Modulo Solar Estudiante

Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica

Módulo solar

1-800-Lab-Volt www.labvolt.com 86516-22

|3086516220000f~ Manual del Estudiante

Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica

Módulo Solar Hojas de Trabajo—Estudiante

Segunda Edición 86516-22

SEGUNDA EDICIÓN Publicado en julio de 2012 © 2010-2012 Lab-Volt Systems, Inc. Impreso en Canadá Todos los derechos reservados. ISBN 978-1-60533-477-6 Ninguna parte de esta publicación puede ser reproducida, almacenada o transmitida de ninguna manera y por ningún medio, electrónico, mecánico, fotocopias, grabación o cualquier otro, sin la previa autorización escrita de Lab-Volt Systems, Inc. La información en este documento está sujeta a cambios sin previo aviso y no representa un compromiso de parte de Lab-Volt Systems, Inc. Los equipos de Lab-Volt® descritos en este documento son presentados bajo licenciamiento o bajo un acuerdo de confidencialidad. Los logos de Lab-Volt® son marcas registradas de Lab-Volt Systems, Inc. Todas las otras marcas registradas son propiedad de sus respectivos dueños. Otras marcas registradas y nombres comerciales pueden ser utilizados en este documento para hacer referencia ya sea a la entidad que reclama las marcas y sus nombres o directamente a sus productos. LabVolt Systems, Inc. reafirma que no tienen ningún interés de propiedad sobre marcas y nombres registrados diferentes al propio. Lab-Volt reconoce los nombres de productos o marcas registradas como propiedad de sus respectivos dueños. Algunas imágenes usadas en estas hojas de trabajo son utilizadas con permiso de: Figura 1-1. Arreglo solar instalado. Cortesía de: Press Picture Siemens Energy. Figura 1-2. El sol. Imagen cortesía de SOHO-EIT (ESA & NASA). Figura 1-6. Calculador de la trajectoria del sol (Solmetric SunEye). Imagen cortesía de Solmetric Corporation. Figura 2-1. Módulos solares. Cortesía de: Press Picture Siemens Energy. Figura 2-10. Caja de combinación. Imagen cortesía deApex Solar, www.apxsolar.com Figura 2-12. Arreglo solar montado sobre soportes especiales. Imagen cortesía de Apex Solar, www.apxsolar.com Figura 2-13. Arreglo solar montado sobre postes. Imagen cortesía de Apex Solar, www.apxsolar.com Copyright Collection–Photos.com

Símbolos Comunes y de Seguridad Los siguientes símbolos pueden ser utilizados en este manual y en los equipos de Lab-Volt: Símbolo

Descripción PELIGRO indica un nivel de peligro con un alto riesgo que, de no evitarse, podría provocar lesiones graves o incluso la muerte. ADVERTENCIA indica un nivel peligro con un riesgo medio que, de no evitarse, podría ocasionar lesiones graves o incluso la muerte. PRECAUCIÓN indica un nivel de peligro con un bajo riesgo que, si no se evita, podría resultar en lesiones menores o moderadas. PRECAUCIÓN usado sin el símbolo, Precaución, señal de peligro , indica un riesgo con una situación potencialmente peligrosa que, de no evitarse, puede resultar en daños a la propiedad. Precaución, riesgo de choque eléctrico Precaución, superficie caliente Precaución, señal de peligro Precaución, riesgo al levantar objeto pesado Precaución, riesgo de atrapamiento de la mano Corriente continua Corriente alterna Corrientes continua y alterna Corriente alterna trifásica Terminal a tierra (masa eléctrica) Terminal del conductor de protección Terminal del armazón o chasis Equipotencialidad Encendido (suministro) Apagado (suministro)



vii

Símbolo

Descripción Equipo protegido por doble aislamiento o aislamiento reforzado Control pulsador biestable hacia adentro Control pulsador biestable hacia afuera

viii

Prefacio El Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica de Lab-Volt, Modelo 46120-00 es un programa modular que cubre antecedentes, fundamentos, instalación, operación, mantenimiento y servicio de los sistemas alternativos de energía. El programa se divide en los siguientes temas: • • • • • •

Fundamentos de la Energía Familiarización con el Sistema Didáctico y Seguridad Módulo Solar Aerogenerador Sistemas Solares y Eólicos Alternativas Ecológicas

¡Atención! Tenga en cuenta que este sistema didáctico de formación técnica está destinado exclusivamente para su uso interior, ya sea en el aula o en un laboratorio. ¡No utilice este sistema didáctico al aire libre! Ésto pudiera ocasionar lesiones personales y/o daños a la propiedad. Tenga también en cuenta que el módulo solar y/o el aerogenerador (del mismo tipo que el instalado en el sistema didáctico) puede(n) ser instalado(s) al aire libre y conectado(s) al sistema didáctico en una ubicación interior. Sin embargo, el aerogenerador debe ser montado en un lugar alto y fuera del alcance de la gente. Lab-Volt no se hace responsable por el uso incorrecto de los equipos.



ix

Tabla de Contenido Introducción  ����������������������������������������������������������������������������������������������� xi i i Hoja de Trabajo 1  Selección de la Ubicación  ����������������������������������������������������� 1 Hoja de Trabajo 2  Módulo Fotovoltaico  ���������������������������������������������������������� 13 Hoja de Trabajo 3  Controlador de Carga  �������������������������������������������������������� 31 Hoja de Trabajo 4  Cargas del Sistema  ����������������������������������������������������������� 45 Hoja de Trabajo 5  Banco de Baterías  ������������������������������������������������������������� 55 Apéndice A  Tabla de Utilización del Equipo  ����������������������������������������������������� 75 Apéndice B  Tabla de Conversión de Unidades  ������������������������������������������������� 77 Apéndice C  Procedimientos de Seguridad  ������������������������������������������������������ 79 Apéndice D  Configuración Básica y Procedimientos de Bloqueo y Etiquetado  ��������� 81 Apéndice E  Símbolos de Diagrama Esquemático  ��������������������������������������������� 87 Apéndice F  Uso de un Multímetro Digital  �������������������������������������������������������� 89



xi

Introducción Los temas que se cubren en este manual están presentados en forma de hojas de trabajo. Las hojas de trabajo incluyen una descripción de los objetivos, una lista del equipo requerido, una lista de los procedimientos de seguridad y una lista de pasos requeridos para alcanzar los objetivos. Los temas se introducen en una Hoja de Trabajo Informativa. Sin embargo, para obtener información detallada acerca del tema, usted debe consultar su texto guía o consultarle a su profesor con el fin de que lo oriente en su proceso de aprendizaje. Consideraciones de Seguridad Asegúrese de tener el equipo de protección adecuado cuando esté realizando los trabajos. Nunca debe realizar un trabajo si tiene alguna razón para creer que la actividad puede ser peligrosa para usted o sus compañeros. Textos de Referencia Puede consultar los libros de texto titulados Photovoltaic Systems escrito por Jim Dunlop y Wind Power escrito por Paul Gipe. Sistema de Unidades La mayoría de los componentes en el Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica utilizan el sistema Imperial de unidades. Por esta razón el Sistema Imperial fue el preferido en este manual. Algunas fórmulas y cálculos están presentadas también usando el SI (Sistema Internacional de Medidas) de unidades. De ser necesario, consulte la Tabla de Conversión de Unidades en el Apéndice B. Apéndices Los apéndices incluidos en este manual son: Apéndice A: Tabla de Utilización Del Equipo, muestra en cuáles hojas de trabajo se usa el equipo. Apéndice B: Tabla de Conversión de Unidades, muestra los factores de conversión que se usan para convertir unidades SI en Imperial y viceversa. Apéndice C:

 rocedimientos de Seguridad, enumera los procedimientos de seguridad básicos P que se deben realizar antes de comenzar cualquiera de las hojas de trabajo en este manual.

Apéndice D:

Instalación Básica y Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado, contiene los procedimientos específicos referidos al Sistema didáctico de Energía Solar y Eólica de Lab-Volt.



xiii

Apéndice E: Símbolos de Diagrama Esquemáticos, muestra una variedad de símbolos usados frecuentemente que representan componentes eléctricos que pueden aparecer en los diagramas incluidos este manual. Apéndice F: Uso de un Multímetro Digital, proporciona información básica acerca del uso de un multímetro digital moderno. Mejoras El equipo está siendo constantemente mejorado por los fabricantes para mantener la calidad y dotarlo con las técnicas más modernas. Por esta razón, usted puede encontrar algunas discrepancias entre las instrucciones o gráficas en el curso y el equipo real. Para asegurarse de la correcta instalación y operación, siempre consulte la guía del usuario del equipo.

xiv

Hoja de Trabajo Informativa

1

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN El sol es un recurso natural que se usa para generar electricidad. Utilizando paneles solares (celda, módulo o arreglo) es posible generar energía eléctrica a partir de la energía solar radiante. Un típico sistema de generación de energía eléctrica a partir de la radiación del sol no solamente captura la energía solar sino que también puede almacenarla para su uso posterior. Encontrar la mejor ubicación para un sistema de energía solar requiere un estudio cuidadoso para escoger los posibles sitios. Ubicación del Sitio La selección del mejor sitio disponible para la instalación de un arreglo solar se basa generalmente en datos estadísticos detallados que se recopilan durante un período de tiempo para un área general. Cuando se selecciona el sitio para el montaje, es clave asegurar que se entregará suficiente energía cada año para el propósito buscado.

Figura 1-1. Arreglo solar instalado.

Existen al menos dos elementos clave para determinar la mejor ubicación de un arreglo solar: •

Se debe verificar la intensidad promedio de luz solar para el área estudiada y se debe tener en cuenta el tipo de terreno y las obstrucciones que éste presente.

•

Se deben verificar las restricciones legales y obtener las aprobaciones y permisos requeridos.

Mapas de evaluación, tablas y otro tipo de información que está disponible en línea, pueden ayudar a determinar la intensidad promedio de la luz solar en el área estudiada. Es importante verificar los grupos de datos relacionados a la radiación solar y a las trayectorias del sol para la ubicación que se está evaluando.

MÓDULO SOLAR

1

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Se debe hacer además, un estudio minucioso sobre las restricciones legales vigentes para la instalación de paneles solares, tales como regulaciones municipales y departamentales, así como reglamentos de urbanización. Se debe contactar también a la empresa de suministro eléctrico local para determinar los procedimientos de interconexión con la red eléctrica. Normalmente, se requieren permisos e inspecciones. En los Estados Unidos, se puede consultar la página http://www.dsireusa.org/. para obtener políticas legales y otro tipo de material para la ubicación a ser evaluada. Energía Solar La potencia radiante del sol en un área determinada se conoce como irradiancia solar y se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2). En la Tierra, la potencia radiante del sol es aproximadamente 1 kW/m2 en un día de verano. La irradiancia en el tiempo, llamada Irradiación, se mide en vatios-hora por metro cuadrado (Wh/m2).

Figura 1-2. El sol.

Un piranómetro es normalmente usado para medir la intensidad solar (irradiancia solar) de manera precisa. Aunque existen los actinómetros de mano, la medida de irradiación más efectiva se logra utilizando un actinómetro remoto y sistemas automatizados de adquisición y proceso de datos, los cuales permiten promediar los valores de irradiancia solar medidos durante un período de tiempo.

2 

MÓDULO SOLAR

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Figura 1-3. Sensor de un piranómetro.

Ejemplo: A manera de ejemplo, se calculará la potencia solar disponible para el módulo solar del Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica. El área total del módulo solar es de 0,657 m2 (1,007 m x 0,652 m), pero el área activa (área fotosensible) es de únicamente 0,586 m2 (0,93 m x 0,63 m). El módulo solar tiene una especificación máxima de 87 W (17,4 Vcc a 5 A) asumiendo una temperatura de 25°C, una masa de aire de 1,5 (MA1,5) y una irradiancia solar de 1kW/m2. Para el área activa del módulo solar, hay una potencia solar disponible de 586 W (1 kW/m2 x 0,586 m2 = 586 W). Por lo tanto, la eficiencia del módulo solar es de 15% (87 W/586 W = 15%). NOTA: Las especificaciones del módulo solar están sujetas a cambios y pueden no reflejar los valores actuales de su sistema didáctico.

No toda la energía solar irradiada sobre el área del módulo solar puede ser capturada. Una porción de esta energía irradiada se refleja y por lo tanto no es absorbida. Igualmente, no toda la energía solar irradiada puede ser convertida a energía eléctrica por el panel. Existen pérdidas significativas en el sistema de conversión. En general, los paneles solares comerciales tienen una eficiencia de entre el 6 al 18%. La cantidad de radiación solar que alcanza la superficie de la Tierra en el transcurso de un día se conoce como insolación y se mide normalmente en kWh/m2/día. En algunas áreas de los Estados Unidos, los momentos de insolación más altos tienen una duración de entre 1,0 y 7,5 horas, tal como se muestra en la figura 1-4.

MÓDULO SOLAR

3

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Horas Máximas de Sol por Día 2.5 to 3.0 3.0 to 3.5 3.5 to 4.0 4.0 to 4.5 4.5 to 5.0 5.0 to 5.5 5.5 to 6.0 6.0 to 6.5 6.5 to 7.0 7.0 to 7.5

Figura 1-4. Mapa de insolación en los Estados Unidos.

Posición del Panel Una orientación adecuada del panel solar es uno de los factores más importantes para capturar la mayor cantidad de energía posible, basándose en la trayectoria del sol en una ubicación determinada. Los ángulos de azimut e inclinación son factores importantes para considerar en el posicionamiento y el montaje de un arreglo de módulos solares. Ángulo azimut—En los Estados Unidos (en el hemisferio norte del planeta), el sur verdadero (no el sur magnético) es la dirección óptima para orientar los paneles solares. El ángulo de azimut es cero cuando se apunta al sur verdadero, incluso cuando usando una brújula se obtendría un valor cercano a 180°. Ángulo de inclinación—Está basado en el ángulo de altitud solar en una zona específica. El ángulo óptimo es igual a la latitud de la zona donde se ubica el panel solar. Normalmente se resta 10% de los valores de la latitud para tener en cuenta variaciones del clima local. Igualmente, este ángulo puede ajustarse de acuerdo a las estaciones climáticas. De esta manera, la variación durante el verano es de +15 grados y en el invierno la variación es de -15 grados. La compensación entonces radica en añadir 15° en el invierno y restar 15° en el verano.

4 

MÓDULO SOLAR

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Ventana de Sol

Trayectoria del Sol en Verano

Trayectoria del Sol en el Equinoccio

Cenit

Este

Norte

Trayectoria del Sol en Invierno

Sur

Oeste Figura 1-5. Orientación de un arreglo solar.

