Manual Fotovoltaico.pdf

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INTRODUCCION

Cuando pensamos en la energía solar, la luz y el calor son dos manifestacionesfáciles de identificar. Lo que no es tan obvio es reconocer que la energía eólica(viento) depende, parcialmente, de la energía solar, ya que el viento es el resultadodel movimiento de grandes masas de aire debido a:

1. La rotación de la Tierra (de este a oeste) alrededor de su eje (norte-sur).

2. Las diferencias térmicas en la atmósfera, y3. El calentamiento (o enfriamiento) desigual entre el agua de los

océanos y el de la masa continental debido a la presencia (o ausencia)del sol.

El agua se calienta (y enfría) mucho más rápido que los terrenos cercanos aella, creando durante el día (y la noche) una diferencia térmica entre ambos queprovoca el movimiento del aire entre la tierra y el mar en direcciones opuestasdurante esos períodos.

Una parte de la energía solar que llega a la Tierra (Capítulo 1), puede sertransformada, directamente, en energía eléctrica. A este fenómeno se lo conocecomo efecto fotovoltaico.

A mediados del siglo XIX (1839) el físico francés Becquerel descubrió elefecto fotovoltaico, pero su mecanismo no fué entendido hasta 1905, cuando AlbertEinsten presentó una explicación física para el mismo, la que fué corroboradaexperimentalmente por el físico norteamericano Millikan en 1920.

Las aplicaciones prácticas (1954) aparecieron cuando los primeros satélitesfueron lanzados al espacio. La necesidad de una fuente de energía eléctrica de largavida y bajo peso sólo pudo ser resuelta con el uso de los paneles fotovoltaicos. Sinpaneles fotovoltaicos sería imposible tener satélites de comunicaciones, la estaciónespacial o los robots que exploran hoy el planeta Marte.

Hacia 1972 comienzan las primeras aplicaciones terrestres con instalacionesque proporcionan energía eléctrica a transmisores ubicados en lugares pocoaccesibles. Hoy día (2004) la producción, calidad, variedad y costo de los sistemasfotovoltaicos permite un uso más extendido de los mismos en los países desarrolladosde Europa, Asia y América.

INTRODUCCION

ii

Otro aspecto importante para el consumidor es que la industria que fabricalos componentes que se usan en un sistema fotovoltaico ha madurado muchísimo,ofreciendo productos de alta calidad y confiabilidad.

El costo por watt instalado ha bajado a unos 5 dólares (EEUU), y nuevastecnologías y métodos de fabricación disminuirán aún más este costo.

Si bien este valor representa una reducción del 30% en los últimos 15 años,en países con bajo poder adquisitivo sigue siendo elevado. El problema se agudizadebido a la falta de créditos a largo plazo y bajo interés.

Los inconvenientes económicos no deben demorar la oportunidad paradifundir el conocimiento sobre el funcionamiento de estos sistemas, ya que en lugaresremotos, donde la posibilidad de un servicio eléctrico es remota o inexistente, unsistema fotovoltaico es la única solución económica para tener energía eléctricapara bombear agua potable, activar un pequeño refrigerador que preservemedicamentos perecederos, o proveer un mínimo de iluminación y confort a pobladosremotos.

El conocimiento debe preceder la implementación de estos sistemas.

Espero que este manual, cuya publicación es gratuita, permita a los lectoresque tienen curiosidad sobre el tema, adquirir los conocimientos básicos que lespermita experimentar con la construcción de sistemas de uno a varios paneles.

Agradezco sinceramente el apoyo que me han brindado las compañías cuyosproductos menciono en este manual, pero advierto a los lectores que la mención deun determinado producto no implica un endorso implícito del mismo.

Ing. Héctor L. GasquetAustin, Texas

ORGANIZACIONDEL MANUAL

Guía para su mejor utilizaciónEste manual tiene catorce (14) capítulos y tres (3) apéndices. Mi intención

fué la de proveer, en un solo libro, todo el material que un lector interesado en eltema podría necesitar, sin necesidad de obligarlo a recurrir a otros libros para reveero aprender los conceptos esenciales sobre los circuitos de corriente continua (CC) ode corriente alterna (CA).

El Apéndice I describe las leyes que gobiernan a un circuito eléctrico de CCy ofrece varios ejemplos de aplicación que facilitan el entendimiento de detallesque deben tenerse en cuenta en el diseño de un sistema FV de este tipo.

El Apéndice II introduce el concepto de reactancia y desfasaje en los circuitosde CA, así como el de potencia útil y reactiva.

El Apéndice III es totalmente complementario. Contiene temas sueltos sobrematemáticas (errores y aproximaciones, valores porcentuales y potencias de 10),unidades de medida del sistema inglés, aún usado en los EEUU, y suscorrespondientes valores en el sistema métrico. Consideré que como una grancantidad de productos son manufacturados en los EEUU, el conocimiento de estasunidades y sus factores de conversión era muy importante para entender las hojas deespecificaciones de estos productos.

De los catorce capítulos dedicados a entender un sistema FV, sólo el Capítulo14 describe una aplicación en detalle: el bombeo de agua usando un sistema FV.El tema del agua, y en particular su carencia, me incitó a incorporar este capítulo.

El Capítulo 1 es un capítulo de introducción, donde se explican los conceptosy unidades de medida de la radiación solar, incluyendo numerosos mapas queproporcionan datos sobre la radiación solar en las Américas.

El Capítulo 2 introduce un diagrama en bloques para un sistema FotovoltaicoBásico (CC). Considero que la mejor manera de entender un sistema de este tipo esir “de lo general a lo particular”. En este caso significa introducir el concepto debloques funcionales, para luego seguir con la descripción detallallada de cada bloque.

Los Capítulos 3 a 9 están dedicados a estas descripciones en detalles.En el Capítulo 10 se introduce los pasos que deben seguirse para diseñar un

sistema FV básico como el descripto en el capítulo 2. El proceso de diseño no sepresenta como un cartabón rígido, sino flexible, introduciéndose comentarios sobreposibles alternativas para el diseño, como la repercución de aumentar el número debaterías de acumulación o el de paneles. Entiendo que la introducción de estasvariaciones, y su discusión, ayudarán al lector a desarrollar una capacidad deevaluación propia, la que le permitará introducir las variantes necesarias para abaratarsu costo o incrementar su confiabilidad.

iii

ORGANIZACION

iv

El Capítulo 11 describe el diseño de un sistema fotovoltaico al que se añadenconsumos de CA.

El Capítulo 12 trata los detalles prácticos que deben tenerse en cuenta alinstalar un sistema fotovoltaico (FV).

El Capítulo 13 complementa los conocimientos de instalación describiendocómo ésta debe ser mantenida.

Si el lector no tiene ningún conocimiento técnico sobre circuitos, o desearefrescarlos, debe comenzar con la lectura de los Apéndices I y II.

Para aquellos lectores que ya poseen conocimientos técnicos sugiero quecomiencen la lectura de este manual desde la Introducción, ya que en ella se vuelcanconceptos importantes.

Como los capítulos que describen en detalle los componentes de un bloqueson independientes entre sí, se tiene la oportunidad de reveer el contenido de cadauno de ellos en forma rápida.

Quiero agradecer al Sr. Richard Perez, de la revista Home Power, así comoal personal técnico de las compañías Trojan, Exeltech y muchas otras, las quecolaboraron contestando mis pedidos de ayuda.

Espero que mi esfuerzo se vea compensado con la instalación, en algúnlugar de Latino-América, de un sistema FV en acción, construído y mantenidopor un técnico local, cambiando el estándar de vida de un hogar o un poblado.

Cómo leereste

manual

Agradecimiento

Nota Final

INDICE

v

Páginas

INTRODUCCION i - ii

ORGANIZACION DEL MANUAL iii - iv

INDICE v

CAPITULO 1- LA RADIACION SOLAR 1 - 18

CAPITULO 2- SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 19 - 24

CAPITULO 3- LA CELULA FOTOVOLTAICA 25 - 32

CAPITULO 4- EL PANEL FOTOVOLTAICO 33 - 46

CAPITULO 5- BATERIAS RECARGABLES 47 - 56

CAPITULO 6- BATERIAS SOLARES 57 - 66

CAPITULO 7- CONTROL DE CARGA 67 - 78

CAPITULO 8- CABLES DE CONECCION 79 - 86

CAPITULO 9- COMPONENTES AUXILIARES 87 - 104

CAPITULO 10- DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CC) 105 - 116

CAPITULO 11- DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CA) 117 - 128

CAPITULO 12- INSTALACION DE SISTEMAS 129 - 144

CAPITULO 13- MANTENIMIENTO DE SISTEMAS 145 - 156

CAPITULO 14- BOMBEO DE AGUA 157 - 174

APENDICE I- CIRCUITOS DE CONTINUA AI 1 - AI 16

APENDICE II- CIRCUITOS DE ALTERNA AII 1 - AII 12

APENDICE III- TEMAS SUELTOS AIII 1 - AIII 12

LA RADIACIONSOLAR

CAPITULO 1

Advertencia

Espectrovisible

Gráficadel

espectro

1

En este capítulo debo usar potencias de 10 y terminología asociada con esosvalores. Si Ud no está familiarizado con el tema, o con el concepto de largo de onda,lea el material en el Apéndice III.

La luz, no importa su origen (solar, foco incandescente o fluorescente) es el

resultado de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia. La parte visiblede la luz solar está contenida dentro de un determinado grupo de frecuencias, al quese lo denomina espectro visible (Figura 1.1). La distinta tonalidad de blanco que seobserva para la luz emitida por un foco incandescente, un tubo fluorecente o la luzsolar obedece a que el espectro visible no es el mismo para esas tres fuentes luminosas(Figura 1.2). Como veremos en este capítulo, el espectro de la luz solar varíaconstantemente.

Figura 1.1- Longitud de onda y frecuencia (espectro visible)

La manera de presentar un espectro es usar un sistema cartesiano (dos ejes a90°), donde el eje horizontal muestra las longitudes de onda que lo integran, y eleje vertical la cantidad porcentual de la energía máxima que corresponde a unadada longitud de onda (Figura 1.2).

En el Apéndice III se muestra que:

λ= c / f (1.1)

Donde c es una constante universal (la velocidad de propagación de la luzen el vacío). Esta expresión establece una relación inversa entre los valores de lalongitud de onda y la frecuencia, ya que el valor de λ se incrementa cuando el de lafrecuencia disminuye y viceversa. Las frecuencias más altas en la Figura 1.1corresponden al color violeta; las más bajas al rojo. El rango de frecuencias visiblescorresponde al orden de los THz (Tera hertzs).

λ nmF THz 750 600 500 430

Ultravioleta Infrarojo

2 CAPITULO 1- LA RADIACION SOLAR

Lámparaincandescente

(tungsteno)

Lámparafluorescente

Luz solaral alcanzar

el Zenit

Ene

rgía

Por

cent

ual

λ (nanometros)

La radiación de calor (no visible) corresponde a la radiación infraroja (por debajode la frecuencia del rojo). La radiación (no visible) del violeta corresponden a laradiación ultravioleta (por encima de la frecuencia del violeta).

Debo hacer notar que el espectro solar ilustrado en la Figura 1.2 estárestringido al rango visible de la luz solar y corresponde al de un sol que ha alcanzadoel zenit (posición más alta sobre el horizonte), con un cielo sin nubes.

Nota:

Fig. 1.2- Diferentes espectros luminosos

Cuando la luz solar atraviesa la atmósfera, su espectro se ve alterado por laabsorción, reflección y dispersión de los rayos solares que toma lugar debido alchoque de los fotones con minúsculas partículas en suspensión, o átomos de diferentesgases, así como de agua (nubes). La luz del sol para un día nublado tiene menosenergía pues algunas frecuencias han sido atenuadas o absorbidas. Este mecanismose intensifica cuando los rayos solares deben atravesar mayores distancias, y explicael cambio tonal de la luz solar durante su recorrido diurno.

El espectro solar que ven las células fotovoltaicas de un satétile espacial nosólo es diferente al de la luz que llega a la Tierra, pero más intenso.

A) Términos usados en las especificacionesMasa de aire (M)

Este térmico define, indirectamente, la distancia entre la altura del sol respectoal horizonte y un observador fijo sobre la Tierra. Cuando el sol ha alcanzado elzenit, la distancia entre el observador y el sol es mínima, ya que los rayos solarescaen formando un ángulo de 90° respecto al horizonte. Cuando el sol está máscercano al horizonte, la masa de aire (M) crece, y la distancia que deben atravesarlos rayos para alcanzar la posición del observador se incrementa. La Figura 1.3ilustra este concepto.

Variaciónespectral

Terminología

3CAPITULO 1- LA RADIACION SOLAR

Zenit

α

M1

Observador

M1,5

M3

M6

M1,25

NOTA: Las distancias no están en escala

Fig. 1.3- Masa de Aire

A la posición del zenit se le asigna, como referencia, una masa de aire unitaria(M1). Para cualquier otra distancia la masa de aire estará dada por la expresión:

Masa de Aire = 1 / cosα (1.2)

donde α es el ángulo formado entre la posición de zenit y la posición del sol en elmomento de la observación. Dado que el valor del coseno de un ángulo varía entre1 y 0 cuando el ángulo varía entre 0 y 90°, cuando el valor de α crece, el valor de sucoseno disminuye, siendo siempre menor que la unidad. La inversa de ese valor (1/cosα) representa un valor que crece entre 1 e infinito.

Si se conoce la masa de aire, el ángulo α puede ser calculado de la expresiónanterior, obteniéndose que:

cosα = 1 / Masa de Aire (1.3)y

α = arc cos (1/M) (1.4)

donde arc cos es el valor del êngulo cuyo coseno es el valor entre paréntesis.Se deduce así que una masa de aire de valor 1,5 corresponde a un ángulo

cuyo coseno tiene un valor de 0,6666, o sea unos 48°. Los valores correspondientesa los ángulos (+/-) α tienen el mismo valor, ya que cos α = cos -α .

El valor M0 está reservado para el espectro luminoso fuera de la atmósferay no puede ser derivado de la expresión (1.2).

La fuente luminosa usada para medir la potencia máxima de salida de unpanel FV tiene un espectro luminoso correspondiente a M1,5.

Este valor es uno de los parámetros de medición que han sido adoptadocomo éstandar para evaluar la potencia eléctrica máxima (pico) de salida de unpanel FV.Irradiación

Irradiación es el valor de la potencia luminosa (energía/unidad de tiempo)que recibe una superficie de 1m2 en un determinado instante. Cuando la masa deaire es de 1,5 la potencia de la radiación solar es de 1 KW/m2 (cielo claro). Estevalor, conocido con el nombre de SOL, es otro de los parámetros de medición quehan sido estandarizados para evaluar la potencia de salida máxima de un panel.Recordando que 1m2 = 10.000 cm2, y que 1 KW = 1.000 W, se tiene que:


1 SOL = 1 KW/m2 = 100 milliwatts/cm2

Las dos cantidades son usadas, indistintamente, en las especificaciones depaneles FVs.B) Términos usados en el diseñoInsolación.

La cantidad de energía solar (directa y reflejada) que se recibe durante laduración del día, en un punto determinado del planeta, sobre una superficie colectorahorizontal de 1m2, recibe el nombre de insolación.

El término deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez, representaun acronismo derivado de tres palabras del mismo idioma: incident solar radiation(radiación solar incidente).

Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolación de unlugar. La más conveniente para nuestra aplicación es el Kilowat.hora por metrocuadrado (KWh/m2), o su valor equivalente en miliwat.hora por centímetrocuadrado (mWh/cm2). Si la energía del sol se utilizare para calentar agua, resultarámás conveniente usar como unidad para el diseño las calorías por metro cuadrado(Cal/m2 ) o los Btu/f2 (British thermal unit por pié cuadrado). Consulte el ApéndiceIII para ver sus valores equivalentes.

La especificación de un panel FV nos dá el valor máximo de potencia queéste puede generar, pero la duración de la luz solar varía día a día y momento amomento, dificultando el cálculo de la energía diaria (potencia por tiempo) quepuede generarse.

Este obstáculo puede solucionarse si la duración del día solar se reduce a unvalor promedio fijo que contemple las variaciones en el valor de la insolación paraesa locación y estación del año.

Por definición, un valor promedio debe ser obtenido llevando a cabomediciones en ese lugar durante un largo período de tiempo. Esta última condiciónasegura que no habrá distorsiones cuando se midan variaciones estacionalesdesusuales para un determinado año. Un período mínimo de diez (10) años demediciones diarias de la insolación son necesarios para generar un valor confiable,que posteriormente puede ser actualizado cuando la acumulación de medicionesposteriores indiquen que el promedio anterior necesita una corrección. Dado que esimposible medir todos los puntos en la Tierra, existen programas que calculan elvalor promedio para zonas ubicadas entre locaciones donde se realizaron medidas.

El Día Solar (DS) representa el valor promedio de horas, del total de horasentre el amanecer y el anochecer, durante el cual un sol “equivalente” (con radiaciónconstante de 1 SOL) es capaz de generar la misma cantidad de energía que el solverdadero entrega, en promedio, en esa locación, para esa época del año.

Como ejemplo, supongamos que en una locación el valor de insolaciónestacional promedio es de 5 KWh/m2/día. Desde el punto de vista energético(potencia por tiempo) podemos asumir un DS de 5horas, con una irradiación constantede 1KW/m2, ya que el producto 5hrs/día x 1KW/m2 representa el mismo valorenergético de insolación.

Unidadesde

medida

Valorpromedio

Día Solar(DS)


Energía promedio:

Irradiación:

Horas

5KWh/m2/día

1 Sol

5

Fig. 1.4- Día Solar de 5 horas

La Figura 1.4 ilustra, en forma gráfica, el significado de esta equivalencia.La superficie del rectángulo representa la energía solar promedio medida.

Los valores de insolación promedio, para una dada locación, se obtienenusando colectores fijos con varios ángulos de inclinación (Figura 1.5) para lasuperficie colectora: horizontal (0°), latitud del lugar menos 15°, latitud, latitudmás 15°, y vertical (90°). Estos datos son complementados con mediciones tomadasusando superficies colectoras móviles, las que son montadas en aparatos que,automáticamente, siguen la trayectoria del sol.

La información proporciona, asimismo, valores de insolación máxima ymínima registrados mensualmente en esa zona, así como datos metereológicos:temperaturas máxima y mínima para el lugar, porciento de humedad relativa, yvelocidad promedio del viento.

Un dato importante, el de los días consecutivos sin sol, no forma parte de lainformación, a pesar de su importancia para el cálculo del tamaño del banco debaterías, como veremos más adelante.

El ángulo de inclinación (α) es el formado entre la superficie colectora y lahorizontal del lugar (Figura 1.5). Para un dado valor del ángulo de inclinación,dependiendo de la position del sol sobre el horizonte, existirá un valor para el ángulode incidencia (β) que forma la perpendicular a la superfice de colección con losrayos incidentes.

Datos sobreel DS

Panel FV

Horizontalα

β

Perpendicular a la superficie del panel

Rayo Incidente

α

β

Angulo de inclinación

Angulo de incidencia

P

P

Fig. 1.5- Angulo de inclinación y de incidencia

Angulode

inclinacióne

incidencia


La energía a colectarse aumenta cuando β es cero (rayos incidentesperpendiculares al panel). En la práctica es imposible alcanzar este valor, durantetodo el año, usando un panel fijo. Si asumimos que el ángulo de incidencia de laFigura 1.5 corresponde a la posición del zenit para una de las estaciones extremas(invierno o verano), el valor de β puede hacerse cero alterando la inclinación delpanel. Esta proposición no es muy práctica en la mayoría de los casos.

Es preferible dar al ángulo de inclinación (α) un valor igual al de la latituddel lugar más 15° (posición favorable para el invierno) y aceptar una pequeña pérdidaenergética durante el verano.

Otro aspecto que debe tenerse en consideración es que, dependiendo de lalatitud en donde Ud viva, la diferencia estacional en la altura del sol al alcanzar elzenit puede ofrecer cambios substanciales o mínimos, de manera que la necesidadde ajustar el ángulo de inclinación del panel puede no requerirse, o ser necesariasólo dos veces al año.

Un ejemplo de ajuste nulo se tiene cuando los paneles son instalados enzonas cercanas a los polos, como ocurre en el norte de los países escandinavos, o enla Antártida. Para estas instalaciones un ángulo fijo (cercanos a la vertical) essuficiente, dado que la altura del sol no cambia substancialmente durante el veranopolar.

Las Figuras 1.6 a 1.17 muestran los valores para el Día Solar Promedio en elcontinente americano, durante un año, para tres ángulos de inclinación:

• Un ángulo igual al de la latitud del lugar.• Un ángulo igual a la latitud del lugar más 15°.• Un ángulo igual a la latitud del lugar menos 15°.

Estos valores permitirán al lector apreciar la necesidad de tener uncolector fijo, adjustable o con seguidor automático.

En estos mapas se usa el punto, en lugar de la coma, para separar la cantidaddecimal, notación típica de los EEUU de América, donde esta information tieneorigen.

Valoresparael DS

Nota:


Inclinación: LATITUDNorte del Ecuador: Primavera

Sur del Ecuador: Otoño

Fig. 1. 6 - DURACION DE LA RADIACION SOLAR PROMEDIO


Inclinación: LATITUD + 15°Norte del Ecuador: Primavera

Sur del Ecuador:



Inclinación: LATITUD - 15°Norte del Ecuador: Primavera

Sur del Ecuador: Otoño



Inclinación: LATITUDNorte del Ecuador: VeranoSur del Ecuador: Invierno




Inclinación: LATITUD + 15°Norte del Ecuador: VeranoSur del Ecuador: Invierno


Inclinación: LATITUD - 15°Norte del Ecuador: VeranoSur del Ecuador: Invierno

Fig. 1.11 - DURACION DE LA RADIACION SOLAR PROMEDIO


Inclinación: LATITUDNorte del Ecuador: Otoño

Sur del Ecuador: Primavera



Inclinación: LATITUD + 15°Norte del Ecuador: Otoño




Inclinación: LATITUD - 15°Norte del Ecuador: Otoño




Inclinación: LATITUDNorte del Ecuador: Invierno

Sur del Ecuador: Verano



Inclinación: LATITUD + 15°Norte del Ecuador: Invierno


Fig. 1.1 6 - DURACION DE LA RADIACION SOLAR PROMEDIO


Inclinación: LATITUD - 15°Norte del Ecuador: Invierno



19

CAPITULO 2

SISTEMASFOTOVOLTAICOS

SistemaFotovoltaico

Cargaeléctrica

Tipos de carga

Régimende carga

Cantidad

Período

Un sistema FV es el resultado de la integración de varios bloques funcionales, conel fin de suplir, diariamente, la energía eléctrica requerida por la carga (consumo).

Esta definición es la misma que corresponde al servicio domiciliario de una usinageneradora tradicional. La diferencia fundamental es que en un sistema FV el “combustible”es la energía solar. Por ahora es importante destacar dos conceptos que están implícitos enla definición:

La carga eléctrica determina que bloques funcionales deben formar parte del sistema.Diariamente, el sistema deberá mantener un balance energético entre la cantidadgenerada y la consumida. Al analizar el diseño veremos que el costo del sistema seincrementa cuando el balance energético debe mantenerse durante períodos deinsolación baja o nula.

Dos valores, variables de sistema a sistema, determinan el valor de una carga eléctrica:el tipo y el régimen de carga.

Existen tres tipos de carga (consumo): CC, CA o mixta (CC y CA).

El régimen de carga estará definido cuando se conozcan los valores de tres variables:

La cantidad de energía que la carga requiere por día.El período del día durante el cual se usará esa energía.El valor máximo (pico) que alcance el consumo.

La cantidad de energía, medida en Wh/día ó KWh/día, dependiendo del consumo,estará determinada por la cantidad y tipo de aparatos a conectarse, así como también de lashoras diarias en que permanezcan activos.

La energía a generarse (acumularse) depende del período de consumo, el que puedeser:

Diurno, el que no requiere un bloque de acumulación.Nocturno, el que requiere un bloque de acumulación.Continuo, día y noche, el que también requiere un bloque de acumulación.

20 CAPITULO 2- SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Consumopico

Sistemanocturno

Nota:

Ejemplos El bombeo de agua, el que se lleva a cabo durante el día, es un ejemplo deconsumo diurno. Otra aplicación diurna es un sistema FV doméstico que estápermanentemente conectado a la red domiciliaria. Estos sistemas son muy popularesen Europa y los EEUU, donde existen leyes que les permiten a sus dueños vender elexceso de generación a la compañía proveedora de electricidad. La contabilidadenergética es instantánea ya que se usan medidores que giran en ambas direcciones.El beneficio es mutuo; la compañía ahorra el costo de expansión de la usinageneradora, el consumidor abarata el costo de su suministro.

En lugares donde no existe una red eléctrica, el consumo diario suele sernocturno. Estos sistemas generan, durante el día, la energía eléctrica que seráutilizada durante parte de la noche para iluminar habitaciones y para recreación(televisión y radio). Una boya marina ó una cartelera iluminada al borde de uncamino, son otros ejemplos de consumos nocturnos.

Si un sistema FV debe abastecer un transmisor telefónico en un lugar remoto,o una refrigeradora eléctrica, el régimen de uso será continuo, ya que deberá proveerenergía durante las 24 horas del día.

Por último, el diseñador debe analizar si el régimen de carga requiere unapotencia constante, o si existen demandas temporarias donde varias cargas eléctricasdeben ser alimentadas al mismo tiempo, durante un período de tiempo. Esta últimacaracterística (consumo pico), si no puede ser evitada, deberá ser satisfecha o elsistema tendrá un déficit energético.

Más adelante introduciremos otra variación de consumo instantánea: el transitoriode línea.

El más básico de los sistemas FVs es el de régimen diurno, donde no serequiere un banco de baterías de reserva. Sin embargo, una aplicación muy populares la instalación de un sistema FV nocturno con cargas de CC y por ello comenzarécon la descripción de un sistema de este tipo.

La Figura 2.1 ilustra los bloques funcionales que integran este tipo de sistema,así como los componentes usados comúnmente en cada bloque functional.

-+

- +

Bloque de Generación

1

23

4

Bloque de Acumulación Carga

5

6

7. Caja de entradacon fusibles

8. Toma detierra

7

4. Banco deBaterías

3. Control deCarga

2. PanelesFVs

1. Proteccióncontra rayos

8

5. Fusible deprotección

6. Monitorde Carga

Figura 2.1- Sistema FV nocturno

21CAPITULO 2 - SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

BloqueGenerador

Pérdidas

Bloque deAcumulación

Nota:

Nota:

El análisis que haré en este capítulo es del tipo cualitativo, ya que el propósitoes introducir las ideas fundamentales asociadas con cada bloque en el sistema. Debodestacar que un bloque que no es obvio es el Cableado de interconección, el queestá distribuído en todo el sistema.

Los paneles FVs forman este bloque. El número de ellos dependerá de variosfactores. Entre ellos, los más obvios, son:

⇒ El valor promedio de la insolación del lugar (DS),⇒ La carga (régimen y tipo),⇒ La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado.

Los paneles deben tener una efectiva protección contra rayos, como veremosen detalle al hablar de la instalación del sistema. El bloque de generación actúacomo un generador de CC, ya que un panel FV sólo genera voltaje de este tipo.

Cuando un tipo de energía (luz solar) se transforma en otro tipo (energíaeléctrica) la transformación no puede llevarse a cabo sin que ocurran pérdidas. Alestudiar las baterías de acumulación (Capítulos 5 y 6), donde la energía química setransforma en eléctrica durante la descarga y la eléctrica en química durante lacarga, veremos que ambas transformaciones de energía se llevan a cabo con pérdidas.

Como las pérdidas son siempre parte de una transformación energética, sóloun porciento de la energía luminosa recibida se convertirá en energía eléctrica, de lacual sólo un porciento podrá ser acumulada como energía química en las baterías.De la energía acumulada, sólo un porciento podrá ser transferida a la carga comoenergía eléctrica, donde sólo un porciento se transforma en energía útil.

A estas pérdidas de transformación deben sumarse las pérdidas de energíatransformada en calor en los cables de conección y en los componentes que integranel sistema. Este párrafo aparece como desalentador, pero el lector debe tener presenteque una usina de electricidad está afectada por pérdidas similares.

Es evidente entonces que el diseñador deberá estimar las pérdidas del sistema yagregarlas a la parte generadora, a fin de no perder el balance entre generacióny consumo.

El bloque de Acumulación contiene tres componentes: el control de carga,el banco de baterías, y el fusible de protección. El monitor de carga, como veremosa continuación, puede formar parte del control de carga o convertirse en uncomponente adicional.

Un sistema diurno, a pesar de no tener un bloque de acumulación, tiene un controlentre los paneles y la carga, pero los requerimientos de diseño son diferentes, comoveremos en el Capítulo 14.

El control de carga usado en el sistema nocturno de la Figura 2.1 cumple variasfunciones:


Nota:

Bloque deCarga

Cableado

Evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche,cuando el voltaje de salida del panel FV es nulo.Evita la sobrecarga de las baterías, lo que acorta la vida útil de las mismas.Provee el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador.Mantiene abierto el circuito de carga si el voltaje de salida de los paneles esmenor que el del banco de acumulación.Provee funciones auxiliares, como la del monitoreo del nivel de carga delbanco de reserva y otras que son opcionales.

El banco de baterías usa un tipo especial de batería llamada batería solar(Capítulo 6). Estas baterías se ofrecen en versiones de 6 y 12V. Una batería solar esuna batería diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchosciclos de carga y descarga. El diagrama de la Figura 2.1 muestra dos baterías de 6Vconectadas en serie, en un sistema de 12V nominales.

El fusible de baterías es incorporado al sistema como un elemento deseguridad. Aún cuando el banco consista de una sola unidad, un cortocircuitoaccidental entre los bornes de salida hará que la corriente que circula por la bateríaalcance valores de miles de amperes, por varios segundos. Este altísimo valor decorriente acelera la reacción química y la disipación de calor dentro de la unidad, laque varía con el cuadrado del valor de la corriente. Los gases generados no podránescapar en su totalidad, llegando a producir una violenta explosión. Como las bateríasutilizan electrolitos altamente corrosivos, las consecuencias pueden ser trágicas.Cortocircuitos que no terminan en explosiones acortan la vida útil de las baterías ypueden dañar, asimismo, la aislación de los cables de conección (excesivas pérdidasde calor).

