conceptos o términos usados en la electricidad, te explicaré qué es dimensionar y cómo hacerlo, mencionaré los componentes básicos para construir un pequeño sistema con paneles solares, te indicaré donde/qué/cuánto comprar, y conocer la inversión monetaria requerida para implementar un "Sistema Solar".

¡Comencemos!

Conceptos preliminares

La lista de términos o conceptos preliminares puedes encontrarla aquí.

La he movido a otra página para que solo la tengamos como referencia y no perdamos el foco del ejercicio que estamos a punto de desarrollar.

En conceptos preliminares podemos encontrar términos como: Watt, Volt, Ampere, etc.

Dimensionar

Es la técnica para conocer el consumo de energía eléctrica, componentes para generarla, almacenarla, distribuirla e inversión económica requerida.

Para entrar en materia, desarrollaremos un ejercicio sencillo para conocer el consumo de Watts hora en un día que requieren cuatro lámparas fluorescentes (focos ahorradores) de 20 Watts y un TV de 100 Watts. También, conoceremos los componentes que se requieren, sus características, los costos, y la inversión monetaria total.

Nota: Este ejercicio se realizó en octubre del 2009, como modelo de prueba, para ser implementado en algún punto de la Ciudad de México.

¿Listo? Pues manos a la obra.

Consumo de Watts hora por día

Es aquí donde debemos comenzar, por conocer el consumo de un día.

El ejercicio que a continuación desarrollaremos involucra a los siguientes consumidores.

ConsumidorPotenciaHr.Consumo
4 Focos20 W3240 Wh
1 TV100 W3300 Wh
   540 Wh/día

Correcto, el ejercicio es pequeño, pero al final habremos aprendido cómo dimensionar, qué/dónde/cuánto comprar y el monto de nuestra inversión monetaria.

Pues bien, tenemos el consumo. En la siguiente sección se da un listado de los componentes que vamos a requerir en nuestro ejercicio.

Componentes

Nuestro "Sistema Solar", que nos va a ayudar en el aprovechamiento de la luz del sol para transformarla en electricidad va a requerir de los siguientes componentes, los cuales pueden adquirirse en tiendas que venden productos de energía solar, o a través de Internet.

Nota: Al final de este documento, en las referencias, se encuentra la dirección URL de una tienda solar.

1. Paneles solares para captar la energía.

2. Controlador para administrar el flujo de energía entre los paneles y las baterías.

3. Baterías para almacenar la energía.

4. Inversor de corriente directa a corriente alterna.

5. Cable.

6. Otros (Terminales, tornillos, etc.)

La cantidad de ellos y sus características las menciono en las siguientes secciones.

Paneles solares

Los paneles solares son el conjunto de celdas fotovoltaicas que toman la luz del sol para transformarlas en potencia, para posteriormente aplicarle un voltaje y generar una corriente eléctrica, la cual servirá para cargar baterías. ¿Cuántos paneles y de qué potencia se necesitan para cubrir 540Wh/día en nuestro "Sistema Solar"?

Para responder la pregunta, debemos dividir 540Wh/día entre el total de horas de insolación en nuestra ciudad. Es decir:

540Wh/día / 4.5h = 120 W/día.

Pregunta contestada. Podríamos ir a la tienda y adquirir un panel solar de 130 W para baterías de 12 Volts (conocido como voltaje nominal). Éste debemos colocarlo en un lugar libre de sombras, la azotea de preferencia, perpendicular al sol.

Antes de continuar, voy a hacer un paréntesis para hablar un poco de la insolación.

El valor de 4.5 hrs de la operación anterior representa las horas de insolación mínima de un día en la Ciudad de México. El dato se obtuvo de tablas generadas por institutos encargados de medir la insolación en diferentes lugares.

Nota: En la sección de referencias, que se encuentra al final de este documento, puede encontrarse el sitio.

En la misma tabla de insolación, puede encontrarse la insolación máxima de la Ciudad de México, la cual es de 6.4hrs. Se tomó el valor mínimo para que en el peor de los días, se pueda generar la energía que necesitamos y no estar esperanzados a que todos los días van a ser brillantes y en verano.

Algo más, cuando se dice que la insolación de la Ciudad de México está en los rangos de 4.5 a 6.4 horas, se refiere a una insolación del 100%. Es decir, cuando el sol se encuentra en el punto más alto, y el cielo está despenado y libre de nubes, se dice que la insolación es del 100%. Cuando el cielo está nublado, no hay insolación. Al amanecer o al atardecer, la insolación es inferior a la del medio día. La contaminación reduce la insolación. Etc. En resumidas cuentas, la inclinación del sol respecto al horizonte y la atmósfera determinan las horas de insolación de un punto en la tierra.

Pues bien, ahora continúo con los paneles solares.

Con el cálculo previo, sabemos que necesitamos un panel solar de 130Watts a 12Volts. Es aquí donde quiero hacer otro paréntesis.

Un panel solar carga una batería de 12 Volts siempre y cuando el voltaje del panel sea superior al de la batería. Es decir, debe existir una diferencia de potencial para generar una corriente eléctrica que corra del voltaje más alto al más bajo. Si conseguimos paneles que generen un voltaje superior al de las baterías lograremos que la corriente fluya hacia las baterías para que ellas se carguen.