Los obstáculos circundantes pueden generar sombras sobre el panel solar, reduciendo sustancialmente la potencia de salida. Un análisis de sombras puede ser realizado para determinar la mejor ubicación del arreglo solar. El horario más crítico para evitar las sombras se da entre las 9 a.m. y las 3 p.m. Las obstrucciones que producen sombras se ocasionan por la vegetación o por edificios, torres o cables cercanos. Los árboles y otras plantas crecen continuamente lo que puede dar lugar a problemas de sombras en el futuro si éstos no se podan regularmente o se trasplantan a otros sitios. Utilizar un calculador de trayectoria del sol (como el que se muestra en la figura 1-6) es la manera más simple para determinar qué áreas de la ventana solar serán obstruidas o bloqueadas.

MÓDULO SOLAR

5

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Figura 1-6. Calculador de la trayectoria del sol (Solmetric SunEye).

Los datos de insolación e irradiación para una zona específica pueden ser encontrados en Internet. Las tablas de radiación solar y las tablas de la trayectoria del sol para una zona determinada para los Estados Unidos, pueden ser encontradas en la página Web del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (National Renewable Energy laboratory – NREL (http://www.nrel.gov/rredc/) y en otros portales. Para ayudar a garantizar la protección del personal y de los equipos durante y después de la instalación de los paneles solares, los profesionales deben seguir una serie de códigos locales y nacionales tales como el National Electrical Code (NEC) publicado por la Asociación Nacional para la Protección de Incendios (National Fire Protection Association, NFPA) en los Estados Unidos. Como ejemplo, una de las normas indica que las instalaciones de paneles solares deben incluir protección contra picos de energía por rayos e incluso, requerir un dispositivo de protección de falla a tierra o DPFT (en inglés: GFPD, Ground-Fault Protection Device) tal como se especifica en los estándares UL 1741 y NEC 690. Los estándares para los componentes de los sistemas de energía solar también incluyen las normas ANSI/IEEE 929 y 1547, ASTM internacional e IEC. Granjas Solares Los arreglos de paneles solares pequeños son usados generalmente para proveer energía a casas sencillas, edificios o pequeños negocios con menos de 100 kW de consumo. Los sistemas de arreglos solares más grandes pueden generar desde 100 kW hasta 500 MW de potencia eléctrica. Cuando se presentan varios de estos grandes arreglos solares se habla de una granja solar. Estas granjas solares pueden proveer energía a pueblos o ciudades enteras.

6 

MÓDULO SOLAR

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Figura 1-7. Granja solar.

Tamaño del Conductor El tamaño del cable conductor requerido para la transmisión de potencia de CC en un sistema solar, está determinado básicamente por los niveles de potencia esperados en los paneles solares y por la distancia entre los paneles y la ubicación de los otros sistemas electrónicos, incluyendo el controlador de carga y el banco de baterías. Durante el diseño, también se debe tener en cuenta la altura del montaje. Alojamiento del Banco de Baterías, Inversor, etc.

Arreglo Solar

Longitud del Cable

Edificio

Poste Figura 1-8. Longitud del cable conductor.

Para determinar el calibre adecuado del cable, se debe conocer primero la longitud requerida y la corriente de salida del panel solar. A partir de estos datos, el calibre se selecciona siguiendo los estándares de la industria, como por ejemplo el Código Eléctrico Nacional (en ingles:NEC,

MÓDULO SOLAR

7

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

Nacional Electrical Code) en los Estados Unidos. Los datos de los estándares están resumidos en tablas publicadas y ampliamente difundidas como la mostrada en la tabla 1-1, que presenta los calibres AWG (American Wire Gauge) requeridos para diferentes longitudes. Amperios

#10

#8

#6

#4

#2

#1/0

#2/0

1

96,8

154,2

244,4

389,6

618,6

983,6

1241,0

5

19,4

30,8

48,9

77,9

123,7

196,7

248,2

10

9,7

15,4

24,4

39,0

61,9

98,4

124,1

15

6,5

10,3

16,3

26,0

41,2

65,6

82,7

20

4,8

7,7

12,2

19,5

30,9

49,2

62,0

25

3,9

6,2

9,8

15,6

24,7

39,3

49,6

30

3,2

5,1

8,1

13,0

20,6

32,8

41,4

Tabla 1-1. Tabla para un cable de cobre de 12 V con caída de voltaje de 2% a una temperatura de 75° (longitud medida en pies).

8 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo

1

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN OBJETIVOS En este actividad, usted se familiarizará con la planificación requerida para determinar la ubicación adecuada de un módulo solar. Además, determinará el cableado de CC adecuado para la instalación de un sistema de energía solar.

PROCEDIMIENTO Inicio ২  1.

Comience seleccionando una ubicación para su módulo solar. Puede escoger por ejemplo la escuela o su casa.

২  2.

Utilice Internet para encontrar los datos de irradiación solar y trayectoria del sol correspondientes a la ubicación que ha escogido. En los sitios listados a continuación podrá encontrar información relevante. • http://www.nrel.gov/rredc/ • http://wrdc-mgo.nrel.gov/ • http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ • http://www.dsireusa.org/

২  3.

Registre la siguiente información. Latitud: Longitud: Insolación solar promedio (en kWh/m2/día):

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

Años promediados: Horas máximas de sol: ২  4.

Evalúe todos los obstáculos cercanos para todas las direcciones del sol y decida dónde se debería posicionar el módulo solar y cuán alto debería estar ubicado. En este paso, utilice lápiz y papel para dibujar (o si es el caso, una computadora para realizar un gráfico) un mapa del área específica seleccionada. Tenga en cuenta que está evaluando una realidad tridimensional en un plano bidimensional. Determine el ángulo

MÓDULO SOLAR

9

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

de inclinación para su ubicación y muestre el ángulo azimut (0° cuando se apunta en dirección al sur verdadero). Ubicación del sitio: Ángulo de inclinación: Obstáculos conocidos: Altura propuesta para el montaje: Adjunte el dibujo del mapa a esta hoja de trabajo especificando las dimensiones y los nombres de los obstáculos. ২  5.

Una vez que conoce la altura y la posición del módulo solar, usted puede determinar las medidas adecuadas del cable (calibre y longitud aproximada) requerido para la instalación. Basándose en los resultados del análisis de la ubicación del panel solar, determine la longitud del cable que se requiere.

২  6.

En esta hoja de trabajo se asume que se utilizará el módulo solar que se incluye en el Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica. El módulo solar del equipo didáctico tiene una especificación máxima de 87 W con voltaje de salida de 17,4 V. Calcule el valor máximo de la corriente en este sistema. Valor máximo de la corriente: CONSEJO: Utilice la ley de Ohm para determinar el valor máximo de la corriente.

২  7.

Utilice la tabla 1-1 para determinar el calibre adecuado de los cables rojo, negro y verde que se deben comprar para su nuevo sistema solar. Los datos de la tabla están ya ajustados para el voltaje de su sistema. NOTA: ¡No olvide incluir el cable de tierra o neutro!

10 

২  8.

Una vez que conoce el calibre y la longitud requerida para los cables (y otras especificaciones como el voltaje, la corriente y las condiciones ambientales), usted puede utilizar Internet para encontrar un proveedor de cables que se requieren para su trabajo e identificar qué tipo de cables hay disponibles para su sistema.

২  9.

Registre las longitudes totales de los cables requeridos en la ubicación que seleccionó y complete la información que haga falta en la tabla 1-2.

MÓDULO SOLAR

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

#

Color

Calibre

Descripción

Longitud

Precio

Ítem

del

del Cable

del Cable

del Cable

(por pie)

Cable

(AWG)

(especificaciones)

(pies)

1

Rojo

2

Negro

3

Verde

Costo Total

Tabla 1-2. Tabla de estimación de cables requeridos.

Nombre: ______________________________________ Fecha: ________________

Aprobación del profesor:________________________________________________

MÓDULO SOLAR

11

SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN

12 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo Informativa

2

MÓDULO FOTOVOLTAICO El módulo solar fotovoltaico (FV) es el principal componente de un sistema de energía solar.

Figura 2-1. Módulos solares.

Un módulo solar esta compuesto por pequeñas celdas solares que están conectadas eléctricamente entre sí, ya sea en serie o en paralelo, o en una combinación de serie y paralelo. Un arreglo solar consiste de múltiples módulos solares también conectados entre sí, para producir voltajes y corrientes aún mayores. Los subarreglos solares son líneas de módulos que se conectan en paralelo para formar un arreglo solar. El término panel solar es mucho más general y se utiliza indiferentemente para referirse a una celda solar, un módulo solar o un arreglo solar.

Arreglo Módulo Celda

Figura 2-2. Celda solar, módulo y arreglo.

MÓDULO SOLAR

13

MÓDULO FOTOVOLTAICO

La celda solar básica se compone de una placa de semiconductor de silicio con electrodos en la parte superior e inferior, que convierten la energía cinética del sol en energía eléctrica. La radiación solar es absorbida por el panel y convertida en electricidad por el efecto fotovoltaico de la unión de los semiconductores P-N (un proceso donde los electrones son exitados por los fotones, generando un flujo de corriente eléctrica). Ensamble Principal En la figura 2-3 se muestra la anatomía de una celda solar típica.

Grilla Metálica (electrodo superior)

Capa Antirreflectora (superficie superior)

Material Semiconductor Tipo N

Unión PN

Material Semiconductor Tipo P

(superficie inferior)

Aleación de Aluminio (electrodo inferior)

Figura 2-3. Componentes de una celda solar.

Electrodo superior—Una mezcla a base de plata es impresa en la parte superior de la superficie en un patrón de rejilla para proveer un punto de conexión de CC negativo (-). La rejilla de metal se diseña de manera tal que permite pasar suficiente luz solar y permitiendo a su vez, conducir corriente CC. Material semiconductor tipo N—El cristal de silicio puro se dopa con gas de fósforo. Para incrementar la eficiencia, se añade una capa antirreflectiva en la superficie superior. Material semiconductor tipo P—El cristal de silicio puro se dopa con boro. Electrodo inferior—Una aleación de aluminio en la superficie inferior proporciona un punto de conexión de CC positivo (+). A menudo, los módulos solares tienen un marco de metal o de plástico alrededor del perímetro, cuya función es sostener la superficie protectora superior (como un vidrio) y el material protector en la parte inferior. Este marco también facilita la instalación y protege los bordes del módulo. Materiales de Construcción Las tecnologías emergentes y de punta están constantemente ayudando a mejorar la eficiencia de los módulos solares. El material más común utilizado para la construcción de

14 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

paneles solares es el silicio cristalino (c-Si). Existen tres tipos comunes de obleas de silicio para módulos solares FV: cristal sencillo (monocristalino), de múltiples cristales (policristalino) y tipo cinta. Respectivamente, cada proceso está asociado con mayor eficiencia y costos de fabricación más bajos. Sin embargo, la tecnología de obleas de semiconductores está quedando obsoleta rápidamente debido a su alta demanda y costos de fabricación. Esta tecnología está siendo reemplazada por esquemas de menor costo y fabricación basada en la tecnología de película delgada. La tecnología más eficiente desde el punto de vista energético es la del material semiconductor de di-selenuro de cobre indio galio (del inglés: CIGS, copper indium gallium di-selenide ). Para formar cada panel solar, este material se deposita en capas sobre un sustrato de vidrio de bajo costo. Durante el proceso, se forman celdas individuales a partir del uso de integración monolítica y trazado por láser. Se requiere únicamente entre un 1% y un 2% de materias primas para la construcción de estos módulos de película delgada. Otras tecnologías similares incluyen silicio amorfo (a-Si) y teluro de cadmio (CdTe). Una lámina flexible de sustrato permite a la tecnología CIGS integrarse dentro de los materiales de construcción, como por ejemplo en los tejados. Esta nueva aplicación se conoce como Integración fotovoltaica en edificios (en inglés: BIPV, building integrated photovoltaics). Desempeño de los Módulos El voltaje máximo de salida de un módulo solar se conoce como voltaje de circuito abierto (VC-A),debido a que se mide sin ninguna carga conectada a la salida del sistema. De manera similar, la corriente máxima de salida de un módulo solar se conoce como corriente de cortocircuito (IC-C), debido a que se mide cuando la salida del sistema se conecta a una carga de resistencia cero. La potencia de salida para las dos condiciones de prueba es cero. Las especificaciones eléctricas del módulo solar FV del sistema didáctico se presentan en la tabla 2-1, para las dos opciones de células solares proporcionadas con el sistema didáctico..

ADVERTENCIA: Aunque los módulos solares FV pueden ser cortocircuitados de manera segura, ¡nunca realice este cortocircuito de manera intencional en otras fuentes de alimentación!

Parámetro

KC85T

SPM085P

Potencia máxima de salida

87 W

87W

Voltaje máximo de salida

17,4 V

17,9V

Corriente máxima de salida

5,02 A

4,84A

Voltaje de circuito abierto

21,7 V

21,9V

Corriente de cortocircuito

5,34 A

5,17A

Tabla 2-1. Especificaciones eléctricas del módulo solar FV.

MÓDULO SOLAR

15

MÓDULO FOTOVOLTAICO

NOTA: Las condiciones de prueba para las especificaciones eléctricas incluyen un valor de irradiancia de 1 kW/m2, espectro de 1,5 de masa de aire y temperatura de 25°C.

El desempeño del módulo solar FV puede ser observado trazando gráficas de diversos niveles de la corriente de salida (I) y voltaje (V), cuando se tienen valores constantes de irradiancia, espectro y temperatura, según se puede observar en la figura 2-4. El punto de máxima potencia es el punto de inflexión de la curva I-V. Valores altos de temperatura reducen la potencia total de salida de un módulo solar. Aunque la irradiancia, espectro y la temperatura de operación de la celda juegan un papel importante en la salida de un módulo solar, es el material el que define principalmente el voltaje máximo, mientras que el área de la celda determina la corriente máxima.

Corriente en Función del Voltaje

Potencia (W)

Corriente (A)

Ic-c

Punto de Máxima Potencia

Potencia en Función del Voltaje

Vc-a

Voltaje (V)

Figura 2-4. Desempeño del módulo solar FV.