Si el control de carga no ofrece ninguna capacidad de monitoreo, desusual en laactualidad, Ud deberá incorporar un componente que performe esta función, yaque es imprescindible saber el estado de carga del banco de acumulación si sequiere extender la vida útil del mismo (Capítulo 13).

El bloque de Carga comprende los circuitos de entrada y alimentación dentrode la casa. La caja de fusibles hace posible la fragmentación del consumo,permitiendo el uso de cables de menor diámetro (y costo), los que son más fácilesde instalar. Otra ventaja es que se evita quedarse sin electricidad en toda la casacuando se produce un desperfecto eléctrico en una zona de la misma. La coneccióna tierra a la entrada de la carga es una norma de seguridad para los usuarios delsistema, así como una buena práctica de instalación para cualquier tipo de sistema.

El bloque de Cableado (Capítulo 8) es considerado uno de los bloquesbásicos del sistema porque el dimensionamiento del mismo tiene un rol muyimportante en la reducción de pérdidas por calor. Deberá recordarse que para undado régimen de carga (Watts), la corriente disminuye cuando el voltaje del sistemase incrementa. En la práctica muchos de los aparatos de CC son fabricados para12 V, de manera que este voltaje se ha convertido, por necesidad, en el más popularen sistemas con cargas de CC.

23CAPITULO 2 - SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Costo

Economía

Comentarios

Cuando el consumo se incrementa, la corriente de carga también aumenta,necesitándose cables de mayor diámetro y costo, los que son más difíciles de conectar.Si se llega a esta condición, se necesita reveer el diseño.

La selección del conductor a usarse debe ser hecha teniendo en cuenta variosfactores. Los más importantes son: la capacidad del cable de manejar la corrientemáxima que debe circular por el mismo, el tipo de aislación, el tipo de conductor(sólido o multi-alambre) y, por último, el material con que está hecho el conductor.

El costo de los paneles y las baterías en este tipo de sistema son los que másinfluyen en el costo de adquisición (costo inicial). La vida útil de los paneles excedelos 20 años, de manera que el costo a largo plazo estará influenciado por el costo dereemplazo del banco de baterías. Para estimar este costo asuma una vida útil de diez(10) años, lo que implica que en veinte (20) años de uso deberá cambiar el banco debaterías al menos una vez.

Los diez (10) años estimados para la vida útil de las baterías sólo seránposible si éstas no sufren excesivo abuso y el sistema ha sido diseñado correctamente.

La vida útil de los cables iguala a la de los paneles FVs, siempre que setomen precauciones para evitar o dismunuír la acción de la radiación ultravioleta enlos cables a la intemperie, la que deteriora la cubierta aisladora. La acción destructivade roedores y algunas especies de hormigas, o la selección incorrecta del cableconductor son factores que contribuyen, en muchas instalaciones, a acortar la vidaútil de los conductores.

El resto de los componentes tienen, aproximadamente, la vida útil de lospaneles. Muchos de estos componentes utilizan semi-conductores los que soportanuna temperatura máxima de trabajo. Para alargar su vida útil siempre elija lugarescon una temperatura ambiente cercana a la requerida por el fabricante, y permita lalibre circulación del aire a su alrededor.

El costo inicial asociado con un sistema FV que reemplace el servicio que lebrinda la usina eléctrica local es muy alto para que resulte económico. Tenga presenteque cuando Ud instala un sistema FV se convierte en el dueño de una pequeña usinaeléctrica, teniendo que enfrentar los costos iniciales de materiales e instalación, asícomo los de mantenimiento.

La instalación de los sistemas diurnos mencionados al principio de estecapítulo sólo resulta atractiva cuando cuando se ofrece una compensaciónpromocional que cubra entre el 15 y el 20% del costo inicial.

En la actualidad los sistemas FVs domésticos que resultan económicos sonaquellos que se instalan en lugares remotos donde la posibilidad de una red dealimentación domiciliaria es prácticamente nula, o donde el costo de la extensiónde una línea cercana es cercano al del sistema FV.

Para cerrar este capítulo de introducción a los sistemas FVs consideronecesario comentar sobre actitudes erróneas tomadas por aquellos que instalanpequeños sistemas (uno a tres paneles). Como estos sistemas son usados por personasde bajos recursos, existe la tentación de considerar como redundantes algunos delos componentes descriptos en este manual, o substituír un componente por otroque no es el adecuado.


Esta actitud resulta en una falsa economía que se traduce en sistemas con altoscostos de mantenimiento y, en algunas circunstancias, peligrosos.

Irónicamente, en un sistema pequeño, debido a la falta de redundancia, elconocimiento del estado de carga de las baterías, así como la calidad de estecomponente, resultan ser más críticos que en un sistema con mayor reserva. Desdeel punto de vista de la seguridad, el cortocircuito de una batería puede tenerconsecuencias desastrosas si ésta está ubicada dentro de la zona habitacional, sinprotección alguna.

Por favor! Use el sentido común y evalúe cuidadosamente las consecuenciasasociadas con la supresión o substitución de componentes. Espero que este manualayude con sus comentarios a desarrollar en el lector la capacidad para diseñar unsistema económico, sin comprometer la seguridad o la vida útil del mismo.

25

CAPITULO 3

LA CELULAFOTOVOLTAICA

Fotovoltaico

Conductoresy aislantes

Fenómenofotovoltaico

La palabra fotovoltaico(a) está formada por la combinación de dos palabras,una de origen griego: foto, que significa luz, y la otra voltaico que significa eléctrico.El nombre resume la acción de estas células: transfomar, directamente, la energíaluminosa en energía eléctrica.

La transformación de la energía luminosa en eléctrica toma lugar en lanaturaleza durante el proceso de fotosíntesis, pero desde el punto de vista práctico(menores pérdidas) sólo tiene valor comercial la que toma lugar dentro de un diodosemiconductor. Como el proceso de elaboración de estos diodos precede al de lamanufactura de las células FVs, las unidades tienen un alto grado de repetibilidad.

Las células FVs son manufacturadas usando diferentes materiales y procesospara crear los diodos, ya que los fabricantes continúan explorando la manera deabaratar el costo o incrementar la eficiencia de conversión de las mismas.

Cuando la luz solar incidente tiene la energía y el espectro luminoso necesariopara alterar el estado de equilibrio de la juntura N-P en estos diodos, se genera unexceso de cargas libres, las que pueden sostener una corriente, si se cierra el circuitoexterno.

Para aquellos lectores que quieren conocer el fenómeno con mayor detalle,paso a darles un resumen sobre el tema.

Dado que el fenómeno FV toma lugar dentro de un semiconductor, se hacenecesario entender que hace que un material sea un buen conductor, un buen aislante(no-conductor) y, por último, un semiconductor.

La corriente eléctrica, por definición, es la cantidad de cargas que circulanpor unidad de tiempo. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un material,se crea un campo eléctrico dentro del mismo. Los electrones ubicados en la órbitaexterior del átomo de este material, la más lejana del núcleo, estarán sometidos auna fuerza cuyo valor está dado por la expresión:

F = q x E (3.1)

Donde q es el valor de la carga (en Coulombs) y E es el valor del campoeléctrico en V/m. ¿Qué determina la conducción (o no-conducción) en un material?La respuesta es: la estructura atómica de la substancia.

En materiales conductores, como el cobre, el aluminio o el grafito, loselectrones de la banda externa tienen mucha movilidad, ya que están saltando deátomo a átomo, aún a la temperatura ambiente.

26 CAPITULO 3 - LA CELULA FV

Estructurascristalinas

Parnegativo/

positivo

AreasN y P

Bajo la acción de un campo eléctrico (voltaje entre los extremos) la fuerza dada porla expresión 3.1 los pone en movimiento. El valor de la conductividad (inversa dela resistividad) es elevado en estos materiales .

En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, aún conelevados valores del campo eléctrico (altos voltajes) la fuerza que se ejerce sobrelos electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y estableceruna corriente, ya que su movilidad es prácticamente nula.

Observe el lector que en los ejemplos he usado, a propósito, dos formascristalinas distintas para el carbón: el grafito (conductor) y el diamante (aislante)para mostrar cómo la estructura interna de la substancia determina la movilidad delas cargas en la misma.

Cuando el átomo de una substancia pierde un electrón, se transforma en unacarga positiva. La pérdida de un electrón crea, en efecto, dos cargas dentro delmaterial: una negativa (electrón libre) y otra positiva (resto del átomo).

En substancias como el germanio (Ge) y el silicio (Si) los electrones de lacapa exterior de un átomo son compartidos por átomos adjacentes (Figura 3.1)formando una estructura fija rígida (cristalina) en donde los electrones carecen demovilidad. Por eso el germanio y el silicio puro son substancias aislantes.

Figura 3.1- Estructura cristalina

Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de otras substancias,aún en proporciones muy pequeñas, la conductividad de estos materiales varíadrásticamente, convirtiéndolos en semiconductores. Estos materiales tienen un valorde conductividad que los sitúan entre los aisladores y los conductores de corriente.

Si la substancia que se introduce tiene la capacidad de ceder electrones,éstos se convierten en la carga mayoritaria en esa zona (semiconductor tipo N).

Si, por el contrario, los átomos de la substancia que se introduce son ávidosde electrones, la mayoría de los átomos en esta zona tendrán cargas positivas libres(tipo P). A estas cargas se las denominan hoyos (holes en inglés) ya que el electróntomado deja un vacío (hoyo) en el átomo que lo cedió. A las substancias que se usanpara alterar la conductividad del cristal puro se las conocen como dopantes (dopants,en inglés).

Semiconductores

27CAPITULO 3 - LA CELULA FV

JunturaN-P

Estado deequilibrio

Nota:

Difusión porimplantación

El proceso de introducción de átomos que ceden o toman electrones, difusión,se ha convertido en un proceso robotizado, en donde los átomos de las substanciasdopantes se introducen usando cañones eléctrónicos que bombardean los cristales(proceso de implantación). La industria usa el cristal de silicio (Si) porque sucomportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio (Ge).

Quizá en el futuro haya células FVs hechas con diamantes, ya que se handescubierto varios procesos para fabricarlos en cantidad y a bajo precio, pero no seha investigado como llevar adelante el proceso de difusión. Este material, carbón,es superior al sicilio cuando la temperatura ambiente es elevada.

Juntura N-PEl proceso de difusión es repetitivo, de manera que pueden crearse zonas

cuasi-conductoras, aisladoras o semiconductoras con diferentes cargas mayoritarias.Esto permite crear dos zonas cuasi-conductoras en los extremos del diodo, las quesirven para anclar los conectores externos, así como dos zonas adyacentes, una deltipo N; la otra del tipo P. La zona entre estas dos regiones se denomina juntura(junction, en inglés).

Nota:Observe el lector que la letra N se correlaciona con negativo y la letra P con positivo,indicando cual es la carga mayoritaria en cada zona.

Estado de equilibrioLa teoría muestra que las cargas mayoritarias (electrones de un lado y hoyos

del otro) no permanencen inmóviles, desplazándose hacia la zona adjacente, dondela concentración es baja. Este desplazamiento de cargas (corrientes dedesplazamiento) acumula cargas positivas en la zona N y negativas en la zona P,creando una diferencia de potencial en la juntura, la que establece un campo eléctrico(E). El proceso migratorio continúa hasta que se vé interrumpido cuando el valordel potential alcanza lo que se denomina el nivel de Fermi para esa substancia.

El campo eléctrico E (V/distancia) en esta zona tendrá un valor elevado, yaque la juntura tiene muy pequeño espesor, .

La Figura 3.2 muestra el estado de equilibrio para una juntura N-P.

CargasPositivas

Juntura(sin cargas)

CargasNegativas

Diferenciade Voltaje

V

0

E

Tipo N-

--

Tipo P+

++

F= -e x E F= +h x E

Zona cuasi-conductoraZona cuasi-conductora

Fig. 3.2- Juntura N-P en Equilibrio


Nota:

Célulafotovoltaica

Eficiencia

Tipos decélulas FVs

En la expresión (3.1) la dirección de la fuerza depende del signo de la carga, demanera que los electrones y los hoyos se desplazan en sentidos opuestos.

Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene elespectro y nivel de energía requerido por el material (Si), el bombardeo de losfotones crea pares de cargas libres (Figura 3.3), los que se mueven libremente.Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona dejuntura, pero un elevado porcentage de electrones del lado P y de hoyos del lado Nserán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E (Figura3.2) hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio.Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el ladoN y P a una carga eléctrica externa.

Par decargas libres

Par decargas libres

Fotón Fotón

Rejilla decontacto

JunturaN-P

Zona cuasi-conductora

Material P

Substracto(sostén)

Material N

Zona cuasi-conductora

Figura 3.3- Corte de una célula FV

La eficiencia de conversión (energía luminosa en eléctrica) está dada, enforma porcentual, por la expresión:?????%?????= (Energía eléctrica de salida / Energía luminosa de entrada) x 100(3.2)

Donde ????? (nu)?????es el valor porcentual de la eficiencia.

El mercado ofrece numerosos tipos de células FVs. Algunas gozan de másdifusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo atrás. Todaslas células pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación:

Mono-cristalinas.Poli-cristalinas.Amorfas.

El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la eficiencia de conversión.


Estructuraamorfa

Estructuramono-cristalina

Estructurapoli-cristalina

Identificaciónvisual

Las células de estructura mono-cristalina fueron las primeras en sermanufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamenteen la fabricación de diodos y transistores. A este tipo de células, conocidassimplemente como cristalinas, se le asigna la abreviatura (cSi). El proceso defabricación del cristal de silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, loque eleva el costo de estas células, las que proporcionan los más altos valores deeficiencia. Recientemente, la compañía Sun-Power ha anunciado la introducciónde una célula de cSi, sin rejilla de contacto frontal, la que tendría una eficiencia del20% (máximo teórico: aprox. 25%).

Estructura poli-cristalinaLa versión poli-cristalina (pSi) se obtiene fundiendo silicio de grado

industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección cuadrada. Como elcosto del material y el procesado se simplifican, las células amorfas alcanzan unvalor intermedio entre las cristalinas y las amorfas. La eficiencia ha ido creciendo,llegando a ofrecerse (Kyocera) células de pSi con eficiencia de conversión del 15%,un valor reservado pocos años atrás para las células de cSi.

Identificación visualLas células de cSi se reconocen a simple vista, ya que su superficie es

uniforme. Expuestas a la luz actúan como un espejo grisáceo. Las células poli-cristalinas reflejan la luz en forma no uniforme, pudiéndose observar lasimperfecciones en el cristal. Tienen, asimismo, una coloración azulada.

La Figura 3.4 ilustra estos dos tipos, ambos con rejilla frontal de connección.

Cristalina (cSi) Poli-cristalina (pSi)

Figura 3.4- Células FVs

El otro tipo corresponde a las células amorfas (a=sin; morfo=forma). Comosu nombre lo indica estas células no poseen una estructura cristalina. Precisamenteesa simplificación en la estructura conduce a un abaratamiento drástico de las mismas.

Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación de una célulaFV de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales aparecerán en lasubstancia semiconductora, los que aumentan el atrapamiento de las cargas libres,disminuyendo la eficiencia de conversión. Para reducir este efecto, el espesor delmaterial activo en estas células es diez (10) veces menor que el de una célula de cSi.Esto, a su vez, contribuye a bajar el costo.


Multijunturas

Pérdidas deenergía

luminosa

Para compensar el bajo nivel de conversión los fabricantes adicionan junturas,las que responden a diferentes frecuencias del espectro luminoso. La compañíaUNISOLAR apila tres junturas. La primera responde a la zona del azul, la segundaal verde y la tercera al rojo, la de menor energía en el espectro. Los depósitos activosse hacen sobre una lámina continua de acero inoxidable de bajo espesor que permiteque las células sean flexibles. Si se requiere una estructura rígida se les agrega unmarco metálico.

La compañía British Petroleum (BP) ofrece un modelo similar que usa doscapas conversoras en su línea Millennia™ . La Figura 3.6 muestra como las célulasde aSi pueden ser ofrecidas como paneles flexibles o rígidos.

Figura 3.5- Paneles hechos con células de aSi

Estas pérdidas ocurren fuera del material semiconductor. Su mención yanálisis ayudarán al lector a entender algunos detalles auxiliares contenidos en lashojas de especificaciones. Consideraremos:

La reflectancia de la superficie colectora.El “sombreado” de los contactos.

La superficie colectora de una élula de cSi actúa como un espejo, reflejandohasta el 30% de la luz incidente. Para disminuír la reflectancia, la superficiede colección recibe una capa antireflectiva de monóxido de silicio (SiO), laque disminuye la reflectancia a un 10%. Una segunda capa baja la reflectanciaa un 4%, pero incrementa el costo. La necesidad de una capa antireflectivase extiende a todo tipo de células, si bien el tratamiento es diferente.El contacto ubicado sobre la superficie colectora utiliza una rejilla metálica,de trazos finos, la que contribuye a disminuír el área activa de la célula. Aeste problema se lo conoce como el “sombreado” de los contactos y no debeconfundirse con el sombreado externo sobre el área colectora. Esta reducción,en células modernas, varía entre un 3 y un 5% de la superficie activa. Unfabricante ha anunciado la producción de células sin rejillas frontales (SunPower).


Formageométrica

Voltaje,Corriente y

Potencia

El voltaje de juntura depende exclusivamente del material usado (nivel deFermi para el cristal usado). Para las células de silicio este valor es de alrededor de0,5 V. Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico fijo, el voltaje de unacelda FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un lado positivo (lado P) yotro negativo (lado N), asumiendo que la corriente circula en sentido opuesto al delos electrones.

El valor de la corriente dependerá del valor de la carga, la irradiación solar,la superficie de la celda y el valor de su resistencia interna (Capítulo 4).

En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por la célulaFV está dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la corriente desalida.

Forma geométricaEl método de fabricación determina, en gran parte, la forma geométrica de

la célula FV. Las primeras versiones de cSi eran redondas, pues el cristal puro teníauna sección circular. Versiones más recientes tienen forma cuadrada, o casi-cuadrada,donde las esquinas tienen vértices a 45°.

Las células de pSi son cuadradas porque el molde donde se vierte elsemiconductor fundido tiene esta forma.

La forma cuadrada permite un mayor compactado de las mismas dentro delpanel FV, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un determinadonúmero de células (Figura 3.6).

Figura 3.6- Eficiencia de empaque


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33

CAPITULO 4

EL PANELFOTOVOLTAICO

Panel FV

Estructura

Debido a su fragilidad, las células FVs son vulnerables a la acción de los elementosnaturales (lluvias, granizo, nieve, vientos, polvo, alta humedad, etc). Esta característica,sumada a la necesidad de ofrecer un voltaje de salida práctico (superior al ½V ), hacennecesario el uso de una estructura mecánica rígida y hermética que pueda contener unelevado número de células. El panel fotovoltaico cumple con ambos requisitos, facilitandoademás el transporte de la unidades, el coneccionado externo, y el montaje de la unidad aun sostén.

Cada fabricante adopta una empaquetadura diferente al construír el panel FV. Sinembargo, ciertas características son communes a todos ellos, como el uso de una estructura“sandwich” (Figura 4.1), donde ambos lados de las células quedan mecánicamente protegidas.

Nota: Dimensiones no están en escalaFigura 4.1- Montaje típico de un panel FV

El marco del panel (1) está hecho de aluminio anodizado, para evitar su oxidación.Su rigidez provee la presión necesaria para mantener juntas las partes que integran el“sandwich”. Los marcos tienen extensiones en ángulo recto, con perforaciones a lo largodel perímetro, las que facilitan su montaje a un sostén.

La superficie colectora (2) tiene un vidrio templado o un plástico de alto impacto,con un alto valor de transmisividad para la luz incidente. Ambos materiales resisten severasgranizadas y vientos portadores de arena o tierra. El uso del vidrio ofrece una acción auto-limpiante, ya que la suciedad tiende a adherirse menos a su superficie.

67

3

1

3

45

8

2

34 CAPITULO 4- EL PANEL FV

Potenciade salida

Voltajede

salida

Númerode células

Un material esponjoso (3) cumple con una doble función: proteger los bordesdel vidrio y proveer un cierre hermético para el panel a lo largo del perímetro de laestructura. Todos los materiales expuestos a la luz solar son resistentes a la accióndeteriorante de los rayos ultra-violetas.

La junta selladora (4), colocada a lo largo del perímetro, contribuye a evitarla presencia de agua (humedad) dentro del panel, evitando que las coneccionesinternas se oxiden (mayor resistencia óhmica) o causen la apertura del contacto alsemiconductor.

Las células FVs (5) son cubiertas con un material encapsulante (6) de altatransparencia. Es común el uso del acetato de etil-vinilo (EVA, en inglés), el que seaplica en capas muy finas que, al hornearse, se polimerizan solidificando la estructura.

La rigidez del panel se incrementa con el uso de un sostén rígido (7), plásticoo metálico, al que se conoce como substracto.

La cara posterior del panel (8) tiene una superficie de sostén, que en algunosmodelos es plástica (Tedlar®) y en otros metálica (aluminio). La versión metálicamejora la disipación del calor al exterior, un factor muy importante, como veremosal tratar la potencia de salida de un panel FV.

La vida útil de un panel trabajando como generador depende de laconstrucción del mismo y no de la vida útil de las células FVs, ya que no se conoceel límite de la vida útil de un semiconductor.

Los paneles que usan láminas plásticas en la superficie colectora suelenperder hasta un 20% del valor inicial de transmisividad después de muchos años deuso (aprox. 20), mientras que los que usan vidrio templado pierden sólo un 5%, yaque este material resiste mejor la acción deteriorante de los rayos ultra-violetas.

La alta calidad de los paneles ofrecidos a la venta se refleja en las ampliasgarantías ofrecidas por los fabricantes (limitadas a un uso correcto) las que seextienden entre 20 y 25 años de uso (ver las especificaciones al final de este capítulo).

La industria de baterías precedió a la de los sistemas FVs, de manera que laadopción de 12V para el voltaje de salida del panel era una opción práctica. Por otraparte, este valor no demanda la conección de un número excesivo de células enserie.

La industria de aparatos electrodomésticos usados en vehículos recreacionales(RVs, en inglés) adoptó asimismo el valor de 12V, de manera que el usuario de unsistema FV con este voltaje podrá incorporar electrodomésticos de CC diseñadospara vehículos recreacionales en su sistema FV domiciliario.

En principio, se necesitaría conectar un mínimo de 24 células en serie paraalcanzar un voltaje nominal de salida de 12V. Los paneles comerciales contienen unmayor número de ellas (36 o más). La explicación la tendrá el lector cuando seanalice la curva I-V del panel.

La potencia máxima de salida (potencia pico) de un panel FV es, sin dudaalguna, la característica eléctrica más importante del mismo. La implementación deun sistema FV doméstico requiere el uso de paneles con potencias de salidas entre60 y 100 watts. El uso de paneles con baja potencia de salida (menor costo) no sejustifica en muchos casos, ya que deberá usarse un mayor número de ellos.

35CAPITULO 4- EL PANEL FV

KyoceraKC70

Datostécnicos

La tendencia de la industria es ofrecer paneles con potencias de salidaelevadas (60 W mínimo).Ejemplos:

Compañía:BP Compañía:KyoceraModelo: BP4170 (170W/24V) Modelo: KC167 (167W/12V)Tipo: cSi Tipo: pSi.

Los paneles FVs que usan células de cSi son los más populares (60% delmercado). Los que usan células de pSi tienen un 35% del mercado. El restocorresponde a los paneles que usan material amorfo (aSi), los que, a pesar de subajo costo, no alcazan a competir con los dos tipos previamente mencionados yaque:

Tienen un bajo nivel de conversión (50% por debajo de los otros modelos).Sufren variaciones importantes de la potencia de salida con el uso. El valorinicial sobrepasa el 15% del nominal, obligando a un sobre-diseño de varioscomponentes, encareciendo el sistema.Se ofrecen escasos modelos con 12V nominales de salida.

Dada su flexibilidad, el uso de estos paneles está restringido a instalacionesFVs emplazadas sobre los techos de las casas en sistemas de generación diurnaconectados al sistema de distribución (grid, en inglés). Este uso se refleja en elvoltaje de salida (115V CC) de los modelos con altos valores de potencia pico, loque facilita su conversión a 115V CA (estandard domiciliario en los EEUU). Es porello que he restringido el resto de este manual a los dos tipos de paneles FVs máspopulares y, por el momento, con mayor estabilidad.

Para poder entender los datos técnicos dados por el fabricante de un panelFV, he incluído, al final de este capítulo, las hojas de datos para tres paneles similares,los que usan células de pSi y tienen potencias de salida pico del mismo orden demagnitud. Uno está fabricado por Kyocera Solar, Inc, y los otros dos por BP (BritishPetroleum).

La presentación de los datos es similar en ambos casos. La informacióngenérica (tipo de célula FV, modelo, garantía, porcentaje de conversión, etc) precedea las especificaciones eléctricas y mecánicas para la unidad.

Para simplificar mi explicación eligiré el panel de Kyocera (KC70), haciendohincapié en diferencias o similitudes entre éste, el BP375 o el BP380. Este ejercicioes importante, ya que desarrollará en el lector su capacidad de selección.

Kyocera especifica la potencia de salida con un valor que denominan típico.El significado se explica a continuación. Cuando un producto es fabricado en serieexisten variaciones paramétricas entre unidades. El valor típico de un parámetrorepresenta el valor más probable, dentro de un estrecho margen de variación, paraese parámetro. Esto significa que si Ud compra un panel Kyocera KC70, es casiseguro que la potencia pico de salida de ese panel será de 70W mínimo, si lo evalúausando las mismas condiciones usadas por el fabricante.


Nota:

Nota:

CurvaI-V

La compañía BP opta por dar el valor pico e incorporar notas complementarias. LaNota 4 nos dice que las células de menor rendimiento son utilizadas en el modeloBP375, y de ahí que éste tiene 5W menos que el BP380. La Nota 2, común a ambos,especifica que la salida real es el 97% del valor pico. Este valor porcentual nos dá,en efecto, el valor típico para cada panel.

Los valores óptimos para el voltaje (Vo) y la corriente de salida (Io) para elKC70 (16,9V y 4,14A) son los que proporcionan el valor típico para la salida(69,9966W).

Este punto está situado en el comienzo de la zona de inflección (“codo”) enla curva I-V (Figura 4.2).

Las dos compañías usan una nota para asegurar que las condiciones de medida sonlas estándard:

Irradiación de un Sol (1KW/m2)Masa de aire de 1,5.Temperatura ambiente de 25°C,Viento de 1m/s (3,6 Km/h; 2,25 mph).

Por ahora ignoraré las dimensiones, a fin de concentrar nuestra atención enlos valores eléctricos. Dos de ellos, la tensión (voltaje) a circuito abierto (Vca) yla corriente de cortocircuito (Icc), se describen a continuación.

Todo generador tiene una curva típica para la potencia de salida en funciónde la corriente de carga. El panel FV no escapa esta regla. La curva I-V de un panelFV proporciona, indirectamente, la relación mencionada, ya que asocia los valoresde V e I para diferentes cargas. La potencia de salida para una dada condición detrabajo está dada por el producto de los valores de I y V correspondientes.

Dos variables afectan la potencia de salida: la cantidad de irradiación (W/m2) y la temperatura de trabajo del panel (°C). La variación debida al nivel deirradiación sirve para estimar la acción de nubes pasajeras o de cielo totalmentenublado. Tenga presente, al respecto, que estas curvas contemplan la irradiacióntotal (directa y reflejada) que recibe el panel. En la práctica, dependiendo del terreno,o de reflejos de la luz por otras nubes, el nivel de salida puede incrementarsetemporariamente, en lugar de decrecer.

Kyocera muestra estas dos variaciones por separado, mientras que BP omitela relacionada al nivel de irradiación. Esto no resulta ser un problema serio para lospaneles de nuestro ejemplo, ya que todos usan células de pSi, lo que asegura uncomportamiento similar.

La Figura 4.2 muestra la curva I-V para el KC70 a 25°C. Esta curva esimportante porque las especificaciones eléctricas se derivan de medicines hechas aesa temperatura.


Vca, Iccy Wp

Voltaje de Salida (V)

Cor

rien

te d

e C

arga

(A)

Figura 4.2- Curva I-V para el panel KC70 a 25°C

Cuando el circuito exterior no está conectado (corriente nula), el voltaje desalida (Vca) alcanza el valor máximo (Voltaje/tensión a circuito abierto). Estemáximo de voltaje corresponde a una corriente nula.

Cuando el voltaje de salida es nulo (cortocircuito) la corriente de salidaalcanza su valor máximo (Icc). Para ambos puntos la potencia de salida es nula.Consecuentemente, un cortocircuito entre los terminales de salida del panel no dañaráal mismo.

Entre estos dos valores, la potencia de salida alcanza el valor pico (Wp).Los valores de voltaje (Vp) y corriente (Ip) que generan el máximo a 25°C sonllamados picos o máximos, dependiendo del fabricante. La Figura 4.3 muestra lascurvas I-V para tres temperaturas de trabajo.

Cor

rien

te d

e C

arga

(A)

Voltaje de Salida (V)

Figura 4.3- Curvas I-V vs. temperatura

Vp/Ip

Vo/Io

IcIcIcIc

IcVcaIc


Notas:

Vca y Icc vs.temperatura

Nota:

Se observa que cuando la temperatura de trabajo se incrementa, Icc seincrementa levemente, mientras que Vca disminuye sensiblemente. Como esimportante que el panel sea capaz de mantener o incrementar la carga del banco debaterías cuando la temperatura de trabajo se eleva, se usan 36 (o más) células enserie por panel, en lugar de las 24 derivadas por cálculo.

Un elevado valor para Vca a 25°C (más de 18V), garantiza que el voltaje desalida del bloque generador no cae por debajo del de baterías, cuando la temperaturaambiente es elevada.

Nota:La compañía BP proporciona el valor de la corriente de cortocircuito a 50°C, loque representa un valor intermedio entre 25 y 70°C. Una de las curvas I-Vproporcionada por BP muestra el comportamiento del panel a 0°C. Esta curva nomuy importante, como veremos al presentar el coeficiente de deterioro para lapotencia.