Ahora se preguntarán cómo se carga la batería si no hay flujo de corriente, pues la batería y el panel tienen el mismo voltaje.

En realidad, los paneles manejan un voltaje nominal para indicar que son propios para baterías de cierto voltaje. Es decir, un panel de 12 V es para una batería de 12 V.

Ahora se preguntarán, ¿cuál es el voltaje real del panel?

Pues bien, los paneles se componen de celdas, donde cada una genera un voltaje aproximado de 0.45 Volts. Ahora, debemos contar las celdas del panel que hemos de comprar. Digamos que contiene 36 celdas; por lo tanto, el voltaje del panel es de 36 X 0.45 = 16.2 Volts. Corriente suficiente para que las cargas (electrones) fluyan hacia las baterías y éstas se carguen.

¡Excelente! Ya sabemos que el voltaje del panel es superior al de la batería y con ello lograremos que la batería se cargue, pero enfrentamos un nuevo problema. Una batería puede deteriorarse con voltajes superiores a 14.4V.

Para proteger nuestras baterías de los voltajes altos debemos conseguir un controlador. ¿Con qué características? Eso lo menciono a continuación.

Controlador

Debido a que las baterías no deben ser cargadas con un voltaje superior a 14.4 Volts pues corren el riesgo de ser dañadas, requerimos de un controlador.

La unidad de medición de los controladores está dada en Amperios. Para nuestro ejercicio, el controlador por adquirir, ¿qué amperaje debe manejar?

Para conocer el amperaje, dividimos el consumo de potencia sobre el voltaje de nuestro panel solar. Es decir:

120 W / 16.7 V = 7.2 Amperios.

Como protección se recomienda una holgura del 30% para soportar corrientes fuertes. De modo que, el controlador que requerimos debe soportar un amperaje de 7.2 X 1.3 = 9.3.

Con esta información, podemos dirigirnos a la tienda y comprar un controlador de 10 Amperios.

Aprovechemos y también compremos las baterías. ¿Todas son iguales?

Todas las baterías almacenan energía, pero no son iguales. De este tema se habla en la siguiente sección.

Baterías

Para disponer de la energía eléctrica a cualquier hora del día, debemos almacenarla en baterías.

Si bien es cierto que puede usarse cualquier batería, debemos preferir a aquellas que han sido diseñadas para estos propósitos, pues el amperaje que manejan es bajo y continuo lo cual favorece su vida útil.

Antes de continuar, mencionaré algunos cuidados que debemos darles a nuestras baterías:

1. Extraerles solamente un 30% de su energía. Si cargamos la batería y le extraemos toda su energía una y otra vez, corremos el riesgo de que su tiempo de vida se acorte. Es por eso que se recomiendan extracciones únicamente del 30%. Ahora bien, en el mercado pueden encontrarse baterías de ciclo profundo a las cuales se les puede extraer mucho más carga.

2. Deben estar ventiladas y en un lugar fresco, pues el calor también las deteriora.

3. Voltajes superiores a su especificación, también reduce el tiempo de vida de la batería. Para ello debemos contar con un controlador entre el panel y la batería para regular el voltaje.

4. El no usarlas, también contribuye a reducir tu tiempo de vida.

Continuando con nuestro ejercicio, recuerdo que requerimos de 540Wh/día. Por otro lado, las baterías manejan 12V. Es decir:

540Wh/12V = 45 Amperios hora.

Debido a que estamos interesados en no reducir el tiempo de vida de nuestras baterías, multipliquemos la corriente generada por tres (para extraer solo el 30% de carga); es decir, 45 X 3.3 = 148.5 Amperios hora.

Ahora bien, en el mercado se pueden encontrar baterías de 12 Volts a 80 Amperios de corriente. Si se compran dos y se conectan en serie, se cuenta con una corriente de 160 Amperios, superior a nuestra necesidad.

Algo más, si se desea tener un respaldo para los días nublados, pues hay que comprar más paneles y baterías para almacenar más energía.

¿Es posible usar la corriente almacenada en las baterías para consumo doméstico?

Solo para algunos consumidores como: focos de LEDs, focos ahorradores de 12 V con balastra, radios de pilas, DVD a 12 V, bombas de agua solares, etc.

Para los electrodomésticos, requerimos convertir la corriente directa de las baterías en corriente alterna, para lo cual requeriremos de un inversor. De esto hablo a continuación.

Inversor

La corriente de la batería es directa, la cual debemos convertirla en corriente alterna para uso doméstico.

Para este caso:

4 focos de 20W + 1 TV de 100W = 180W/hr.

A esta potencia de consumo hay que sumarle un margen de tolerancia; digamos, del 50%.

De modo que, se requiere un inversor de 360W/hr. o superior.

En el mercado podemos conseguir inversores de 400W.

Solo hace falta trasladar la energía del banco de baterías a la red eléctrica para abastecer a los consumidores. Para tal propósito, requeriremos de cable que enseguida menciono.