Irradiancia Espectral W/m2/μm)

En la figura 2-5 se muestra la distribución espectral de la luz solar una vez que ha atravesado la atmósfera de la Tierra. La distribución espectral de la energía radiante en nuestro planeta es afectada por factores como el momento del día, el año, la ubicación, el clima y las condiciones atmosféricas. Para poder capturar de manera eficiente toda esta energía radiante, muchos paneles solares son sensibles a las regiones del espectro electromagnético relacionadas con la luz ultravioleta (UV), la luz visible y la luz infrarroja (IR). Observe en la figura 2-5, la respuesta espectral de un panel solar. Reacción del Silicio Cristalino FV

2500

Reacción de la Película Delgada FV

2000 1500 1000 500 0 200

Visible

UV 400

600

IR 800

1000 1200 1400 1600 Longitud de Onda (nm)

1800

2000

2200

Figura 2-5. Distribución espectral de la luz solar y respuesta de los paneles solares FV.

16 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Instalación de los Arreglos Normalmente, los módulos FV de silicio cristalino tienen 36 celdas solares que están conectadas en serie para producir alrededor de 18-21 Vcc cuando se exponen completamente a la luz del sol. Estos módulos solares pueden también ser conectados en serie para producir voltajes aún mayores a partir del arreglo solar resultante. Voltajes mayores permiten menores niveles de corriente para un valor dado de potencia, reduciendo así el tamaño de los cables y el costo. Los módulos solares también se pueden conectar en paralelo para incrementar la corriente de salida disponible en los arreglos solares.

Figura 2-6. Módulos solares en serie y en paralelo.

ADVERTENCIA: ¡Los módulos solares generan electricidad cuando se exponen a la luz. No hay forma de apagarlos. Durante la instalación, siempre cubra los paneles con un material opaco para reducir el riesgo de quemaduras o accidentes. Utilice herramientas aisladas y utilice guantes cuando esté conectando los terminales energizados!

Los módulos FV son extremadamente sensibles a la sombra generada por objetos cercanos, o a la sombra generada por partículas depositadas en su superficie. Como lo muestra la figura 2-7, si sólo la mitad de una celda está bajo la sombra (o la mitad de las filas de una celda está cubierta), la potencia de salida se ve reducida a la mitad. La conexión en serie de las celdas ocasiona que la celda más débil sea la que limite la potencia total del módulo.

MÓDULO SOLAR

17

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Figura 2-7. Módulo solar FV con potencia reducida a la mitad debido a la sombra.

Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente CC fluya principalmente en una única dirección. Existen dos tipos de diodos de protección que se utilizan normalmente en sistemas de energía solar FV: de bloqueo y de derivación (bypass). Un diodo de bloqueo está ubicado normalmente entre el módulo solar y el banco de baterías para prevenir la descarga de las baterías durante la noche. Dado a que la mayoría de los controladores de carga incluyen una característica de desconexión durante la noche, algunos módulos solares no poseen este diodo de bloqueo. Flujo de Corriente

+ Módulo Solar Fotovoltaico

-

Figura 2-8. Diodo de bloqueo.

Cuando se conectan múltiples módulos solares en serie, se conecta un diodo de derivación (bypass) en paralelo con cada módulo. Ésto permite que la mayor parte de la corriente pase de largo (y no a través) de los módulos que no están produciendo electricidad, como sucede cuando algunos están bajo la sombra o simplemente están dañados. Si no se usan diodos de derivación, un módulo no productivo puede limitar la corriente de salida de todo el arreglo a un valor muy bajo, cercano a cero.

18 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Módulo Solar Fotovoltaico

Módulo Solar Fotovoltaico

Flujo de Corriente

+ Figura 2-9. Diodo de derivación.

Cajas de combinación como la mostrada en la figura 2-10, son normalmente instaladas en los sistemas FV para proveer un área de interconexión entre circuitos de fuentes FV múltiples (salidas de paneles solares) y conectarlos con el controlador de carga solar. Muchos de los cables de la caja de conexiones que se ubica en la parte posterior de cada módulo solar, se conectan entre sí dentro de la caja de combinación. Normalmente, únicamente un par de cables sale de la caja de combinación para conectarse en la entrada del controlador de carga.

Figura 2-10. Caja de combinación.

Cajas de conexión adicionales pueden incluir un interruptor de desconexión para el arreglo solar FV, lo cual es requerido en los Estados Unidos por el Código Eléctrico Nacional (NEC). El interruptor de desconexión debe ser instalado en una ubicación de fácil acceso. Generalmente, esta característica de desconexión es combinada junto con una protección de sobrecarga. Para ésto, se instala un disyuntor reajustable que puede ser apagado manualmente. En los Estados Unidos, el Código Eléctrico Nacional NEC requiere que este

MÓDULO SOLAR

19

MÓDULO FOTOVOLTAICO

disyuntor tenga una especificación 1,56 veces mayor que la máxima corriente del arreglo solar (Icc). La función de desconexión sirve como una manera de deshabilitar la energía solar de un arreglo para trabajos de mantenimiento o reparaciones del sistema eléctrico. Cada módulo solar (o cada fila de módulos conectados en serie) que esté conectado en paralelo, debe incluir un dispositivo de sobrecorriente (fusible o disyuntor) para prevenir que un módulo en cortocircuito sobrecargue los otros módulos en el arreglo solar. En los Estados Unidos, el NEC también requiere que se instale un dispositivo de protección de falla a tierra (DPFT), como se muestra en el esquema de la figura 2-11. Este dispositivo también se conoce como dispositivo de interrupción y detección de falla a tierra (DIFT). La protección adicional reduce el riesgo de incendio en caso de fallas inadvertidas en el sistema, tales como un cable cortado dentro del tubo de conductores. El DPFT normalmente detecta corrientes de tierra de CC superiores a 0,5 A y luego abre el riel de CC positivo. Este dispositivo está conectado en el lugar de la unión entre el riel negativo de CC y el punto de chasis/tierra física de CA. Puede ser instalado también junto a la caja de conexiones. El sistema didáctico también incluye un DPFT junto al banco de baterías para proveer protección personal adicional. El Código Eléctrico Nacional (en los Estados Unidos) no especifica el lugar de conexión del DPFT.

Módulo Solar Fotovoltaico

DPFT

8A CB

Caja de Conexiones

63A CB

Negativo (-)

0.5A CB

Tierra

Controlador de Carga Solar

Figura 2-11. Cableado interior de una caja de conexiones.

NOTA: Los dispositivos DPFT o DIFT están diseñados para protección de circuitos de CC. Estos dispositivos no deben confundirse con los Interruptores de circuitos de falla a tierra (ICFT) o los Interruptores de circuito por falla de arco (ICFA), los cuales están diseñados para la operación de CA y se activan a 5 mA (en los Estados Unidos).

Los arreglos solares pueden ubicarse en un edificio o a nivel del suelo. Pueden montarse directamente en el techo, pero se recomienda utilizar soportes especiales para permitir un acceso más fácil y para facilitar el enfriamiento. El método de enfriamiento pasivo es el utilizado en módulos solares de superficie plana, dejando que el aire circule alrededor de los módulos. Los arreglos solares instalados directamente sobre la superficie son del tipo de montaje típico para instalaciones en techos, debido a su bajo costo. Armazones especiales son utilizados en superficies planas o en techos de poca inclinación pero son más caros y generan

20 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

mayor resistencia al viento. Los sistemas de Integración fotovoltaica en edificios (BIPV) reemplazan los materiales de construcción tradicionales por arreglos solares o por otros tipos de dispositivos de recolección solar. Algunos ejemplos de Integración fotovoltaica en edificios incluyen la sustitución de techos de tejas, ventanas, claraboyas y toldos.

Figura 2-12. Arreglo solar montado sobre soportes especiales.

Los soportes especiales también se utilizan en arreglos solares de gran tamaño, ubicados a nivel del suelo. La utilización de postes ofrece una alternativa para incrementar la altura y permitir una mejor circulación del aire, aunque están limitados a arreglos solares más pequeños.

Figura 2-13. Arreglo solar montado sobre postes.

Antes de seleccionar un método específico de montaje y antes de instalar un arreglo solar, se debe considerar el área y la inclinación de la ubicación.

MÓDULO SOLAR

21

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Mantenimiento Para mantener la eficiencia de energía en niveles óptimos, es importante que los módulos solares estén siempre limpios. Ésto se logra con una rutina específica de limpieza. Así mismo, se debe considerar la verificación de los tornillos de las terminales eléctricas, el ajuste del montaje y la verificación del cableado del sistema.

22 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo

2

MÓDULO FOTOVOLTAICO OBJETIVOS En esta actividad, usted se familiarizará con el módulo solar y aprenderá cómo realizar la instalación correcta y la operación de un sistema de energía solar.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la Tabla de Utilización del Equipo en el Apéndice A para obtener una lista del equipo requerido para este trabajo.

PROCEDIMIENTOS DE SEGURIDAD Antes de continuar con este trabajo, complete la siguiente lista de verificación.

Está usando gafas de seguridad.



Está usando zapatos de seguridad.



 o está usando prendas que puedan quedar atrapadas en un equipo rotatorio N como una corbata, joyas o ropa suelta.



Si tiene el cabello muy largo, asegúrese que el mísmo esté recogido y amarrado.



El área de trabajo está limpia y libre de aceite.



El piso no está mojado.



Sus mangas están remangadas.

PROCEDIMIENTO NOTA: Para obtener información con respecto a los procedimientos de configuración básica, bloqueo y etiquetado (desenergizar) y energizar, vea el Apéndice D.

Configuración Básica ২  1.

Realice el procedimiento de configuración básica.

Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado ২  2.

Realice el procedimiento de bloqueo y etiquetado.

Configuración ২  3.

Comience instalando y realizando el cableado requerido de acuerdo a la figura 2-14.

MÓDULO SOLAR

23

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Módulo Solar FV

Tierra del Chasís

-

+ Disyuntor

Barra de Distribución de Energía, Riel Positivo (+)

Interruptor de Desconexión Interruptor

+ Lámpara

-

DPFT

Disyuntor

+ Banco de Baterías

Barra de Distribución de Energía, Riel Negativo (-)

Chasis/Tierra Física NOTA: Todos losTodos puntoslos depuntos Chasis/Tierra Física (cables verdes) deben amarrarse en un punto NOTA: de Chasis/Tierra Física (cables verdes) debenjuntos amarrarse juntosen enelun punto en el marco del equipo didáctico. marco del equipo didáctico.

Figura 2-14. Configuración del sistema.

24 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

২  4.

Instale un soquete de lámpara de CC en la superficie de trabajo vertical. Ajuste las pestañas de seguridad del módulo y posiciónelo de la manera mostrada en la figura 2-15. Asegúrese que el módulo esté configurado para operar en CC.

২  5.

Instale un interruptor de pared en la superficie de trabajo horizontal. Asegure las pestañas de cada módulo y ubíquelos tal como se muestra en la figura 2-15. Asegúrese que el interruptor de pared esté configurado para operar en CC. NOTA: Asegúrese que el interruptor en la parte posterior del Interruptor de pared esté configurado para operar en CC.

২  6.

Utilice un cable de conexión verde #8 AWG (10 mm2) para conectar el marco del módulo solar con el punto de chasis/tierra física del equipo didáctico. NOTA: Cuando seleccione un cable, escoja la longitud mínima posible para realizar la conexión.

২  7.

Asegure que el interruptor de pared esté en la posición Apagado (Off).

২  8.

Utilice cables de conexión de 2 mm (dos rojos y uno negro), para conectar el Interruptor de pared y el soquete de lámpara de CC de la manera mostrada en las figuras 2-14 y 2-15.

২  9.

Enchufe la lámpara LED de 12 V y su respectivo adaptador en el soquete de lámpara de CC.

২  10. El equipo didáctico debe estar conectado de manera similar a lo indicado a en la figura 2-15.

MÓDULO SOLAR

25

MÓDULO FOTOVOLTAICO

del Módulo Solar

Figura 2-15. Conexión del sistema.

২  11. Si todavía no está montado, solicite a su profesor que prepare y aliste el simulador solar. ২  12. Asegúrese que el interruptor del simulador solar esté en la posición Apagado (Off) y luego conéctelo a la fuente de 120 Vca.

ADVERTENCIA: ¡No conecte ninguna otra parte del equipo didáctico a la red principal de CA!

26 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Inicio ২  13. Solicite a su profesor que verifique las conexiones realizadas. ২  14. Encienda el simulador solar. ২  15. Ajuste el multímetro digital para medir voltaje de CC (20 V a escala completa o mayor). ২  16. Ubique las puntas de prueba del multímetro en los terminales de salida del módulo solar FV (en el bloque de terminales). ২  17. Mida y registre el voltaje de circuito abierto (Vc-a) del módulo solar FV. Voltaje de circuito abierto: ২  18. Ajuste el multímetro para medir corriente CC (2 A a escala completa o mayor). ২  19. Ubique las puntas de prueba del multímetro en las terminales de salida del módulo solar FV (en el bloque de terminales). ২  20. Mida y registre la corriente de cortocircuito (Ic-c) del módulo solar FV. Corriente de cortocircuito: ২  21. Apague el simulador solar. ২  22. Retire el simulador solar. Utilizando dos trozos de cartón de 6,25" por 4", cubra dos de las 36 celdas solares del módulo solar y observe el efecto de la sombra. NOTA: Dos celdas deben quedar cubiertas completamente en este paso para que funcione correctamente, debido al bajo nivel de energía radiante disponible del simulador solar.

২  23. Reemplace el simulador solar. ২  24. Encienda el simulador solar. ২  25. Utilizando el multímetro, mida y registre la corriente de cortocircuito. Corriente de cortocircuito:

MÓDULO SOLAR

27

MÓDULO FOTOVOLTAICO

২  26. Apague el simulador solar. ২  27. Retire los trozos de cartón del módulo solar y remplace el simulador solar. ২  28. Encienda el simulador solar. ২  29. Encienda el interruptor de pared. ২  30. ¿Se ilumina la lámpara LED de 12 V?

Sí



No

২  31. Usando el multímetro, mida y registre el voltaje en la lámpara. Voltaje de la lámpara: ২  32. Usando el multímetro, mida y registre la corriente de la lámpara. Corriente de la lámpara: ২  33. Apague el simulador solar. ২  34. Desconecte el simulador solar. ২  35. Retire los cables de los módulos y ubíquelos en la parte inferior de almacenamiento de manera que los estudiantes del próximo grupo puedan repetir este trabajo.

28 

MÓDULO SOLAR

MÓDULO FOTOVOLTAICO

Preguntas 1. Los valores medidos de Vc-a e Ic-c coinciden con los valores máximos especificados para el módulo solar FV que se muestran en la tabla 2-1?

Sí



No

2. ¿Por qué sí o por qué no? 3. ¿Qué pasó cuando dos de las 36 celdas solares fueron cubiertas? 4. ¿Por qué sucedió ésto? 5. ¿Cuánta potencia estaba siendo suministrada por el módulo solar y consumida por la lámpara LED de 12 V (W = V x A)?