La Figura 4.4 muestra la variación de la potencia de salida (Kyocera KC70)en función de la corriente de carga, para tres temperaturas de trabajo: 25, 50 y 75°C.El trazo en rojo es el comportamiento a 25°, el negro a 50° y el de trazos en negroa 75°C.

Figura 4.4- Potencia de salida vs. corriente de carga

Los valores de la Figura 4.4 no fueron proporcionados por el fabricante, sino quelos calculé leyendo los valores para V e I usando las respectivas curvas I-V,magnificadas varias veces a fin de obtener valores más fiables (Tabla I)Los valores están afectados por imprecisiones de lectura, sobre todo en el áreadonde la corriente es prácticamente constante.


Coeficientede

Degradación(Cd)

Notas:

Tabla I- Potencia de salida vs. temperaturaRojo: Wp; Azul: Icc

Corriente Potencia Potencia Potencia(A) 25°C (Watts) 50°C (Watts) 75°C (Watts)

0 0 0 00,5 10,71,0 21,12,0 41,0 36,7 32,43,0 57,0 52,2 45,74,0 71,2 60,8 55,14,1 70,1 62,9

4,15 55,34,2 0 59,64,4 0 36,74,7 0

Dos características son evidentes:La potencia pico de salida sufre una degradación cuando la temperatura detrabajo se incrementa (irradiación constante).La potencia de salida disminuye abruptamente cuando la corriente de cargase incrementa levemente por sobre su valor pico (zona a la izquierda del“codo” en las curvas I-V).

En la práctica son muy escasos los lugares donde la temperatura máximapara el verano alcanza sólo 25°C (77ºF) y por lo tanto la potencia de salida nuncaalcanza el valor pico especificado por el fabricante.

La Tabla I muestra que el panel KC70 tiene una potencia pico de 71,2W a25°C, la que se reduce a 55,3W a 75°C. De estos valores se deduce que el coeficientede degradación porcentual (Cd)es cercano a -0,45 %/°C. Como el incremento porsobre los 25°C de medida es de 50°C, se verifica, con un pequeño error porcentaual(0,18%), que:

W (75ºC) = 71,2 (1- 50 x 0,0045) = 55,2 W

o, en forma genérica,W(T) = Wp (1 - ∆∆∆∆∆ x Cd/100)

donde T es la temperatura de trabajo para el panel en °C, ∆∆∆∆∆ es el incremento porsobre los 25°C y Cd es el valor porcentual del coeficiente de degradación a usarse.

La compañía Kyocera no dá en sus especificaciones un coeficiente de degradaciónde potencia, el que posiblemente pueda obtenerse del representante de venta.La compañía BP dá lo que llaman un “coeficiente de temperatura de la potencia”el que, en el peor de los casos, alcanzaría un valor de -0,55 %/°C por sobre los25°C.

Si en la región donde Ud vive no hay brisas diurnas sostenidas durante elverano, las que ayudan a disipar el calor, y la temperatura ambiente alcanza los 35 a40°C (95 a 104°F) use un Cd de 0,8 % (0,008) para esa estación.Para temperaturas ambientes de verano de hasta 30°C (86°F) use un Cd de 0,6 %.

Valoresprácticos


Contactosde salida

Nota:

ConjuntoFV

Hojas dedatos

Si la temperatura ambiente durante el verano no supera los 25°C, o la inviernoes cercana o por debajo de los 0°C, use el valor de la potencia pico para el diseño.

Los primeros paneles FVs tenían en su parte exterior terminales de conecciónsin protección ambiental. Esta realización no existe hoy día ya que ha sido remplazadapor el uso de cajas ambientales (herméticas), donde se ubican los dos terminales. Latendencia en los modelos más modernos es el uso de cables de salida con conectoresen el extremo libre diseñados para simplificar el coneccionado entre paneles a unsimple enchufado de los conectores. Este diseño evita el uso de herramientasspecializadas y proporciona protección ambiental al coneccionado externo..

El lector debe leer toda la información dada por el fabricante. Por ejemplo lacompañía BP define dos tipos (A y B) para la caja de conección. Si aún tiene dudassobre un parámetro o detalle, contacte al representante.

La evolución de célula a panel FV es no sólo un paso lógico sino inevitable,como expliqué al comienzo de este capítulo. El panel pasa a convertirse en elelemento primario de la parte generadora.

Cuando el consumo se incrementa, el valor de la la corriente de carga requierecables de mayor diámetro, los que son más costosos y difíciles de conectar. Lasolución es incrementar el voltaje de salida del sistema, conectando varios panelesusando una combinación serie. Si con el nuevo voltaje el consumo demanda unincremento de corriente, entonces deberán conectarse grupos de igual voltaje desalida en paralelo.

Al agrupamiento serie-paralelo de paneles se lo denomina conjunto FV(array, en inglés). La Figura 4.5 muestra, en forma gráfica, los pasos de esta evolución.Volveremos a este tema durante el proceso de diseño.

Célula Panel Conjunto FV (Array)

Figura 4.5- Célula, Panel y Conjunto FVHojas de datos

A continuación se muestran, en detalle, las hojas de especificaciones paralos paneles que he usado como ejemplo, las que obtuvo de las páginas en la internet:

www.kyocerasolar.comwww.bpsolar.com


Figura 4.6


Figura 4.7


Figura 4.8


Figura 4.9


Figura 4.10

47

CAPITULO 5

BATERIASRECARGABLES

Introducción

Tipos debaterías

Conceptosbásicos

Nota:

Celda

Si bien el sistema FV básico del Capítulo 2 muestra al control de carga acontinuación de los paneles de generación, es importante familiarizarse primerocon los tipos de baterías usados en los sistemas FVs, ya que los controles de cargadeben ser elegidos considerando el tipo de acumulador que se usará en el sistema.

Existen varios, pero el que ofrece el mejor balance entre costo y performancees la batería de Plomo-ácido y, en particular, la que tiene electrolito líquido. Estetipo, con más de 140 años de existencia, ha evolucionado y continúa evolucionandotecnológicamente.

Hoy día ya no es posible hablar de la “batería de Plomo-ácido” como sifuere un componente genérico que puede ser usado en distintas aplicaciones, ya quecada tipo representa un producto hecho para satisfacer un tipo específico de carga.Baterías diseñadas para ser usadas en automotores, o para suplir energía eléctricadurante períodos de interrupción del servicio eléctrico (stand-by power, en inglés),o para integrar el banco de acumulación de un sistema FV no son intercambiables.

En particular, el uso de baterías para automotores en el banco de reserva deun sistema FV presenta problemas que se traducen en mayores costos, como veremosen el Capítulo 6, al hablar de las baterías solares.

Los conceptos dados a continuación se aplican para cualquier tipo de bateríarecargable, sea ésta una AA para su linterna o una que es capaz de soportar milamperes por dos (2) segundos.

El mecanismo que permite la utilización de una batería recargable comouna fuente portátil de energía eléctrica consiste en una doble conversión de energía,llevada a cabo mediante el uso de un proceso electro-químico reversible. La primeraconversión, energía eléctrica en energía química, toma lugar durante el proceso decarga. La segunda, energía química en eléctrica, ocurre cuando la batería se conectaa la carga.

Como en toda conversión de energía, los procesos de carga y descarga de unabatería vienen acompañados de inevitables pérdidas de energía.

El conjunto integrado por los electrodos y el electrolito constituyen una celdade acumulación. El voltaje de salida para esta celda depende, principalmente, de:

« Los materiales usados para el electrolito y los electrodos.« El estado de carga de la celda.

48 CAPITULO 5 - BATERIAS RECARGABLES

Bateríassolares

Bateríaplomo-ácido

Bateríaabierta

La corriente máxima que la celda puede entregar a una carga fija, depende,entre otros parámetros, de:

§ La capacidad de la batería.§ La superficie activa de los electrodos.§ La resistencia interna de la celda, la que depende, a su vez, del estado

de carga de la celda y el diseño de la unidad.

Las baterías usadas en los sistemas FVs se demoninan baterías solares. Comoestas baterías admiten un alto porcentaje de descarga, suelen llamarse, asimismo,baterías de ciclo profundo. Por ahora mencionaré algunas características genéricasde las mismas.

Los voltajes nominales más comunes son 6 y 12 V. Sin embargo se ofrecenmodelos con voltajes de salida de 24 y 48 V para sistemas con cargas de alto consumo.Las baterías solares usan diferentes tipos de celdas, pero todas tienen un bajo valorpara el voltaje de salida, el que oscila entre 1,2 y 2 V nominales. Esto significa que,como en el caso de las células FVs, las celdas deberán conectarse en serie paraalcanzar el voltaje nominal de salida, y en paralelo para aumentar el valor de lamáxima corriente de carga que podrán sostener en forma continua.

Las celdas se colocan dentro de cajas, las que están hechas con materialesplásticos resistentes al impacto y a la acción corrosiva de los electrolitos usados.Hay dos tipos de cajas: la hermética y la abierta.

Las primeras proporcionan un alto grado de seguridad, ya que el electrolitono puede derramarse, no importa cual es la posición del acumulador. Las bateríasabiertas tienen tapones de ventilación, los que liberan los gases formados durante elproceso de carga. La caja de batería está diseñada para minimizar el derrame delelectrolito a través de ellos, como veremos en este capítulo.

Abreviaré algo este nombre, usando el símbolo químico para el plomo (Pb),de manera que en adelante haré referencia a las baterías de Pb-ácido, las que seofrecen en dos versiones:

v Con electrolito líquido (baterías abiertas).v Con electrolito gelatinoso (baterías herméticas).

Como el costo de la segunda versión es el doble de la primera, la batería dePb-ácido con electrolito líquido es la más usada.

El electrolito de estas baterías consiste en una solución con 64% de ácidosulfúrico (H2SO4) de alto grado de pureza y 36% de agua destilada (H2O).

El agua disocia (rompe) las moléculas del ácido creando iones de sulfuro(SO4)

2— y de hidrógeno (H)+ El proceso de electrólisis del agua durante la cargagenera iones de hidrógeno (H)+ y oxígeno (O)2—.

Ambos electrodos están hechos de plomo, pero al terminarse el proceso defabricación (carga de la batería) el electrodo positivo se cubre con un depósito dedióxido de plomo (PbO2).

49CAPITULO 5- BATERIAS RECARGABLES

BateríaPb-ácido

Descarga

Carga

Nota:

Observaciones

Las Figuras 5.1 a y b muestran, respectivamente, una celda de Pb-ácidocargada y descargada.

1 12 3

4 45

6 6

+ + _

6

1- Electrolito

3- Electrodo de plomo

2- Electrodo con depósitode dióxido de plomo

4- Tapón de ventilación

5- Nivel del electrolito

6- Electrodo con depósitode sulfato de plomo

_ _

Fig. 5.1a- Batería Cargada Fig. 5.1b- Batería Descargada

El electrolito de una batería de Pb-ácido interviene en forma activa en elproceso electroquímico. Durante la descarga, el electrodo de plomo (Pb)2+ reaccionacon el ión sulfato (SO4)

2—, creando un depósito de sulfato de plomo PbSO4. Estareacción química se lleva a cabo con la cesión de dos iones positivos, lo que dá alelectrodo su polaridad negativa (cátodo).

Los iones de (SO4)2—

reaccionan con el dióxido de plomo (PbO2) del otroelectrodo, formando sulfato de plomo (PbSO4). Esta reacción química se lleva acabo con la cesión de dos electrones, lo que dá a este electrodo su polaridad positiva(ánodo).

Los iones de hidrógeno del agua se combinan con el de oxígeno del PbO2,formando nuevas moléculas de agua (H2O). Como en el caso de los semiconductores,se puede observar la creación de cargas libres de polaridad opuestas, las queposibilitan sostener una corriente de externa.

Al revertirse el proceso, el electrolito pierde agua y ambos electrodos vuelvena tener su composición química original.

El cambio porcental de la cantidad de agua en solución fuerza un cambio de densidaden el electrolito. Cuando la batería está cargada, la densidad aumenta, y cuandoestá descargada, disminuye. Estas variaciones de densidad permiten evaluar, conprecisión, el estado de carga de las celdas.

Teniendo en cuenta los detalles presentados hasta este momento, esimportante recordar que:

Ø Como la proporción de agua en una batería cargada disminuye, siempre sedebe observar el nivel del electrolito después que la batería ha sido cargada.

Ø Para restaurar el nivel correcto del electrolito sólo debe agregarse aguadestilada.

Ø La remoción temporaria de los tapones de ventilación permite medir ladensidad del electrolito.


Batería paraautomotor

Detalles deconstrucción

Coneccionadointerno

Es interesante observar los detalles de construcción de una batería de estetipo, con electrolito líquido, ya que muchos de ellos se repiten en otros tipos debaterías. La Figura 5.2 proporciona estos detalles.

a) b)

Figura 5.2- Batería Pb-ácido para automotor

Las celdas (2) están agrupadas en particiones (4) dentro de la caja (1) , demanera que cada celda tiene una parte del electrolito. La Figura 5.2 (a y b) muestrael entrelazado de las placas positivas y negativas que componen una celda, conseparadores intermedios porosos (3) los que dejan pasar las cargas, a la vez queevitan el cortocircuito entre placas adyacentes (polaridad opuesta). Este entrelazadopermite aumentar la superficie activa de las celdas sin incrementar excesivamenteel volumen de la caja.

La letra E (Fig 5.2b) marca el nivel superior del electrolito, el que se muestraen forma ondulante porque el automotor lo agita durante su marcha. El nivel correctose alcanza cuando éste cubre la parte superior de las placas, dejando un espaciolibre entre el electrolito y el tope de la caja, el que sirve para acumular,temporariamente, los gases liberados durante la carga.

Los bornes de salida (5) son de plomo y levemente cónicos, para facilitar eldesmontaje de los terminales de cables, los que están hechos con sólidas abrazaderasde plomo, que se sujetan al terminal de batería con tornillo y tuerca.

Como los vehículos al rodar agitan constantemente el electrolito, los taponesde ventilación se agrupan en dos recesos de la caja. Cada uno de ellos contiene trestapones, los que están protegidos por una tapa que calza a presión (7). El moldeadode los agujeros para los tapones de ventilación se extiende dentro de la caja. Alalcanzarse el nivel correcto para el electrolito, la luz que entra se refleja conintensidad, ya que electrolito forma una superficie cóncava debido al efecto decapilaridad con los bordes moldeados.

Las placas de igual polaridad dentro de una celda están conectadas en paralelopor las barras de conección (6). La barra de una polaridad, dentro de una celda, seconecta a la barra que une las placas de polaridad opuesta en la celda adyacente,estableciéndose una conección serie entre ellas como se muestra en la Figura 5.3.


Coneccionadointerno(Cont.)

Problemastípicos

En negro: placas negativasEn rojo: placas positivas

Barra de conección entre celdas

Barra de conección entre placas

Figura 5.3- Coneccionado interno

Para un voltaje nominal de 12 V de salida la caja contiene seis (6) celdas enserie.Placas

Las Figuras 5.4 a y b muestran la estructura interna de una placa y su montaje.El material activo tiene una estructura esponjosa (1), la que se deposita sobre unarejilla de sostén de plomo (2). Las lengüetas (3) de cada rejilla sirven para conectarlas placas de una polaridad a la barra correspondiente. La placa adjacente (diferentepolaridad) del entrelazado tiene la lengüeta en el extremo opuesto, para poder separarlas barras de diferente polaridad. El separador (4) envuelve a la placa como unsobre, proveyendo aislación en toda su superficie activa. Otros fabricantes usan unseparador plano (Figura 5.4b).

a b

Figura 5.4- Detalle de construcción y montaje de las placas

Las baterías de Pb-ácido con electrolito líquido presentan problemas cuandoestán en servicio activo o en almacenamiento. A continuación mencionaré los máscomunes.


Nota:

Problemastípicos(Cont.)

Bajas temperaturas- Congelamiento del electrolitoLa temperatura que alcanza el electrolito está determinada por la temperatura

ambiente, ya que después de una hora la temperatura del electrolito alcanza unvalor muy cercano al ambiental.

Si bien la corriente que circula por la batería crea una leve disipación decalor, debido a la resistencia interna, este valor es sumamente bajo como para superarla acción de una temperatura ambiente muy por debajo de los 25°C (77°F), que es elvalor de temperatura ideal de trabajo para una batería de cualquier tipo.

Al bajar la temperatura del electrolito la actividad química disminuye y,consecuentemente, el número de cargas libres se reduce. En términos eléctricosesta menor actividad química se manifiesta en un aumento de la resistencia internadel acumulador (Apéndice I). Este aumento disminuye el voltaje de salida, yconsecuentemente, la corriente en la carga.

Cuando la temperatura ambiente alcanza valores por debajo de 0°C (32°F) ,el estado de carga de la batería (proporción de agua) determinará la posibilidad decongelamiento del electrolito. La Tabla VI-1 proporciona valores promedios parala temperatura de congelación del electrolito líquido en función del estado de carga.

Tabla VI-1 Temperatura de congelación vs. estado de carga

Estado de carga Temperatura de congelación(% del máximo) (°C)

100 - 58,075 - 34,450 - 20,025 - 15,0

Descargada - 10,0

Para una batería en particular, el usuario debrá solicitar esta información delfabricante (o su representante).

Al congelarse, el agua se expande. La fuerza de expansión distorsiona lasplacas, y hasta puede llegar a quebrar la caja. En ambos casos el daño espermanentemente y la batería debe ser descartada.

Bajas temperaturas- Capacidad de almacenamientoLa Tabla VI-2 muestra, en forma porcentual, los cambios en la capacidad de

acumulación de una batería de Pb-ácido con electrolito líquido, cuando la temperaturadel electrolito disminuye.

Tabla VI-2 Capacidad de acumulación vs. temperatura

Temp. del electrolito Capacidad(°C) %30 10525 10016 90 4 77


Notas:

Problemastípicos(Cont.)

Altas temperaturas- Vida útilCuando la temperatura ambiente se eleva, la acción química se acelera,

disminuyendo el valor de la resistencia interna. Algún lector puede concluír que lastemperaturas ambientes elevadas son las ideales. La conclusión es errónea, pues lamayor actividad química se traduce en una reducción de la vida útil del acumulador,ya que se acelera el desgaste de la superficie activa de los electrodos.

La Tabla VI-3 muestra la reducción porcentual de la vida útil en relación alvalor máximo a 25°C, si la temperatura de trabajo de la batería se mantiene a latemperatura especificada en la tabla.

Tabla VI. 2- Reducción porcentual de la vida útil vs. temperatura

Temp. del electrolito Reducción de la vida útil(°C) ( % )25 030 3035 5040 6545 7750 8755 95

SulfataciónEste es el mayor problema cuando se usan baterías de plomo-ácido con

electrolito líquido. Hemos visto que la descarga forma un depósito de sulfato deplomo en ambas placas. Normalmente, este depósito está constituído por pequeñoscristales, que se descomponen fácilmente durante el proceso de carga, disolviéndoseen el electrolito.

Si el balance energético no puede ser alcanzado para la mayoría de los díasen que el sistema permanence activo, el depósito de sulfato de plomo comienza acrecer en espesor. La corriente de carga no consigue desprenderlo totalmente,reduciéndose la superficie activa de las placas, lo que acorta rápidamente la vidaútil del acumulador. A este mecanismo se lo denomina sulfatación de la batería.

Este mecanismo toma lugar, asimismo, en baterías que permanecen en depósito porlargo tiempo, sin ser recargadas.La posibilidad de sulfatación de las placas se incrementa, si el sistemas FV estáinstalado en un lugar donde los períodos nublados son de larga duración.El proceso de sulfatación se acelera cuando la temperatura del electrolito se eleva.

Si el usuario de un sistema FV ignora la importancia de no sobre-descargarel banco de reserva durante períodos de baja irradiación solar, y no baja el consumo,la posibilidad de que las placas se sulfaten se incrementa substancialmente.¿Existe un remedio para este problema? Hasta hace pocos años, se sugería el uso deuna corriente entre 3 y 5 veces la de carga normal (corriente de ecualización), peroesta “solución”, trae aparejado problemas, ya que los depósitos cristalinos que sedesprenden caen en pedazos al fondo de la batería, sin disolverse en el electrolito.Esto significa que una parte importante del material activo que interviene en elproceso químico se perderá con cada ecualización.


Nota:

Desulftadoreselectrónicos

La corriente de ecualización, siendo tan elevada, requiere el uso de uncargador auxiliar, complicando aún más el proceso de “recuperación”. Unprocedimiento que da mejores resultados, pues actúa como preventivo, es el uso deun desulfatador electrónico, el que somete a los cristales a una agitación mecánica.

Para aquellos que no pueden pagar por este tipo de desulfatador, la únicasolución es un cuidadoso uso del banco de reserva complementado por un rigurosoplan de mantenimiento.

Actualmente se ofrecen dos versiones. Una (Renew-IT Pulse Technology™)usa pulsos de alto voltaje, de muy corta duración, a fin de reducir a un mínimo lacorriente de agitación. La otra versión (Atlantic Solar Products™, Inc.) emplea unoscilador de alta frecuencia para llevar a cabo la agitación mecánica.

La información técnica suministrada por las dos compañías indica que elmodelo a pulsos consume más energía que el segundo, ya que fué originalmentediseñado para baterías de automotores, las que siempre están siendo cargadas. Elsegundo (Figura 5.5), tiene un consumo insignificante, comparado con el de la carga,y puede conectárselo, permanentemente, en paralelo con la salida. En este modelolas oscilaciones eléctricas ayudan a remover los depósitos durante el período normalde carga, de manera que su diseño parece ser más bien preventivo, aunque, contiempo, puede recuperar una batería considerada descartable (descartada).

Figura 5.5- Desulfatador electrónico

Si Ud puede leer inglés o interpretar un circuito electrónico, visite la página de larevista Home Power (www.homepower.com). El número 77 (pág. 84) tiene un artículoescrito por Alastair Cooper describiendo un circuito de este tipo.Gasificación

Cuando una batería de Pb-ácido alcanza el 100% de su carga, su voltaje esmuy cercano al del cargador. La diferencia de voltaje es mínima, disminuyendo lacorriente de carga y, por ende, las reacciones químicas. Es entonces cuando losiones de oxígeno e hidrógeno formados por la electrólisis del agua no se combinanquímicamente y escapan por los tapones de ventilación. Los de hidrógeno (H)+ iránal electrodo negativo, y los de (O)2— al electrodo positivo. Este escape de gasesproduce un burbujeo en el electrolito, al que se conoce como gasificación.

Algo de gasificación es útil, pues contribuye a homogeneizar la soluciónelectrolítica evitando la estratificación en capas con distintas densidades. Pero aúna bajos niveles, el oxígeno ataca los sostenes de plomo de las celdas, lo que puedeocasionar el derrumbe de una de las celdas. Este fenómeno, conocido como la“muerte súbita” de la batería, ocurre sin dar aviso previo.


Comentarios

Si el cargador tiene un voltaje elevado, la gasificación se incrementa y elburbujeo se hace tan intenso que los gases arrastran parte del electrolito fuera de lacaja, a través de los tapones de respiración. El ácido sulfúrico que escapa daña losterminales de salida y disminuye la cantidad de ácido en solución.Autodescarga

Una batería que está cargada y permanece inactiva, independientemente desu tipo, pierde su carga con el tiempo. Este fenómeno es conocido comoautodescarga. La rapidez de descarga depende de:

u El tipo de batería (Pb-ácido líquido o gelatinoso, Niquel-Cadmium,etc).

u La temperatura ambiente.

A las placas de las baterías de Pb-ácido para automotor se le agrega calcio(baterías de mantenimiento nulo) para reducir la pérdida de agua en el electrolito yla gasificación. La presencia del calcio retarda la autodescarga, lo que es importantesi el vehículo permanence inactivo por un tiempo. Estas baterías, a temperaturascercanas a los 25°C, tardan un año en perder el 50% de su carga.

A las placas de las baterías de Pb-ácido de ciclo profundo (baterías solares)se le agrega antimonio, lo que permite incrementar la cantidad de material activo enlas mismas, y, por ende, su duración. El antimonio aumenta la autodescarga, tardandosólo unos meses en descargarse totalmente a una temperatura cercana a los 25°C.Cuando la temperatura ambiente se eleva, la autodescarga se acelera, como semencionó anteriormente.

Los problemas enumerados muestran la necesidad de:

F Ubicar las baterías en un lugar donde la temperatura ambiente se mantengacercana a los 25°C durante todo el año.

F Mantener las baterías cargadas.F Vigilar constantemente el estado de carga de una batería de Pb-ácido

(electrolito líquido) que debe permanencer en depósito por largo tiempo.F Alternar, cada semana, la batería en depósito con otra unidad en uso.F No someter el banco de baterías a descargas excesivas.F Mantener el balance entre carga y descarga.

% La sulfatación destruye, según la information técnica proporcionada porla asociación de fabricantes de acumuladores de Pb-ácido de los EEUU,ocho (8) de cada diez (10) baterías de Pb-ácido en uso.

Si bien el voltaje de batería no representa una medida absoluta del estado decarga de la misma, éste es el único indicador que nos queda cuando debemos evaluarel estado de carga de una batería hermética con electrolito ácido.

La medida de este valor debe tomarse con la batería descansada, es decir, nodurante la carga, o cerca de haber terminado la misma. Como un proceso químicotoma lugar en ambos casos, el voltaje experimenta variaciones.

La página siguiente proporciona una tabla que relaciona el voltaje de bateríay la densidad del electrolito (25°C) con el porciento del estado de carga.

Voltajevs

Carga


ESTADO DE CARGA DENSIDAD VOLTAJE12 V 6V

100% 1,265 12,70 6,3575% 1,225 12,40 6,2050% 1,190 12,20 6,1025% 1,155 12,00 6,00DESCARGADA 1,120 11,90 **

** 6,00 V o algo por debajo de ese valor

La tabla incluye valores para baterías de 6 y 12 V, los que guardan una relaciónde 2:1.

57

CAPITULO 6

BATERIASSOLARES

Introducción

Corrientemáxima

Valoresfraccionarios

Batería solar:Parámetros

eléctricos

Este capítulo está dividido en tres secciones. La primera introduce losparámetros eléctricos típicos de dos baterías: la usada en un sistema solar y la usadaen los automotores. El significado de estos parámetros es analizado en detalle.Basados en valores típicos para cada uno de ellos, la segunda sección establece lasdiferencias entre los dos diseños. La información en esta sección incorpora, asimismo,la descripción de dos baterías, una de cada tipo, para familiarizar al lector con losnuevos diseños en acumuladores de Pb-ácido.

En la última sección introduzco las baterías de Pb-ácido herméticas y las denickel-cadmio (Ni-Cd). Aunque la batería de Pb-ácido con electrolito líquido es eldiseño menos costoso, considero que el lector debe conocer otros tipos de baterías,así como sus características principales.

Cuatro parámetros definen una batería solar:El máximo valor de corriente que puede entregar a una carga fija, en formacontinua, durante un determinado número de horas de descarga.Su capacidad para almacenar energía.La profundidad de descarga que puede soportar, sin dañarse, en formarepetitiva.La vida útil de la unidad, vale decir, el máximo número de ciclos de carga-descarga (u otro parámetro equivalente).

La industria ha estandarizado la prueba que determina el valor de la máximacorriente de descarga. Esto permite comparar distintos modelos de baterías.

El valor de la corriente máxima es aquel que permite una descarga continuade 20 horas de duración, al cabo de la cual la energía en reserva representa el 20%de la máxima con la que comenzó.

Los dos parámetros usados: corriente y tiempo, determinan que el valorderivado de la prueba esté dado en amper.horas (Ah). Este valor representa lacapacidad de la batería y de él se deriva el valor de la corriente máxima, para undado régimen de descarga.Ejemplo

Si la capacidad de una batería solar es de 200 Ah, la máxima corriente que elacumulador puede sostener durante la descarga es de 10A (200/20).

Esta forma de dar el valor de la corriente parece arbitraria, pero no lo es sirecordamos que la máxima corriente de descarga, por definición, requiere un númeroespecífico de horas.

58 CAPITULO 6- BATERIAS SOLARES

Errores deinterpretación

Observación

Notas:

Capacidad deacumulación

Profundidadde descarga

Nota:

Si la batería del ejemplo se descarga con un régimen de C/40, la corriente de descargaes de 5A. Todo valor fraccionario para el cual el denominador es mayor que veinte(20), debe interpretarse como una descarga (o carga) que demanda menos corrienteque el valor máximo.

El lector puede interpretar que la corriente máxima de la batería, paramenores tiempos de descarga puede, en efecto, ser mayor que la máxima medidapara una descarga de 20 horas. Esta contradicción no existe, ya que corrientes dedescarga en exceso del máximo determinado por la prueba hacen incrementar laresistencia interna en forma substantial, disminuyendo severamente el voltaje desalida. Cuando este valor disminuye, la capacidad de sostener una corriente constantesobre la carga desaparece.

Corrientes en exceso de C/20, si no son debidas a transitorios en la carga decorta duración, generan una disipación de calor (I2 x ri) que daña a la batería enforma permanente. En particular, la batería de nuestro ejemplo no puede entregar200A, durante una hora, en forma continua, ya que el proceso químico no puedeser acelerado por sobre un máximo.

En este momento, muchos de los lectores se preguntarán si un banco deacumulación que use las baterías de nuestro ejemplo puede proporcionar corrientessuperiores a C/20. La respuesta es afirmativa, ya que pueden conectarse, en paralelo,varias de ellas. Cada una contribuirá 10 A. Otra solución es elegir una batería conmayor número de Ah.

La especificación del valor en Ah se extiende a las pequeñas baterías recargables.Lógicamente, en estos casos, los valores se reducen a mAh y el tiempo de descargase reduce substancialmente.Recuerde que el valor dado en mAh para estas baterías sólo tiene un valor prácticocuando se conoce el tiempo de descarga con el cual fué derivado.

La cantidad de energía que puede ser acumulada por una batería está dadapor el producto del voltaje nominal por el número de Ah, este producto se mide enwatthoras (Wh) o KWh, dependiendo de su valor. Por lo tanto:

Wh = Voltaje nominal x Ah

Si la batería solar de nuestro ejemplo tiene un voltaje nominal de 6V, lacantidad de energía que puede ser acumulada es de 1.200Wh (1,2KWh).

