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Alimentación del sistema

Pruebas celdas de peltier

5.2 Alimentación del sistema

Basándonos en el hecho de que el proyecto está dirigido para dar solución a una problemática en la población que está ubicada en zonas áridas y por ende de gran intensidad de radiación solar. Se tiene en cuenta el estudio realizado por la UPME en el cual se evalúa la radiación solar en Colombia, La intensidad de la radiación solar en la región Andina colombiana muestra que las zonas de los valles del Cauca y Magdalena poseen el mayor potencial de esta

región, y a medida que se asciende hacia las cimas de las cordilleras ese potencial va disminuyendo gradualmente, con excepción de algunos núcleos localizados en zonas llamadas altiplanos, donde se observa un potencial solar mayor comparado con el de las laderas. En las regiones costeras: atlántica y pacífica, los resultados de la evaluación del recurso solar del país muestran en la región noreste de la costa atlántica (La Guajira) un potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0 kWh/m2, el mayor del país. Este valor va disminuyendo gradualmente en dirección sur-oeste hacia la costa pacífica, donde se presenta el menor potencial solar del país, con valores menores de 3,5 kWh/m2, aunque posee una gran zona con valores entre 4,0 y 4,5. Las regiones de la Orinoquia y Amazonia, que comprenden las planicies de los Llanos Orientales y zonas de las selvas colombianas, presentan una variación ascendente de la radiación solar en sentido suroeste-noreste, verificándose valores asimilables a los de La Guajira en el noreste (Puerto Carreño).[10]

REGIÓN kW h/m2/año Guajira 1.980 - 2.340 Costa Atlántica 1.260-2.340 Orinoquia 1.440 - 2.160 Amazonia 1.440 - 1.800 Andina 1.080 - 1.620 Costa Pacífica 1.080 - 1.440

Tabla 9 Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones

Como se sabe, el sol es una gran fuente de energía. Cada segundo, el Sol genera una potencia de 4x1023 kilovatios. Es decir, en este breve intervalo de tiempo irradia mucha más energía que la consumida por la humanidad desde su creación. Esta energía llega a la tierra en forma de radiación solar (tanto directa como difusa). Los valores de radiación solar no sólo cambian a lo largo del día, sino que también se producen variaciones a lo largo del año debido a la posición del ángulo del sol con el horizonte. Al mediodía, en verano, los valores de radiación pueden llegar a ser del orden de 1000 W/m2 cuando el sol se encuentra en su cenit. Este nivel de radiación se define como el correspondiente a una masa de aire (AM) igual a 1, donde se ha tenido en cuenta el paso de la radiación solar a través de la atmósfera terrestre. Por el contrario, en condiciones de baja radiación (cielo cubierto), apenas se alcanzan los 100 W/m2.[12]

La tecnología fotovoltaica se basa en el fenómeno físico que convierte directamente la radiación solar (electromagnética) en corriente eléctrica, en un dispositivo llamado célula fotovoltaica. Las células modernas están fabricadas con materiales semiconductores, donde la energía que liga los electrones de valencia (electrones de la última capa) con su núcleo (de carga positiva), es similar a la energía de los fotones que constituyen la luz solar. Al incidir ésta sobre el material semiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia como para que se rompan los enlaces y queden libres para circular por el semiconductor, formando así una corriente eléctrica.

Figura 37 célula solar

Cuando una célula solar se conecta a una carga y es iluminada, se genera una diferencia de potencial a través de la carga y la corriente circulará saliendo de la célula por el terminal positivo y regresando por el negativo. Bajo estas condiciones, la célula funcionará como un generador de energía. Cada célula de silicio produce aproximadamente 0,5 V DC en condiciones buenas de radiación solar. Para producir voltajes mayores, se debe conectar varias células en serie en un módulo[13]

Panel solar

Los paneles solares son los elementos cuya misión es captar la energía solar incidente para generar una corriente eléctrica. Las células solares constituyen un producto intermedio de la industria fotovoltaica ya que proporcionan valores de tensión y corriente muy pequeños, en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales. Son extremadamente frágiles, una vez fabricadas, deben ser ensambladas de la manera adecuada pare constituir una estructura Única, rígida y hermética. Se encuentran en diferentes referencias, entre los más comunes son los paneles mono cristalinos y poli cristalinos con uniones en serie de sus células que entregan de 12 -18 voltios para uniones de 36 células, y

los 24- 34 células voltios para uniones de 72 células, los voltajes de trabajo son 12 V, 24 V y 48 V.