Nombre: ______________________________________ Fecha: ________________

Aprobación del profesor:________________________________________________

MÓDULO SOLAR

29

MÓDULO FOTOVOLTAICO

30 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo Informativa

3

CONTROLADOR DE CARGA El controlador de carga solar es un dispositivo electrónico que generalmente utiliza un microprocesador interno para regular los voltajes y corrientes de un sistema de energía solar. Su función principal es la de cargar apropiadamente el banco de baterías desde una fuente de energía alternativa, evitando sobrecargas o sobredescargas. Otras características del controlador de carga incluyen temas como la medición remota del voltaje y la temperatura para un mejor control del voltaje y la corriente. También puede incluir características de control de carga, administración de energía, sobrecarga y protección por polaridad inversa, indicación de estado (utilizando lámparas, medidores y alarmas), desconexión nocturna del arreglo solar y autodiagnóstico (detección de fallas). El controlador de carga solar está conectado normalmente entre el arreglo solar y el banco de baterías.

Figura 3-1. Controlador de carga solar.

Tipos Hay varios tipos de controladores de carga solar: en serie, por derivación, PWM y MPPT. Controlador de carga en serie—Abre parcialmente (y temporalmente) la fuente de energía FV para limitar la corriente de carga de la batería. Los controladores de carga en serie también pueden abrir el circuito del arreglo solar durante la noche para evitar que el banco de baterías se descargue. Controlador de carga por derivación—utiliza la capacidad de limitación de corriente de los módulos solares FV para limitar la corriente de carga. El controlador cortocircuita parcialmente (y temporalmente) el panel solar (en paralelo) para limitar la corriente de carga de la batería. El banco de baterías nunca es puesto en corto por los circuitos del controlador de carga por derivación.

MÓDULO SOLAR

31

CONTROLADOR DE CARGA

Controlador de carga por modulación de ancho de impulso o PWM (en inglés: pulsewidth modulated)— es un caso especial del controlador de carga en serie, con la diferencia que abre y cierra el circuito de la fuente de energía FV a un ritmo muy rápido. La regulación es producida emitiendo impulsos intermitentes que conmuta la corriente de carga completa y ajustando el ancho del impulso para cambiar la corriente de carga promedio que fluye hacia el banco de baterías. Los controladores PWM son adecuados para las baterías selladas de plomo-ácido. Controlador de carga con detección de punto de máxima potencia o MPPT (en inglés: MPPT, maximum power point tracking)—incorporan un microprocesador para controlar cuidadosamente el punto de operación de máxima potencia del arreglo solar. Estos controladores pueden manipular el voltaje y la corriente de entrada y salida basándose en cambios en la irradiancia y la temperatura. Los controladores MPPT aseguran el óptimo aprovechamiento de la potencia del arreglo y el desempeño de la batería bajo condiciones ambientales adversas. El controlador de carga solar que utiliza el equipo didáctico es del tipo PWM y es usado para regular los voltajes y corrientes para un sistema de energía solar de 12 Vcc con una especificación máxima de 30 A. Algunos controladores de carga permiten controlar diferentes tipos de energía alternativa de manera simultánea, como por ejemplo un arreglo solar FV, un aerogenerador y un generador eléctrico a gasolina.

Módulo Solar Fotovoltaico

Controlador de Carga Solar

Cargas de CC (controladas)

Banco de Baterías

Cargas de CC (no controladas)

Puntos de Prueba

Conexión Térmica

Sensor de Temperatura

Figura 3-2. Diagrama de bloques del controlador de carga solar.

32 

MÓDULO SOLAR

CONTROLADOR DE CARGA

Existen diferentes modos para cargar el banco de baterías: en bruto, por absorción, flotante y ecualización. Los mísmos son explicados en detalle en la hoja de trabajo del banco de baterías. Puntos de Referencia Los puntos de referencia son niveles de voltaje sobre los cuales el controlador regula la carga o conecta/desconecta cargas y/o fuentes de energía. Por ejemplo, los puntos de referencia de desconexión por bajo voltaje (LVD- Low Voltage Disconnect) y desconexión por alto voltaje (HVD –High Voltage Disconnect) pueden ser ajustados para proteger el sistema contra condiciones de bajo o alto voltaje. De manera similar, los niveles de voltaje para reconexión del arreglo y la carga (ARV, LRV, LVR y HVR) son algunas veces ajustables, pero normalmente están pre-programados. Los puntos de referencia para el controlador de carga solar del equipo didáctico se presentan en la tabla 3-1 para diferentes tipos de baterías. NOTA: El equipo didáctico utiliza una batería sellada de plomo-ácido.

Abreviación

Descripción

Gel

Sellada

Celda Húmeda

LVD (carga)

Desconexión por bajo voltaje (carga)

11,4

11,4

11,4

LVR (carga)

Reconexión por bajo voltaje (carga)

12,6

12,6

12,6

Retardo de 4 minutos RV

Regulación de voltaje

14,0

14,15

14,4

FV

Voltaje flotante

13,7

13,7

13,7

EV

Ecualización de voltaje

N/A

14,35

14,9/15,1

HVD (arreglo)

Desconexión por alto voltaje (arreglo)

15,2

15,2

15,2

HVD (carga)

Desconexión por alto voltaje (carga)

15,3

15,3

15,3

Tabla 3-1. Puntos de referencia del controlador de carga solar para diferentes tipos de batería.

Terminales Los terminales de conexión hacia y desde el controlador de carga solar se listan a continuación. Algunos controladores de carga permiten utilizar terminales de medición de voltaje remotos para minimizar el efecto de caídas de voltaje en el cableado del sistema. Algunos controladores también utilizan sensores de temperatura remotos para compensar los cambios en la temperatura de la batería. Esta característica sirve también de protección contra condiciones de alta temperatura, desconectando el arreglo y la carga, si es necesario. Solar (+): se conecta al terminal positivo del arreglo o del módulo solar FV. Solar (–): se conecta al terminal negativo del arreglo o del módulo solar FV. Batería (+): se conecta al terminal positivo del banco de baterías a través de la barra de distribución de energía.

MÓDULO SOLAR

33

CONTROLADOR DE CARGA

Sensor (+): se conecta opcionalmente al terminal positivo de la batería (no se utiliza en este caso porque el banco de baterías está en un rango menor a 5 m o 16,4 pies). Sensor (–): se conecta opcionalmente al terminal negativo de la batería (no se utiliza en este caso porque el banco de baterías está en un rango menor a 5 m o 16,4 pies). Batería (–): se conecta al terminal negativo del banco de baterías a través de la Barra de distribución de energía. Carga (+): se conecta opcionalmente a los terminales positivos de cualquiera de las cargas de CC (no se utiliza, vea la nota abajo). Carga (–): se conecta opcionalmente a los terminales negativos de cualquiera de las cargas de CC (no se utiliza, vea la nota abajo). Punta de prueba de temperatura (no polarizada): los dos terminales se conectan a las dos puntas de prueba del sensor de temperatura. El sensor está acoplado a uno de los lados de la batería. NOTA: El control de carga no se utiliza normalmente en este equipo didáctico debido a que se necesitaría un amperímetro bidireccional para monitorear las cargas controladas. Además, bajo ciertas condiciones de prueba, el estudiante no querría que la carga se desconecte automáticamente.

Figura 3-3. Terminales del controlador de carga solar.

Estado El controlador de carga del equipo didáctico genera indicaciones de estado mediante luces indicadoras LED. La tabla 3-2 muestra cada uno de los estados, con el correspondiente color asociado a las luces LED. 34 

MÓDULO SOLAR

CONTROLADOR DE CARGA

Función

LED

Color

Comportamiento

Indicación de Estado

Cargando

1

Verde

Encendido

Batería cargando durante el día

Cargando

1

Verde

Apagado

Normal durante la noche. De otra forma indica polaridad inversa o sobrecorriente en los terminales solares

Estado de la batería

2

Verde

Encendido

Batería cerca de la carga completa

Estado de la batería

2

Verde

Intermitente

Batería cargando normalmente

Estado de la batería

3

Amarillo

Encendido

Batería cerca de su capacidad media

Estado de la batería

4

Rojo

Intermitente

Batería cerca de su nivel bajo

Estado de la batería

4

Rojo

Encendido

Carga desconectada debido a bajo voltaje

2,3,4

V,A,R

Intermitente todas

Falla en la selección del tipo de batería

Falla

juntas Falla

3,4

A,R

En secuencia

Desconexión por alta temperatura

Falla

2,4

V,R

En secuencia

Desconexión por alto voltaje

Falla

2 y 4,3

V y R,A

En secuencia

Sobrecarga

Tabla 3-2. Indicaciones de estado del controlador de carga solar.

Las indicaciones de estado mostradas en la pantalla de cristal líquido (LCD) del controlador de carga del equipo didáctico se muestran a continuación, en la tabla 3-3. LCD

Indicación de Estado

Lud

LVD, desconexión por bajo voltaje (carga)

Hud

HVD, desconexión por alto voltaje (arreglo y carga)

Hot

Desconexión por alta temperatura (arreglo y carga)

OCP

Protección por sobrecorriente y protección por cortocircuito (carga), protección por sobrecorriente (arreglo)

0.0

Protección por cortocircuito (arreglo)

E01-E13

Códigos de error (consulte el manual del usuario del fabricante)

Tabla 3-3. Indicaciones de estado en la pantalla LCD del controlador de carga solar. NOTA: De ser necesario, consulte el manual del usuario del fabricante para realizar una prueba de auto diagnóstico.

MÓDULO SOLAR

35

CONTROLADOR DE CARGA

36 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo

3

CONTROLADOR DE CARGA OBJETIVOS En este actividad, usted adquirirá las habilidades necesarias para la correcta instalación y operación de un controlador de carga en de un sistema eléctrico basado en energía solar.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la Tabla de Utilización del Equipo en el Apéndice A para obtener una lista del equipo requerido para este trabajo.

PROCEDIMIENTOS DE SEGURIDAD Antes de continuar con este trabajo, complete la siguiente lista de verificación.

Está usando gafas de seguridad.



Está usando zapatos de seguridad.



 o está usando prendas que puedan quedar atrapadas en un equipo rotatorio N como una corbata, joyas o ropa suelta.



Si tiene el cabello muy largo, asegúrese que el mísmo esté recogido y amarrado.



El área de trabajo está limpia y libre de aceite.



El piso no está mojado.



Sus mangas están remangadas.

PROCEDIMIENTO NOTA: Para obtener información con respecto a los procedimientos de configuración básica, bloqueo y etiquetado (desenergizar) y energizar, vea el Apéndice D.

Configuración Básica ২  1.

Realice el procedimiento de configuración básica.

Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado ২  2.

Realice el procedimiento de bloqueo y etiquetado.

Configuración ২  3.

Comience instalando y realizando el cableado requerido de acuerdo a

MÓDULO SOLAR

37

CONTROLADOR DE CARGA

la figura 3-4.

Módulo Solar FV

Tierra del Chasís

-

+ Disyuntor

+ Sensor de Temperatura

Controlador de Carga Solar

Amperímetro

Disyuntor

Conexión Térmica

Interruptor de Desconexión

Barra de Distribución de Energía, Riel Positivo (+)

Interruptor de Desconexión

DPFT Disyuntor

+ Banco de Baterías

-

Barra de Distribución de Energía, Riel Negativo (-)

Chasis/Tierra Física NOTA: Todos los puntosTodos de Chasis/Tierra (cables verdes) deben(cables amarrarse juntosdeben en un punto en el juntos en un punto NOTA: los puntosFísica de Chasis/Tierra Física verdes) amarrarse el marco del equipo didáctico. marco del equipoen didáctico.

Figura 3-4. Configuración del sistema.

38 

MÓDULO SOLAR

CONTROLADOR DE CARGA

২  4.

En la superficie de trabajo vertical instale el controlador de carga solar, el interruptor de desconexión MS, el disyuntor de CC y el amperímetro de CC. Ajuste las pestañas de seguridad de cada módulo y ubíquelos de la manera mostrada en la figura 3-5.

২  5.

Para mayor comodidad, los terminales positivos (+) y negativos (-) del banco de baterías deben estar ya conectados a la barra de distribución de energía. Por seguridad, el interruptor de desconexión BAT/INV y el disyuntor del banco de baterías deben estar ya conectados en serie entre el banco de baterías y la barra de distribución de energía. La utilización de una barra de distribución puede reducir los costos de cableado en la instalación del sistema. Utilice los rieles positivo (+) y negativo (-) para distribuir 12 Vcc a través del sistema. Usted también puede usar la barra de distribución como un punto conveniente para monitorear el voltaje del banco de baterías.

২  6.

Utilice conectores de cables rojos #8 AWG (10 mm2) para conectar el cable rojo positivo (+) del módulo solar al terminal positivo (+) del controlador de carga solar (entrada solar). NOTA: Cuando seleccione un cable, escoja la longitud mínima posible para realizar la conexión.

২  7.

Conecte el terminal positivo (+) del controlador de carga solar (salida de la batería) al terminal positivo (+) del amperímetro de CC.

২  8.

Conecte el terminal negativo (-) del amperímetro de CC al disyuntor.

২  9.

Conecte el otro terminal del disyuntor al interruptor de desconexión y el otro terminal del interruptor de desconexión al banco de baterías. Para ésto, instale el conector de un cable rojo entre el riel positivo (+) de la barra de distribución y el interruptor de desconexión.

২  10. Utilice conectores de cables negros #8 AWG (10mm2) para conectar el cable negro negativo (-) del módulo solar al terminal negativo (-) del controlador de carga solar (entrada solar). ২  11. Conecte el terminal negativo (-) del controlador de carga solar (salida de la batería) al riel negativo (-) de la barra de distribución.

MÓDULO SOLAR

39

CONTROLADOR DE CARGA

২  12. Utilice el conector de un cable verde #8 AWG (10mm2) para conectar el cable del marco del módulo solar con el punto de chasis/tierra física del equipo didáctico. ২  13. Asegure que el sensor de temperatura de la batería esté conectado al controlador de carga solar. ২  14. El equipo didáctico debería estar conectado de una manera similar a lo mostrado en la figura 3-5.

MS

Hacia el Sensor de Temperatura del Módulo Solar Hacia el Banco de Baterías

Tierra de Chasis

BAT/INV

Figura 3-5. Cableado del sistema.