La Profundidad de Descarga (PdD) representa la cantidad de energía, dadaen forma porcentual, que se extrae de una batería. Si la batería del ejemplo anteriorentrega 600 Wh a la carga, la PdD es del 50%.

Cuando se efectúa la prueba para determinar el valor en Ah de una batería solar laPdD alcanza el 80%.

59CAPITULO 6 - BATERIAS SOLARES

Nota:

CCA

CA

RC

Ah(20hr)

Análisis

Vidaútil

Bateríaautomotriz:Parámetros

eléctricos

Hemos visto que el proceso químico de una batería recargable es reversible.Sin embargo, por experiencia propia, sabemos que los acumuladores tienen unavida finita (vida útil). Con cada descarga las placas pierden algo del material activo,el que se deposita en el fondo de la caja. Cuando la superficie activa de las celdas sereduce, la vida útil de la batería disminuye. El número de ciclos que el acumuladorpuede entregar durante su vida útil depende del porcentaje de descarga y del modeloelegido. Si la PdD es elevada, el número de ciclos se reduce.

En la práctica, la vida útil de una batería solar suele verse acortada debido a unuso indebido (sulfatación prematura).

Cuatro parámetros definen a este tipo de batería. Usaré las abreviaturas eninglés ya que la literatura técnica las usa profusamente.

Amperes de arranque en frío, CCA en inglés (Cold Cranking Amps).Amperes de arranque, CA en inglés (Cranking Amps).Nivel de reserva, RC en inglés (Reserve Capacity)Amperes horas (20hrs de descarga).

Amperes de arranque en frío. Este valor corresponde al máximo número de amperesque la batería puede entregar, con una temperatura ambiente de 0°F (-17,77°C),durante 30 segundos, sin bajar el voltaje por celda por debajo de 1,2V (7,2 V desalida para una batería de 12V).

Amperes de arranque. Este valor corresponde al máximo número de amperes quela batería puede entregar, con una temperatura ambiente de 32°F (0°C), durante 30segundos, sin bajar el voltaje por celda por debajo de 1,2V.

Nivel de reservaEl nivel de reserva representa el tiempo, en minutos, que la batería puede entregaruna corriente de 25A con una temperatura ambiente de 80°F (26°C).

Este parámetro, pocas veces mencionado, tiene el mismo significado quepara una batería solar.

Las especificaciones dadas para una batería para automotor apuntan a unsolo objetivo lógico: asegurar el arranque del vehículo cuando la temperaturaambiente es baja, es decir, cuando la actividad química disminuye. Los dos primerosparámetros (CC y CA) sólo difieren en el mínimo valor para la temperatura ambiente.

El nivel de reserva tiene un solo fin: seguridad. Una corriente de 25A nopermite el arranque del vehículo, como veremos de inmediato, pero es sufientecomo para mantener activas las luces parpadeantes de seguridad por varias horas.Lea en el Apéndice I como un consumo intermitente (pulsos) baja el requerimientoenergético.

Diferentes requerimientosLas baterías de un sistema FV doméstico para uso nocturno deben entregar

una corriente cercana o igual a su máximo, durante varias horas, sin poder serrecargadas.

Diferentesrequerimientos


Diferentesrequerimientos

(Cont.)

Construccióninterna

Conclusiones

Nuevasbaterías

La batería en un automotor debe entregar, en menos de 30 segundos, unacorriente transitoria cuyo valor pico alcanza 1.000 A (por unos 3 segundos), perotiene asegurada una recarga inmediata, que continúa mientras el motor funcione.

Vemos entonces que el régimen de las cargas son completamente distintos,y por lo tanto, los parámetros eléctricos que son importantes en una batería solar,como el número de Ahr y la PdD, no tienen importancia en una batería automotriz.

La calidad de una batería solar está determinada por la capacidad deacumulación (Ah x V) y entrega (PdD) de energía durante largos períodos deactividad.

La calidad de una batería automotriz está relacionada con los valores decorriente que puede entregar durante el arranque, a temperaturas bajas (CCA yCA).

Baterías solares de 250 Ah son frecuentemente usadas en sistemas FVs debajo consumo para uso doméstico, mientras que la batería automotriz de mejorcalidad sólo alcanza los 60 Ah..

Distintos requerimientos se traducen en distintas técnicas de construcciónpara las placas que forman las celdas. Las de una batería solar tienen una mayorcantidad de material activo por unidad de volumen, para alargar la vida útil de lasmismas.

En las baterías para automotor lo que importa es obtener una baja densidadde corriente (A/cm2) para minimizar la caída de voltaje por celda cuando circula lacorriente de arranque. Por ello usan placas de plomo esponjoso, el que ofrece lamayor superficie de conducción para un dado volumen de caja.

Esta diferencia de diseño hace que una batería solar de 6V (3 celdas), convolumen muy similar a la de 12 V para un automotor (6 celdas), pese más de 28 Kgs(62 lbs). El incremento del material activo explica, asimismo, el mayor costo asociadocon las baterías solares.

Es evidente que una batería solar y otra de automotor son versiones totalmentediferentes. El análisis llevado a cabo refuerza el concepto dado en el capítulo anterior,donde se indicó que cada tipo de batería satisface las necesidades de una cargaespecífica. Si Ud usa para el banco de reserva baterías de automotores, su duraciónserá extremadamente corta, viéndose obligado a cambiarlas frecuentemente, ycomprometiendo el grado de confiabilidad del sistema.

Es interesante observar, después de más de 140 años de existencia, cómosiguen evolucionando las baterías de Pb-ácido.

Un nuevo diseño para baterías de auto es el ofrecido por la compañíaOPTIMA® Batteries (Figura 6.1). En estas baterías los electrodos se reducen a hojasmetálicas, las que son enrolladas, formando un cilindro. El separador, de muy pocoespesor, tiene depresiones, donde se coloca el electrolito, el que tiene una estructurapastosa. Los cilindros así formados constituyen las celdas en esta nueva batería.


Nuevasbaterías

(cont.)

Nuevos modelos

solares

Reja de plomode alta pureza

Celdas compactadasdentro de la caja

Separador vítreoabsorbente. Retiene alelectrolito esponjoso

Electrodos metálicosenrollados

Válvula deSeguridad

Conecciones sólidashechas con piezas

fundidas

Figura 6.1- Batería automotriz OPTIMA®

El diseño del separador y el alto grado de compactación entre electrodos,ayudan a crear una estructura mecánica monolítica, la que se vé reforzada por eldiseño de la caja, la que sigue las curvaturas de los cilindros internos. El uso de unelectrolito pastoso, un empaquetado ceñido y una caja hermética, la convierte en eldiseño ideal para vehículos sometidos a continuo ajetreo, como los tractores agrícolas,autos, camiones, embarcaciones marinas o vehículos militares.

Desde el punto de vista eléctrico estas baterías ofrecen valores elevadospara los cuatro parámetros que he descripto anteriormente. El reducido espesor delseparador baja drásticamente la resitencia interna de la batería, permitiendo corrientesde arranque elevadas. El costo de estas batería es mayor que el de una batería de Pb-ácido con electrolito líquido de muy buena calidad (30 al 50% mayor) .

La compañía Troyan™ Battery Co ha fabricado baterías de Pb-ácido conelectrolito líquido por muchos años, pero en el presente ofrece tres versiones:

Pb-ácido con electrolito húmedo.Pb-ácido con caja hermética.Batería tipo AGM.


Fabricantesy

modelos

Nuevos modelos

solares

Como los dos útimos tipos son de mayor precio, pasaré a describir la delprimer tipo. Trojan™ introdujo cambios substanciales en el diseño de las placas, losseparadores y el electrolito. Los nuevos separadores, patentados con el nombre deMaxguard™, combinados con un nuevo electrolito pastoso (Alpha Plus™) que sedeposita en el nuevo diseño de la placa, contribuyen, según el fabricante, a reducirlas pérdidas de material activo (mayor vida útil), a una menor estratificación delelectrolito y a una sensible disminución de la resistencia interna del acumulador.

Las cajas de estas baterías no son herméticas y tienen tapones de ventilación(Figura 6.2). La caja incorpora el moldeado de costillas de refuerzos en su superficieexterna, incrementando su resistencia mecánica (modelo Polyon™). Dependiendodel peso de la unidad, el moldeado de ésta contempla la incorporación de manijas oagarres especiales, los que facilitan su manejo cuando la unidad deba ser ubicada enel banco de acumulación.

La compañía Troyan está propiciando el uso de un nuevo parámetro eléctricopara definir la vida útil de un modelo. Introducen para este fin lo que ellos llamanunidad de energía de vida, LEU en inglés (Life Energy Unit). El número de LEUsdado para un determinada unidad, representa el número de KWh que ésta será capazde entregar durante su vida útil.

Esto representa una desviación respecto a la forma tradicional de especificarlas baterías de ciclo profundo, donde la vida útil es dada por dos parámetros inter-dependientes: el máximo número de ciclos y el porcentaje de la PdD.

Durante años este fabricante dió la especificación de la vida útil de sus bateríassolares usando la combinación de ciclos y PdD, pero ahora auspician la nueva unidad,reduciendo los dos parámetros a uno. El número de KWh (o LEUs) es equivalente atener un monto inicial de energía. Cuando la PdD aumenta (mayor uso), su reservase reduce.

Esta especificación asume que la batería será recargada diariamente,conservando el balance energético mencionado repetidas veces.

Son muchos los fabricantes que ofrecen baterías de ciclo profundo conelectrolito de Pb-ácido (así como los otros ya mencionados). Citaré, entre ellos, USBattery™, Trojan™ y Concorde™. La tabla dada a continuación muestra el ampliorango en Ah que ofrecen los modelos en venta. La información corresponde a bateríasde 6 y 12 V, pero debe tenerse en cuenta que algunas de las compañías ofrecenbaterías con mayores voltajes de salida.

COMPAÑIA Ah (12 V) Ah (6V)US Battery 250 - 414 105 - 415Concorde 104 - 258 138 - 224Trojan 85 - 450 210 - 420

Como ilustración, y para dar para dar idea de la variación en tamaños, laFigura 6.2 ilustra dos modelos de Trojan™: el T-105 y el L16-H. La tabla acontinuación resume las características eléctricas y físicas (dimensiones y peso) deestos dos modelos.

Nuevaunidad:

LEU


Bateríasgelatinosas

Figura 6.2- Troyan T-105 y L16-H

Bateríastipo

AGM

Modelo Voltaje Ahr LEU Ancho Espesor Alto PesoV KWh cm cm cm Kgs

T-105 6 225 438 26,4 18,1 27,6 28 L16-H 6 420 1.148 29,5 17,8 42,5 55

Figura 6.2- Troyan T-105 y L16-H

Si los gases generados en la batería de Pb-ácido pueden ser parcialmente ototalmente recombinados, la caja de la batería puede ser hermética. Esta solución esla usada en las baterías con electrolito gelatinoso (gel cell batteries, en inglés). Elgrado de recombinación depende de la actividad química en el electrolito (valor dela corriente).

Para situaciones de emergencia, como un cortocircuito externo, estas bateríasposeen una válvula de seguridad, y de allí que también se las conozcan por laabreviatura inglesa VRLA (Valve Regulated Lead Acid) o Pb-ácido regulada porválvula.

Los vendedores de baterías herméticas ofrecen, hoy día, un sólo tipo deconstrucción, el que se conoce por las sigla inglesa AGM (Aggegated Glass Mat).La mejor traducción sería conglomerado (aggregate) con alfombrilla (mat) “vitrosa”y electrolito. La alfombrilla es el separador de placas, el que está hecho de unaestructura fibrosa fina de silicio y boro, la que tiene una apariencia vitrosa (fiberglass).El electrolito, que ha sido reducido a una densa estructura gelatinosa, pasa a formarparte del conglomerado.


Bateríasde

Ni-Cd

Bateríastipo

AGM(Cont.)

Las baterías de este tipo usan un electrolito de ácido y agua, pero la solucióntiene un grado de saturación menor que la del electrolito líquido.Ventajas

Estas baterías:Toleran más abuso que las primeras baterías del tipo hermética, ya que elgrado de recombinación de los gases de carga es algo superior al 99 %.Tienen una auto-descarga que no excede el 3% por mes (25°C).Pueden ser recargadas al 100%, aún si han perdido completamente su carga.Nunca desparramarán el electrolito (aún si se rompiere la caja),conviertiéndose en la solución ideal para instalaciones en donde elmovimiento constituye un problema (boyas, embarcaciones o aviones).Resultan muy seguras cuando son instaladas dentro del hogar.No dejan escapar grandes cantidades de gases al ser cargadas (menos del4% del total), siendo ideales en aviones o en instalaciones fotovoltaicas dondeel banco de baterías debe ubicarse en un lugar habitable.Como no requieren mantenimiento (agregado de agua), se las usa eninstalaciones donde la supervisión es infrequente o nula, como la iluminaciónde carteles de propaganda en lugares remotos o repetidores telefónicos en lamontaña. Esta característica puede ser útil cuando el usuario de un sistemaFV no quiere o puede mantener el banco de batería. Muchos sistemas FVsintegrales (sistemas listos para ser usados) incluyen este tipo de batería.Resisten mejor las bajas temperaturas ambientes.Abataran el costo de envío, ya que son clasificadas como substancia nopeligrosa.No necesitan ecualización.

DesventajasEl costo es dos a tres veces superior al de una batería Pb-ácido con electrolitolíquido.La corriente y el voltaje de carga son más bajos que para la de electrolitolíquido (mayor tiempo de carga).

No podemos concluír este capítulo sin mencionar las baterías de NickelCadmio (Ni-Cd) de ciclo profundo. Debido a su alto costo inicial (6 a 8 veces el deuna batería de Pb-ácido con electrolito líquido), este diseño no ha podido suplantara ese tipo, a pesar que el el costo operacional (costo a largo plazo) es mucho menor(5 veces) al de una batería del tipo Pb-ácido de igual capacidad .

Las baterías solares de Ni-Cd se fabrican con un procedimientocompletamente diferente del usado para las versiones pequeñas (hoydescontinuadas), evitando el efecto “memoria” de las pequeñas y medianas baterías(herramientas portátiles) de Ni-Cd.

Las baterías solares de Ni-Cd usan un diseño llamado “placas con bolsillos”(pocket plate, en inglés). Las placas son de acero inoxidable, con depresiones(bolsillos) donde se coloca el material activo. El electrolito de estas baterías es unasolución de agua e hidróxido de potasio, el que requiere una fina capa de aceite enla superficie superior para evitar su oxidación por el oxígeno del ambiente.


Baterías deNi-Cd(cont.)

VentajasLas baterías de Ni-Cd que usan este método de fabricación:Toleran más abuso que su equivalente de Pb-ácido, ya que soportan, sindañarse, cargas y descargas excesivas, y pueden trabajar con bajo estado decarga sin deteriorarse.Toleran una mayor PdD (cerca del 100%).Tienen una mayor eficiencia con bajas y altas temperaturas y soportan, sinproblemas, una alta combinación de temperatura y humedad ambiente. Estaúltima característica las convierte en la solución ideal para climas tropicales.No tienen problemas de sulfatación de las placas o congelación del electrolito.La autodescarga, inicialmente elevada, disminuye con el tiempo, permitiendolargos períodos de almacenamiento con una retención considerable de lacarga inicial.La vida útil es de más de dos veces la de una batería solar de Pb-ácido deigual capacidad. Uno de los fabricantes de más experiencia con este tipo debaterías (SAFT-NIFE) las garantiza por 20 años.

DesventajasLa característica de descarga es la mayor desventaja, ya que el voltaje desalida permanece prácticamente constante (extremadamente baja resistenciainterna) hasta que, súbitamente, su capacidad de almacenaje se ve agotada.En ese momento el voltaje de salida cae en forma vertiginosa, no permitiendoal usuario tener un “aviso previo”.La evaluación del EdC (estado de carga) requiere medir el voltaje de salidacon un voltímetro que tenga la suficiente resolución y presición para que lalectura contenga dos decimales significativos, ya que la diferencia en voltajeentre una celda cargada o otra descargada es muy pequeña (1,4V cargada;1,1V descargada).El electrolito de una batería de Ni-Cd tiene un rol pasivo. Sólo actúa comotransportador de cargas, y por lo tanto, no hay variación alguna en su densidadentre una celda cargada o descargada. No es posible usar un densímetro paradeterminar el EdC.El bajo voltaje por celda obliga a la incorporación de un mayor número deceldas/batería para obtener voltajes cercanos a los 12V.

La Figura 6.3 muestra la construcción de una batería solar de este tipo.


Baterías deNi-Cd:

ConstrucciónRetardador de llama

(polipropileno)

Cubierta del connector(Plástico PVC)

Caja exterior depolipropilenotransparente

Grupo de placasconectadas a unode los terminales

Separador entre grillas

Placa con bolsilloshorizontales

Armadura de placa(sellador para los

bolsillos)

Retén contrasalpicaduras del

electrolito

Contacto de la placa(soldado a la rejilla con

soldadura de punto)

Figura 6.3- Batería de Ni-Cd (SAFT-NIFE)

67

CAPITULO 7

CONTROL DECARGA

Introducción

Nota:

Tipos decontrol

Nota:

Controlserie

La pregunta lógica es ¿porqué se necesita un control de carga? La respuesta es: paraimplementar un proceso de carga que sea altamente eficaz para el tipo de batería a usarse,durante el reducido tiempo en que el sistema de carga permanence activo (duración del díasolar promedio). Si el sistema FV no requiere un banco de reserva, el control de carga no senecesita.

Cuando mencione la palabra batería(s), el lector deberá asumir que me refiero al tipo Pb-ácido, con tapones de ventilación, de 6 o 12 V nominales. De lo contrario, el nuevo tiposerá identificado.

Existen dos formas de trabajo para el Control de Carga (CdC): control en serie ycontrol en paralelo. La Figura 7.1 ilustra cómo las dos versiones varían el valor de lacorriente de carga.

Control en serie

1 2 31 2 3

Control en paralelo

4

5

1- Paneles FVs

2- Control de Carga

3- Banco de baterías

4- Diodo de bloqueo5- Carga ficticia

Figura 7.1- Controles de carga en serie y en paralelo

Las llaves interruptoras en la Figura 7.1 sólo tienen, por el momento, un significadoconceptual.

En esta versión, la acción de control toma lugar en serie con el circuito de carga,abriéndolo y cerrándolo intermitentemente, dependiendo del voltaje de batería. Durante lanoche, el circuito de carga permanence abierto, evitando que las baterías se descarguen através de los mismos (diodo N-P polarizado para conducir por el voltaje de batería).

68 CAPITULO 7- CONTROL DE CARGA

Controlparalelo

Circuito decontrol

La acción de control en estos modelos actúa desviando, en forma intermitente,la corriente de carga a una carga ficticia (dummy load, en inglés) la que quedaconectada en paralelo con el circuito de carga. Como el circuito de carga no seabre, para evitar la descarga de las baterías, se conecta un diodo de bloqueo del ladode batería. La presencia del mismo crea pérdidas de potencia y reduce el valor máximodel voltaje de carga. Esto hace que los controles paralelos sean menos eficientesque la versión en serie, y por ello la mayoría de los controles ofrecidos a la venta sondel tipo serie.

Un circuito de control tiene dos secciones: la que ejerce el control, y la quelo recibe. Ambas están vinculadas, en todo momento, a través del circuito demonitoreo (feedback, en inglés), el que completa el circuito de control (controlloop, en inglés). La señal de monitoreo permite que la sección de control puedaejercer su acción en el momento y forma apropiada.

El monitoreo vigila el Estado de Carga (EdC) del banco de baterías,mandando al CdC información sobre el voltaje de batería. Si bien este voltaje norepresenta la mejor manera de conocer con precisión el EdC de la batería, es elparámetro más fácil de monitorear y desde los primeros diseños se lo utilizó comoseñal de feedback. Por otra parte, hacia el final del ciclo de carga, el voltaje debatería se mantiene casi constante, proveyendo una información más satisfactoriasobre el EdC del acumulador.

La Figura 7.2 muestra tres voltajes de monitoreo: el de batería, el del generadorde entrada y el de un sensor de temperatura, como explico a continuación.

CdC

Batería

Circuitode

Control

Sensor deTemperatura

Voltajede batería

Voltajedel

generador

*

*

Figura 7.2- Control de carga

La batería está conectada permanentemente a la salida del CdC. En sistemascon altas corrientes de carga, a fin de eliminar el error introducido por la caída devoltaje en los cables de conección, se utilizan cables adicionales de monitoreo porlos que circula una corriente negligible (marcados con un asterisco en la Figura7.2).

La incorporación de un sensor de temperatura provee un voltajesuplementario, el que se conecta al terminal especialmente provisto en el CdC. Elsensor, que a veces está adherido a la caja de batería y en otras atornillado a uno desus terminales, envía un voltaje variable de corrección, el que se adiciona o substraeal valor del voltaje máximo de carga, dependiendo de la temperatura del electrolito.

El monitoreo del voltaje de batería continúa durante la noche y puedeutilizarse para interrumpir el circuito de carga, cuando éste alcanza alcanza un valorexcesivamente bajo (low voltage disconnect, en inglés).

69CAPITULO 7- CONTROL DE CARGA

Evolucióndel diseño

Un criterio similar se aplica al voltaje de salida de los paneles, el que puedeser desconectado cuando alcanza un valor menor al voltaje de carga de la batería.

Estos ejemplos los he traído a colación para que el lector advierta que losCdC modernos son utilizados para llevar a cabo funciones adicionales, las que seagrupan bajo el nombre genérico de opciones. Algunas de ellas están directamenterelacionadas con el proceso de carga (control de temperatura), mientras que otrastienen una acción indirecta (ecualización o monitoreo del sistema ).

La posición que tiene el CdC dentro del circuito FV (entre la parte generadoray el resto del circuito), dicta que las opciones se incorporen en este punto. Algunaspasan a formar parte del control de carga (control de temperatura y ecualización),mientras que las que guardan relación con el monitoreo del sistema requieren el usode unidades adicionales, las que estarán dedicadas a una función específica(desconectado por bajo voltaje de carga, etc).

El grado de complexidad del circuito de control determina la calidad de su acción.

Los primeros CdC, los que aún hoy son ofrecidos a la venta, utilizan dostecnologías: los semiconductores discretos (diodos y transistores) para determinarcuando la acción de control debe tomar lugar, y un componente electromecánico, elrelevador (relay, en inglés) para ejercer la acción de control. El resultado es unamuy pobre acción reguladora, la que se traduce, de acuerdo con observaciones hechasen varias instalaciones que los usaban, en baterías que son cargadas entre un 50 y un60% de su capacidad máxima, muchas de ellas con placas sulfatadas.

Como si esto fuere poco, cuando los contactos del relevador se abren, seproduce un arco eléctrico, ya que se interrumpe una CC, la que nunca pasa por cero.Los arcos dañan la superficie del contacto, aumentando su resistencia y disminuyendorápidamente la vida útil del relevador.

Si un CdC de este tipo va a ser ubicado cerca del banco de acumulación, elrelevador debe tener los contactos dentro de una caja hermética, ya que los arcospueden iniciar la combinación química entre el oxígeno y el hidrógeno que la bateríalibera al cargarse, la que es altamente explosiva.Primera mejora

Con la introducción de los semiconductores de potencia, los relevadoresfueron reemplazados por componentes de estado sólido (FET de potencia), alargandola vida útil del CdC. Desgraciadamente, la parte de control no cambió, de maneraque los nuevos productos no mejoraron la capacidad de carga del banco de baterías.Modelos recientes

Cuando los microprocesadores bajaron su costo, estos fueron incorporadosen el circuito de control. Estos microprocesadores son controlados por programasespecíficos, llamados algoritmos de carga los que tienen varios pasos (etapas). LosCdC que los usan se denominan multi-etapas, para distinguirlos de los que noincorporan un microprocesador (controles de una etapa) .Ventajas

El algoritmo de carga permite diseñar un CdC que ofrece una adaptaciónmuy eficaz entre el EdC de la batería y el generador de carga. Otra ventaja adicionales que el microprocesador requiere un bajo consumo y los FETs de potencia, debidoa su elevada resistencia de entrada (106 Ω), permiten el cierre y apertura del circuitode carga con un consumo negligible.


Algoritmode carga

Primeraetapa

Segundaetapa

Estos dos factores se traducen en CdC que pueden controlar corrientes dedecenas de amperes, consumiendo solamente decenas de mA. Por otra parte, laresistencia interna de los FETs de potencia durante el período de conducción esbaja, lo que disminuye las pérdidas por disipación interna.

Este es el corazón de los CdC modernos, de manera que me detendré ensumarizar las versiones que se ofrecen. Independientemente de cuántas etapas seofrezcan, los factores considerados en el diseño de las dos primeras es el mismopara todos los fabricantes.

Todos los diseños tienen en cuenta la necesidad de cargar al banco de bateríaslo más rápido possible, ya que la duración del día solar promedio es limitada. Laalta cantidad de iones libres presentes en la solución electrolítica cuando la bateríaestá descargada, hace possible acelerar al comienzo el proceso de carga. Se consigueasí una carga bruta substantial (bulk charge, en inglés) durante las primeras horasdel día.

La implementación del proceso de carga es la misma para todos los fabricantesy consiste en elegir un voltaje de referencia lo suficientemente alto como paraasumir que cuando el voltaje de batería alcanza ese valor, el EdC es cercano al 80%del máximo. Durante este período la corriente de carga tiene un valor igual almáximo que el sistema puede entregar en un dado instante. Al respecto, debe tenerseen cuenta que los paneles solares no proporcionan una corriente constante duranteel día, ya que el máximo valor sólo se alcanza cuando el sol llega al zenit. A partir deeste punto, su valor disminuye constantemente.

Las diferencias entre diferentes modelos tienen que ver con detalles como:Ø El valor elegido para el voltaje de referencia, oØ La posibilidad de alterar (o no), manualmente, el valor del voltaje de

referencia.Cuando el voltaje de batería iguala al de referencia, a veces con un error

entre 20 y 30 mV, el circuito de control inicia la segunda etapa.

Todos los fabricantes reconocen la necesidad de desacelerar el proceso decarga, ya que el EdC de la batería es lo suficientemente alto como para asumir quela cantidad de iones libres ha amenguado, y seguirá amenguándose durante estaetapa. Se hace necesario disminuír, paulativamente, el valor de la corriente decarga. A esta etapa se la denomina de absorción (absorption stage, en inglés).Algoritmos para la segunda etapa

Cómo llevar a cabo la disminución de la corriente durante esta etapa, es loque diferencia a un modelo del otro.

Una solución es mantener el valor del voltaje usado como referencia en laprimera etapa. Como la diferencia entre el voltaje de batería y el del generador decarga disminuye constantemente, la corriente de carga se reduce paulatinamente.

La otra solución consiste en disminuir la corriente de carga usando ungenerador de carga pulsante, de amplitud constante (valor de referencia) y tiempode conducción variable. Este tipo de generador se conoce, en inglés, con laabreviatura PWM (anchura de pulso modulada).

Lea en el Apéndice I sobre el tema.


CdC dedos etapas

CdC deltipo MPPT

CdC detres etapas

Durante esta etapa los incrementos en el voltaje de batería se traducen enreducciones en el tiempo de conducción, disminuyéndose así el valor de la corrientede carga.

La duración de la segunda etapa está determinada por el algoritmo de cargay no por un voltaje de referencia. Al terminar esta etapa el fabricante estima que labatería está cargada, interrumpiéndose el proceso de carga.

Cuando una batería permanence en reposo, su voltaje disminuye lentamente.Es por ello que los CdC de dos etapas ofrecen dos opciones al terminar la segundaetapa:

¬ El reinicio automático de la carga o¬ La posibilidad de ecualizar las baterías.

Reinicio automáticoCuando el valor del voltaje de batería decrece por debajo de un segundo

voltaje de referencia, llamado voltaje de reinicio (re-starting voltage, en inglés),el ciclo de dos etapas se repite automáticamente.Ecualización

Como alternativa al reinicio automático, estos CdC ofrecen la posibilidadde elegir una tercera etapa: la de ecualización. Esta opción permite a los fabricantesde estos modelos considerarlos como CdC de tres etapas, aún cuando la etapa deecualización no constituye una extensión del proceso de carga. El proceso deecualización puede trabajar, a elección, en forma automática o manual.

Es importante observar que la corriente de ecualización usada en estasunidades no es excesiva, ya que el el proceso usa un voltaje de sólo 1 V por sobre elde referencia (sistemas de 12V). Esto evita una excesiva gasificación del electrolito.

En estos modelos la etapa optativa de ecualización no existe. En su lugar elalgoritmo de carga convierte al generador de carga en un generador del tipo PWM,comohe descripto anteriormente.

En esta etapa el valor del voltaje del generador disminuye (2V en sistemasde 12V; 4 en sistemas de 24V) con respecto al de referencia de la etapa anterior.Este voltaje, llamado de flotación, debe disminuir porque la cantidad de iones libresen el electrolito es muy escaza, evitándose así una excesiva e innecesaria gasificacióndel electrolito.

La sigla inglesa MPPT (Maximum Power Point Tracking ) significa: seguidordel punto de potencia máxima. El “punto” al que se hace mención es el quecorresponde a los valores óptimos para el voltaje y corriente de salida queproporcionan la máxima potencia de salida. Como vimos al tratar los paneles FVs,ese punto varía con la temperatura de trabajo del mismo.

La ventaja inmediata es el mayor aprovechamiento de la energía solar, perootra no obvia, es que este tipo de control permite usar un voltaje de generación máselevado que el nominal del sistema, dado que incorpora un conversor de CC a CC,el que mantiene el voltaje de carga dentro del rango requerido por el voltaje nominaldel sistema.


CdC deltipo

MPPT

Criterios deselección

Fabricantesy modelos

Blue SkyEnergy™

Bateríacargando

Bateríacargada

Para ilustrar esta ventaja piense que si Ud necesita dos paneles en un sistemade 12V nominales, puede optar por conectarlos en serie (24 V) y reducir la corrienteentre los paneles y el CdC a la mitad, lo que le permitirá usar cables de menordiámetro (y costo).