Figura 38 panel solar para el proyecto Características físicas

- Tipo de celdas: poli cristalino

- Estructura: Marco de aluminio de 3,5 cms de grosor - Cubierta: Vidrio temblado de alta transparencia - Sello posterior: Membrana Tedlar

- Conectores: Cables de ± 90 cms con terminales MC4 - Medidas: 1130x670x35

- Puede cargar una batería de AGM de 70Ah en un día completo al sol

- Se puede usar directamente en artefactos de 24V DC de hasta unos 60W de consumo

Potencia Máxima (W) 100,38

Tolerancia (%)

± 3% Tensión de circuito abierto (VOC) 22,02 Tensión de alimentación máxima (Vmp) 17,36 Corriente Máxima de Potencia (Imp) 5,69 Corriente de Cortocircuito (ISC) 6,29

Eficiencia del módulo (%) 14,7

Eficiencia de la célula solar (%) 17,1

Rango de fusible en serie (A) 10

Caja terminal IP65

Tensión Máxima del sistema (V) DC 1000 Temperatura de funcionamiento (°C)

Dimensiones (Cms) 67x101,6

Tabla 10 características eléctricas del panel de 100W.

Batería:

El uso de baterías permite proveer una intensidad de corriente superior y constante. Las baterías comerciales son fabricadas con pequeños acumuladores de 2V integrados en el mismo elemento; tiene son fabricadas a voltajes de 6, 12, 24 o 48V. Se pueden clasificar en dos tipos baterías de ciclo bajo y de ciclo profundo.

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Profundidad de descarga: Indica qué cantidad de la capacidad total de una batería ha sido descargada. Por ejemplo, si una batería se ha descargado hasta llegar al 40 % de su capacidad nominal, entonces ha sufrido una profundidad de descarga del 60 %. Las descargas profundas siempre acortan la vida de una batería, sin importar de qué tecnología se trate. Por ejemplo, una batería que dura 300 ciclos de carga y descarga al 80 % de su capacidad puede durar 600 ciclos si sólo se descarga al 50 %.

Densidad de energía o energía específica: Es la medida de cuánta energía puede extraerse por unidad de batería, peso o volumen.

Densidad de potencia o potencia específica: Con este parámetro se indica cuánta potencia puede extraerse por unidad de batería, peso o volumen. En analogía con un automóvil convencional, la densidad de energía corresponde al tamaño del tanque mientras la densidad de potencia corresponde al número de octanos del combustible.

Tasa de auto descarga: Debido a corrientes internas de fuga, una batería tiende a descargarse cuando se deja desconectada por mucho tiempo; qué tan rápido, depende del tipo de batería y de su edad. Temperatura: El rango de temperatura de operación es importante para determinar si una batería es adecuada para una aplicación y para saber si está operando en una región segura. A temperaturas altas se esperaría un aumento en la capacidad, aunque esto traería consigo un envejecimiento prematuro de los electrodos. Por otra parte, debido a su composición, ciertas baterías pueden explotar cuando alcanzan temperaturas por encima de sus límites recomendados. Ciclo de vida: Es el número de ciclos de carga y descarga a los cuales puede someterse una batería antes de mostrar un deterioro considerable.

Selección de batería: El cálculo que se realiza para el dimensionamiento de la batería debe tener en cuenta la Capacidad. Que es la cantidad de energía que puede suministrar la batería en unas de terminadas condiciones de trabajo. Se expresa en amperios-hora (Ah). La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga.