40 

MÓDULO SOLAR

CONTROLADOR DE CARGA

২  15. Si todavía no está montado, solicite a su profesor que prepare y aliste el simulador solar. ২  16. Realice el procedimiento de energización del Apéndice D. ২  17. Asegúrese que el interruptor del simulador solar esté en la posición Apagado (Off) y luego conéctelo a la fuente de 120 Vca.

ADVERTENCIA: ¡No conecte ninguna otra parte del equipo didáctico a la red principal de CA!

২  18. Asegúrese de configurar el cero correcto en el amperímetro. De ser necesario regule el tornillo en la parte frontal del medidor. Inicio ২  19. Solicite a su profesor que verifique las conexiones realizadas. ২  20. Configure el tipo de batería del controlador de carga en Sellada. ২  21. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On). ২  22. Gire el interruptor de desconexión MS hasta la posición Encendido (On). ২  23. Encienda el simulador solar. ২  24. Registre el voltaje de CC y los valores de corriente indicados en la pantalla del controlador de carga. Voltaje de CC: Corriente: ২  25. ¿Está generando potencia el módulo solar?

Sí



No

MÓDULO SOLAR

41

CONTROLADOR DE CARGA

২  26. Utilice un multímetro para monitorear el voltaje de CC en la barra de distribución de energía. El multímetro muestra el voltaje con una mayor resolución. ২  27. Mida y registre el voltaje del banco de baterías. Voltaje del banco de baterías: ২  28. Utilizando el amperímetro de CC, mida y registre la corriente de carga de la batería. Corriente de carga de la batería: ২  29. Monitoree el voltaje de CC durante unos minutos, para comprobar si hay cambios en el valor. ২  30. El voltaje de CC, ¿está subiendo, bajando o se mantiene estable?

Está subiendo



Está bajando



Permanece estable

২  31. ¿Qué indica el comportamiento del voltaje del banco de baterías? ২  32. Apague el simulador solar. ২  33. Gire el interruptor de desconexión MS hasta la posición Apagado (Off). ২  34. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  35. Desconecte el simulador solar. ২  36. Realice el procedimiento de desenergización del Apéndice D. ২  37. Retire los cables de los módulos y ubíquelos en la parte inferior de almacenamiento de manera que los estudiantes del próximo grupo puedan repetir este trabajo.

42 

MÓDULO SOLAR

CONTROLADOR DE CARGA

Preguntas 1. ¿Hubo potencia eléctrica en la salida del módulo solar?

Sí



No

2. ¿Cuánta potencia fue generada por el módulo solar (W = V x A)? 3. ¿El controlador de carga comenzó a cargar el banco de baterías?

Sí



No

4. ¿Cómo puede comprobar que el banco de baterías estaba siendo cargado? 5. ¿Los valores de voltaje y corriente medidos fueron similares a los valores mostrados en la pantalla del controlador de carga?

Sí



No

6. Consultando la tabla 3-1, describa qué sucede cuando el voltaje en el banco de baterías supera el valor de 14,15 V.

MÓDULO SOLAR

43

CONTROLADOR DE CARGA

7. ¿Por qué el controlador de carga solar no muestra corriente de carga?

Nombre: ______________________________________ Fecha: ________________

Aprobación del profesor:________________________________________________

44 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo Informativa

4

CARGAS DEL SISTEMA Fuentes de Alimentación y Cargas En un sistema eléctrico basado en energía solar, la fuente de alimentación es el módulo solar. Cargas muy bajas, tales como la de una bombilla pequeña (1 W), demandan solamente una fracción de los 85 W de potencia total disponible. Sin embargo, con cargas mayores, como la de una lámpara de 13 W, el controlador de carga debe ser efectivo en el control del voltaje de salida. Cuanto más corriente de salida es requerida del módulo solar, el voltaje de salida puede disminuir. Este problema puede ocasionar que el banco de baterías no se cargue correctamente. Ésto puede ser ocasionado por energía solar insuficiente, una resistencia de salida relativamente alta o por ineficiencias en el panel solar. Para corregir el problema, se debe añadir un circuito a la salida del módulo solar, o más específicamente, un regulador electrónico de voltaje. Este circuito está basado en un mecanismo de realimentación, donde una pequeña parte de la salida es inyectada nuevamente a la entrada para poder controlar la salida de voltaje, como consecuencia de cambios en la carga. El módulo solar del equipo didáctico requiere de un controlador de carga externo que pueda detectar automáticamente altas y bajas en el voltaje de salida del módulo fotovoltaico y responder adecuadamente. La función de este controlador es regular o estabilizar el voltaje de salida y asegurar una carga apropiada de las baterías.

Figura 4-1. Fuente de alimentación y carga.

La salida de un módulo solar de CC tiene un valor de resistencia pequeño llamado resistencia de la fuente, puesto que es una resistencia interna a la fuente de alimentación. El cableado desde la salida del módulo solar hasta otros componentes del sistema también tiene una resistencia de recorrido eléctrico que incrementa con la longitud y la temperatura. Cualquier componente de CC conectado a la salida del módulo actúa como una resistencia de carga para el circuito. Las cargas de los circuitos de CC presentan una resistencia al flujo de corriente de salida de la fuente. Todas estas resistencias en el sistema ocasionan caídas en los niveles de voltaje a través de su recorrido en el circuito. La resistencia del sistema representa una pérdida de energía eléctrica que se convierte en energía térmica (o calor). A medida que

MÓDULO SOLAR

45

CARGAS DEL SISTEMA

la corriente aumenta, más energía se pierde debido a la resistencia y por lo tanto más potencia es disipada en forma de calor. Conexiones en Serie y en Paralelo Múltiples cargas pueden ser conectadas en serie o en paralelo (observe la figura 4-2) dependiendo de los requerimientos del sistema eléctrico o del dispositivo. Las luces en las casas residenciales son generalmente conectadas en paralelo debido a que todas tienen la misma especificación de voltaje, que es el mísmo que el suministrado a la casa por las compañías de suministro de energía. Por otro lado, las luces ornamentales de los árboles de navidad normalmente están conectadas en serie debido a que las mísmas tienen una especificación de voltaje muy pequeño (3 V), pero deben ser alimentadas directamente desde una fuente de voltaje mucho mayor (120 V). Sin embargo, cuando una de las 40 luces de la guía falla, las otras 39 luces tampoco se encenderán debido a que el recorrido de la corriente se ha interrumpido. La mayoría de las instalaciones de luces ornamentales modernas utilizan un cableado en paralelo o una combinación de serie y paralelo.

ohmios

ohmios

EN SERIE (A)

ohmios

ohmios

EN PARALELO (B)

Figura 4-2. Circuitos en serie y paralelo.

En la figura 4-2 se puede observar que la corriente permanece constante en una configuración en serie (A) mientras que el voltaje permanece constante para cargas en una configuración en paralelo (B). Tipos de cargas Los ejemplos de cargas en un sistema de potencia eléctrica incluyen prácticamente cualquier dispositivo que consuma energía como luces, motores, electrodomésticos (licuadoras, tostadoras, hornos, refrigeradores, lavaplatos, equipos de aire acondicionado), equipamiento electrónico (radios, televisiones, computadoras) y herramientas eléctricas (taladros, sierras y lijadoras). Un cableado deteriorado o un equipo eléctrico defectuoso pueden crear una condición de carga excesiva en el sistema eléctrico. Las cargas parásitas son dispositivos que involuntariamente consumen energía en un sistema. Las resistencias de descarga (o cargas por derivación) son dispositivos que intencionalmente redireccionan y consumen la energía de un banco de baterías completamente cargado, de tal manera que el exceso de potencia que se genera en un sistema de energía renovable no se desperdicia. Un controlador de carga por derivación y una resistencias de descarga serán objeto de estudio en otra hoja de trabajo.

46 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo

4

CARGAS DEL SISTEMA OBJETIVOS En este actividad, usted aprenderá de qué manera interactúan las fuentes de alimentación con las cargas del sistema, para luego poder realizar una correcta instalación y operación de un sistema eléctrico basado en energía solar.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la Tabla de Utilización del Equipo en el Apéndice A para obtener una lista del equipo requerido para este trabajo.

PROCEDIMIENTOS DE SEGURIDAD Antes de continuar con este trabajo, complete la siguiente lista de verificación.

Está usando gafas de seguridad.



Está usando zapatos de seguridad.



 o está usando prendas que puedan quedar atrapadas en un equipo rotatorio N como una corbata, joyas o ropa suelta.



Si tiene el cabello muy largo, asegúrese que el mísmo esté recogido y amarrado.



El área de trabajo está limpia y libre de aceite.



El piso no está mojado.



Sus mangas están remangadas.

PROCEDIMIENTO NOTA: Para obtener información con respecto a los procedimientos de configuración básica, bloqueo y etiquetado (desenergizar) y energizar, vea el Apéndice D.

Configuración Básica ২  1.

Realice el procedimiento de configuración básica.

Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado ২  2.

Realice el procedimiento de bloqueo y etiquetado.

Cargas Paralelo ২  3.

Comience instalando y conectando el panel de distribución de energía de CC a la barra de distribución de energía.

MÓDULO SOLAR

47

CARGAS DEL SISTEMA

২  4.

Utilice un soquete de lámpara de CC para conectar la lámpara LED de 12 V al panel de distribución.

২  5.

Utilice los conectores de los cables rojo y negro de 2 mm para conectar la carga, de la manera mostrada en la figura 4-3. desde el Panel de Distribución de Energía de CC

Lámpara LED

Figura 4-3. Configuración del sistema en paralelo (una carga).

২  6.

El equipo didáctico debe estar conectado de una manera similar a lo observado en la figura 4-4.

del Banco de Baterías

BAT/INV

Figura 4-4. Cableado del sistema.

48 

MÓDULO SOLAR

CARGAS DEL SISTEMA

২  7.

Realice el procedimiento de energización del Apéndice D.

২  8.

Con el multímetro digital configurado para medir corriente CC, conéctelo en serie con la carga reemplazando un cable de 2mm que conecta la lámpara con la punta de prueba del multímetro.

২  9.

Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On).

২  10. Mida y registre la corriente de carga. Cargas de CC en Paralelo

Corriente (A)

Voltaje (V)

Potencia (W)

Lámpara LED Lámpara fluorescente Bombilla Total (de la fuente) Tabla 4-1. Cargas de CC en paralelo (valores medidos y calculados). NOTA: Para todos los cálculos y medidas, registre sus respuestas en la tabla 4-1.

২  11. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  12. Retire el multímetro de la carga y utilice un cable de conexión de 2 mm para completar el circuito de carga nuevamente. ২  13. Ajuste el multímetro para medir voltaje de CC. ২  14. Rote el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición de ENCENDIDO. ২  15. Mida y registre el voltaje que atraviesa la carga. ২  16. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  17. Calcule y registre la potencia que la carga está consumiendo y disipando (W = V x A).

MÓDULO SOLAR

49

CARGAS DEL SISTEMA

২  18. Añada una segunda carga en paralelo con la carga que ya está conectada, realizando las conexiones de la manera mostrada en la figura 4-5.

desde el Panel de Distribución de Energía de CC

Lámpara fluorescente

Lámpara LED

Figura 4-5. Configuración del sistema en paralelo (dos cargas).

২  19. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On). ২  20. Con el multímetro conectado en serie con la nueva carga, mida y registre la corriente de la carga. ২  21. Mida y registre el voltaje que atraviesa la carga. ২  22. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  23. Calcule y registre la potencia que la carga está consumiendo y disipando. ২  24. Añada una tercera carga en paralelo a las dos cargas anteriores, realizando las conexiones de la manera mostrada en la figura 4-6.

desde el Panel de Distribución de Energía de CC

Lámpara LED

Lámpara fluorescente

Lámpara incandescente

Figura 4-6. Configuración del sistema en paralelo (tres cargas).

২  25. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On).

50 

MÓDULO SOLAR

CARGAS DEL SISTEMA

২  26. Con el multímetro conectado en serie con la nueva carga, mida y registre la corriente de la carga. ২  27. Mida y registre el voltaje que atraviesa la carga. ২  28. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  29. Calcule y registre la potencia que la carga está consumiendo y disipando. ২  30. Calcule y registre los valores totales en la tabla 4-1. Cargas en Serie ২  31. Conecte el equipo requerido de la manera mostrada en la figura 4-7. Lámpara LED

desde el Panel de Distribución de Energía de CC

Lámpara fluorescente Lámpara incandescente

Figura 4-7. Configuración del sistema en serie (tres cargas).

২  32. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On). NOTA: Algunas de las lámparas podrían no iluminar de manera apropiada debido a un voltaje insuficiente en esas lámparas.

Cargas CC en Serie

Corriente (A)

Voltaje (V)

Potencia (W)

Lámpara LED Lámpara fluorescente Bombilla Total (de la fuente) Tabla 4-2. Cargas CC en serie (valores medidos y calculados). NOTA: Para todos los cálculos y medidas, registre sus respuestas en la tabla 4-2.

MÓDULO SOLAR

51

CARGAS DEL SISTEMA

২  33. Con el multímetro digital conectado en serie con las cargas, mida y registre la corriente de carga. ২  34. Mida y registre el voltaje en cada una de las cargas. ২  35. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  36. Calcule y registre la potencia que cada carga está consumiendo y disipando. ২  37. Calcule y registre los valores totales en la tabla 4-2. ২  38. Realice el procedimiento de desenergización del Apéndice D. ২  39. Retire los cables de los módulos y ubíquelos en la parte inferior de almacenamiento de manera que los estudiantes del próximo grupo puedan repetir este trabajo.

52 

MÓDULO SOLAR

CARGAS DEL SISTEMA

Preguntas 1. Utilizando cargas en paralelo, ¿fue diferente la corriente a través de cada carga?

Sí



No

2. Con cargas en paralelo, ¿el voltaje era igual en cada una de las cargas?

Sí



No

3. Utilizando cargas en serie, ¿fue diferente la corriente a través de cada carga?

Sí



No

4. Con cargas en serie, ¿el voltaje era igual en cada una de las cargas?

Sí



No

5. La potencia consumida por cada dispositivo, ¿ fue igual cuando se hizo la conexión en paralelo que cuando se hizo la conexión en serie?

Sí



No

6. ¿Por qué sí o por qué no? Nombre: ______________________________________ Fecha: ________________

Aprobación del profesor:________________________________________________

MÓDULO SOLAR

53

CARGAS DEL SISTEMA

54 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo Informativa

5

BANCO DE BATERÍAS Un banco de baterías es simplemente una fuente de alimentación de CC compuesta normalmente por más de una batería. Se pueden conectar varias baterías en serie para lograr voltajes de salida de CC más altos, lo que disminuye los requerimientos de corriente y tamaño de los cables. El voltaje en las baterías de un sistema de energía alternativa normalmente entrega niveles de CC de 12 V, 24 V o 48 V. Por ejemplo, dos baterías de 12 V conectadas en serie pueden entregar potencia a un sistema de 24 V; cuatro baterías de 12 V conectadas en serie pueden producir un voltaje de 48 V.