Si asumimos que las pérdidas del conversor de CC a CC no son elevadas, lapotencia de salida del conversor será cercana a la de entrada. Como el voltaje desalida es menor, la corriente de salida debe ser mayor que la de entrada, y por elloeste tipo de control incorpora un limitador de corriente, a fin de no sobrepasar lacorriente máxima tolerada por las baterías cuando la potencia de entrada subetransitoriamente.

La máxima corriente de carga y el máximo voltaje del sistema son dos criteriosobvios de selección pero, como el lector podrá apreciar al tratar el diseño de unsistema, las consideraciones del diseño determinan finalmente el tipo de control ausarse.

Asumiendo que el mercado local ofrece alguna variedad de modelos, el costoinicial de la unidad deberá ser balanceado considerando las características delsistema.

Es imposible describir todos los modelos que se ofrecen a la venta, de maneraque he decido incorporar alguno de ellos para dar idea de la variedad de modelos.

Esta compañía (ex RV Power Products), entre otras, ofrece CdC del tipoMPPT. Su serie Solar Boost™, tiene dos modelos: uno para 25A de carga máxima,y otro para 50 A. La Figura 7.3 muestra el modelo para 25A/12V.

Figura 7.3- Solar Boost™ modelo 2000E

Ambos son del tipo serie, tienen entradas para monitorear la temperatura debatería y ofrecen un algoritmo de carga de dos etapas (carga bruta y absorción) másla posibilidad de implementar una etapa de ecualización manual. Como muestra lafotografía, el modelo 2000E tiene un medidor digital, el que permite monitoriarvarias variables del sistema. El monitoreo se ve complementado por dos indicadoresgráficos, iluminados por lámparas LEDs: batería en carga y batería cargada.


Morningstar™

Sun Guard (4,5A 12V) Sun Saver 6,5 o 10A para 12 o 24V

Pro Star (15A o 30A / 12 o 24V) Tri-Star (45 o 60 A / 12-24-

Cuando el voltaje de carga disminuye por debajo de un valor mínimo, elgenerador comienza a buscar el punto de potencia máxima. Estos controles usanFETs de potencia para la función interruptora.

Esta compañía ofrece modelos para corrientes de carga entre 4,5 A(SunGuard™) y 60 A (TriStar™), los que pueden usarse en sistemas con voltajesnominales de 12, 24 y 48 V, dependiendo del modelo. Todos los controles son deltipo serie, usan FETs de potencia para abrir o cerrar el circuito de carga y ofrecen laposibilidad de controlar la temperatura del electrolito.

Los algoritmos de carga varían con cada modelo. La mayoría tienen dosetapas de carga más la opción de ecualización, aunque los de mayor corriente ofrecendos etapas opcionales: ecualización o flotación.

La figura 7.4 muestra los CdC manufacturados por esta firma.

Figura 7.4- Modelos ofrecidos por Morningstar™


Notas:

Xantrex™

C-12C-60

Consideracionesadicionales

La compañía Morningtar ofrece el modelo SHS, diseñado bajo contrato con el BancoMundial (World Bank) para ser usado en sistemas de 12V para 6 o 10A de corrientede carga, el que sólo puede adquirirse fuera de los EEUU.Puede leer sus especificaciones en español al final de este capítulo.

Esta compañía adquirió otra (Tracer) que se había establecido en el mercadode energía renovables con varios productos, y por eso ofrece una vasta variedad deproductos.

Todos los modelos de controles de carga llevan el prefijo C. Analizando lasespecificaciones, puede observarse que el modelo C-12 ha sido diseñado para serusado en sistemas FVs de 12V con corrientes de hasta 12A, mientras que los restantesC-35, C-40 y C-60 forman una línea separada, para corrientes medias y elevadas(35, 40 y 60A respectivamente). Estos productos pueden se seleccionados paratrabajar con voltajes de 12 o 24V. El modelo C-40 puede, asimismo, ser usado ensistemas de 48V.

La descripción y especificaciones del modelo C-12 pueden obtenerse, enespañol, visitando la internet (www.xantrex.com). Seleccione “Languages” (idiomas)y elija la palabra “Bienvenido”.

Todos los modelos son del tipo serie y los elementos de control en serie usanFETs de potencia. La Figura 7.5 muestra dos de los modelos mencionados.

Figura 7.5- Controles de carga Xantrex (Serie C)

EléctricasUn control de carga:þ Deberá tolerar, con algún margen de exceso, los valores de voltaje y corriente

especificados para la unidad.þ Deberá tener protección contra descargas eléctricas.

MecánicasUn control de carga:þ Deberá tener una caja con cubierta inoxidable.þ Deberá ofrecer un montaje simple.


Notas:

Nota:

Consideracionesadicionales

(Cont.)

þ Deberá tener un fácil acceso a los contactos de entrada y salida, ajustes, opuntos de prueba, si estos son parte del diseño.

þ Deberá proveer terminales sólidos, resistentes a la oxidación, y con capacidadpara conectar cables del diámetro demandado por la corriente máxima deldiseño.

AmbientalesUn control de carga:þ Deberá ofrecer un amplio rango para la temperatura de trabajo.

Los diseños son vulnerables a la alta humedad y temperatura ambiente, de maneraque no exceda los límites especificados por el fabricante.Evite la acción de gases nocivos, como las emanaciones de la batería durante lacarga.Algunos modelos tienen el circuito inmerso dentro de una substancia del tipo acrílico,la que proteje los componentes contra la acción ambiental. Por obvias razones, loscontactos de amarre para los cables permanecen expuestos.CostoEl costo de un CdC depende de:§ La máxima corriente de carga que debe controlar.§ Las opciones que se elijan.§ El tipo de monitoreo incorporado en la unidad.

El número de opciones ofrecidas por el fabricante se incrementa con el valor de lacorriente de carga, dado que los sistemas de mayor consumo requieren mássalvaguardias.OpcionesControl de temperatura

Esta opción es muy práctica, y de ser posible, adóptela.Ecualización

Si no usa un control con tres etapas de carga, elija un CdC con esta opción.Otras opciones

Hay opciones que debo considerarlas más adelante, ya que están relacionadascon el tipo de sistema FV (híbridos, de CA, etc).





79

CAPITULO 8

CABLES DECONECCION

Introducción

Aspectos delcableado

Capítulo 8- CABLES DE CONECCIONIntroducción

La selección de los cables de conección en un sistema de distribución de bajo voltaje(sistema FV), es importante porque:

El nivel de la corriente de carga es elevado.Estos cables están expuestos a condiciones ambientales extremas (calor, frío,humedad, rayos ultra-violetas, etc), y, en algunos casos, al ataque de roedores.La caída de voltaje entre la entrada y la salida debe mantenerse baja (entre un 3 y un4% del valor nominal).

Cuando se instala el cableado de distribución en una casa, la corriente total se divideen varios sectores de carga, de manera que los cables pueden ser dimensionados paracorrientes menores que el total dictado por la carga.

Cuando se vinculan los paneles FVs al bloque de carga, la corriente no puede serdividida, de manera que por estos cables circulará la corriente total del sistema, incluyendolas pérdidas.

En sistemas de 120V de CA, cuando una carga es muy elevada (secadores de ropa ocalentadores eléctricos de agua) se tiene el recurso de usar un voltaje más elevado (voltajeentre fases de 208 V), lo que disminuye la demanda de corriente.

Las condiciones ambientales de los cables de distribución domésticos, salvo el calory la humedad relativa, suelen ser menores que para cables expuestos a la intemperie.

Aspectos del cableadoEl análisis del cableado de un sistema FV comprende dos aspectos diferentes:

Las características físicas del conductor (metal usado, longitud, y superficie dela sección conductora).El tipo de aislación requerida por las condiciones de uso.

Las características físicas definen la resistencia eléctrica y mecánica del conductor,los diámetros para varios tipos, así como la variación de la resistencia cuando aumentala temperatura de trabajo.El tipo de aislación contempla, para las condiciones ambientales en donde el cableva a ser usado, cual es el material aislante más adecuado.

80 CAPITULO 8 - CABLES DE CONECCION

La resistencia eléctrica de un conductor está dada por la expresión:

R (ΩΩΩΩΩ) = (L . ρρρρρ) / S (8.1)

donde L es la longitud del conductor (m), ρρρρρ (rho) es la letra griega que representala resistividad del material (ΩΩΩΩΩ.m) y S la superficie de la sección conductora (mm2

= 10-6 m2). La expresión (8.1) muestra que la resistencia de un conductor esdirectamente proportional al valor de ρ (metal usado), y su longitud, e inversamenteproportional a la superficie de su sección transversal. Cuando el conductor tieneuna sección circular, el valor del área varía con el cuadrado del diámetro, ya que:

S = πππππ . r2 = πππππ/4 . D2 (8.2)

donde r es el radio y D el diámetro de la sección circular (D = 2 . r).El valor de ρρρρρ depende no sólo del material usado para fabricar el conductor,

pero de la temperatura de trabajo del mismo.

La gran mayoría de los conductores tienen una sección circular, pero existenasimismo conductores en barra, de sección rectangular o cuadrada.

La Tabla I proporciona los valores de ρρρρρ para los cuatro mejores conductoresmetálicos, a una temperatura de 20°C.

TABLA IResistividad en ΩΩΩΩΩ.m a 20°C

METAL SIMBOLO RESISTIVIDAD ( x 10-8 ΩΩΩΩΩ.m)Plata Ag 1,629Cobre Cu 1,724Oro Au 2,440Aluminio Al 2,828

Como el valor del oro y la plata es muy elevado, el cobre y el aluminio sonlos metales de mayor interés. De la tabla se deduce que el valor de ρρρρρ a 20°C para elaluminio es 1,64 veces más alto que el del cobre, y de allí que este metal sea el másusado de los dos. Pero la menor resistividad del cobre no es la única característicafavorable de este metal, ya que, además:

Es fácil de soldar. Tiene un alto valor de tensión mecánica, lo que facilita el proceso de

extrusión* usado para fabricar alambres redondos y el tendido de cablesentre soportes fijos.

* Tirado de una barra a través de varias formas cónicas huecas.

Su costo, superior al del aluminio, no ha sido un impedimento que restringierael alto grado de aceptación alcanzado hasta el presente. En este manual las datospublicados son válidos sólo para este tipo de material.

Nota:

Resistenciaeléctrica

81CAPITULO 8 - CABLES DE CONECCION

Resistencia vstemperatura

AWG

Notas:

Notas:

El valor dado por la inversa del valor de ρρρρρ representa la conductividad delmaterial, la que se mide en Siemens (Si = 1/ Ω). La letra griega σσσσσ (sigma) se utilizapara identificar este parámetro, de manera que 1/ρρρρρ = σσσσσ.

En un mercado dominado por el cobre, el uso del aluminio requiere que los contactosde amarre sean tratados para que no se cree una diferencia de voltaje entre el cable(Al) y el terminal (Cu).Si estos materiales establecen un contacto directo, se creará un par galvánico, y lapresencia de la humedad ambiente establecerá una corriente del ánodo (Cu), alcátodo (Al) la que deteriora al metal con menor potencial galvánico* (cátodo dealuminio).*Tomando al hidrógeno como referencia (V=0), se puede medir el potencial galvánico de variosmetales. Este valor, para algunos metales, es positivo (ánodos), y para otros, negativos (cátodos).

La resistencia de un conductor a temperaturas superiores a los 20°C (Rt)está dada por la expresión:

Rt = R20 (1 + α.∆α.∆α.∆α.∆α.∆t) (8.3)

donde R20 es la resistencia a 20°C, α α α α α es el coeficiente de temperatura por grado °Cy ∆∆∆∆∆t es el incremento de temperatura por sobre los 20°C. Para el cobre, el valor deααααα (0,0043/C) se mantiene constante entre 0 y 100°C.

La expresión (8.3) nos indica que por cada 10°C de aumento en la temperaturadel conductor, el producto α.∆α.∆α.∆α.∆α.∆t se incrementa 0,043, lo que representa un 4,3% deaumento para el valor inicial de la resistencia.

En los EEUU al diámetro de un cable conductor se le asigna un número, alque se conoce con la sigla AWG (American Wire Gauge) que significa calibre decables americano. Originalmente, esta nomenclatura numérica guardó una relacióndirecta con el número de pases que eran requeridos por la barra de cobre a través delorificio de extrusión, para poder obtener un diámetro determinado. Esto explicaporqué los diámetros mayores están asociados con los números más bajos. Cuandoaparecieron calibres superiores al AWG 1, se debió recurrir a la identificación delos mismos usando un número variable de ceros. Se tienen así los cables 0, 00, 000y 0000, cada uno de ellos con diámetros cada vez mayores. Estos diámetros suelenser escritos, en forma abreviada, como1/0, 2/0, 3/0 y 4/0.

Muchas de las tablas para cables provienen de los EEUU. En ellas la unidad usadapara la longitud es el pié (ft) y el diámetro del conductor suele ser dado en circularmils (milésimas circulares).Un diámetro de un circular mil corresponde a un conductor cuyo diámetro es de0,001” (” es la abreviación inglesa para la pulgada). Diámetros superiores a 4/0están dados en Kcircular mils (1.000 mils).

La Figura 8.1 muestra los diámetros relativos (no absolutos) para cablesdesde el 00 (o 2/0) hasta el número 18.


Alambres ycables

Notas:

Figura 8.1- Diámetros relativos para cables desnudos

La Tabla II resume varios de los parámetros eléctricos y dimensiones paracables desnudos de cobre con diámetros entre AWG 18 y 4/0. Los mayores diámetrosson alcanzados agrupando conductores de menor diámetro, lo que permiteincrementar la flexibilidad del conductor, ya que los conductores externos podrándeslizarse con respecto a los internos cuando el conductor es curvado. Losconductores multi-cables tienen una menor tendencia a cortarse cuando se los flexionadurante el coneccionado, y resultan más fáciles de manipulear.

Tablas originadas en los EEUU dan los valores para una longitud de 100’ (donde ’es la abreviación inglesa para el pié).Para conocer el valor métrico equivalente lea el Apéndice III.

TABLA II

Calibre Diam. Area Resistencia a 20°C TipoAWG mm mm2 ohm/Km

18 1,020 0,823 21,8 Sólido16 1,290 1,310 13,7 Sólido14 1,630 2,080 8,6 Sólido12 2,050 3,310 5,4 Sólido10 2,590 5,260 3,4 Sólido 8 4,775 8,403 2,2 49/25* 6 5,334 13,575 1,5 133/27* 4 6,257 21,587 0,80 133/25* 2 8,331 34,327 0,50 133/23* 1 9,271 43,282 0,40 133/22*1/0 11,786 54,581 0,31 133/21*2/0 12,700 68,858 0,25 133/20*3/0 12,928 84,286 0,20 259/22*4/0 15,392 106,289 0,16 259/21*

* Estos tamaños son ofrecidos con otras combinaciones de hilos(número y AWGdel “strand”).

Cuando se tiene un solo conductor, se habla del alambre de conducción,cuando se tienen varios alambres retorcidos (o paralelos), se habla del cable deconducción. Los cables tienen más flexibilidad que los alambres, como ya se indicó,y se venden con o sin aislación (cables desnudos), dependiendo de la aplicación.Por ejemplo el típico cable a tierra nunca lleva aislación. La Figura 8.2 muestra unalambre y un cable, ambos con aislación exterior.


Cuberturaaislante

Figura 8.2- Alambre y cable conductor

Debo destacar que los cables son ofrecidos, asimismo, en diámetros pequeños,los que suelen usarse en lugares donde la connección necesita cierto grado deflexibilidad mecánica Para estos cables se proporciona no sólo el valor AWGcorrespondiente a su diámetro, pero dos valores complementarios: la cantidad dealambres usados y el valor del AWG de los mismos. Así, por ejemplo, un cableAWG 26 - 7/34 alcanza su diámetro (AWG 26) usando siete alambres retorcidos decalibre 34. Cada alambre que forma el cable se llama, en inglés, strand (hilo). A uncable de este tipo se lo lama “stranded cable”.

Los materiales aislantes que cubren a los conductores no sólo proveenaislación eléctrica, pero proporcionan protección ambiental y resistencia mecánicaa la fricción (tirado de cables dentro de un conducto o expansión y contracción convariaciones de temperatura). Al respecto, cuando la protección mecánica debemejorarse, se usa una capa adicional, la que se conoce, en inglés, como “jacket”.Nylon suele ser el material más usado para este propósito.

En aplicaciones industriales la aislación debe, a veces, evitar que salte unarco a través de ella, o proveer una protección ambiental contra la acción corrosivade substancias químicas (gasolina, aceites, ácidos). En sistemas FVs de bajo voltajela protección ambiental es la más importante ya que los cables exteriores estaránexpuestos a la radiación solar (rayos ultravioletas) así como a altas o bajastemperaturas y/o humedad ambiente.

De ser posible, entierre el cable, a fin de protegerlos de temperaturas extremas.Para estos casos se requiere una aislación especial, la que se reconoce por lasdesignaciones UF (Underground Feeder), alimentador bajo tierra o SEU (ServiceEntrance Underground), cable de entrada de servicio bajo tierra.

Otro tipo de cable, usado para interconectar las baterías en un banco dereserva, debido a su flexibilidad y ampacidad, es el cable para máquina de soldareléctrica, el que se ofrece en AWG 4 o 2 (Battery jumper).

Como era de esperar existen varias marcas de identificación, impresas sobrela superficie aisladora, a intervalos regulares a lo largo del material aislante, quesirven para definir sus propiedades, así como el tipo y número de conductores.Mencionaré las más communes.Voltaje máximoEste valor puede ser dado en volts de CA, CC o CA/CC. El valor de CA correspondeal valor pico de la onda sinusoidal (Apéndice II).

Marcadode cables


Nota:

Máxima temperaturaEste valor, dado en general en grados centígrados (°C), representa la máximatemperatura de trabajo que puede soportar el material aislador sin deteriorarse. Esteparámetro, en circuitos FVs, es extremadamente importante, como acabo de indicar.

Los cables modernos soportan fácilmente los 90°C, pero el usado parainstalaciones hogareñas de 120V, conocido como cable ROMEX, sólo tolera los60°C. Cuando el cable tiene una aislación que tolera los 105°C se lo marca XHHW(XHH = eXtra High Heat), temperatura muy alta.Material aislanteCon el advenimiento de los materiales plásticos, el algodón impregnado o la gomafueron remplazados por compuestos sintéticos (plásticos), los que ofrecencaracterísticas especiales, ya sea para resistir agentes corrosivos, altas temperaturasy humedad ambiente, o altos voltajes de aislación.

Para indicar el tipo o propiedad de estos materiales, se utilizan letras quecorresponden, en general, a la primera letra de una palabras inglesa asociada conesa característica. Por ejemplo, la letra T significa termoplástico (Thermoplastic).La Tabla III dá una lista de las más communes.

TABLA IIITipos de aislaciones

T (Thermoplastic) Material termoplásticoH (Heat resitant) Resistente al calor (heat).W (Weather-resistant) Resistente a la humedad.A (Asbestos) Asbesto. Este material está

prohibido en la actualidad.M (Mineral oil) Resistente a los aceites.N (Nylon) Cubertura exterior de nylon.NM (Non-Metalic) Cubertura exterior de nylon

(no metálica).R (Rubber) Goma.S (Silicon rubber) Goma siliconada.

FEP (Teflon) FET y TFE representan dosTFE (Teflon) formulaciones del Teflon

PVC (Polyvinyl Chloride) Cloruro de polivinilo.UF/USE (Underground Feeder/ Cables que permiten ser

Underground Service enterrados bajo tierra.Entrance)

El PVC es sin duda el más usado por su alta resistencia a las temperaturas y voltajesde aislación (600 V/1.500°C, así como a la humedad ambiente.

Los negocios especializados en vender componentes y cables para la industriarenovable ofrecen cables para altas temperaturas y con protección contra laradiación ultra-violeta.


Corrientemáxima:

ampacidad

Ejemplos de marcaciones1. La cubierta tiene la marcación THWN.Esto indica que se ha usado un material termoplástico para la cubierta aislante (T),la que es resistente al calor (H) y la humedad ambiente (W) y tiene una cubiertaexterior de nylon (N). Los límites de temperatura y humedad están dados en lasespecificaciones del producto, aunque es común que haya una segunda marcacióncon el máximo para la temperatura de trabajo.

2. La cubierta tiene la marcación 12/3W/G NM.Esto indica que dentro de una aislación no metálica (NM) hay tres cables AWG12(12/3), uno de ellos siendo el de tierra (W/G) (with ground) el que no tiene aislación.

3. La cubierta tiene la marcación 4/0-3 SEU.Esto significa que dentro de la isolation hay tres cables AWG4/0 y que su aislaciónpermite enterrarlo bajo tierra. Usualmente un metro, más hondo si el clima es muyfrío, para evitar la zona de congelación.

Las tablas para conductores suelen agregar, para cada valor de AWG el de laampacidad, o máximo valor para la corriente que puede circular por el mismo. Ellector debe observar que condiciones se han tenido en cuenta al derivar los valorespresentados. He observado que algunas tablas no especifican las condiciones demedición, mientras que otras proporcionan valores para un solo conductor al airelibre, lo que no es muy práctico.

Las normas eléctricas de los EEUU definen a la ampacidad como el máximovalor de la corriente que puede sostener el conductor, en forma continua (o conbreves intermisiones) sin dañarse. Esta última condición implica que el límitemáximo de temperatura para la aislación usada nunca es sobrepasado.

La definición dada tiene una consecuencia práctica: la temperatura máximade la aislación, así como el valor de la temperatura ambiente determinan la ampacidadde un alambre o cable de conducción.

La Tabla IV proporciona los valores de ampacidad para diferentes tipos decables y aislaciones, para una temperatura ambiente de 30°C, cuando se tienen hastatres (3) conductores por conducto o dentro de una aislación. La Tabla V muestra elcoeficiente de corrección que deberá aplicarse para temperaturas por debajo osuperiores a los 30°C. Ambas Tablas están ubicadas al final de este capítulo.


TABLA IVValores de Ampacidad a 30°C en Amperes

Máxima Temperatura de la Aislación60°C 75°C 90°C

Tipos Tipos Tipos

RHW FEPTW THW FEPB

AWG UF THWN RHHXHHW THHNUSE THWN

XHHW

14 20 20 2512 25 25 3010 30 35 40 8 40 50 55 6 55 65 75 4 70 85 95

3 85 100 1102 95 115 130

1 110 130 1501/0 125 150 1702/0 145 175 1953/0 165 200 2254/0 195 230 260

TABLA V

Rango de Factores de correcciónTemperatura aplicables para cada grupoAmbiente (°C) de aislación de la Tabla IV

21 - 25 1,08 1,05 1,0426 - 30 1,00 1,00 1,0031 - 35 0,91 0,94 0,9636 - 40 0,82 0,88 0,9141 - 45 0,71 0,82 0,8746 - 50 0,58 0,75 0,8251 - 55 0,41 0,67 0,7656 - 60 NU 0,58 0,7161 - 70 NU 0,33 0,5871 - 80 NU NU 0,41

NU: No Usable a esta temperatura ambiente

87

CAPITULO 9

COMPONENTES

Introducción

Algunosproblemas

Cajas deconección

AUXILIARESHasta este momento he analizado los diferentes bloques que componen un sistema

FV de CC, haciendo especial hincapié en el componente eléctrico que define un bloque enparticular, como los paneles FVs (bloque generador), la batería solar o el control de carga(bloque acumulador), o los cables de conección (bloque de distribución).

Es obvio que estos elementos deben integrarse eléctrica y mecánicamente entre sípara que el sistema pueda trabajar adecuadamente. Ejemplos: los paneles FVs necesitansostenes mecánicos, ya que deberá optimizarse el ángulo de inclinación; el banco de bateríasnecesita tener protección ambiental, ya que el rendimiento y vida útil de las baterías varíacon la temperatura del electrolito; el circuito debe tener componentes de protección (fusibles),para evitar la destrucción total o parcial de componentes del sistema.

Al distribuirse la energía eléctrica a la carga (casa habitación) se necesita un centrode distribución que separe las cargas dentro del hogar y sirva para aislar a éstas del voltajede entrada, lo que facilita cualquier reparación. Dentro del hogar se necesitarántomacorrientes, llaves interruptoras y enchufes eléctricos, para poder distribuir, controlar oconectar la energía eléctrica a una carga que no es constante (luces, TV, radio, etc). Vemosentonces que la selección de estos elementos auxiliares es tan importante en la prácticacomo la selección de un panel generador o una batería.

En este capítulo se describen varios componentes auxiliaries básicos, dejando paramás adelante la introdución de otros que dependen enteramente del tipo de sistema FV aconstruirse.

Como los circuitos de CC de bajo voltaje (12V nominales) sólo han alcanzadodifusión en la industria automotriz y la de vehículos recreacionales (RVs, en inglés), procurarcomponentes como tomacorrientes, llaves interruptoras y enchufes para este voltaje, capacesde manejar corrientes elevadas (10 - 20A), no es una tarea sencilla. En este capítulo analizarésoluciones alternativas para estos componentes.

Cuando se necesita instalar una llave interruptura o un tomacorriente dentro de unacasa, el cableado de distribución debe bifurcarse. Las cajas de conección son utilizadas nosólo para este fin, pero para proporcionar un anclaje mecánico efectivo para llaves,tomacorrientes, luces o ventiladores de techo. Estas dos últimas suelen ser redondas ohexagonales.

Una cubierta (plástica o metálica) evita la posibilidad de tocar accidentalmente lasconecciones internas, proporcionando a la vez, una terminación estética para el cableado.

88 CAPITULO 9 - COMPONENTES AUXILIARES

a b

a) b)

Figuras 9.1- Cajas de conección

Entradaspara cable

Lengüeta deretención

Partesremovibles

La Figura 9.1 (a y b) muestran, respectivamente, dos cajas de conección,una hecha de plástico de alto impacto; la otra de metal. Ambas están diseñadas paraser embutidas dentro de una pared hueca, como se acostumbra en los EEUU, dondeson sujetas a los batientes de madera usando clavos o tornillos.

La caja plástica admite la entrada de cables en las cuatro esquinas ubicadasen el fondo de la misma, las que tienen una lengüeta flexible que facilita la entradadel conductor, pero que lo retiene si se lo quiere sacar. Las cajas metálicas tienenperforaciones laterales que están tapadas por partes metálicas que son fácilmenteremovibles (knock outs, en inglés). Este tipo de entrada deja bordes filosos y porello la abertura debe estar protegida, como veremos al hablar de la instalación delsistema.

Las tapas tienen perforaciones cuya forma y número depende del tipo decomponente que se instale (llave simple o doble, tomacorriente simple o doble, ocombinaciones de ambos). La Figura 9.2a ilustra el tipo de tapa usada para acomodarun tomacorriente doble. La Figura 9.2b, muestra una “tapa ciega”, llamada así porqueno tiene ninguna abertura. Este tipo se usa cuando se bifurcan cables en distintasdirecciones, pero resultan útiles cuando se monta una llave del tipo automotriz,para la que no existe una tapa pre-perforada.

Figura 9.2- Tapas (metal y plástico)

89CAPITULO 9 - COMPONENTES AUXILIARES

Tiposde llaves

Coneccionado

La tapa éstandard (pre-perforada) utiliza para su sujeción uno o dos tornillos,los que se enroscan en la parte metálica del sostén del componente (tomacorriente ollave). La tapa ciega, en cambio, puede montarse usando los agujeros existentes enla caja, los que normalmente son utilizados para sostener el soporte de una llave oun tomacorriente.

Para instalar una llave de CC para automotor use una tapa ciega y perfore unagujero en el centro con un diámetro levemente superior al de la parte roscada delinterruptor. Si el cuerpo de la llave ofrece una superficie plana, la tuerca y arandelaque vienen con la misma permitirá el anclaje a la tapa sin quebrarla. De lo contrario,use un montaje tuerca-arandela/arandela-tuerca, en la parte superior e inferior de latapa. La Figura 9.3 muestra una llave de alto amperaje (20 A) del tipo usada enautomotrices.

Figura 9.3- Llave interruptora tipo automotriz

Los terminales del interruptor de la Figura 9.3 tienen un agujero en cadacontacto, por donde pasa el cable, el que luego se suelda al terminal. En otros modelos,el terminal tiene un bloque de amarre con un tornillo (a 90°), el que retiene ancladoel cable al conector. Por último, existen llaves cuyos terminales son lo suficientementegruesos como para acomodar un tornillo cuya cabeza, paralela al mismo, ejerce lapresión necesaria para retener el cable en posición.

Varios criterios definen una llave interruptora. Los más usados son enunciadosa continuación:

Tipo de voltaje que toleraValores nominales y máximos de usoCantidad de circuitos que abreMovimiento de la llave interruptoraTipo de interrupción que produce

Tipo de voltaje que toleraEste criterio separa las llaves interruptoras que pueden usarse en circuitos de CC delas usadas en circuitos de CA.Valores nominales y máximos de usoEl valor nominal para el voltaje debe igualar al del circuito donde se aplica.Ejemplos: 12 VCC, 120 VCA, 230VCA.Los valores máximos, de voltaje y corriente no deberán ser superados en formacontinua. El voltaje máximo de los interruptores para automotores excede los 12Vnominales. La corriente máxima puede ser tan baja como 5 A, o tan alta como 60A.Cantidad de circuitos que abreEste criterio de clasificación toma en cuenta el número de conecciones que unallave puede interrumpir con su acción. Si interrumpe la corriente de un circuito, lallave es del tipo unipolar (Single Pole, en inglés). Si interrumpe dos, es bipolar(Double Pole).


Notas:

Notas:

La representación esquemática de estos dos tipos son, respectivamente,

Unipolar Bipolar(SP - ST) (DP - ST)

Movimiento de la llave interruptoraSi el movimiento acciona sólo una llave, ésta es del tipo Single Throw. Si

esta llave es unipolar, la abreviatura en inglés corresponderá a la sigla SP-ST (SinglePole - Single Throw). Cuando el interruptor tiene dos llaves mecánicamenteacopladas, puede interrumpir dos circuitos simultáneamente. Este tipo se conoceen inglés como Double Pole- Double Throw o DP-DT. La representaciónesquemática se ilustra a continuación.