Se conoce la energía que consume el sistema que es de 400 Wh, si todos los subsistemas están trabajando continuamente, lo cual no sucede porque el diseño se optimizo para que la eficiencia fuera la mejor posible. Es decir cada subsistema tiene un ciclo de trabajo reducido de menos del 30%

𝐼𝐴ℎ =𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑊𝑡 =400 𝑊ℎ12𝑉 = 34 𝐴ℎ (22)

Factor de corrección:

Rendimiento de la Batería: Las Baterías no se descargan al 100% de su carga, con lo cual debemos tomar como potencia utilizable el 50% de la capacidad de la batería. Para asegurar el funcionamiento del proyecto se dimensiona por el doble del consumo de energía.

Rendimiento de Baterías (%50): 400 Wh x 2 = 800 Wh (23)

Factor de transformación: tenemos una carga de Corriente Alterna, por la que se utiliza un inversor, esto agrega a la ecuación un 10% aproximado adicional que se pierde en la transformación.

800 Wh + 200 Wh = 1000 Wh (24)

Teniendo en cuenta los anteriores factores se tiene:

Se selecciona la batería Netion de 12 V /80Ah diseñada con AGM (Absorbent Glass Mat), fabricada con placas de alto rendimiento y electrolitos brindan un mayor rendimiento y son usadas para aplicaciones generales como UPS, telecomunicaciones, usos eléctricos generales, además posee ciclado profundo para gran cantidad de cargas y descargas[20]

Tabla 11 características eléctricas de la batería

Controlador de carga

El Controlador de carga se utiliza en sistemas de energía solar fotovoltaica autónomas. El regulador de carga tiene la función de regular la corriente que absorbe la batería para que nunca se sobrecargue peligrosamente. Detecta y mide constantemente el voltaje de la batería, mide su estado de carga y, si éste llega a un valor previamente establecido que corresponda al valor de tensión máxima admitida, suspende el flujo de corriente hacia la batería o permite que pase sólo una parte para mantener la batería en estado de plena carga, sin sobrepasarse. Esta corriente mínima se denomina corriente de flotación y se da cuando la batería está a plena carga y recibe sólo la energía suficiente para mantenerla en ese estado.

Figura 39 Conexión controlador de carga solar

Selección del Voltaje

Seleccionar un controlador de carga que sea compatible con el voltaje del sistema electrónico y el panel solar, para el proyecto el voltaje seleccionado es de 12v. Se cableara la batería para operar a 12 Voltios y se elige un controlador para operar a este voltaje.

Corriente máxima

El segundo factor a tener en cuenta consiste en seleccionar un controlador de carga con capacidad de trabajar con la corriente de salida máxima del panel solar. La corriente máxima de un panel solar es la corriente de corto circuito, este parámetro puede verse en la etiqueta del panel o en hoja de especificaciones indicada como ISC.

Por recomendación del fabricante se debe tener un factor de seguridad para eventos aislados en los que el panel solar puede producir un exceso de corriente de 25%, factor de seguridad tomado para este proyecto es de 1.25[21]

𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 = 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒓𝒊𝒅𝒂𝒅 ∗ 𝑰𝑺𝑪𝑷𝒂𝒏𝒆𝒍 ∗ 𝑵𝒖𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍𝒆𝒔

Para un panel solar con un ISC de 6.82 A. se podría producir un exceso de 1.7 A. en un día soleado cuando está rodeado por una superficie reflejante Ej.: un espejo de agua; Por lo tanto, tenemos un posible máximo de 8.52 A. El regulador comercial de carga de 10 A. Es el dispositivo indicado.

Intensidad de salida

Un último criterio a tener presente para la escogencia del controlador de carga, es la corriente que el dispositivo va suministrar a los diferentes equipos, para el proyecto se ha estimado un consumo de valor 200W, para calcular la corriente total que debe entregar el regulador realizamos el cálculo:

𝐼 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1.25 ∗200𝑊

12𝑉 = 20.83 𝐴

De los cálculos anteriores obtenemos los parámetros que nos permiten elegir por sus cualidades técnicas el controlador de carga referencia LD2430S del fabricante LDSOLAR

Figura 40 Regulador de carga solar LD2430S

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