Figura 5-1. Baterías conectadas en serie y en paralelo.

Se pueden conectar varias baterías en paralelo para incrementar la corriente de salida de CC disponible. Si dos baterías de 12 V con una capacidad nominal de 110 Ah (1,32 kWh) se conectan en paralelo, el voltaje de salida sigue siendo de 12 V, pero la capacidad del banco de baterías es ahora el doble, alcanzando los 220 Ah (2,64 kWh). Por esta razón, generalmente los bancos de baterías están diseñados con una combinación de baterías conectadas en serie y en paralelo. De esta manera se obtiene el voltaje y la corriente requeridas para un sistema dado. El Sistema Didáctico en Energía Solar y Eólica utiliza un banco de baterías de 12 Vcc. Composición de una Batería En la figura 5-2 se muestran las partes básicas de una batería. Por definición, una batería contiene más de una celda. Por ejemplo, una batería de automóvil de 12 V contiene seis celdas de 2,1 V cada una. Múltiples celdas están internamente conectadas en serie para producir mayor voltaje en los terminales de la batería. Los electrodos metálicos positivo (+) y negativo (-), conocidos como placas, están aislados eléctricamente por una membrana porosa, llamada separador. Esta membrana está saturada por un líquido o gel electrolítico que permite a los iones moverse entre las placas. Una vez que la batería está cargada, las reacciones químicas entre las placas y el electrolito permiten a los electrones moverse desde el terminal positivo al negativo.

MÓDULO SOLAR

55

BANCO DE BATERÍAS

Terminal Positivo

Terminal Negativo

Separador Placa Negativa

Placa Positiva

Divisiones de Celdas

Ventilación de las Celdas

Recipiente de la Batería

Figura 5-2. Anatomía de una batería.

Tipos de Baterías Las baterías utilizan reacciones químicas para liberar la energía almacenada. Hay una gran cantidad de tipos de baterías disponibles hoy en día, con distintas formas, tamaños y composición química. Se pueden encontrar desde tipos de baterías portables hasta las grandes de alta capacidad. Las baterías primarias no pueden ser recargadas de manera segura o de manera repetida, por lo cual no pueden ser utilizadas en sistemas de energías alternativas. Algunos ejemplos de baterías primarias incluyen las baterías secas de carbón y zinc, las baterías alcalinas de dióxido de manganeso (llamadas simplemente alcalinas), las de litio-dióxido de manganeso (llamadas simplemente de litio), las baterías de zinc y las de óxido de plata. Las baterías secundarias pueden ser recargadas muchas veces. Los sistemas de energía alternativa requieren el uso de baterías secundarias para almacenar la potencia que es capturada de las fuentes renovables de energía. Algunas de las baterías secundarias más comunes, también llamadas baterías recargables, se listan a continuación. Baterías de plomo-ácido de celda húmeda —Son las más usadas en automóviles. Es un tipo de batería de bajo costo, disponible tanto sellada (plomo-ácido regulado por vía de una válvula) como ventilada (de manera que se pueda añadir agua destilada). Debe ser montada en posición “boca arriba” ya que tiene pequeñas fugas de humo y puede llegar a derramar el ácido. Estas baterías no toleran temperaturas extremas. Las celdas de plomo-ácido utilizan dióxido de plomo (PbO2) y plomo para las placas positiva (+) y negativa (-) respectivamente. El electrolito de esta batería es una solución de ácido sulfúrico diluido. Plomo-antimonio (Pb-Sb)

56 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

y plomo-calcio (Pb-Ca) son otros dos tipos de compuestos utilizados en las baterías de plomoácido. Baterías AGM (en inglés: AGM, Absorbed Glass Mat)—.En las baterías de manta de fibra absorbente AGM, las placas de fibra de vidrio actúan como separadores, los cuales están saturados en un 95% con ácido sulfúrico. Aunque de mayor costo, estas baterías selladas reguladas por válvula (en inglés: VRLA, valve-regulated lead-acid) son más confiables, seguras y no requieren a mantenimiento. Adicionalmente, no tiene riesgo de derrames y no emite fugas de humo. Pueden operar en cualquier posición, pero no soportan altas temperaturas. Baterías de gel—Este tipo de batería es otro ejemplo de una batería de plomo regulada por válvula (VRLA) que no emite gases y que puede ser montada en cualquier posición sin riesgo de derrames. Aunque este tipo de baterías es resistente al congelamiento, también es susceptible a las altas temperaturas. Igualmente, requiere un control muy preciso de las condiciones de carga, es más costosa y no soporta largos períodos de tiempo sin carga. Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) o níquel-hierro (Ni-Fe)—aunque su precio es elevado, este tipo de baterías son las ideales cuando se opera en temperaturas frías. Presenta características de alta corriente y ciclos profundos. La batería de níquel-cadmio contiene metales pesados, mientras que la batería de níquel-hierro es amigable con el medio ambiente y tiene una larga duración (más de 20 años). Baterías de níquel e hidruro metálico (Ni-MH)—similar a la batería de níquel-cadmio, este tipo de batería tiene un 40% más de duración y es incluso más amigable con el medio ambiente. Baterías de ión-litio—Este tipo de batería tiene una alta densidad de potencia, con tasas de carga bastante rápidas. Sin embargo, requiere técnicas de recarga altamente controladas y es relativamente costosa.

Figura 5-3. Batería sellada de plomo-ácido, tipo AGM de 12 V.

MÓDULO SOLAR

57

BANCO DE BATERÍAS

Estos tipos de baterías secundarias están clasificadas en tres clases o categorías adicionales: • Baterías de tracción. Son recomendadas para los sistemas de energía alternativas debido a su capacidad para soportar ciclos repetidos de descargas profundas. Son usadas comúnmente en vehículos eléctricos. Algunas aplicaciones de estas baterías incluyen carros eléctricos, motocicletas pequeñas, sillas de ruedas, carros de golf y carretillas elevadoras de carga. • Baterías de arranque SLI (en inglés: SLI, starting, lighting and ignition). Están diseñadas para ciclos de descarga poco profundos. Normalmente no son recomendadas para los sistemas de energía alternativas. Pueden desarrollar altos niveles de corriente en períodos cortos. Sin embargo, en algunos países en desarrollo constituyen una opción válida pues no es posible obtener las baterías de tracción fácilmente. Las aplicaciones más comunes se ven en el sector automotriz, botes, campamentos y otras actividades recreativas. Principalmente se usan para encender motores a gasolina. • Baterías estacionarias. Están diseñadas para un servicio muy limitado donde ocasionalmente se requiere un ciclo de descarga profunda. Estas baterías están diseñadas para permanecer por un largo periodo de tiempo en espera y son usadas comúnmente en situaciones de emergencia. Los ejemplos de aplicaciones incluyen sistemas de iluminación de emergencia, sistemas de seguridad, desfibriladores AED (en inglés: AED, automated external defibrillator) y aplicaciones de baterías de respaldo o UPS (en inglés: UPS, uninterruptible power system). NOTA: No use baterías de automóvil o baterías de ciclo poco profundo en sistemas de energía alternativa.

Las baterías de plomo son utilizadas normalmente en los sistemas de energía alternativas para almacenar y recolectar la energía solar o eólica. Las baterías de ciclo profundo permiten entregar altos niveles de corriente durante largos períodos de tiempo. Esta condición operativa es típica en uno de los sistemas de energías renovables. La selección del tipo apropiado de batería para un sistema de energía en particular requiere conocer los requerimientos de dicho sistema, tales como el voltaje nominal, la corriente máxima, las horas de operación, las condiciones ambientales, etc. La mejor manera de seleccionar una batería para un sistema dado es realizar consultas en Internet. El equipo didáctico opera con 12 Vcc y con menos de 35 A. Para las condiciones ambientales y de tiempo dadas para el uso en un salón de clases, varios tipos de baterías serían aceptables. El Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica utiliza una batería de plomo tipo AGM para almacenar la energía tomada de las fuentes solar y eólica. Carga de la Batería Algunas baterías, como las baterías de iones de litio requieren métodos de carga bastante precisos en los que el voltaje y la corriente deben ser cuidadosamente controlados durante el tiempo de duración de la recarga. Otros tipos de baterías son menos exigentes en cuanto a

58 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

las condiciones de control. La condición de carga de una batería puede ser verificada con una medición electrónica sencilla. NOTA: Consulte la documentación ofrecida por el fabricante de la batería para tener detalles de la instalación, mantenimiento e instrucciones de operación.

Para que una batería pueda aceptar corriente durante el proceso de carga, el voltaje de CC en los terminales de la batería debe ser sustancialmente mayor que el voltaje nominal sin carga, a circuito abierto, o en estado estacionario mientras no se está realizando ninguna carga. En la tabla 5-1 se presenta una lista de valores de voltaje típicos para diferentes tipos de baterías de plomo. Estos niveles de voltaje pueden variar con la temperatura. Tipo de Batería (de plomo-ácido)

Estado de la carga

Celda húmeda (ventilada/sellada)

Sin cargar (circuito abierto)

Celda húmeda (ventilada/sellada)

Voltaje de la Batería (nominal/referencia)

Voltaje de la Batería (rango)

12,6

11,4–12,8

Carga lenta

13,4 ó 13,7

13,3–13,8

Celda húmeda (ventilada/sellada)

Cargando (regulada)

14,4–14,5

13,9–14,9

Celda húmeda (ventilada)

Ecualización

15,0

14,9–15,1

AGM (sellada)

Sin cargar (circuito abierto)

12,6

11,4–12,8

AGM (sellada)

Carga lenta

13,4 ó 13,7

13,3–13,8

AGM (sellada)

Cargando (regulada)

14,1–14,2

13,9–14,9

AGM (sellada)

Ecualización

14,35

14,3–14,4

Celda de gel (sellada)

Sin cargar (circuito abierto)

12,6

11,4–12,8

Celda de gel (sellada)

Carga lenta

13,4 ó 13,7

13,3–13,8

Celda de gel (sellada)

Cargando (regulada)

14,0–14,1

13,9–14,9

Tabla 5-1. Voltajes de la batería. NOTA: Multiplique estos valores por dos para los sistemas de 24 V y por cuatro para los sistemas de 48 V.

En las baterías de plomo-ácido, se utilizan hasta tres estados para lograr la condición de carga completa: en bruto, por absorción y flotante.

MÓDULO SOLAR

59

BANCO DE BATERÍAS

Carga en bruto (normal)—En este estado, la batería se carga a una velocidad rápida hasta alcanzar el 80% o 90% de su capacidad especificada. Carga por absorción—En este estado, se termina de cargar el 5% o 10% restante de la capacidad de la batería. En este estado se reduce o se limita la corriente de carga para mantener un voltaje regulado por un cierto tiempo (generalmente entre una y tres horas). Carga lenta (flotante)—En este estado, la batería se carga hasta el 100% de su capacidad. El voltaje de carga disminuye hasta el nivel más bajo (flotante) y la corriente de carga disminuye hasta alcanzar un valor justo debajo del nivel de corriente de auto descarga. De esta manera se evita la condición de sobrecarga mientras que se mantiene una condición de carga completa. Las baterías de plomo-ácido con celda húmeda se desgastan y corroen con el paso del tiempo debido a la estratificación del electrolito (concentración desigual de ácido) y a la sulfatación (cristales de sulfato de plomo crecen en la placa positiva). Un voltaje controlado más alto y una corriente de sobrecarga limitada, llamada carga de ecualización, se utilizan periódicamente para mantener la consistencia dentro de las celdas de la batería. Esta operación prolonga la vida de la batería y ayuda a mantener su capacidad. Dependiendo del uso, las baterías de plomo-ácido con celda húmeda pueden ser ecualizadas semanal o mensualmente. Sin embargo, las baterías de plomo-ácido con celda seca o sellada no requieren ecualización. Algunos tipos de batería como el de las celdas de gel pueden ser dañadas permanentemente por esta carga. En todas las baterías de plomo-ácido, la sobrecarga ocasiona una gasificación excesiva (liberación de hidrógeno y oxígeno) que no solamente puede ser peligroso, sino que también puede agotar el electrolito de su concentración ácida. Debido a que el nivel de voltaje de sobrecarga es inversamente dependiente de la temperatura de la batería, durante la carga de la batería se usa normalmente la compensación de temperatura para prolongar su duración.

ADVERTENCIA: Los gases de hidrógeno y oxígeno que pueden liberarse durante la carga de una batería de plomo-ácido son altamente inflamables y extremadamente explosivos. ¡Nunca cargue un batería cerca de una llama o de una chispa!

Descarga de la Batería La descarga de una batería ocurre cuando la energía almacenada en la mísma se usa para energizar cargas. Las baterías también se pueden autodescargar debido a pérdidas químicas en su interior. El valor de autodescarga de una batería es normalmente insignificante y está especificado como un porcentaje de su capacidad de carga por mes. La profundidad de descarga PDD (en inglés: DOD, depth of discharge) define (en porcentaje) cuán lejos está una batería de su condición de carga completa (100%). El estado de carga EDC (en inglés SOC:

60 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

state of charge) define (en porcentaje) cuánta carga queda en una batería. Por lo tanto, por definición, la suma de estos dos valores (PDD más EDC) debe ser igual a 100%. Los valores de carga y descarga son especificados de manera similar, como una relación entre la capacidad normal de la batería en amperios-hora (Ah) y el tiempo en horas (h) que se requiere para la carga o la descarga. Por ejemplo, una batería de 200 Ah puede ser cargada a una relación de C/20 aplicando una corriente de 10 A. Esto significa que 1⁄20 de la capacidad nominal de la batería está siendo cargado por hora, o que una carga completa tomará 20 horas con este valor de corriente. Durante la descarga, una mayor cantidad de energía está disponible a un paso más lento de descarga y con temperaturas más altas. De manera similar, tiempos de carga lentos, como por ejemplo C/20, proporcionan mayor capacidad que los tiempos de carga más rápidos. Vida Útil de la Batería Muchas baterías de plomo-ácido tienen una especificación de sólo algunos de años en actividad normal (generalmente entre 1 y 15 años). Sin embargo, tecnologías recientes han permitido incrementar la vida útil de las baterías hasta un período de 70 años o más. Adicionalmente al diseño de la batería, la profundidad promedio de descarga, así como la frecuencia de los ciclos de carga y descarga y las variaciones de temperatura, juegan un papel muy importante en la duración de cualquier batería. Empaque de las Baterías Para garantizar una operación segura de las baterías de plomo-ácido, las mísmas deben estar contenidas dentro de su propio recipiente. Este armazón o carcasa ayuda a proteger la batería de cambios extremos en la temperatura, evita que el electrolito se derrame y también debe permitir una ventilación adecuada de los gases que se liberan. Otras Protecciones El cableado y los conectores de la batería deben ser diseñados y seleccionados apropiadamente de manera acorde con la aplicación. Se debe incluir siempre un fusible o un disyuntor conectado en serie con el banco de baterías para protegerlo contra las condiciones de sobrecorriente. Adicionalmente, se debería incluir un interruptor de desconexión para permitir una desconexión rápida de la energía del resto de los componentes del sistema. Este dispositivo es especialmente importante cuando se realizan trabajos de mantenimiento o en cualquier tipo de emergencia.