Bipolar(DP - DT)

Acople mecánico

Para nuestra aplicación es suficiente interrumpir el positivo del circuito, de maneraque una llave unipolar es suficiente. Si sólo consigue llaves bipolares, puede dejaruno de los pares sin conección, o conectar los dos en paralelo.Para el tipo de cargas que anticipamos en sistemas de CC de 12V, llaves que tolerenun valor de corriente mayor que el valor nominal de la carga (entre + 25 y + 30%),son suficientes. Este criterio de selección extiende la vida útil del componente.

Tipo de interrupción que produceSi el movimiento no tiene un punto de detención intermedio, y pasa de

conectar a desconectar, la llave es del tipo ON-OFF, sin detención en el medio desu recorrido. Este es el tipo que nos interesa en nuestros circuitos.

Si la llave conecta (o desconecta) un circuito mientras se la mantengaaccionada, pero desconecta (o conecta) el circuito si esta acción se interrumpe, se ladenomina llave temporaria. El primer tipo es una llave temporaria On; el segundotemporaria Off.

Los criterios mencionados no abarcan la infinidad de detalles que separan un tipode llave de otra, de manera que existen llaves sumergibles (o no-sumergibles), llavesde nivel de líquido, llaves de acción sensible (mínima presión), etc.Recuerde que un interruptor de automotor no tiene protección ambiental, y sólopuede ser utilizado dentro de la casa o en un lugar exterior que ofrezca estaprotección.

Esta es la característica que define a una corriente de continua, de maneraque es extremadamente importante conectar la carga con la polaridad adecuada. Siel negativo del cableado está conectado a tierra, éste cumplirá una doble función:cerrar el circuito y eliminar cualquier diferencia de voltaje entre el usuario y elaparato que se conecte a ese cable.

Polaridad


Polaridad

Centro deDistribución

Para asegurar la correcta polaridad entre los tomacorrientes y los enchufesse usan unidades de CA del tipo polarizado. En estas unidades la construcciónmecánica del par enchufe-tomacorriente sólo permite un tipo de inserción. Las másconvenientes son las ilustradas en la Figura 9.4.

Figura 9.4- Par tomacorriente/enchufe (tipo comercial)

En los EEUU tanto el tomacorriente de tipo comercial para 120VAC comoel usado en circuitos trifásicos (230VAC) ofrecen la posibilidad de aceptar un enchufeque tenga uno de los contactos planos rotado 90° respecto al otro, garantizando unainserción correcta. El tercer contacto (tierra en circuitos de CA) refuerza estaseguridad.

El grado de complejidad de un Centro de Distribución (CdD) de cargasdepende del tipo de voltaje que se usa (CC o CA), y la magnitud de la carga(consumo). Un CdD cumple tres funciones básicas:

Interumpir, a voluntad, el voltaje de entrada al mismo.Dividir el valor de la corriente de carga total en secciones, independizandoun grupo de cargas de las restantes.Proteger cada sección por separado, incorporando una caja de fusibles o unallave interruptora automática, como se verá más adelante.

Una interrupción voluntaria de la entrada facilita hacer las reparaciones enel circuito de carga.Al disminuir la corriente por sección se pueden utilizar cables de menorcalibre en cada una de ellas, los que no sólo son más económicos, pero másfáciles de instalar y conectar.El uso de fusibles para cada sección facilita no sólo el servicio, pero evitaque el usuario se quede sin energía eléctrica en toda la casa cuando se produceun desperfecto.

Un CdD con el que el lector puede estar familiarizado es el usado en unacasa conectada a una red eléctrica comercial de CA, que siga las recomendacionesde los códigos eléctricos más modernos. Este centro tiene una llave maestra queinterrumpe el voltaje de entrada y usa llaves automáticas (fusibles no destructibles)para proteger las diversas secciones de alimentación. En este CdD puede obtenersesalidas monofásicas (120V) y trifásicas (230V).


Centro deDistribución

En sistemas FVs que alimentan cargas de CA el voltaje monofásico es elcomún, ya que proviene de la salida de un inversor. Sistemas más complejos suelenusar un CdD que consiste de una caja metálica con puerta, la que está diseñada parafacilitar el montaje e interconección de los componentes auxiliares, así como los demonitoreo. Estas cajas proporcionan protección ambiental.

La Figura 9.5 muestra un centro de distribución de cargas manufacturadopor la compañía Square D de los EEUU, el que está diseñado para trabajar convoltajes de CA o CC. El modelo ilustrado puede usarse en circuitos de hasta 48VCC,y admite llaves automáticas entre 10 y 70A, del tipo ilustrado (unipolar).

Figura 9.5- Centro de distribución modelo QO(Square D Corp)


Detalles deconstrucción

a b c

La puerta exterior tiene una cerradura. Al ser abierta, se advierte que losconectores internos están protegidos por una chapa metálica, para evitar que el usuariotoque, accidentalmente, el cableado interno.

Para tener acceso a las llaves desde el exterior, el fabricante provee partesrectangulares removibles (knock outs), los que se ilustran en la Figura 9.6a. LaFigura 9.6b muestra dos tamaños diferentes de terminales para cables y la Figura9.6c una típica barra de conección.

Figura 9.6- Knock outs, conectores y barra de coneccionado(Square D Corp)

La Figura 9.7 muestra otro CdD de carga, el que puede acomodar tres llavesautomáticas. Esta caja tiene una palanca exterior que actúa sobre una llaveinterruptora de acción rápida, la que permite desconectar el voltaje de entrada. LosCdD de carga usados en sistemas de CC tienen uno o dos bloques de conección parael negativo, similares al ilustrado en la Figura 9.7c, los que están eléctricamenteaislados de la caja metálica.

Figura 9.7- Centro de distribución de carga


Nota:

Llavesautomáticas

ON OFFContacto 1

Contacto 2

Resorteretén

ContactoMovible

Bobina

Resorteacelerador

En cajas para CA, al menos en los EEUU, el neutro está conectado a tierra, ya queéste es el esquema de distrución en este país (ver Apendice II).

En sistemas FVs de uno o dos paneles el centro de distribución se reduce auna tabla de madera, bien seca y varnizada, para protejerla de la humedad, en dondese montan los fusibles y la llave de entrada, que bien puede ser una llave como lausada para los automotores. Este sostén se ubica dentro de la vivienda para proveerprotección ambiental.

He mencionado con anterioridad las llaves automáticas. Estos interruptoresactúan sin provocar la destrucción física del elemento protector. El circuito puedeser restaurado a mano, después que se ha solucionado el problema que la hizo actuar.El nombre en inglés de estas llaves es circuit breaker.

La acción de apertura en algunos modelos es múltiple: deformarción mecánicade un par térmico más la acción de una bobina. La Figura 9.8 ilustra los detallesinternos de una llave automática donde el mecanismo de apertura se debe,únicamente, al aumento de la fuerza de atracción ejercida por una bobina, la quenormalmente está en equilibrio con la ejercida por un resorte en sentido contrario.Cuando la corriente alcanza el valor de corte, el mecanismo abre el circuito muyrápidamente (60ms max.).

Figura 9.8- Llave interruptora automática (circuit breaker)

Los contactos (1 y 2) permiten insertarlas, a presión, entre las dos hilerasadjacentes de contactos (buses, en inglés). Las dos ilustraciones que forman la Figura9.8 corresponden a las posiciones de conectado (On) y desconectado (Off). El gatilloestá diseñado para actuar como una palanca al pivotar sobre su eje de sostén,asegurando que el contacto superior se abra. Esta acción es complementada por laacción de un resorte, permitiendo una rápida interrupción.

Existen dos tipos de llaves automáticas. En uno de ellos la interrupción delcircuito es independiente de la posición de la llave externa; en el otro la interrupcióndel circuito sólo ocurre cuando la llave está conectada (ON). Este último modelo esel que se usa en los Centros de Distribución de los sistemas FVs.


Proteccióneléctrica

Fusiblesdestructibles

Slow yfast blow

En este momento una pregunta pertinente es: ¿a quien protege un fusible?.La respuesta depende de la locación del mismo. Si el fusible está en serie con elcableado de uno de los sectores de alimentación de la carga, entonces protege alcable usado en esa sección. Si el fusible está en serie con toda la carga, entoncesactúa como protector de último recurso.

La corriente de apertura, para una carga estacionaria, no debe superar lamáxima tolerada por el AWG del cable. Si el fusible forma parte de un equipo, lacorriente de apertura no debe superar el valor de la máxima corriente que tolera elmismo. Teniendo en cuenta estos criterios, es fácil elegir la corriente de apertura deun fusible cuando la carga es estacionaria. A continuación veremos que, sin cambiareste valor, pero eligiendo la rapidez de apertura más conveniente, podremosacomodar valores transitorios de corriente, los que tienen un valor más elevado.

Dado que la mínima corriente de interrupción para las llaves automáticas esde 10A, los circuitos que consumen por debajo de este valor son protegidos confusibles destructibles.Fusibles cilíndricos

La Figura 9.9 ilustra este tipo de fusible, así como un típico soporte. Dentrodel cuerpo de vidrio el fabricante coloca un alambre que, al alcanzar el valor decorriente de corte se funde, abriendo el circuito. Los terminales metálicos sirvenpara anclarlos, a presión, a los contactos flexible del sostén. El dibujo mecánico dela Figura 9.9 muestra el agujero central que permite atornillar el sostén a un soportede madera. Los cables de conección deben ser soldados a los terminales del soporte.

El fabricante marca el amperaje de corte, el máximo voltaje de trabajo y eltipo de fusible sobre las áreas metálicas del fusible. Este tipo de fusible se vende envarios largos, dependiendo de su uso, pero uno de los más comunes es el tipo AGCde ¼”x 1¼”. Tanto los fusibles como los sostenes pueden ser adquiridos en negociosde electrónica o de venta de repuestos para el automotor.

Figura 9.9- Fusible cilíndrico y sostén

Los fusibles cilíndricos se ofrecen con una amplia gama de corrientes decorte, desde 1/100A hasta varias decenas de amperes. Otra característica importantees la rapidez con que pueden interrumpir un circuito. Los dos tipos de acción (lentay rápida) se los conoce en inglés como slow y fast blow (SB, FB), respectivamente.


Tiempos deapertura

Nota:

Bloquede carga

Cajaaislada

Los primeros (slow blow) se usan en circuitos que tienen que soportar untransitorio de corriente que es normal para el tipo de carga, como ocurre cuando searranca un motor eléctrico (pico de corriente al iniciar su rotación). Los más rápidos(fast blow) son necesarios cuando la protección requiere una acción inmediata, comoen un aparato eléctrico de medición. En estos circuitos no debe existir altos valoresde transitorios de carga.

Para ilustrar la diferencia entre el comportamiento de un fusible rápido (fastblow) y uno lento (slow blow) he incorporado la tabla mostrada a continuación.

Valor nominal de corte Corriente de sobrecarga Tiempo de AperturaA %

1/100 - 10 110 4 hrs mínimo135 1 hr máximo200 FB: 5 seg máx.

SB: 5 min máx.

Es interesante destacar que cuando se elige un fusible, siempre que el voltaje máximoespecificado sea igual o menor al de uso, sólo importa tener en cuenta el valor dela corriente de apertura. El voltaje sólo será importante si se sobrepasa el máximoespecificado.

Consideraciones generalesEl tipo y número de componentes auxiliaries que se usan en este bloque

dependerá del consumo, ya que éste dicta el número de baterías, el tipo deconeccionado del banco de reserva (12, 24 o 48V) y la necesidad de agregar uninversor (CC a CA). La introducción de este componente, a su vez, exige el uso deun control automático de bajo voltaje, el que abre la entrada al inversor cuando estevoltaje no alcanza el mínimo permitido por las especificaciones. Es lógico que unmayor consumo requiera componentes auxiliares adicionales, como los de monitoreo,ya que debe resguardarse el mayor costo inicial y de mantenimiento.

Al hablar de los sistemas híbridos, donde se adiciona otro tipo de generadorpara incrementar o reemplazar la energía eléctrica que no puede entregar el sistemaFV (generador a viento o combustible) se necesitarán componentes que aisleneléctricamente un sistema del otro, o conecten automáticamente el generador auxiliaral banco de reserva.

Aún en sistemas de una o dos baterías, dependiendo del tipo que se use, haydetalles que dictan cambios en los componentes auxiliaries. Por ejemplo, si el bancode reserva tiene baterías con electrolitro líquido, éstas necesitarán ventilación alexterior para no acumular los gases (oxígeno e hidrógeno) generados durante lacarga. Si en cambio se usan baterías selladas, la ventilación no es necesaria.

En sistemas de bajo consumo (una o dos baterías) el banco de reserva podráacomodarse dentro de una caja de madera con aislación térmica. La Figura 9.10 dáuna idea de cómo puede construirse este tipo de caja.


Estanterías

Nota:

Figura 9.10- Sugerencia para una caja de batería aislada

La idea es tener dos cajas, una dentro de otra, separadas unos 5 cm comomínimo. Este espacio se rellena con material aislante. Dependiendo de lo que puedaconseguir localmente, éste podrá ser: espuma esponjosa, la que viene en “sprays“,papel de diario seco cortado en tiras finitas, o material aislante del tipo lana devidrio. Si usa el papel o la lana de vidrio, evite apelmazarlos, ya que las burbujas deaire atrapadas dentro del material proveen la aislación térmica.

En el caso de la espuma esponjosa, como ésta se expande unas tres veces envolumen, siempre crea zonas muy pequeñas donde quedan atrapadas burbujas deaire. Al aplicar este material comience con la base y complete el rellenado haciaarriba. Con una navaja puede recortar cualquier exceso, de manera de tener bordesplanos en donde descansará la tapa. La aislación de la tapa requiere un molde decartón para contener el material.

En lugar de usar tornillos como terminales, puede insertar los cables de coneccióna través de la caja por un agujero bien ceñido, el que deberá sellarse.

Cuando el número de baterías crece, la caja es reemplazada por una estantería.Si usa baterías de electrolito líquido verifique que la separación entre estantes es losuficientemente amplia como para permitir el uso de un densímetro.Independientemente del tipo de batería usarse, asegúrese que tiene suficiente espacioentre estantes para poder ajustar o cambiar los cables de baterías. Recuerde que ensistemas de mayor carga el coneccionado entre baterías suele requerir un cableadoserie-paralelo para alcanzar el voltaje y corriente demandado por la carga.

La estantería comercial usa metales (hierro o aluminio), los que son tratadoscontra la acción corrosiva del electrolito, lo que encarece el costo de los mismos. Eluso de la madera abarata este costo, pero la protección contra la acción destructivadel ácido del electrolito es inevitable. Para controlar escapes o pequeños derrames,coloque las baterías dentro de bandejas plásticas, como las usadas con el mismo finen los automotores. De ser posible, use baterías selladas, las que simplifican elproblema.

TAPA

Aislación

Madera

Terminales

Entradade

Terminalesde

Salida

Soportes / guíasde madera

Batería

BandejaPlástica

(Baterías conelectrolito líquido)

Espaciador


Nota:

Fusible debaterías

a b

La Figura 9.11 muestra una estantería metálica. Existen, asimismo, armariosde baterías.

Figura 9.11- Estantería típica para un banco de baterías

Instalaciones que tengan un número elevado de baterías necesitarán un cobertizode protección, el que debe tener aislación ambiental y ventilación al exterior, siésta es requerida.

En sistemas de una o dos baterías el control de carga puede compartir elmismo recinto que el de las baterías si se usan las selladas. De lo contrario, esconveniente proteger el control de carga (CdC) dividiendo la caja en dos secciones.Ambas soluciones simplifican el cableado entre el CdC y el banco de baterías.

Cuando el sistema FV es más complejo (inversor, protector por bajo voltajede entrada, llaves interruptoras, Centros de Distribución de carga con varias entradas,así como elementos de monitoreo) es conveniente el uso de una caja comercial, conprotección ambiental, la que está especialmente diseñada para simplificar el montajey la interconección de estos componentes. Para facilitar el acceso, esta caja sueleser ubicada en una zona de la casa habitación que normalmente se la utiliza paraalmacenaje.

Dado que un cortocircuito accidental a la salida del banco de reserva setraduce en una corriente de miles de amperes durante varios segundos, por razonesde seguridad se debe incorporar un fusible en serie. Niveles tan elevados para lacorriente de carga requieren que el fusible de batería sea capaz de interrumpir elcircuito sin que se fundan sus contactos o su sostén.

Estos requerimientos se logran con los fusibles del tipo T, los que se ofrecenpara corrientes de apertura entre 100 y 600 A. La Figura 9.12a ilustra un fusible deeste tipo, amontillado a su soporte. Este último suele tener una cubierta plástica deprotección (Figura 9.12b).

Figura 9.12- Fusible tipo T para salida de baterías


Bloquegenerador

Soportespara

paneles

Nota:

Soportesfijos

Suportesajustables

Notas:

Si opta por colocar este fusible sobre uno de los costados de la caja de baterías,interrumpa el lado negativo del circuito, de manera que el positivo nunca quedeexpuesto.

Es siempre aconsejable usar una llave interruptora bipolar doble, la quepermite la interrupción simultánea de los dos cables de salida del conjunto (array)de paneles generadores. En pequeños sistemas esta llave interruptora será del tipoautomotriz. Ubíquela dentro de la casa para compensar su falta de protecciónambiental.

Los paneles FVs necesitan ser colocados sobre soportes rígidos, lo que permitemantener el ángulo de inclinación óptimo, aún cuando soplen vientos fuertes o caigannevadas. Existen tres tipos:

1. El soporte fijo2. El soporte ajustable3. El soporte automático

¿Cuál es el tipo más indicado? La respuesta correcta debe contemplar elcosto máximo para el sistema y el incremento porcentual de energía que seobtendría usando alguno de los otros tipos. La latitud del lugar determina el gradode variación entre la posición del sol al amanecer y cuando alcanza el zenit. Si estavariación es extrema y el bloque generador tiene una gran cantidad de paneles, elsoporte automático debe ser contemplado en el diseño. Si, por el contrario, la potenciaa generarse está por debajo de los 300 a 360W, un panel ajustable será la soluciónmás económica.

Si la variación en la altura del sol es mínima, un panel fijo será suficiente.

Estos soportes son usados en lugares donde la latitud permite elegir un ángulode inclinación fijo (latitud más 15°) cuyo valor incrementa las horas de generacióndurante el invierno, cuando el consumo nocturno aumenta, y disminuye la eficienciade colección durante el verano, cuando los días son más largos.

Las diferencias de diseño y costo entre un soporte fijo y otro ajustable sonmínimas, y por ello estos últimos son los más usados. Si el lector puede construirlo,la diferencia de costo se anula. La Figura 9.13 muestra varios soportes de este tipo.

Los soportes comerciales están hechos de aluminio, a veces anodizado, a finde evitar la formación de óxido, y usan ferretería de acero inoxidable para evitar sudeterioro por efecto galvánico. El lector puede substituir el aluminio por madera opor tiras metálicas en ángulo (pre-perforadas), las que facilitan tanto la construccióncomo el ajuste del ángulo de inclinación. La madera simplifica el problema de laelección de la ferretería, y si se la pinta o varniza puede durar varios años sinproblemas.

Los cables de salida del (o los) paneles deben tener suficiente “juego” como parapermitir el ajuste del ángulo de inclinación dos veces por año.Tenga en cuenta al diseñar su soporte la rigidez requerida para soportar, sinproblemas, la máxima velocidad del viento. Recuerde que la superficie de colecciónes equivalente a la vela de un barco.


Soporteautomático

Seguidorpasivo

Figura 9.13- Soportes adjustables con diferentes anclajes

Este tipo de soporte permite seguir la trajectoria del sol, durante todo el año,desde el amanecer al atardecer. Existen dos tipos:

1. El seguidor automático pasivo (un eje de rotación)2. El seguidor automático activo (uno o dos ejes de rotación)

Este tipo se lo conoce como pasivo porque su único movimiento, de este aoeste (movimiento azimutal) no consume energía eléctrica. El desplazamientoazimutal se consigue usando el calor del sol, el que, como veremos a continuación,altera la distribuición del peso entre los lados que miran al este y oeste. La Figuras9.14 (a y b) ilustran la construcción de esta unidad, la que posee dos tanques, uno enel lado este; el otro en el oeste, los que están comunicados entre sí. Estos tanquesestán llenos de una substancia de bajo punto de ebullición (freón), y tienen placasmetálicas que exponen un lado al sol, mientras que, simultáneamente, sombrean alopuesto.

El lado sombreado (frío) conserva al freón en forma líquida. El lado querecibe el calor del sol lo vaporiza. Estos gases se desplazan al lado contrario, dondese condensan, provocando un aumento de peso. El desequilibrio inicia el movimientoazimutal.

Al comienzo del día, el seguidor tiene la posición indicada en la Figura9.14a, la que corresponde al de la noche anterior, y necesita ser “despertado” por elsol saliente para exponer los paneles hacia esa dirección.


Seguidoractivo

ESTEOESTE

Sentido derotaciónTanque

sombreado

Tanqueasoleado

Contrapeso

Placa desombreado

Amortiguador

Figura 9.14a- Despertando al seguidor(Zomeworks Corporation)

Figura 9.14b- Seguidor automático pasivo(Zomeworks Corporation)

A partir de ese momento el calor del sol y el sombreado de los tanquespermite que el seguidor siga el movimiento azimutal con relativa precisión.

El tiempo de despertado se alarga en climas fríos y para la versión diseñadapara vientos fuertes. Estas unidades tienen amortiguadores para minimizar la accióndel viento. La compañía Zomeworks ha sacado una nueva serie, la F, que minimizael período de espera al amanecer. El ángulo de inclinación se ajusta manualmente.

Este diseño se ofrece en dos versiones: seguidor de un eje y seguidor de dosejes. Algunos modelos son exclusivamente diseñados para seguir el movimientoazimutal y permiten, como en el anterior, un ajuste manual del ángulo de inclinación.Otros modelos ofrecen la opción de poder incorporar el movimiento de inclinacióna posteriori. Por último, los modelos más elaborados incorporan los dos movimientosautomáticos.

Esta variedad de modelos permite abaratar los costos cuando no se necesitaseguir la altura del sol con precisión. A diferencia del modelo pasivo, los activosutilizan pequeños motores eléctricos (24V), los que están comandados por una unidadde control que actúa respondiendo a la información recogida por el correspondientesensor. Para llevar a cabo el movimiento toman un mínimo de energía (5 Wh/día),ya sea del banco de batería, o de los paneles, según el modelo usado.


Seguidoractivo

Ventajas ydesventajas

Panel FV

Rotaciónazimutal

Suportetelescópico

Consideracionesprácticas

Mástil deacero 2-½”

Ajuste dealtitud

Actuadorazimutal lineal

Control

ExtensionesSoportes depaneles

La Figura 9.15 muestra un seguidor activo de un eje.

Figura 9.15- Seguidor activo Wattsun®(Array Technologies)

SEGUIDOR PASIVO SEGUIDOR ACTIVOMenor mantenimiento Mayor mantenimientoMenor costo Mayor costoSeguimiento suceptible al viento Seguimiento no susceptible al vientoError de alineamiento* : +/-10° Error de alineamiento* : +/-0,5°Grados de variación azimutal: ~90° Grados de variación azimutal: 180°Grados de variación en altura: 43° Grados de variación en altura: 75°Un eje de seguimiento Uno o dos ejes de seguimientoContruído con acero pintado** Construído con aluminio***Necesita ser despertado No necesita ser despertadoNo consume energía eléctrica Consumo máximo: ~ 5Wh/d

* El error representa la desviación angular respecto a la caída vertical de losrayos sobre la superficie colectora.

** Ensamblado en fábrica, es más pesado y voluminoso, pudiendo requerirequipos para levantarlo cuando se usan numerosos paneles.

*** Más liviano. Puede ensamblarse en el lugar de uso, reduciendo el costo deenvío e instalación.

La incorporación de un seguidor, independientemente del tipo a usarse, sólose justifica si existe la posibilidad de incrementar substancialmente (10 - 25%) elvalor de energía a generarse usando soportes más económicos.

Si un sistema necesita incrementar el valor de la energía a generarseadicionando paneles FVs, deberá tenerse en cuenta que este costo puede aplicarse ala acquisición de un seguidor automático.


Otroscomponentes

Por último, si en una explotación agropecuaria se utiliza el bombeo de aguasolar, la extensión del tiempo de bombeo justifica el costo de un seguidor de dosejes, sobre todo en latitudes donde su introducción puede representar un aumentodel 25% para la duración del día solar.

En algunas aplicaciones puede presentarse el requerimiento de tener queencenderse luces de iluminación en forma automática, como en el caso de un cartelde propaganda en una carretera. Para esta aplicación se venden llaves solaresautomáticas que conectan la carga cuando el sol baja. Un fotoresistor cambia elvalor de su resistencia, aumentándola cuando la radiación solar disminuye. El circuitode control utiliza este cambio para actuar sobre un relay, el que conecta la carga. Aldía siguiente, al salir el sol, el fotoresistor disminuye su valor resistivo, y el relayabre los contactos.



CAPITULO 10

DISEÑO DE UNSISTEMA FV

105

Objetivo

Confiabilidad

Nota:

SistemasFVs

El diseño óptimo de un sistema FV es aquel que incorpora el menor númerode componentes, al menor costo, sin sacrificar la confiabilidad del sistema.

La confiabilidad anual de un sistema generador/distribuuidor de energíaeléctrica está dada por el cociente entre el número de días que prestó servicio y 365,que es el total de días que el sistema debió suministrar servicio. Por ejemplo, elcoeficiente de confiabilidad (Conf ) anual para un sistema que tuvo 200 días deservicio en el año será de:

Conf = (200 / 365) = 0,5479 ~ 0,55

Como siempre, este valor suele darse en forma porcentual. En nuestro caso,55%. Un valor unitario para la confiabilidad es un valor inancanzable en la práctica,ya que siempre existirán fenómenos metereológicos (vientos intensos, hielo, lluvias,rayos, etc.), así como desperfectos de componentes (transformadores de distribución,cables, etc.) que precluden alcanzar el valor unitario. Si un sistema alcanza un factorde confiabilidad de 0,99 (99%), esto significa que sólo ha dejado de proveer servicio4 días del año.

Las redes de distribución eléctricas en muchos países están interconectadas entresí, de manera que la confiabilidad de una región depende de la confiabilidad delresto de las redes.

Aparte de los factores ya mencionados, la confiabilidad de un sistema dependedel valor pico que tome la carga, ya que la capacidad del sistema generador/distribuidor es finita. Si el valor máximo de consumo (pico) excede el nivel deseguridad, el sistema dejará de abastecer a la carga. En la práctica el sistema fallaprimero en forma parcial (bajo voltaje) antes de alcanzar el punto de desconección.Las usinas eléctricas sufren estos problemas durante veranos muy calurosos.

La interdependencia entre el valor del consumo pico y la confialiabilidad deun sistema generador/distribuidor se extiende a los sistemas FVs.

En un sistema FV usado sin exceso, a diferencia de una usina eléctricacomercial, la carga pico se determina “a priori” y permanence constante. Sin embargola confialidad que puede alcanzarse sigue dependiendo de los factores metereológicosy de posibles fallas de sus componentes.

Conf. Vs.carga

CAPITULO 10- DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CC)106

Incidenciadel costo

Banco dereserva

Wh

Whmáx

20%

80%

Número de días de uso

3 4

D N D N D N D N D N D N D N D ND N

20%

20%20%

%xtra

100%

1 2 5 6 7 8 9

Día de sol

D = Día N= Noche

20%20% 20%

Lo que es nuevo es un factor que raramente afecta un sistema comercial: lafalta de combustible. Los generadores comerciales suelen recibir gas natural oproductos derivados del petróleo para su funcionamiento, los que pueden guardarseen tanques de reserva dentro de la planta de generación.

Un sistema FV usa la radiación solar como combustible, la que es más quevariable. Su reducción o ausencia total afecta drásticamente el grado de confiabilidaddel sistema, el que puede ser restaurado si el sistema FV tiene un banco de baterías,el que pasa a convertirse en el equivalente a un “tanque de reserva”.

El costo de un sistema generador/distribuidor de energía eléctrica (FV o no)aumenta exponencialmente cuando el valor de la confiabilidad se incrementa. Esasí que el costo asociado con una confiabilidad entre 0,7 y 0,8 es menor que el quese alcanza cuando este valor varía entre 0,8 y 0,9 y muchísimo menor que cuandose diseña para un valor de confiabilidad entre el 0,95 y el 0,98.

Para un sistema FV que usa un banco de reserva (régimen nocturno), elincremento en la confialidad del servicio se traduce en un mayor banco de batería.Como indiqué anteriormente, el número de baterías en el banco de reserva guardauna relación directa con el número de días sin radiación solar. Al analizar elmecanismo del banco de reserva el lector comprobará que este número se vé afectado,asimismo, por la duración del período de “recuperación”.

En sistemas FVs donde la carga debe ser abastecida las 24 horas del día(régimen diurno), un aumento en el valor de la confiabilidad se traduce, asimismo,en un aumento de la capacidad del banco de reserva, ya que los días nublados exigenque la carga sea alimentada por la reserva. Estos razonamientos explican porquéalgunas usinas eléctricas comerciales ofrecen tarifas más bajas durante las horas deldía en que no se alcanza el consumo “pico”.

El gráfico de la Figura 10.1 muestra el proceso de carga/descarga para elbanco de reserva que toma lugar durante dos días con plena radiación solar, durantetres días sin radiación solar, y al comienzo del período de recuperación, al retornarla radiación solar.

Costo vs.Conf.

Figura 10.1- Carga-Descarga y recuperación de un banco de reserva.

CAPITULO 10- DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CC) 107

Pasos dediseño

Observe el lector que el banco de reserva debe soportar cuatro (4) descargasconsecutivas, ya que el último día soleado terminó con la descarga nocturna del día2. En este ejemplo se asume:

ð Que la carga nocturna consume el 20% de la capacidad de reserva.ð Que no se quiere sobrepasar el límite del 80% para la profundidad de descarga.ð Que los días nublados tienen radiación solar nula.

Observaciones

v La cantidad de descargas que deben considerarse es igual al de días sin solmás uno.

v La capacidad de generación debe exceder el valor del consumo diario parapoder recuperar la energía perdida durante el período de radiación nula.

v La duración del período de recuperación dependerá del exceso de generación,así como de la ausencia de un nuevo período sin radiación solar mientras elbanco de reserva se repone.