Cable

La longitud y el calibre del cable son importantes ya que se pierde voltaje con la distancia.

Para entender la pérdida de voltaje pensemos en la presión del agua ejercida en una tubería. A mayor presión mayor rapidez, a menor presión menor rapidez.

Con la comparación anterior podemos entender el voltaje como la velocidad de desplazamiento del electrón. Mayor voltaje mayor velocidad, menor voltaje menor velocidad.

Por tal motivo, se recomiendan cables de calibre 10 para distancias no mayores a 8 mts. con la finalidad de conservar un voltaje de 12 V.

Con esto hemos cubierto todos los componentes requeridos para nuestro ejercicio. La lista de los mismos, sus costos, e inversión total se listan enseguida.

Presupuesto

Ha llegado el momento de conocer el monto de nuestra inversión monetaria.

CantidadComponentePrecio
1Módulo o panel solar de 130W.$6,828
1Controlador de 10 amperios.$462
2Baterías de 12V a 80 amperios.$1,978.00
1Inversor de 400W.$547.00
10Metros de cable calibre 10.$400.00
 Otros (terminales, escuadras, etc.)$285.00
 Total$10,500.00

Nota: Los precios se obtuvieron en octubre del 2009 y están dados en pesos mexicanos.

Conclusión

Se realizó un ejercicio completo para suministrar la energía necesaria a cuatro focos ahorradores y un TV durante tres horas en un día. Se mencionaron conceptos básicos de electricidad, necesarios para entender el tema y las unidades de medida manejadas. Se aprendió a realizar cálculos útiles para conocer las capacidades de los componentes requeridos. Por último, se realizó una lista de los componentes y una inversión monetaria total estimada.

Espero haberles despertado el interés para que lean más del tema y se animen a construir algo pequeño para sus hogares. La ventaja de esto es que comienza con módulos pequeños los cuales pueden crecer a través del tiempo.

¡Hasta la vista!

Referencias

Tabla de insolación en la República Mexicana.

Energía Alternativa (Pueden descargar PDFs).

Cursos de Energía Solar en México.

Cursos de Energía Solar en España.

Cursos de energía solar en línea.

Venta de productos.

Catálogo de Kyocera.


Conceptos preliminares


Nota: Esta publicación es un complemento de:
http://publicacioneslm.blogspot.com/2009/11/sistema-solar.html


SI. Sistema Internacional de unidades.

Fuerza. Causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo. La fuerza se mide en néwtones.

Trabajo. En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza (F) se define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación (s; distancia) por el coseno del ángulo que forman la una con el otro. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

W = (F)(s)cos(α).

Potencia. Capacidad para producir trabajo, que se mide por la cantidad de trabajo realizado por una fuerza en una unidad de tiempo. La potencia se mide en watts.

Carga eléctrica. Es la pérdida o ganancia de electrones que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones. La unidad derivada del SI es el colombio (C), la cual equivale a 6.24150962915265×1018 electrones.

En otras palabras, se define como la cantidad de carga (C) transportada en un segundo (s) por una corriente de un amperio (A).

C = (A)(s).

Corriente eléctrica. También conocida como intensidad eléctrica. Es el flujo de carga (C) que recorre un material por unidad de tiempo (t). Se debe al movimiento de electrones en el interior del material. Ver Amperio.

Amperio. Es la unidad para la corriente, la cual representa a la corriente transportada por unidad de tiempo. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo).

A = C/s.

Newton. Se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s2 a un objeto de 1 kg de masa.

N = (Kg)(m)/s2

Joule. También conocido como julio. Unidad del Sistema Internacional para energía, trabajo y calor.

Se le define como el trabajo realizado por una fuerza constante de un newton (N) en un desplazamiento de 1 metro (m) en la misma dirección de la fuerza.

J = (N)(m).

Watt. También conocido como vatio. Es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Es equivalente a un Joule (J) sobre segundo (s).

W = J/s = (V)(A).

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios (W), si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (Kw) que equivale a 1000 W. Un kW equivale a 1,35984 CV (caballos de Vapor).

Diferencia de potencial. La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. En otras palabras, se trata del trabajo ejercido por un campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

Voltio. Es la unidad derivada del SI para el potencial eléctrico, fuerza electromotriz y el voltaje. El voltio (V) se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio (A) utiliza un vatio de potencia.

El voltio también puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 julio para trasladar del uno al otro la carga de 1 culombio.

También se puede decir que el voltaje es la velocidad de desplazamiento del electrón, a más velocidad más voltaje, menos velocidad menos voltaje.

V = J/C = W/A.

En términos hidráulicos, el voltaje se asemeja a la presión del agua, pues la presión determina la rapidez de los fluidos.

Insolación. La Insolación es la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la Tierra en un día concreto (insolación diurna) o en un año (insolación anual).

Su cálculo en la superficie de la Tierra, el cual resulta complejo, depende de la posición del sol respecto al horizonte, atmósfera, y muchos otros factores.

La unidad de medida es la siguiente:

Kwh/m2 (Kilo Watt hora por metro cuadrado).

Referencia

Conceptos preliminares.
http://es.wikipedia.org/