MÓDULO SOLAR

61

BANCO DE BATERÍAS

62 

MÓDULO SOLAR

Hoja de Trabajo

5

BANCO DE BATERÍAS OBJETIVOS En este actividad, aprenderá a verificar la condición de carga del banco de baterías para poder realizar así una correcta instalación y operación de un sistema eléctrico basado en energía solar.

EQUIPO REQUERIDO Consulte la Tabla de Utilización del Equipo en el Apéndice A para obtener una lista del equipo requerido para este trabajo.

PROCEDIMIENTOS DE SEGURIDAD Antes de continuar con este trabajo, complete la siguiente lista de verificación.

Está usando gafas de seguridad.



Está usando zapatos de seguridad.



 o está usando prendas que puedan quedar atrapadas en un equipo rotatorio N como una corbata, joyas o ropa suelta.



Si tiene el cabello muy largo, asegúrese que el mísmo esté recogido y amarrado.



El área de trabajo está limpia y libre de aceite.



El piso no está mojado.



Sus mangas están remangadas.

PROCEDIMIENTO NOTA: Para obtener información con respecto a los procedimientos de configuración básica, bloqueo y etiquetado (desenergizar) y energizar, vea el Apéndice D.

Configuración Básica ২  1.

Realice el procedimiento de configuración básica.

Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado ২  2.

Realice el procedimiento de bloqueo y etiquetado.

Configuración ২  3.

Comience instalando y realizando el cableado requerido de acuerdo a la figura 5-4.

MÓDULO SOLAR

63

BANCO DE BATERÍAS

Módulo Solar FV

Tierra del Chasís

-

+ Disyuntor

+ Sensor de Temperatura

Controlador de Carga Solar

Amperímetro

Disyuntor

Conexión Térmica

Interruptor de Desconexión

Barra de Distribución de Energía, Riel Positivo (+)

Interruptor de Desconexión

DPFT Disyuntor

+ Banco de Baterías

-

Barra de Distribución de Energía, Riel Negativo (-)

Chasis/Tierra Física NOTA: Todos los puntosTodos de Chasis/Tierra (cables verdes) deben(cables amarrarse juntosdeben en un punto en el juntos en un punto NOTA: los puntosFísica de Chasis/Tierra Física verdes) amarrarse marco del equipo en didáctico. el marco del equipo didáctico.

Figura 5-4. Configuración del sistema de baterías, sin carga.

64 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

২  4.

En la superficie de trabajo vertical, instale el controlador de carga solar, el interruptor de desconexión MS, el disyuntor de CC y el amperímetro de CC. Asegure las pestañas de cada módulo y posiciónelos de acuerdo a lo mostrado en la figura 5-5.

২  5.

Para mayor comodidad, los terminales positivos (+) y negativos (-) del banco de baterías deben estar ya conectados a la barra de distribución de energía. Por seguridad, el interruptor de desconexión BAT/INV y el disyuntor del banco de baterías deben estar ya conectados en serie entre el banco de baterías y la barra de distribución de energía. La utilización de una barra de distribución puede reducir los costos de cableado en la instalación del sistema. Utilice los rieles positivo (+) y negativo (-) para distribuir 12 Vcc a través del sistema. Usted también puede usar la barra de distribución como un punto conveniente para monitorear el voltaje del banco de baterías.

২  6.

Utilice conectores de cables rojos #8 AWG (10 mm2) para conectar el cable rojo positivo (+) del módulo solar al terminal positivo (+) del controlador de carga solar (entrada solar). NOTA: Cuando seleccione un cable, escoja la longitud mínima posible para realizar la conexión.

২  7.

Conecte el terminal positivo (+) del controlador de carga solar (salida de la batería) al terminal positivo (+) del amperímetro de CC.

২  8.

Conecte el terminal negativo (-) del amperímetro de CC al disyuntor.

২  9.

Conecte el otro terminal del disyuntor al interruptor de desconexión y el otro terminal del interruptor de desconexión al banco de baterías. Para ésto, instale el conector de un cable rojo entre el riel positivo (+) de la barra de distribución y el interruptor de desconexión.

২  10. Utilice conectores de cables negros #8 AWG (10mm2) para conectar el cable negro negativo (-) del módulo solar al terminal negativo (-) del controlador de carga solar (entrada solar). ২  11. Conecte el terminal negativo (-) del controlador de carga solar (salida de la batería) al riel negativo (-) de la barra de distribución.

MÓDULO SOLAR

65

BANCO DE BATERÍAS

২  12. Utilice el conector de un cable de conexión verde #8 AWG (10mm2) para conectar el cable del marco del módulo solar con el punto de chasis/tierra física del equipo didáctico. ২  13. Asegure que el sensor de temperatura de la batería esté conectado al controlador de carga solar. ২  14. El equipo didáctico debería estar conectado de una manera similar a lo mostrado en la figura 5-5.

MS

Hacia el Sensor de Temperatura del Módulo Solar Hacia el Banco de Baterías

Tierra de Chasis

BAT/INV

Figura 5-5. Cableado del sistema de baterías, sin carga.

২  15. Si todavía no está montado, solicite a su profesor que prepare y aliste el simulador solar.

66 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

২  16. Realice el procedimiento de energización. ২  17. Asegúrese que el interruptor del simulador solar esté en la posición de Apagado (Off) y luego conéctelo a la fuente de 120 Vca.

ADVERTENCIA: ¡No conecte ninguna otra parte del equipo didáctico a la red principal de CA!

২  18. Asegúrese de configurar el cero correcto en el amperímetro. De ser necesario, regule el tornillo en la parte frontal del medidor. Condiciones de la Batería Cuando no Está Cargando ২  19. Solicite a su profesor que verifique las conexiones realizadas. ২  20. Configure el tipo de batería del controlador de carga en Sellada (Sealed). ২  21. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Encendido (On). ২  22. Mantenga el interruptor de desconexión MS en la posición Apagado (Off). ২  23. Use la tabla 5-2 para registrar los valores medidos. ২  24. Utilizando el multímetro, mida y registre el voltaje de la batería que corre a través de la barra de distribución de energía. ২  25. Observe y registre la corriente CC mostrada en el amperímetro. Condiciones de la Batería

Corriente (A)

Voltaje (V)

Potencia (W)

Sin carga, sin cargador Con carga, sin cargador Sin carga, con cargador Con carga, con cargador Tabla 5-2. Condiciones de la batería (valores medidos y calculados).

MÓDULO SOLAR

67

BANCO DE BATERÍAS

NOTA: Para todos los cálculos y medidas, registre sus respuestas en la tabla 5-2.

২  26. Conecte la lámpara LED de 12 Vcc de la manera mostrada en las figuras 5-6 y 5-7. Mida y registre el voltaje.

Módulo Solar FV

-

Tierra del Chasís

+ Disyuntor

+ Sensor de Temperatura

Controlador de Carga Solar

Amperímetro

Disyuntor

Conexión Térmica

Interruptor de Desconexión

Barra de Distribución de Energía, Riel Positivo (+)

Interruptor de Desconexión

DPFT Disyuntor

+ Banco de Baterías

-

+ Lámpara

-

Barra de Distribución de Energía, Riel Negativo (-)

Chasis/Tierra Física

NOTA: Todos los puntos de Chasis/Tierra Física (cables verdes) deben amarrarse juntos en un punto en el marco del equipo didáctico.

Figura 5-6. Configuración del sistema de baterías, con carga.

68 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

MS

Hacia el Sensor de Temperatura del Módulo Solar Hacia el Banco de Baterías

Tierra del Chasis

BAT/INV

Figura 5-7. Cableado del sistema de baterías, con carga.

MÓDULO SOLAR

69

BANCO DE BATERÍAS

২  27. Con el multímetro ajustado para medir corriente CC, conéctelo en serie con la lámpara y mida la corriente en la lámpara. ২  28. Añada el valor de la corriente en lámpara al valor mostrado por el amperímetro y registre el valor total de la corriente en la tabla 5-2. ২  29. Calcule y registre los niveles de potencia en la tabla 5-2. Condiciones de la Batería Durante la Carga ২  30. Asegúrese que el módulo solar FV y el controlador de carga solar estén conectados de la manera mostrada en la figura 5-4. ২  31. Si todavía no está montado, solicite a su profesor que prepare y aliste el simulador solar. ২  32. Asegúrese que el interruptor del simulador solar esté en la posición de Apagado (Off) y luego conéctelo a la fuente de 120 Vca.

ADVERTENCIA: ¡No conecte ninguna otra parte del sistema didáctico a la red principal de CA!

২  33. Retire la lámpara LED de 12 Vcc, tal como se muestra en la figura 5-4. ২  34. Encienda el simulador solar. ২  35. Gire el interruptor de desconexión MS hasta la posición de Encendido (On). ২  36. Use el multímetro para medir el voltaje de la batería que corre a través de la barra de distribución de energía. ২  37. El voltaje del banco de baterías debería aumentar a medida que se avanza en el proceso de carga.

70 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

২  38. Antes de que el voltaje alcance los 14,2 V, registre el voltaje de la batería a través de la barra de distribución de energía. También registre el valor de corriente mostrado en el amperímetro. Agregue estos datos a la tabla 5-2. ২  39. Conecte nuevamente la lámpara LED de 12 Vcc de la manera mostrada en la figura 5-5 y mida y registre el voltaje. ২  40. Con el multímetro configurado para medir de corriente CC, conéctelo en serie con la lámpara y mida la corriente en la lámpara. ২  41. Sume el valor de la corriente en la lámpara al valor del amperímetro y registre el resultado en la tabla 5-2. ২  42. Apague el simulador solar. ২  43. Gire el interruptor de desconexión MS hasta la posición Apagado (Off). ২  44. Gire el interruptor de desconexión BAT/INV hasta la posición Apagado (Off). ২  45. Realice el procedimiento de desenergización. ২  46. Calcule y registre cualquier valor pendiente de potencia en la tabla 5-2. ২  47. Retire los cables de los módulos y ubíquelos en la parte inferior de almacenamiento de manera que los estudiantes del próximo grupo puedan repetir este trabajo.

MÓDULO SOLAR

71

BANCO DE BATERÍAS

Preguntas 1. De acuerdo a sus mediciones, ¿cuál es el voltaje de circuito abierto en el sistema con el banco de baterías sin carga (sin lámpara)? 2. ¿Corresponde este valor con los datos mostrados en la tabla 5-1 para el tipo de batería utilizado?

Sí



No

3. Según los datos de la tabla 5-1, ¿cuál es el voltaje regulado de carga para el tipo de batería utilizado? 4. De acuerdo al voltaje de carga medida, ¿se estaba cargando el banco de baterías? (PISTA: Para que se cargue la batería, el voltaje de carga debe ser mayor que el voltaje del circuito abierto)

Sí



No

5. Según el voltaje de carga medido y de acuerdo a el voltaje regulado de carga para este tipo de batería, ¿se puede decir que el controlador de carga está en modo de regulación? 6. Medida en porcentaje, cuál es la relación de capacidad de carga del banco de baterías con respecto a la corriente de la lámpara (100 x corriente de la carga/ capacidad de la batería)?

72 

MÓDULO SOLAR

BANCO DE BATERÍAS

7. La lámpara utilizada, ¿disminuyó significativamente el voltaje del banco de baterías?

Sí



No

8. ¿Por qué sí o por qué no?

Nombre: ______________________________________ Fecha: ________________

Aprobación del profesor:________________________________________________

MÓDULO SOLAR

73

BANCO DE BATERÍAS

74 

MÓDULO SOLAR

Apéndice A

Tabla de Utilización del Equipo NOMBRE DEL COMPONENTE

NÚMERO DE PARTE

HOJA DE TRABAJO 1

2

3

4

5

1

1

Estación de trabajo móvill

46801-J0

1

1

Módulo solar fotovoltaico

66070-10 o 65918 (externo)

1

1

1

Aerogenerador

66075 o 65938 (externo)

Interruptor de parada

66066

Controlador de carga solar FV

66065

1

1

Controlador de carga por derivación

66056

Resistencia de descarga

66057

Multímetro digital

6394

Monitor de uso de potencia (U/P)

66063

Amperímetro

66052

Medidor de Vatios-hora

parte de 66059 o 66059-A0 (UL/CSA)

Banco de baterías

65917

Inversor

66064

Interruptor de desconexión (con llave)

66054H y 66054V

Módulo de bloqueo y etiquetado (con cerrojo)

66061

Caja de disyuntores de CA

parte de 66059 o 66059-A0 (UL/CSA)

Disyuntor de CC

66058

Tomacorriente doble de CA/CC

66051-10

Tomacorriente doble de CA

66067

Interruptor de pared de CA/CC

66060

1

Adaptador para lámpara

parte de 66154

1

Lámpara incandecente

parte de 66154

1

Lámpara fluorecente

parte de 66154

1

Lámpara LED

parte de 66154

Barra de distribución de energía

66062

Panel de distribución de energía de CC

66053

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1 1 1

1

3

1

3

1

1

1

1

1

1

1

MÓDULO SOLAR

75

Apéndice A

NOMBRE DEL COMPONENTE

76 

NÚMERO DE PARTE

Motor de CC y controlador (Simulador de viento)

parte de 66075 o 65999 (motor) 66153 (controlador)

Lámpara reflectora de CA (Simulador solar)

66151

Caja de conexiones del banco de baterías

66050

Caja de conexiones del arreglo solar

66150-10

Paquete de accesorios (lámparas, fusibles, cables, adaptadores, múltiple de enchufes y cargador de baterías)