Concluciones

Ø La confiabilidad del sistema cuando la radiación solar se anula depende,enteramente, del banco de reserva. Su tamaño (y costo) está directamenterelacionado con la cantidad de días consecutivos sin sol que se asuman en eldiseño.

Ø Si se aumenta la capacidad de reserva se disminuirá (carga constante) elporcentaje de descarga diario, alargándose la vida útil de las baterías.

Los pasos enumerados a continuación no constituyen un esquema rígido,sino una guía para el diseño, ya que usualmente se necesita reveer los cálculos. Eldiseño comienza con la determinación del régimen y valor de la carga.

El régimen determina si el sistema tendrá o no un banco de reserva.El valor se determina adicionando los consumos individuales, los que están

dados por el producto de la potencia requerida por cada artefacto por las horas deuso que se le asigne. Este valor energético estará dado en Wh/d.

El cálculo del bloque de generación debe considerar el valor de las pérdidasen el sistema , ya que éstas deben ser compensadas si se quiere mantener un equilibrioenergético.

Una vez que se conoce este valor deberá contemplarse el caso másdesfavorable durante el año, para asegurar el mayor grado de confiabilidad. Comolos paneles sufren una degradación en su potencia de salida con la temperatura detrabajo (Capítulo 4), el verano será la estación más desfavorable.

Durante esta parte del diseño resulta imprescindible conocer los diferentesvalores (temperaturas máximas, mínimas, etc) correspondientes al lugar donde elsistema va a ser instalado.

Si el régimen del sistema dicta que debe contarse con un banco de reserva,éste es el paso siguiente.

Por último, debemos elegir los componentes auxiliares que integrarán estesistema.


a b

Al llegar a esta parte del diseño es extremadamente importante verificar siel sistema va a ser ampliado en un futuro cercano, ya que el usuario puede incorporarcomponentes auxiliares que satisfagan la carga futura, en lugar de tener queremplazarlos.Ejemplo 1Régimen y tipo de carga

En nuestro primer ejemplo consideraremos que la carga, un humilde hogaren un lugar remoto, tendrá un régimen nocturno, con carga de CC.Esta carga consistirá de:

Dos luces de 16W.Un TV de 5½”, con radio de FM y AM (8W)

Justificación:En este ejemplo el autor justifica los componentes elegidos de esta manera:

F La necesidad de tener un tipo de iluminación que no dependa del consumode substancias inflamables. Estas, además de ser peligrosas, suelen ser carasy pueden requerir viajes especiales para comprarlas.

F La necesidad de romper la aislación del propietario del sistema del resto desu sociedad justifica considerar un pequeño TV con radio.

ObservacionesLas luces, para reducir el consumo, serán del tipo fluorescentes de bajo voltaje

(12V), las que poseen un arrancador eléctronico. He optado por dos de ellas paraasegurar que el hogar nunca quedará totalmente a oscuras. Como una tendrá un usointermitente, las horas de uso serán diferentes.

Recientemente han aparecido luces de estado sólido (LEDs) pero su costo es, por elmomento, muy elevado.

Para el TV consideré que las horas de uso no varían substancialmente entreestaciones. La Figura 10.2a muestra un TV (B&N) como el mencionado. La 10.2bilustra uno de los modelos de luz fluorescente de bajo voltaje.

Nota:

Figura 10.2- TV y luz fluorescente de 12V CC


Nota:

Las luces fluorescentes de 16W tienen una luminosidad (800 lúmenes) quees 1,63 veces mayor que la de una lámpara incandescente de 40 W (490 lúmenes).Valor de la carga

Se contemplan dos consumos estacionales: invierno y verano.

Aparato Potencia Consumo invernal Consumo estivalFluor. 1 16W 5hrs/d x 16 W = 80Wh/d 2,5hrs/d x 16W= 40Wh/dFluor. 2 16W 0,5hrs/d x 16W = 8Wh/d 0,5hrs/d x 16W= 8Wh/dTV 8W 6hrs/d x 8W = 48Wh/d 6hrs/d x 8W = 48Wh/dTOTAL 136Wh/d 96Wh/d

Los valores de consumo dado por el fabricante de un producto, los que estánimpresos en una etiqueta metálica, son los que deben usarse para calcular el valorde la energía consumida por la carga. La estimación de las horas de uso requierenun análisis de los hábitos de los integrantes del grupo familiar que utilizará elsistema.Locación

Respecto a la locación, diré que los mejores lugares del mundo para el usode la energía solar son los desérticos y, en particular, los ubicados en la alta montaña.Los desiertos tienen pocos días nublados o semi-nublados, debido a la falta dehumedad, y no tienen forestación que sombree los paneles. La altura sobre el niveldel mar hace al clima más frío, lo que aumenta la eficiencia de los paneles FVs.

Si el lector observa las páginas 11 y 17 de esta publicación, las que dan laduración del día solar para el verano e invierno al norte y sur del Ecuador, podráobservar que en la zonas desérticas de los EEUU (Arizona, Nuevo Mejico), Méjico(desierto de Chihuaha y la Baja California), norte de Chile (desierto de Atacama),noroeste de Argentina y el oeste de Bolivia, el día solar promedio no sólo tieneelevados valores, pero éstos no cambian drásticamente entre las dos estaciones parala inclinación elegida (L+15°).

Para nuestro ejemplo tomaré valores correspondientes a una de estas zonas,la ciudad de El Paso, en Texas (o Ciudad Juarez, en Méjico).

Latitud: 31,80° NorteLongitud: 106,40° OesteElevación: 1.194 mDía Solar Promedio (L+15°): Verano: 6 hrs

Invierno: 5 hrsDías nublados (estimados): Verano: 4

Invierno: 5Angulo de inclinación: 45° (Soporte fijo)Tipo de soporte: Fijo o adjustable.Vientos: Verano: prácticamente inexistentes

Invierno: ocasionales ~50Km/hr máximoTemperaturas: Verano: 43°C máxima

Invierno: - 20°C mín.Comentarios

El valor de la latitud y longitud de un lugar permiten localizar con mayorprecisión la locación en uno de los el mapas de radiación provistos en el Capítulo1.


Para los propósitos de cálculo consideraré que en un día nublado la radiaciónsolar es totalmente nula. En las zonas desérticas los días nublados raramente anulantotalmente la radiación solar y como el terreno es altamente reflectivo, se recibeenergía solar indirecta.

La información sobre los vientos y las temperaturas ambientes se utilizanpara estimar el valor de la máxima temperatura de trabajo para el panel, el que nospermitirá calcular la mínima potencia de salida durante el verano.

La decisión sobre el tipo de soporte está dictada por la escasa diferenciaentre el día solar promedio de invierno y verano para el ángulo de inclinación elegido.

Pérdidas de energíaLas pérdidas a considerar son:F La de disipación en los cables que conectan los paneles al resto del sistema.Ø Es común asumir una pérdida igual al 2% del valor de la carga en un sistema

en donde se anticipa distancias relativamente cortas (Ver la Nota 1).F Las del banco de reserva durante la carga.Ø Asumiremos que representan un 2% del valor de la carga. (Ver la Nota 2).F Las de los componentes auxiliares.Ø En nuestro ejemplo la mayor pérdida estará asociada con el CdC.

Asumiremos, hasta su elección, que es un 0,5% del valor de la carga.

Nota 1La estación invernal es la de mayor consumo, y representa el caso más

desfavorable, ya que si bien el valor de la resistencia óhmica es menor en el invierno(menor temperatura), el valor de la corriente será el más elevado. Recuerde que lapérdida varía con el cuadrado del valor de la corriente (R I2).

Nota 2Si bien la pérdida de energía durante la carga depende de numerosos factores

(Capítulos 5 y 6), consideraremos que el banco de reserva recibirá un mantenimientoadecuado y protección ambiental. Bajo estas condiciones el valor elegido esaceptable. El porcentaje para la profundidad de descarga toma en consideración laspérdidas asociadas con el proceso de descarga.Valor de las pérdidas

Los valores porcentuales mencionados anteriormente representan, en total,un 4,5% del valor máximo para la carga (caso más desfavorable). En nuestro ejemplo,aprox. 6Wh.Bloque generador

Se necesitará generar durante el invierno 142Wh/d (136+6). Dado que el díasolar promedio es de 5hrs, la potencia mínima a instalarse deberá ser de 28,4W.

Para reducir el costo, analizaremos si un panel de 40Wp (25°C) con 12Vnominales de salida, puede satisfacer la demanda. El fabricante garantiza que, alargo plazo (~ 20 años), este máximo puede reducirse un 5%, de manera que paranuestros cálculos consideraremos que el panel tiene una salida de 38Wp.

La alta temperatura ambiente y la ausencia de viento, hacen que la temperaturamáxima de trabajo para el panel, durante el verano, alcance los 75°C. La potenciamáxima de salida (Capítulo 4) se reducirá a 23W (coeficiente de degradation de0,8%).


La capacidad de generación estival alcanzará un mínimo de 138Wh/d. Estevalor es 38Wh/d mayor que el máximo que debe ser generado en verano (consumomás 4,5% de pérdidas).

Durante el invierno, aún si la temperatura es relativamente alta (25°C) lageneración mínima será de 190Wh/d (38x5). Este valor cubre el de demanda (142Wh/d) con un surplus de 48Wh/d.Banco de reserva- Capacidad

Si asumimos que la reserva debe suministrar a la carga energía por 6 días deconsumo máximo, la mínima reserva deberá ser de 816Wh/d (6 x 136Wh). Comono queremos exceder el margen máximo del 80% para la PdD, ni el del 20% para elconsumo diario, este valor representa el 60% del máximo (Figura 10.1). El banco dereserva deberá tener, instalado, un mínimo de 1,360Wh (816 / 0,6).Banco de reserva- Número de bateríasEste número depende:

u De la capacidad de acumulación de cada unidad.u Del voltaje de la misma.u Del voltaje nominal del sistema.

Esto significa que si elegimos una batería Troyan T-105 (o un modeloequivalente) de 6V/225Ah (1.350Wh) nos vemos obligado a conectar dos en seriepara satisfacer el voltaje nominal de 12V. La capacidad del banco de reserva seráentonces de 2.700Wh.

Aún considerando el consumo de invierno (136Wh), la PdD será de sólo 5%(136/2.700), un valor económicamente muy bajo.

Si elegimos una batería de 12V, como la Trojan 27TMX (12V/105Ah), o unmodelo equivalente, el banco de reserva tendrá 1.260Wh. Este valor es ~7,4% másbajo que el mínimo requerido. Sin embargo exploraremos su comportamiento, yaque queremos mantener el costo a un mínimo.

El nuevo valor para el PdD será del 11% (136/1.260), el que satisfaceampliamente el límite de 20% para el PdD diario. Las seis (6) descargas invernales(816Wh) representan un PdD máximo del 65%, el que sumado al 11% del día anterior,llevan el valor máximo del PdD al 75%.

Vemos entonces que con esta batería cumplimos con los tres objectivos dediseño:

La PdD nocturna es menor que el 20% de la capacidad máxima dereserva.

La PdD máxima al final del período sin radiación solar no supera ellímite del 80% .

El banco de reserva puede abastecer la demanda durante cinco (5) díassin radiación solar durante el invierno, asegurando un alto valor para laconfiabilidad del sistema.

Período de recuperación¿Cuántos días tardará el sistema en recuperar la energía entregada?

Asumiendo que durante este tiempo no hay días sin radiación, el exceso de generacióninvernal (48Wh/d) tardará ~ 17 días en devolver los 816Wh consumidos.


¿Es esta solución satisfactoria? Sólo si la situación real coincide con lasasunciones hechas. De lo contrario, deberá remediarse el problema adicionandootra batería en paralelo y cambiando el tipo de soporte a uno adjustable, para optimizarla generación durante el invierno. Debido al alto costo de los paneles FVs, sólocomo última instancia se debe incrementar la potencia de salida del panel FV (60Wp).Componentes auxiliares

Hay dos que debemos considerar en nuestro ejemplo: el CdC y el cableado.El centro de distribución fué discutido en el Capítulo 9. En el Capítulo11 (Instalación),daré detalles sobre la protección contra rayos y la toma de tierra, dos detalles queforman partes de cualquier tipo de sistema FV.Control de cargaEl control de carga deberá:

% Sostener el máximo valor que pueda alcanzar la corriente de carga. El valor de la corriente máxima (invierno) está dado por el cociente entre la

potencia máxima y el voltaje nominal. En nuestro ejemplo 3,33A (40/12).% Tener un amplio margen de sobrecarga. El nivel de sobrecarga debe ser un 100 a 150% superior al nominal (~7 a

12A en nuestro caso).% Ser compatible con el voltaje nominal del sistema y con el tipo de batería

a usarse. En nuestro ejemplo el voltaje nominal es de 12V y las baterías de Pb-ácido,

con electrolito líquido o selladas.

Un nuevo control de carga (2006), llamado SunKeeper™ en inglés,manufacturado por la compañía Moningstar™, diseñado para sistemas de 12V, ofrececaracterísticas muy interesantes. No quiero oficiar de agente de ventas, pero mellamó la atención algunos de sus parámetros, tanto mecánicos como eléctricos, demanera que decidí incorporar sus hojas de especificaciones, en español, al final deeste capítulo. Mi objeto, al mencionarlo, es mostrar al lector los diseños másmodernos e interesantes para que pueda comparar modelos similares que estén a sualcance.Notas

Mecánicamente, el acople entre el CdC y el panel es muy simple, si esteúltimo tiene una caja de conección con “knock-outs” (Capítulo 9). La salida de launidad está diseñada para pasar por una de estas aperturas y tiene una terminationroscada. Una tuerca desde la parte interior hace presión sobre una aransela selladora,permitiendo un cierre hermético entre el CdC y la caja de conección del panel, loque proporciona protección ambiental.

Este montaje deja una capa de aire entre el CdC y la parte posterior delpanel, la que provee aislación térmica entre ambos, a la vez que deja al CdC a lasombra.

La cercanía entre las dos unidades permite el uso de cables de conección demuy pequeño diámetro (AWG #14).

Los conectores de salida pueden acomodar un AWG máximo del #8. El lectorpuede verificar que el máximo voltaje de entrada es de 30V (150% mayor al delvoltaje nominal).


La unidad cuenta, asimismo, con varias protecciones automáticas, con unalgoritmo de carga de tres etapas y con un amplio margen para la temperaturaambiente (-40°C a +70°C).

Su consumo máximo es de 7 mA, lo que representa un máximo de 0,5Whpor día durante el verano. Para nuestro ejemplo este valor resulta ser un 0,5% delvalor de la carga. En sistemas de mayor consumo (12A), dado que la pérdida semantiene constante, ésta puede ser despreciada.Cables externosLargo y AWG

El 2% de la energía máxima consumida por la carga representa una pérdidade 2,72Wh/d. Como este valor es un valor invernal, si lo dividimos por la duracióndel día solar (5hrs) obtendremos el valor para la potencia disipada en todo instante:0,544W. Durante el proceso de cálculo de la longitudmáxima, y dado que trabajaremos con cantidades decimales pequeñas, usaremoscinco decimales (Apéndice III).

El valor resistivo (Apéndice I), asumiendo una corriente máxima de 3,33A(ya calculado), es de 0,04905Ω , el que corresponde a los dos cables deconeccionado.

En teoría, la distancia entre el bloque generador y el de reserva dependeráde la distancia entre estos dos bloques. En la práctica hay limitaciones en el tamañode cable que un modelo de CdC puede admitir. En nuestro ejemplo, si adoptamos elCdC descripto, el AWG no puede sobrepasar el AWG #8.

La Tabla II (Capítulo 8) muestra que la resistencia por Km para este calibrees de 2,2Ω/Km, o 0,0022Ω/m. La máxima resistencia óhmica por cable, en nuestroejemplo, es de 0,024525. Este valor, dividido por el de resistencia por metro para elAWG #8, nos dice que la máxima distancia permissible será de 11,15m.Observaciones

§ El panel debe ser ubicado lo más cerca posible del banco de reserva.§ Si se lo ubica en el techo de la casa el cable de ser protegido de los rayos

ultra violetas (UV) y debe ser capaz de trabajar a altas temperatures ( >75°C).

§ Si los cables van a ser enterrados, se tienen dos ventajas: temperaturascercanas a los 25°C y acción UV nula. Sin embargo, la distancia “real” seacorta ya que existen: una bajada, una subida y dos tramos de conecciónexteriores, uno en cada extremo.

Cables externosTipos

La Tabla IV y V del Capítulo 8 nos servirán de guía para elegir el tipo adecuadode cable. Dado el bajo valor de consumo, no existe problema alguno con laampacidad. La temperatura ambiente es el factor determinante, así como la proteccióncontra los rayos UV.

La tabla IV agrupa los tipos de cables que pueden trabajar con aislacionesque soportan los 75 y 90°C. La Tabla V muestra que entre los 71 y los 80°C sólopuede usarse cables cuya aislación resista los 90°C. Para estos cables el valor parala ampacidad es 0,41 del valor a 30°C.

La ampacidad a 90°C, para un AWG #8, se reduce a 22,55A, un valor que es6,5 veces más alto que el de la máxima corriente en nuestro ejemplo.


Si no consigue cables que pueden trabajar a 90°C es preferible enterrar elcable un metro bajo tierra y usar el tipo UF para 60°C.Cables internosAWG

En nuestro ejemplo la carga toma, en el caso más desfavorable, 3,5A, demanera que el AWG a usarse para el coneccionado interno no es crítico, sobre todosi se divide la carga en dos circuitos separados. Un AWG #16 será satisfactorio.Tipo

El tipo llamado “ROMEX” es el indicado. Este cable es del tipo THNM, yfué descripto en el Capítulo 8.Observaciones prácticas

Si no consigue cable de un determinado calibre, como el AWG #8, recuerdeque puede usar dos cables con el doble de resistencia por metro, soldados en losextremos, o tres con el triple de resistencia por metro, etc. Con calibres de diámetromenor puede intentar un ligero enroscado (alrededor de 2 vueltas por metro delongitud).

Espero que el lector aprecie las “idas y venidas” durante el proceso de cálculo.A propósito, quise evitar dar pasos inflexibles, ya que la realidad impone lascondiciones del diseño. Dos observaciones:

1. Es imprescindible elegir algunos componentes durante el proceso dediseño. Las hechas por el autor sólo tuvieron un fin: finalizar un proceso dediseño. El lector, estoy seguro, optará por otros componentes.

2. Tenga a mano las hojas de especificaciones de los productos que va ausar. Lea con atención el contenido de estas especificaciones, y complementesu información con preguntas al representante o al fabricante.


Figura 10.3- Control de Carga SunKeeper™(Cortesía de Moningstar Corp.)


Figura 10.4- Control de Carga SunKeeper™(Cortesía de Moningstar Corp.)

117

CAPITULO 11

DISEÑO DE UNSISTEMA FV

Nuestro primer ejemplo, un sistema con carga de CC que sólo consume 200Wh/día(< ¼ KWh), muestra que un consumo reducido no garantiza un diámetro muy reducido parael cable que une el bloque generador con el resto del sistema.

Las Figuras 11.1 y 11.2 nos permiten analizar las opciones de diseño a tener encuenta cuando se desea reducir los diámetros de los cables de conección en dos sistemas:uno de CC y otro de CA. En cada caso analizaremos las consecuencias que se derivan.Sistema de CC

Entre el Bloque Generador y el CdC. En este tramo un control del tipo MPPT(Capítulo 7) permite elevar el voltaje de salida de paneles y conservar el de salida a 12V.Esta opción, debido al mayor costo, se justifica en sistemas de CC de 12V con un consumocercano a 1KWh/d.Consecuencias:

L Se necesitarán más paneles en serie para satisfacer el mayor voltaje.L El control elegido es más costoso. Un control MPPT maximiza la potencia de salida del conjunto (array). Podemos usar aparatos diseñados para 12V.

Entre el CdC y el Banco de Reserva. Manteniendo la distancia entre amboscomponentes lo más corta posible evitará el uso de un diámetro excesivo.

Entre el Banco de Reserva y la Carga. La observación anterior es válida en estecaso.

Introducción

Opcionesde diseño

Mayorvoltaje

BloqueGeneradorde alto voltaje CdC

Banco de

Reserva

Cargade CCde 12V

Figura 11.1- Cableado de menor diámetro

Hemos visto que el aumento del voltaje de generación representa la solución máspráctica cuando el consumo de la carga aumenta, ya que las pérdidas dependen del cuadradode la corriente.

Para el lector que quiere explorar todas las posibilidades, si optáramos en nuestroejemplo por permitir una mayor disipación en los cables entre el panel y el CdC, el valor dela energía a generarse deberá incrementarse, ya que debemos mantener el balance energético,reduciendo el surplus de generación, lo que alarga el período de recuperación del banco dereserva.

118 CAPITULO 11 - DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CA)

Voltajede CA

Coneccióna la red

Si se quiere mantener el nivel de confiabilidad del sistema, necesitaremosagregar otra batería en paralelo, de lo contrario debemos conformarnos con unareducción en el valor de la confiabilidad.

En sistemas de bajo consumo, donde el costo debe ser mantenido tan bajocomo sea posible, un incremento en el voltaje de generación no sólo dificultaría alextremo conseguir lámparas de iluminación o aparatos de radio o TV, pero forzaríala adición de uno o más paneles.

La Figura 11.2 muestra el esquema en bloques de un sistema de CA.

120VCAInversorCarga

BloqueGeneradorde alto voltaje

CdCBanco de

Reserva

Figura 11.2- Esquema en bloques de un sistema de CA

De inmediato se observa que la introducción de un inversor, si bien aumentael voltaje que alimenta la carga, no altera los bloques precedentes. Sin embargoexiste ahora un mayor grado de flexibilidad para elegir el voltaje de generación, eldel CdC y el del banco de reserva.

La elección de un voltaje de CA está dictada en gran parte por el tipo decarga. Si ésta representa un hogar que incorpora electrodomésticos para los que noexisten una versión de CC (lavadoras de ropas, aspiradoras, equipos de audio o TVde alto consumo, etc), la necesidad de tener una salida de CA es más que obvia.

Cuando el dueño del sistema FV decide estar conectado a la red comercial,a fin de generar créditos durante las horas del día en que el núcleo familiar estáausente (consumo propio muy bajo), un voltaje de salida de CA es obligatorio.

La opción de un mayor voltaje de generación permite, en sistemas de altoconsumo, que éste consista de varios bloques interconectados entre sí, cada unocon su CdC. Se tiene, efectivamente, varios arrays (conjuntos) conectados enparalelo, los que alimentan el banco de baterías. El voltaje de este último podrá serde 24, 48 y hasta 120 VCC, dependiendo del valor de la carga, aunque el de 48V, porel momento, es el que más se adopta. Una razón práctica es el número de bateríasque deberían ser conectadas en serie.

Una alternativa que no varía el esquema eléctrico de CA presentado en laFigura 11.2, es agrupar todos los componentes enmarcados dentro del rectángulo depuntos dentro de un cobertizo cercano a los paneles. Al hacerlo se consigue:

Protección ambiental para todos los componentes. Reducción de las distancias para todo el cableado de CC. Seguridad, ya que el cobertizo estará distanciado de la carga. Flexibilidad para tender la línea de alimentación, dado el alto

voltaje de salida.

Los sistemas FVs que son conectados a la red comercial deben satisfacerrequisitos muy estrictos, a fin de conservar la calidad de la forma de onda y lafrecuencia del voltaje de CA.

119CAPITULO 11 - DISEÑO DE UN SISTEMA FV (CA)

Inversor

Formade onda

Otra consideración en estos sistemas es la seguridad del personal que debereparar un tramo de la red de distribución, el que permanece inactivo durante estetiempo. Este tramo constituye una “isla” dentro del sistema. Cualquier sistema FVque esté conectado a este tramo debe desconectarse automáticamente cuando elvoltaje de línea desaparece, para evitar la muerte del personal de servicio. A estasituación se la conoce, en inglés, como islanding (efecto islas).

InversorSiendo ésta la pieza clave de un sistema FV de CA, deberemos familiarizarnos

con sus especificaciones. ¿Cuáles son los parámetros más importantes? Sin quererestablecer un orden preciso de importancia, debemos considerar:

Ø La máxima potencia que pueden manejar.Ø El margen de sobrecarga que pueden tolerar.Ø La eficiencia de transformación.Ø La forma de onda de salida.Ø El máximo error de frecuencia.

A estos parámetros se adicionan otros de caracter práctico, como:

ü El montaje mecánico.ü El rango tolerado para la temperatura ambiente de trabajo.ü El máximo diámetro de cable que admiten los conectores de entrada (CC).ü El grado de protección automática que incorpora un determinado modelo.

El avance tecnológico de los componentes solares ha seguido la trajectoriamarcada por la rápida evolución de los semiconductores. Los nuevos componentesson más rápidos, trabajan a voltajes más elevados, y manejan mayores potencias. Sia ello se agrega el abaratamiento de los microprocesadores, no es una sorpresa tenerControles de Carga (Capítulo 7) e Inversores con características técnicas que, unosquince (15) años atrás sólo podían imaginarse.

Los primeros inversores, que han desaparecido del mercado, proporcionabanuna onda cuadrada para el voltaje de salida de CA (Figura 11.3a). Demás está decirque el contenido armónico (Apéndice II) era elevadísimo, provocando problemasde recepción (interferencias) en equipos de radio y TV, haciendo imposible su usocuando se necesitaba conectar una computadora.

T

V

t

Cortesía de la revista Home Powera b

Figura 11.3- Voltajes de salida de un inversor


Usos

Figura 11.4- Inversor miniatura con voltaje de salida casi-sinusoidal(Cortesía de Xantrex™ Technology Inc)

La hoja de especificaciones de este modelo ha sido incluida al final de estecapítulo como referencia. ¿Qué podemos conectar a este inversor? Una máquina deafeitar, un teléfono móvil o una computadora portátil.

La Figura 11.4 muestra un inversor con forma de onda sinusoidal modificada(casi-sinusoidal), el que puede manejar 1.500W. Las especificaciones de este modeloforman parte de este capítulo. Este tipo de inversor, debido a su mayor manejo depotencia y capacidad para absorber transitorios, podrá usarse para accionar motoreseléctricos de CA monofásicos. Existen, asimismo, otros modelos con menorescapacidades.

La primera evolución, que representa la línea más económica de inversoresen la actualidad, es la que genera una onda casi-sinusoidal, a veces denominadasinusoidal modificada (o sintetizada). Esta forma de onda se genera con un númerodiscreto de escalones de voltaje, los que tratan de seguir las variaciones en el voltajede CA durante un ciclo. La Figura 11.3b muestra el oscilograma a la salida de uninversor de este tipo. Los modelos más modernos son los que proporcionan unaforma de onda sinusoidal a la salida, con un mínimo error para la frecuencia delínea.

Una categoría muy especial, los inversores que conectan su salida a la redcomercial, proporcionan en algunos casos formas de onda sinusoidales de mayorcalidad que la de la red a la que son conectados, con un alto grado de estabilidad enla frecuencia de línea.

La forma más práctica para clasificar a los inversores es por su uso, ya queno todas las cargas requieren inversores con una onda de salida sinusoidal. Cuandola carga es resistiva, o muy cercano a serlo, un inversor casi-sinusoidal es apropiado.Por ejemplo, el de la Figura 11.4 es un pequeño inversor que tiene un adaptadorpara ser conectado directamente a la salida para encendedores en un automóvil.


Figura 11.5- Inversor con salida casi-sinusoidal de 1.500W(Cortesía de Xantrex™ Technology Inc)

Para tener una idea de las especificaciones de un inversor con onda sinusoidalhe incluido las del modelo 100i de la compañía Xantrex™. La especificación enespañol describe un modelo para 230V, que es el estándard para el voltaje en España.

Figura 11.6 Inversor de salida sinusoidal de 1,000W(Cortesía de Xantrex™ Technology Inc)

¿Cuándo se justifica un inversor de salida sinusoidal? La respuesta es: todavez que se quiera evitar el recalentamiento innecesario de motores de CAmonofásicos o se necesite proporcionar energía a equipos que son sensibles alcontenido armónico. Creo que con el tiempo el costo de estos equipos continuiráreduciéndose, hasta convertirse en el único tipo a instalarse.


Comentarios sobre las especificacionesValores de potencia

Las hojas de especificaciones para un inversor, no importa la capacidad demanejo del mismo, dan dos valores para la potencia: un valor que corresponde a lapotencia que el aparato puede manejar en forma continua; el otro el de la máximapotencia que toleran, durante un tiempo especificado. Para los modelosmencionados en este capítulo este tiempo es de 5 minutos máximo.

El valor para la potencia para uso continuo sólo es válido si:

v La máxima temperatura ambiente especificada no es sobrepasada.v El mínimo voltaje de CC de entrada está dentro de las especificaciones.v La carga es resistiva pura, o casi resistiva.1

1Cuando la carga incorpora varios motores, luces fluorescentes de CA con balastro,y otras cargas inductivas, la corriente y el voltaje no estarán en fase, variando elvalor del cos ??del circuito (Apéndice II). En estos casos el valor de la potencia enwatts que la unidad puede manejar en forma continua debe ser disminuido.

Excepcionalmente el usuario cuenta con el instrumental y conocimientonecesario para medir el cos ??de un circuito de CA. Es por ello que al calcular elnúmero de Wh/d que toma una carga de CA, se agrega a este valor un 25%. Con estaprecaución se trata de factorear la presencia de la componente reactiva de la potencia,la que está asociada con las pérdidas por calor.Transitorios

Cuando se conectan motores a una carga, cuando éstos arrancan, producenun pico en el valor de la corriente (transitorio). Dependiendo de cuantos de ellosson accionados simultáneamente, y de su valor en HP, el transitorio puede representarun incremento substancial en el valor de la potencia que el inversor debe entregar.

Las especificaciones muestran que el modelo XPower 1740 tolera un valoradicional de 250W (5 min.), mientras que para el modelo 1800i este valor puedellegar a los 1.110 W (5 min.). Ambos modelos manejan, en forma continua, potenciascon valores comparables, lo que muestra que los inversores con onda sinusoidaltoleran un mayor porcentaje de sobrecarga.Consumo interno-Eficiencia

Para el inversor miniatura la corriente de batería es nula cuando el inversorno tiene carga. Cuando se lo conecta a una carga de 60W, de acuerdo a lasespecificaciones, toma 15A. Observe el lector que la eficiencia de conversión esbaja, ya que toma de la batería 180W y entrega 60W.