66154

Kit de cables de conexión

87339

MÓDULO SOLAR

HOJA DE TRABAJO 1

2

3

1

1

1

4

5

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Apéndice B

Tabla de Conversión de Unidades FACTOR DE CONVERSIÓN

UNIDADES SI ACELERACIÓN

UNIDADES IMPERIALES

centimetro por segundo cuadrado, cm/s2

0,3937

metro por segundo cuadrado, m/s2

3,2808

pulgada por segundo cuadrado, pulg./ s2 pie por segundo cuadrado, pie/s2

0,00155

pulgada cuadrada, pulg.2

0,1550

pulgada cuadrada, pulg.2

10,7639

pie cuadrado, pie2

litro por minuto, L/min

0,0351

pie cúbico por minuto, pie3/min

centímetro cúbico por minuto, cm3/min

0,0021

pie cúbico por hora, pie3/h

0,2248

libra fuerza, lbf

milímetro, mm

0,0394

pulgada, pulg.

centímetro, cm

0,3937

pulgada, pulg.

metro, m

39,3701

pulgada, pulg.

metro, m

3,2808

pie, pie

gramo, g

0,0353

onza, oz

kilogramo, kg

2,2046

libra, lb

0,00134

caballos de fuerza, hp

0,1450

libra fuerza por pulgada cuadrada, lbf/ pulg.2

newton metro, N·m

0,7376

libra fuerza pie, lbf·pie

newton metro, N·m

8,8507

libra fuerza pulgada, lbf·pulg.

centímetro por segundo, cm/s

0,0328

pie por segundo, pie/s

milímetro por segundo, mm/s

0,0394

pulgada por segundo, pulg./s

0,0610 35,3147

pulgada cúbica, pulg.3 pie cúbico, pie3

ÁREA milímetro cuadrado, mm2 centímetro cuadrado,

cm2

metro cuadrado, m2 FLUJO

FUERZA newton, N LONGITUD

MASA

POTENCIA vatio, W PRESIÓN kilopascal, kPa PAR FUERZA o TORQUE

VELOCIDAD

VOLUMEN centímetro cúbico, cm3 metro cúbico, m3 Cómo utilizar: Unidades imperiales = Unidades SI × factor de conversión Unidades SI = Unidades imperiales ÷ factor de conversión

MÓDULO SOLAR

77

Apéndice C

Procedimientos de Seguridad Antes de avanzar con esta actividad, complete la siguiente lista de verificación. ২  1.

Está usando gafas de seguridad.

২  2.

Está usando zapatos de seguridad.

২  3.

No está usando prendas que puedan quedar atrapadas en un equipo rotatorio como una corbata, joyas o ropa suelta.

২  4.

Si tiene el cabello muy largo, asegúrese que el mísmo esté recogido y amarrado.

২  5.

El área de trabajo está limpia y libre de aceite.

২  6.

El piso no está mojado.

২  7.

Sus mangas están remangadas.

MÓDULO SOLAR

79

Apéndice D

Configuración Básica y Procedimientos de Bloqueo y Etiquetado Este apéndice presenta la configuración básica y los procedimientos de bloqueo y etiquetado específicos para el Sistema Didáctico de Energía Solar y Eólica de Lab-Volt. Este apéndice está dividido en tres secciones: Procedimiento de Configuración Básica—explica las operaciones básicas que deben ser realizadas al iniciar el procedimiento del ejercicio. Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado (proceso de desenergización)—describe el procedimiento de bloqueo y etiquetado usado para desenergizar el sistema didáctico antes de configurar un circuito. Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado (proceso de energización)—presenta los detalles de cómo finalizar un procedimiento de bloqueo y etiquetado y energizar el sistema. Procedimiento de Configuración Básica Este procedimiento se recomienda al principio de cada experimento que incluya los módulos del sistema didáctico. Permite comprobar que el sistema esté seguro antes de realizar el cableado de circuitos específicos. ২  1.

২  2.

Asegúrese que las siguientes conexiones están desenchufadas (desconectadas) de cualquier fuente de energía.

Conexiones a la red de suministro de energía (en el medidor RSE de Vatios-hora)



Cable de alimentación al módulo de bloqueo y etiquetado, o a las conexiones residenciales de energía (en el medidor ER de Vatios-hora)



Cable de alimentación al simulador de viento



Cable de alimentación al simulador solar

Asegúrese que los siguientes interruptores están en la posición Apagado (Off).

Los tres disyuntores (en la caja de disyuntores de CA)



Interruptor del módulo de bloqueo y etiquetado



Interruptor del inversor de potencia



Los cuatro interruptores de desconexión (MS, TE, RD y BAT/INV)



Los cuatro interruptores de pared



Perilla de control del simulador de viento (posición mínima 0%, o girado totalmente en sentido antihorario)



Interruptor de encendido del simulador de viento



Interruptor de encendido del simulador solar



Interruptor de encendido del multímetro digital

MÓDULO SOLAR

81

Apéndice D

NOTA: El interruptor de parada puede permanecer en la posición de Encendido (On) en todo momento a menos que a usted se la haya ordenado específicamente lo contrario.

২  3.

Instale el módulo de bloqueo y etiquetado en la estación de trabajo móvil.

২  4.

Apague el módulo de bloqueo y etiquetado.

২  5.

Conecte el terminal de tierra verde del módulo de bloqueo y etiquetado al terminal de tierra verde del medidor ER de Vatios-hora.

২  6.

Conecte el terminal neutro blanco del módulo de bloqueo y etiquetado al terminal neutro blanco del medidor ER de Vatios-hora.

২  7.

Conecte el terminal de carga negro del módulo de bloqueo y etiquetado al terminal de carga negro del medidor ER de Vatios-hora.

২  8.

Enchufe el cable de alimentación de la parte superior del módulo de bloqueo y etiquetado a uno de los tomacorrientes de CA en la parte frontal del inversor de potencia.

Procedimiento de Bloqueo y Etiquetado (procedimiento de desenergización) ২  1.

Apague el módulo de bloqueo y etiquetado.

২  2.

Instale el cerrojo de bloqueo y los candados y etiquetas de los estudiantes en el módulo de bloqueo y etiquetado. Solicite al profesor que instale también el candado y la etiqueta del laboratorio. Consulte la figura D-1 para más detalles.

Figura D-1. Instalación del cerrojo de bloqueo, candado y etiquetas.

82 

MÓDULO SOLAR

Apéndice D ২  3.

Verifique que el interruptor del módulo de bloqueo y etiquetado no pueda ser encendido. Con un voltímetro, verifique que no hay voltaje presente entre los terminales de salida del módulo de bloqueo y etiquetadol o cual confirmaría que el circuito está desenergizado. Ahora puede configurar el circuito.

Procedimiento de Energización ২  1.

Interconecte los terminales de la conexión de polo a tierra de todos los módulos con el terminal de chasis/tierra física en el marco de la estación de trabajo móvil. En general, las conexiones de polo a tierra de CA requieren que se usen cables con conector tipo banana (verdes) y las conexiones de polo a tierra de CC requieren que se usen conectores de cable verde tipo #8 AWG (10 mm2). Use la siguiente lista de verificación para asegurarse que todos los componentes estén conectados a tierra correctamente. Vea la Figura D-2. NOTA: Algunos módulos de CC no incorporan terminales con conexión de polo a tierra.

Conexiones de CA de Polo a Tierra:

Módulo de bloqueo y etiquetado



Caja disyuntores de CA



Medidores de Vatios-hora (2)*



Inversor de potencia



Tomacorrientes dobles (4)



Interruptores de pared (4) *NOTA: Ambos medidores de Vatios-hora están precableados a la caja de disyuntores de CA, incluyendo las conexiones de polo a tierra.

Conexiones de CC de Polo a Tierra:

Aerogenerador



Torre del aerogenerador (parte del marco de la estación de trabajo móvil)



Módulo solar (chasis)



Controlador de carga por derivación



Dispositivo de protección de falla a tierra (DPFT), precableado NOTA: Para la protección personal, los terminales de CC negativos (–) están conectados al chasis/tierra física por medio del DPFT. Sin embargo esta medida de seguridad solo se requiere cuando los voltajes de CC del sistema son de 50 V o mayores.

MÓDULO SOLAR

83

Apéndice D

Al medidor RSE

Del aerogenerador

De la caja de disyuntores de CA

Del módulo solar Conexiones a tierra del sistema

Figura D-2. Conexiones a tierra del sistema.

২  2.

84 

Si usted está usando el motor de CC del simulador de viento, asegúrese que el panel de seguridad del motor/generador esté instalado.

MÓDULO SOLAR

Apéndice D ২  3.

Una vez que se hayan realizado las conexiones de polo a tierra, solicite a su profesor que verifique el circuito. Cuando el circuito esté correctamente conectado, notifique a todas las personas que estén trabajando alrededor de la estación de trabajo móvil que el sistema será energizado.

২  4.

Retire el cerrojo de seguridad, los candados y las etiquetas.

২  5.

Encienda el interruptor del módulo de bloqueo y etiquetado y regrese a su ejercicio.

MÓDULO SOLAR

85

Apéndice D

86 

MÓDULO SOLAR

Apéndice E

Símbolos de Diagrama Esquemático

MÓDULO SOLAR

87

Apéndice F

Uso de un Multímetro Digital Partes Los controles, conectores y los indicadores más importantes de un multímetro digital portátil son listados a continuación. 1. Control de encendido (ON/OFF) – Permite que el instrumento sea encendido o apagado. 2. Control de modo (o función) – Selecciona el parámetro a medir como voltaje de CC, voltaje de CA, corriente de CC, corriente de CA, resistencia o continuidad. 3. Control de rango (o escala) –Permite la selección manual del valor a escala completa (máximo) que puede ser medido para un parámetro dado. Este control también puede activar y desactivar una función de auto-rango, si el medidor contiene tal funcionalidad. 4. Controles de funciones especiales –Activan funciones especiales que pueden no estar disponibles en todos los medidores, tales como medición de capacitancia, inductancia, frecuencia o temperatura y prueba de diodos y/o transistores. También se pueden realizar operaciones matemáticas con los valores medidos tales como registrar los valores máximos y mínimos medidos (mín./máx.) durante una sesión, medición del desfase relativo de un valor en relación a un valor de referencia predefinido. También puede contar con una función para mantener el último valor medido en la pantalla después de que se han retirado las puntas de prueba del circuito, lo que permite operación manos libres.

6 3

4

1 2

5

Figura F-1. Multimetro digital típico.

5. Entradas para puntas de prueba –Ofrece una forma conveniente de conectar distintos tipos de puntas de prueba que están disponibles para propósitos de medición especiales. 6. Panel de pantalla de cristal líquido (LCD) –Proporciona la lectura numérica para indicar los valores medidos y los modos de operación y rangos seleccionados.

MÓDULO SOLAR

89

Apéndice F Conexiones Para mediciones de voltaje, corriente o resistencia, las puntas de prueba del medidor deben estar conectadas al sistema, circuito o dispositivo correctamente. Para medir voltaje, conecte las puntas en paralelo al sistema, circuito o dispositivo como se muestra en la figura F-2.

Figura F-2. Conexiones de las puntas de prueba del multímetro digital (para voltaje – energía encendida).

Para medir corriente, conecte las puntas en serie o en línea con el sistema, circuito o dispositivo como se muestra en la figura F-3.

Figura F-3. Conexiones de las puntas de prueba del multímetro digital (para corriente – energía encendida).

Para medir resistencia (o verificar continuidad), conecte las puntas en paralelo al sistema, circuito o dispositivo como se muestra en la figura F-4; debe asegurarse que toda la energía esté desconectada en el área que se está midiendo.

90 

MÓDULO SOLAR

Apéndice F

Figura F-4. Conexiones de las puntas de prueba del multímetro digital (para resistencia – energía apagada).

Operación Antes de medir cualquier parámetro eléctrico, el modo de operación del multímetro digital debe estar ajustado apropiadamente, escogiendo correctamente el rango de la medida de entrada o la función de escala completa. Siempre fije el medidor para leer el nivel más alto y una vez que el nivel aproximado es indicado, usted puede bajar la escala para obtener una medición más precisa (con mayor resolución en la pantalla). Cuando se sobrepasa el rango de medición, ésto se indica con las letras OL (en inglés:over load) o sobrecarga, o con el número 1 en el lado izquierdo de la pantalla. NOTA: Si su multímetro tiene una función de auto-rango activada, cuando las puntas de prueba estén conectadas al sistema, circuito o dispositivo, comenzará automáticamente usando el rango o escala más alto disponible y luego se ajustará al rango más preciso.

El medidor también debe ser fijado para mediciones de corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). El símbolo para CA es una línea ondulada (∼) y el símbolo para CC es una línea discontinua debajo de una línea continua ( ). El modo de operación, que puede ser voltaje (medido en voltios [V]), corriente (medida en amperios [A]) y resistencia (medida en ohmios [Ω]), debe ser seleccionado antes de realizar cualquier medición eléctrica. Milivoltios (mV) y miliamperios (mA) son medidas mil veces más pequeñas en valor que sus unidades de medida base (V y A respectivamente). Microamperios (µA) son medidas mil veces más pequeñas que miliamperios. La Ley de Ohm puede ser usada para calcular la potencia, en vatios (W), a partir de dos de los otros tres parámetros (V, A y Ω). La continuidad puede ser verificada seleccionando la función de notificación audible que puede también asociarse con la función de evaluación de diodos (mostrado por un símbolo esquemático del diodo en muchos medidores). Cuando se mide continuidad y resistencia, el circuito en cuestión NO debe estar energizado. Toda la energía se debe apagar para estos dos tipos de mediciones.

MÓDULO SOLAR

91

Apéndice F

¡PRECAUCIÓN!: ¡Apague toda la energía de un sistema, circuito o dispositivo eléctrico antes de realizar mediciones de resistencia o verificaciones de continuidad!

Seguridad Preste una especial atención a las áreas con altos voltajes en el sistema, circuito o dispositivo y verifique las especificaciones máximas del equipo de prueba para asegurar que los valores de entrada no excedan estos valores. NO conecte un medidor de corriente (amperímetro) directamente (en paralelo) a una fuente de voltaje. No conecte un voltímetro en serie con la fuente de energía o con la carga. No conecte un ohmímetro a través de componentes energizados.

¡PRECAUCIÓN!: ¡Un medidor de corriente (amperímetro) se comporta como un cortocircuito cuando se conecta en paralelo!

92 

MÓDULO SOLAR

¡Valoramos su opinión! Sus comentarios nos permitirán producir mejores manuales y desarrollar nuevos sistemas con el fin de responder adecuadamente a las necesidades de nuestros clientes. Sírvase contactarnos por correo electrónico a: [email protected] Para obtener mayor información visite nuestro sitio en Internet www.labvolt.com