Las unidades que manejan mayores valores de potencia tienen siempre unamayor eficiencia de conversión. Los dos modelos de alto consumo incorporadoscomo ejemplos alcazan valores de eficiencia pico > 90%. La eficiencia varía conla carga. Si el valor del consumo es muy bajo o muy alto, la eficiencia decrece. Apedido, los fabricantes proporcionan la curva que relaciona estos dos valores.

Dado que los modelos que manejan mayores valores de potencia tienencircuitos de seguridad que deben estar conectado las 24 horas del día, existe unconsumo aún cuando la unidad permanence inactiva (idle, en inglés).

Para el modelo XPower 1740 el consumo sin carga es < 0,4A (< 4,8W). Parael modelo 1800i (salida sinusoidal de 230V), se dan dos valores.


Nota:

El valor más bajo (<1,5W), corresponde al de un inversor sin carga conectadaa su salida. Este estado se alcanza activando un interruptor a la posición Power save(ahorro de potencia). El segundo consumo, < 22W, corresponde al de un inversorcuya carga, momentáneamente, ha sido interrumpida (estado inactivo). Durante esteestado el inversor manda pulsos a la salida para investigar si ésta ha sido reconectada.

Algunas de las especificaciones para el modelo 1800i están relacionadascon la opción de tener, dentro del inversor, un circuito de selección automático, elque desconecta la salida del inversor, dando paso a la de un generador de CA auxiliar(a gasolina o diesel). Esto permite al usuario usar los mismos terminales de CA desalida, evitándole el tener que desconectar la carga del inversor antes de conectar ladel generador auxiliar. En inglés este tipo de opción se conoce como feed through(alimentación a través).Forma de onda y frecuencia

Para los modelos con onda modificada no se especifica el contenidoporcentual armónico (Apéndice II), y la frecuencia nominal de línea se mantienecon un error +/- 4 ciclos (en 60/s). Observe el lector que para el modelo con onda desalida sinusoidal este error es 67 veces menor, ya que el error de frecuencia es de +/- 0,05 ciclos en 50. Si bien las especificaciones indican que el contenido armónicototal es < 3%, usualmente se mantiene dentro del 1%, un valor comparable al de lared domiciliaria.Diseño de un sistema FV con carga de CA

La presencia del inversor no cambia los pasos del proceso de diseño. Si lacarga es enteramente de CA, el cálculo del número de Wh/d se hace asumiendoque la carga es resistiva . Sumando, como antes, la energía que toma cadacomponente de la carga (número de horas que va a ser utilizado por potenciaconsumida), se llega al valor energético de CA. La diferencia es que ahora a estevalor se le suma un 25% extra para compensar por el cos ? del circuito.

Si hubiere cargas mixtas (CC y CA) cada valor energético se calcula porseparado. El valor total estará dado por la suma de los dos valores, uno de las cuales(CA) ha sido incrementado en un 25%.

Si la placa metálica del aparato sólo dá los valores de voltaje y corriente, multipliqueestos dos valores para obtener el de la potencia.

Los mayores cambios en el diseño toman lugar al seleccionarse loscomponentes auxiliares, como he discutido al comienzo de este capítulo (Controlde Carga, voltaje de CC a la salida de ls paneles, etc.) Es obvio, pero vale repetirlo,que entre la entrada al inversor y los paneles FVs el sistema es un sistema de CC yque todo lo discutido respecto al tipo de sostén, cables de conección, tipo de baterías,etc., continúan teniendo validez.Selección

¿Cómo se selecciona un inversor? La respuesta es: teniendo en cuenta dosvalores. Uno corresponde al valor de la potencia máxima (pico) a usarse en formacontinua (o por intervalos mucho mayores que 5 minutos). El otro es el valor másdesfavorable para la magnitud del transitorio en la carga.

El valor para la potencia pico en nuestro primer ejemplo (sistema de CC)iguala el máximo valor de la carga, ya que, salvo una luz, estará conectada en todoinstante. Este sistema carece de transitorios de alto valor.


¿Qué ocurre cuando la carga de CA no sólo tiene un valor elevado, perointroduce fuertes transitorios debido a la presencia de motores eléctricos? Un ejemplonos ayudará a comprender la incidencia de estos dos factores.

Supongamos que el inversor alimenta una casa, la que tiene una carga de CAque consiste de un horno de micro-ondas, una lavadora de ropa, una aspiradora, unrefrigerador eléctrico, un secador de cabellos, una plancha, un TV y un equipo deaudio de alto consumo.

Si existe la posibilidad de que se lave la ropa, se pase la aspiradora, se veatelevisión, se prepare un desayuno en el horno, y se use el secador de cabello o laplancha al mismo tiempo , todos estos consumos, más el del refrigerador ,determinarán el valor pico de la carga. Vemos que el inversor que puede manejareste enorme valor de potencia tendrá un costo muy elevado.

¿Existe alguna solución para este problema? La respuesta es sí, pero es sóloválida si el dueño del sistema planea el uso de la energía de manera que el pico depotencia se reduzca a un mínimo.

Escalonando el uso de los aparatos eléctricos enumerados permite la reducióndrástica de la potencia pico. Esta sencilla proposición resulta, a veces, muy difícilde implementar para los integrantes del grupo familiar, los que nunca debieronconsiderar anteriormente el gasto energético en todo instante.

El valor máximo del transitorio puede reducirse usando el mismo criterio,ya que se evita el arranque simultáneo de los motores. La corriente de arranque deun motor oscila entre el doble y el triple de la corriente que el motor toma en formacontinua. En el caso del refrigerador debe usarse el triple, porque arranca bajo cargamecánica (compresor). Un caso similar es el uso de una licuadora que tiene cubosde hielo en el vaso.

Si Ud va a diseñar sistemas FVs para terceros, recuerde que la mayoría delas personas no tienen idea alguna del consumo eléctrico que utilizan, o el quepueden necesitar (número de horas de consumo). Aún los que comienzan sin abusarel sistema, con el tiempo terminan pidiendo “un poquito más” cada día.

Utilice la fuerza “de los números” par obtener adherencia a un plan de usode la energía diaria, ya que el costo inicial del sistema, así como la duración delbanco de baterías dependen del consumo pico a instalarse.


Figura 11.7- Inversor miniatura de 60W(Cortesía de Xantrex™ Corporation)


Figura 11.8- Inversor con forma cuasi-sinusoidal de salida de 1.500W(Cortesía de Xantrex™ Corporation)


Figura 11.9- Inversor con forma de salida sinusoidal para 230VCA(Cortesía de Xantrex™ Corporation)


Figura 11.10- Inversor con forma de salida sinusoidal para 230VCA(Cortesía de Xantrex™ Corporation)

129

CAPITULO 12

INSTALACION DESISTEMAS

Introducción

Normas básicas

Como ya lo hice con anterioridad en este manual, quiero reforzar el concepto de que lainstalación de un sistema puede convertir un buen diseño en una mala realización. Cuandose instalan sistemas FVs de cientos de KWh, la instalación debe ser manejada porprofesionales con experiencia en la materia.

Para el tipo de sistemas que este manual describe los problemas se reducen, pero nodesaparecen. Si bien existirán siempre circunstancias que son peculiares de un sistema olocación en particular, la solución de los problemas que se presenten podrá simplificarse siel lector sigue las normas básicas dadas a continuación.Normas básicasAntes y durante la instalación, tenga presente que:% Debe considerar la información técnica dada por el fabricante como su ayudante.

Si no entiende algo en el folleto adjunto, pida explicaciones. Detalles relacionados conel coneccionado, la instalación mecánica de un componente, o ajustes (si los hay) deben serentendidos antes de comenzar a instalarlo. Este simple paso puede evitarle costos adicionalesde reposición de la parte afectada.% Si tiene un esquema eléctrico y otro mecánico de la instalación que va a llevar a

cabo, la tarea se le va a facilitar enormemente.Este “plan de trabajo” le permitirá preparar los cables que va a necesitar, y saber de

antemano cuáles necesitan ser ensamblados antes y cuáles deberán ensamblarse en elmomento de la instalación. El plan le servirá, asimismo, para determinar si tiene todos loscomponentes que necesita.% Debe buscar el apoyo técnico que le brinda el fabricante (o representante).

Si puede establecer contacto directo con el fabricante o la casa matriz que lo representaen su país, muy posiblemente encontrará personal idóneo que sepa como ayudarlo con laelección o instalación de un componente. Recuerde que preguntar es un signo de inteligencia.Asumir es lo contrario.% Debe darle importancia a las normas de seguridad.

El sentido común, unido al conocimiento técnico, le permitirán instalar un sistema queno sólo es seguro, pero fácil de mantener. Evite los accidentes de trabajo. Piense, al transladarbaterías que contienen ácido sulfúrico, que el derrame de su electrolito puede causarleheridas dolorosísimas, además de deteriorar la batería.% No hay sistema, mecánico o eléctrico, que pueda trabajar a plena eficiencia sin

tener mantenimiento adecuado.El próximo capítulo describe como puede llevar a cabo un plan de este tipo. Por ahora

mi comentario es: piense que Ud va a mantener el sistema. Facilite su mantenimiento llevandoa cabo la mejor instalación posible.

130 CAPITULO 12 - INSTALACION DE SISTEMAS

Ferretería A lo largo de este manual he mencionado el uso de piezas de ferretería paralas que no he proporcionado ninguna ilustración. Como el nombre dado a un tornillo,bulón o arandela cambia de país a país creo, sin duda alguna, que una ilustración esequivalente a un millón de palabras en este caso. Quizás parezca algo arbitrariotratar las piezas de ferretería en detalle, pero considero que el amarre correcto de laspartes a ensamblarse es otro detalle importante. En EEUU dicen que el “diablo estáoculto en los detalles”. El lector debe comprender que sólo cubro las piezas deferretería más comunes, ya que la lista es casi infinita.Tornillos

Hay tres categorías: los usados para unir piezas de madera, los usados paraunir chapas metálicas de bajo espesor, y los tornillos roscados, a veces llamadostornillos mecánicos. Creo que el lector está familiarizado con los tornillos paracarpintería.Tornillos para chapas

Los usados para unir chapas metálicas tienen una forma cónica para facilitarsu penetración, y son conocidos como tornillos Parker. Necesitan un pre-agujereadoprevio a su instalación, con excepción del tipo auto roscante (self-tapping). Estetornillo (Tor1), tiene una extensión en punta, la que actúa como un punzón cuandose golpea el tornillo contra la chapa. Una pequeña parte en spiral actúa como machode roscar, facilitando su penetración. Si se usa un retensor magnético para tornillosen la perforadora, la tarea de golpeado e inserción se facilita enormemente.

Tor1

Los tornillos para sujetar chapas se venden en distintos grosores y con diferentesperfiles de cabeza. Cuatro tipos adicionales son ilustrados a continuación.

Tor2 Tor3 Tor4 Tor5

Los diferentes estilos de cabeza son comunes para todo tipo de tornillo.

Cabezas de tornillos

131CAPITULO 12 - INATALACION DE SISTEMAS

La ilustración anterior muestra que tanto el lado externo como el de contactovarían, permitiendo que la cabeza proture más o menos respecto de la superficie decontacto. En particular, uno de ellos tiene un corte cónico del lado de contacto yplano en el exterior. Al insertarse en un agujero también cónico, se consigue que lacabeza no emerja de la superficie exterior del material a sujetar.Tornillos mecánicos

Los tornillos de este tipo tienen la rosca hecha sobre un cilindro de diámetrofijo y usan tuerca y arandela para su correcta sujeción. Estos tornillos se venden condiferentes diámetros y pasos de rosca. El paso de una rosca determina el avancelongitudinal por vuelta de rotación. Su valor corresponde al número de hilos porunidad de longitud. Existen tres clases: paso fino, mediano y grueso. En el sistemaSAE (Sociedad de Ingenieros de Automóbiles, en inglés) el paso representa elnúmero de hilos por pulgada. En el Métrico, el número de hilos por mm, o fracciónde milímetro.

Tor6 Tor7 Tor8 Tor9

Tor10 Tor11

Los Tor6, 8, 9 , 10, y 11 tienen una superficie de contacto plana, mientrasque para el Tor7 es cónica.

La cabeza de un tornillo tiene una depresión que sirve para que undestornillador (manual o eléctrico) permita rotarlos. Hoy día la terminación en cruz(Phillips) es la más aceptada, ya que permite un más fácil atornillado y mayor cuplade rotación sin que el destornillador escape de ella. Los tornillos con cabeza Phillipsvarían en dimensión. La más común es la número 2 (#2).

Cabeza Phillips


Nota:

Bulones

B1 B2

G1- Grados de dureza en el sistema SAE

La ilustración G1 muestra el código SAE de dureza (resistencia a la tensión)de un bulón. El número de líneas indica la dureza. Desgraciadamente el número delíneas no coincide con el número de la dureza, pero cuantas más tenga, más resistenteal corte. Use la dureza SAE5 como mínimo, de manera que pueda apretarlos sincuidado.

G2- Grados de dureza en el sistema Métrico

El código de rigidez en el sistema métrico (G2) tiene dos marcaciones: 8,8,la que equivale a una dureza SAE5, y la 10,9, que corresponde a una dureza SAE8.

B3 B4Las ilustraciones B1 a B4 muestran varios tipos de bulones. Los tres

primeros tienen el cuerpo total o parcialmente roscado. El B3, es muy útil para unirpartes de madera. El perfil de la cabeza, del lado de contacto, es cuadrado y demayor ancho que la parte cilíndrica. Si se perfora un agujero pasante con un diámetroapenas superior al del cilindro roscado, la sección cuadrada se enterrará en la madera,permitiendo apretar la tuerca sin tener que retener la cabeza. El bulón B4 se utilizapara unir dos pedazos de madera, sin necesidad de que su extremo proture del otrolado. Es conveniente un pre-perforado con un diámetro inferior al del bulón paraevitar que la madera se raje.

Hay tornillos mecánicos que tienen la termination inferior cuadrada para evitar larotación de la cabeza.Dureza (resistencia a la tensión)


ArandelasEl fin de una arandela plana (Ar1), el tipo más usado, es distribuir la presión

ejercida por la cabeza de un tornillo o bulón sobre la superficie de contacto.

Ar1 Ar2

La Ar2 debe colocarse entre una plana (Ar1) y la tuerca de retén. Su formaen espiral, al desformarse, ejerce una retensión mayor de la tuerca, evitando queésta se afloje fácilmente.

Ar3 Ar4Las arandelas Ar3 y 4 sirven para mejorar no sólo el agarre, pero la conección

eléctrica. Use una arandela plana sobre una Ar3 o Ar4 para que resbale fácilmentela tuerca al rotar. Las indentaduras se entierran en el cuerpo de cobre de un conector,asegurando un buen contacto.Tuercas

Tu1 Tu2 Tu3 Tu4

La hexagonal, Tu1, es la que se usa con la mayoría de los tornillos mecánicos,ya que las seis caras permiten avances más precisos. La cuadrada (Tu2) suele serutilizada cuando se anclan maderas usando bulones de paso grueso. La Tu3 es undiseño que combina la tuerca Tu1 y la arandela Ar2 juntas. Tu4 ofrece un fácilatornillado, sin necesidad de usar una herramienta, pero tiene limitaciones en cuántoa la máxima cupla que puede aplicarse. Es útil cuando se necesita una fácil remociónde la tuerca. Como antes, siempre use una arandela plana.

Las tuercas se venden con diámetros y pasos que permiten el correctoatornillado de una unidad.


Ferreteríaeléctrica

Zona decompresión

Zona deprotección

Alambre detierra

Varilla detierra

Sujeciones Si un tornillo mecánico va a ser insertado en una parte roscada, los de paso

fino permiten un mayor ajuste. Cuando el tornillo se inserta en un agujero pasante,puede elegirse un paso mediano y complementar la sujeción usando la combinaciónAr2/Ar1 del lado de la tuerca. Si no hay posibilidad de vibración, puede elegirse unpaso grueso.Materiales

La ferretería descripta puede conseguirse en: hierro galvanizado, acero, aceroinoxidable, bronce, etc. El acero inoxidable se reconoce porque no es magnético.

Esta parte tiene que ver con los retensores o terminales para cables. Comoexpresé anteriormente, la variedad es mucho mayor de la que se ilustra en estemanual, pero he elegido los terminales más comunes.

Ter1 Ter2

Estos terminales se utilizan en conecciones a tierra. La diferencia entre amboses el tamaño de la superficie de contacto y la robustez de su construcción. El uso deltornillo evita que estos dos elementos deban ser soldados (ver razón en pararayos enApéndice3). La siguiente ilustración muestra cómo se efectúa el contacto entre elalambre y la varilla de tierra.

Contacto alambre/varilla de tierra

Ter3 Ter4 Ter5


Zona decompresión

Zona deprotección

Ter9

Ter6 Ter7 Ter8

Los terminales Ter3 a 8 son usados con cables de diámetros relativamentebajo o muy bajo (AWG 10-22). Se venden con cobertura aislante o desnudos. Cuandolos elija, compre el tipo que cubre el rango AWG para el cable que va a usar. Todosellos están diseñados para ser comprimidos con una herramienta en forma de pinza,la que se ilustra a continuación.

Tres diámetrosde inserción

Pinza compresora

Esta pinza tiene usos múltiples, ya que puede cortar tornillos (SAE) entre #4y el #10, o pelar cables. La punta tiene marcado, con puntos de distintos color (rojo,azul, y amarillo) la posición de inserción correcta para cada tamaño de terminal. Laparte a comprimir es la más alejada del punto de inserción del cable.

Si el lector observa cuidadosamente los terminales Ter6 y Ter7 verá que el6 tiene un doblez en ángulo recto al final de la parte plana, mientras que el 7 esplano. El doblez es muy útil cuando se quiere anclar el terminal a un bloque contornillos, sin que se deslice.

El terminal Ter8 es extremadamente seguro, ya que su forma evita eldeslizamiento y, en algunos casos, retiene el contacto aunque el tornillo de sujeciónse haya aflojado.

El terminal Ter5 es muy útil cuando se quiere prolongar la longitud de uncable, o unir dos cables que son conectados a otro de salida. Estos conectoresrequieren ser comprimidos con la pinza ya ilustrada.

Los terminales Ter3 y 4 se utilizan para establecer una conección removibleentre cables, o de un cable a un contacto, como en el caso de los soportes de fusiblesde baja corriente, los que tienen una terminación macho en cada extremo. El Ter3es el terminal hembra; el 4 el terminal macho.


Reviendo eldiagrama en

bloques

CdC Batería

Interruptor 1

Panel FV

Proteccióncontrarayos

Interruptor 2

Fusible deBatería

Cicuito 1Cicuito 2

Fusiblesde

Entrada

Tomade

Tierra

Sostenes para panel

El terminal Ter9 se vende para diferentes diámetros de cable y es común encables de interconección de baterías en sistemas solares. El cable es soldado a estetipo de terminal y terminado con un cilindro de material aislante que se ciñe alconductor cuando se lo calienta (shrinkable tubing, en inglés). La siguienteilustración muestra varios cables de interconección para baterías solares.

Cables de interconección de bateríasSistema de CC

La Figura 12.1 muestra el diagrama que corresponde al ejemplo dado paraun sistema de CC. Sin embargo agregaré comentarios e ilustraciones para otrossistemas de más paneles.

Figura 12.1- Diagrama eléctrico

Si Ud quiere utilizar los ángulos de acero galvanizados pre-perforados, y novive cerca del mar (aire salino), puede usar tornillería de acero, sin necesidad derecurrir al acero inoxidable. En artículos recientes, los dueños de estos sostenes hanindicado que no han tenido problema de corrosíón galvánica.UbicaciónGeneralidades

La ubicación del soporte determina la ubicación de los paneles FVs, demanera que la orientación de los mismos es muy importante. En la zona norte delhemisferio oriéntelos hacia el sur, en la zona sur, hacia el norte. Si bien el norte y surde una locación varía con el ángulo de declinación magnética, un error de hasta +/-15° hacia el este u oeste no es crítico. Al ubicar un soporte recuerde que debe evitarel sombreado total o parcial del panel FV, ya que una célula sombreada se transformaen un alto valor resistivo, disminuyendo el voltaje de salida del panel.


PanelesFVs

Protección

Dos opciones de montaje son típicas: sobre el suelo, o sobre un techo.Independientemente de su ubicación, deberá tener en cuenta la máxima longitud delos cables dictada por las pérdidas de disipación. En locaciones donde el vientopuede ser intenso asegúrese que el anclaje es lo suficientemente fuerte. Como elpanel es rectangular, la mínima fuerza de palanca ejercida por el viento se tienecuando el lado más largo es paralelo a la superficie de montaje (suelo o techo).Sostén en el suelo

Si los paneles son instalados en un seguidor automático, lo que significa queno estarán a ras del suelo, Ud tendrá una mayor protección si existe la posibilidadde animales sueltos (vacas, caballos, etc.). Si el sostén deja a los paneles FVs a bajaaltura, tenga en consideración la presencia de animales sueltos o el tránsito demaquinaria. De haber vientos fuertes un sostén ubicado sobre el suelo puede usarbulones en forma de J, los que puede enterrar en pilones de cemento ubicados en lascuatro esquinas. Como estos tornillos tienen la parte superior roscada, le facilitaráel anclaje del sostén. Use un bloque de madera perforado para mantener derecho albulón, a la altura que Ud quiere, hasta que cure el cemento. La Figura 12.2 muestraeste tipo de bulón.

Figura 12.2- Bulón J

Si vive en la montaña y nieva considerablemente, el sostén debe tener unaaltura superior al máximo previsto para la acumulación de nieve, para evitar elsombreado de las células. En estos lugares, coloque el lado más corto del panel FVparalelo al suelo, a fin de que la nieve resbale al calentarse el mismo.Sostén en el techo

Si ubica el sostén sobre el techo, deje unos 15 cm de separación entre lospaneles y el techo, para facilitar su ventilación. Esta recomendación es muyimportante si el techo es metálico. Para techos que no son planos, el ángulo deinclinación del soporte debe incluir el del techo. Como antes, asegúrese que elanclaje al techo es adecuado.

Los paneles FVs tienen el marco de aluminio con perforaciones, a fin deevitar problemas con la perforación de los mismos. Si utiliza un seguidor, elija elque tiene las perforaciones correctas para la marca y tamaño que ha elegido. Lasujeción de los paneles al sostén se realiza usando tornillos con tuerca con lacombinación Ar1/Ar2 para las arandelas.

En el diagrama se muestra en el bloque generador una toma a tierra, la quedebe ser conectada al marco metálico del panel FV. De haber más paneles, conectelos marcos metálicos entre sí utilizando alambre de tierra. El propósito de estaconección es conducir cualquier carga eléctrica inducida en la superficie del panela tierra, cuando se producen tormentas eléctricas. La misión de esta tierra no esactuar como pararayo, sino conseguir que las cargas inducidas sobre la superficiedel panel FV se redistribuyan en una mayor superficie (tierra).


Tomasde tierra

Disminuyendo la densidad de carga (carga/m2), se disminuye la posibilidadde que un rayo use al panel como paso de menor resistencia Ver el Apéndice 3(pararayos) para más detalles.

El alambre de descarga debe ser sólido, y tener un AWG que pueda manejaruna corriente igual a 1,5 veces la corriente de cortocircuito del panel (o conjunto sihay varios paneles). Esto significa que para sistemas de bajo consumo el AWGpuede ser un #10 o #12, lo que facilita enormemente su conección. Efectúe laconección en el lugar indicado por el fabricante.Aún cuando los paneles estén instalados en el techo, deben tener una descargaa tierra.

Desde el punto de vista eléctrico, queremos que la conductividad del terrenosea la más alta posible, a fin de facilitar la conducción de las cargas inducidas atierra. Como la composición geológica del planeta Tierra, así como el porciento dehumedad que mantiene el suelo varían con la locación, el valor de la conductividaddel terreno varía substancialmente entre locaciones.

Para reducir el valor resistivo de la conección a tierra se incrementa lasuperficie de contacto usando varillas de acero con recubrimiento de cobre, las quetienen alrededor de 2 m de longitud y unos 13mm (½”) de diámetro.

De ser posible, entierre verticalmente toda la longitud de la varilla, incluyendoel amarre al cable de descarga. Cuando el terreno es rocoso se hace difícil lapenetración vertical, de manera que la varilla suele ser enterrada con un ángulorespecto al nivel de la superficie. La Figura 12.3 muestra, gráficamente las situationsdescriptas.

Figura 12.3- Clavando la varilla de tierra

De no ser posible esta última solución, entierre una plancha de cobre. Alrespecto, si puede conseguir radiadores de auto descartados, entierre dos o tres deellos, formando un círculo y conectándolos entre sí con alambres de tierra y tornillosen los dos extremos. Los radiadores de auto están hechos con cobre, de manera quepuede abaratar el costo de esta conección. Si puede mantener húmeda el área detierra, la conductividad del terreno mejorará muchísimo.

La otra toma de tierra, ubicada a la entrada de la casa, tiene como fin hacerque la diferencia de voltaje entre el usuario (siempre conectado a tierra) y los aparatoseléctricos conectados a la carga sea nula. Esta norma de seguridad requiere que elcableado interno haya sido hecho respetando la polaridad.

En circuitos de CA (EEUU) se conecta la tierra al neutral, como medidaredundante de seguridad.


Cableadoentre

paneles

Cableado dealimentación

Interruptores

El capítulo anterior describe con detalles el tipo de cable a utilizar. Cuandoestos cables están expuestos a la luz solar, requieren protección contra la acción delos rayos UV. Al efecto, puede usar caños de plásticos. Es más barato cambiar loscaños que los cables de conección. Elija un diámetro que permita el movimiento delaire, pero que evite la entrada de un pequeño roedor. Un malla metálica puede darlela solución.

Si tiene hormigas coloradas (fire ants, en inglés), las que “aman” devorar laaislación de los cables eléctricos, quizás tenga que cerrar la parte superior (brea?) ypasar el lado de alimentación a través de la pared, usando un codo de 90°. El extremoexpuesto a la lluvia debe evitar la entrada y acumulación de agua en el caño. A estefin puede darle a la parte expuesta la configuración de la manija de un mango debastón (dibujo adjunto).

Si se decide por el cableado subterráneo, entierre los cables por lo menos1m y use una superficie de arena fina para ofrecer una superficie mecánica sinpiedras o superficies filosas. Las dos salidas, la de los paneles y la de alimentacióna la carga, deberán considerar la presencia de roedores y evitar, como antes, que elagua de lluvia penetre en la entrada o salida.

Como ya indiqué en el capítulo anterior, si usa un soporte ajustable, dejesuficiente largo como para permitir la rotación del soporte.

Los paneles modernos tienen los cables de interconección pre-instalados,los que tienen un terminal con retén mecánico, el que se enchufa al cable de polaridadopuesta del siguiente panel para establecer una conección en serie. La conección eshermética, proveyendo protección ambiental.

Si en su panel Ud debe conectar los cables de salida a las bornas ubicadasdentro de una caja de salida, siga las instrucciones del fabricante, a fin de preservarla integridad de la misma y efectuar un coneccionado seguro.

Asegúrese que el peso de los cables no se transmita al contacto en la caja desalida usando retenes que absorban este peso muerto. Este anclaje mecánico evitaráque el cable se “hamaque” cuando soplan vientos fuertes. Elija la longitud de estoscables de manera que no fuercen los bornes de la caja de salida, y procure que notoquen la parte trasera del panel (superficie caliente). Use cables que puedan resistiraltas temperaturas. Como la distancia entre paneles es muy corta, las pérdidas dedisipación no serán considerables, a no ser que haya muchos paneles conectados enserie o serie-paralelo.

Los interruptores 1 y 2 permiten aislar eléctricamente al banco de reserva.El primero permitirá el servicio de los paneles o su cableado sin el peligro decortocircuitar la batería. Si bien es usual que el CdC aisle la batería del bloquegenerador, este interruptor provee una mayor seguridad. El interruptor 1 deberá serubicado dentro de una caja con protección ambiental. Una opción es conseguir unapequeña caja de CA que tenga protección ambiental y modificarla para este fin.Elija un componente que maneje un alto amperaje, lo que no alterarásubstancialmente el costo, pero alargará la vida útil de los contactos. Un interruptora cuchillas que se dispara con un resorte (corte rápido) es ideal.


Interruptores

Fusible debatería

Coneccionadode baterías

Palancaremovible

El interruptor 2 aisla al banco de baterías de la carga cuando deba trabajarcon el banco de reserva. A este interruptor se lo conoce como el interruptor debatería. En nuetro ejemplo la corriente de carga tiene un valor muy bajo (<5A), demanera que un interruptor del tipo automotriz, con una capacidad entre 20 y 40Aresulta adecuado.

En sistemas que consumen centenares de amperes este interruptor debe tenercontactos de resistencia extremadamente baja (milésimas de ohm), para que lacorriente no cause una caída de voltaje. La Figura 12.2a muestra un modelo deinterruptor de batería, el que puede cortar corrientes de cientos de amperes. La12.2b muestra un modelo usado en vehículos automotores que maneja 100A enforma continua y 500A en forma transitoria, el que se vende como dispositivo contrarobo.

a) b)Figura 12.3- Interruptores de baterías de alto amperaje

La capacidad de poder aislar a voluntad sectores del sistema, le facilitará lareparación del mismo cuando éste tenga un problema, o le servirá en el monitoreodel sistema mediante la toma de lecturas de voltaje o corriente, para verificar elfuncionamiento de los componentes del sector aislado.

En el Capítulo 9 (componentes auxiliares) describí este componente. Ahoraquiero que el lector compruebe, observando el diagrama, que este fusible sólo ofreceprotección cuando el cortocircuito se produce a la salida del banco de baterías.Llamo la atención sobre este detalle para demostrar que cortocircuitos producidosentre los bornes de la batería dejan al fusible fuera del circuito. La corriente dentrode la batería (miles de amperes por algunos segundos) pasarán por la herramientaque accidentalmente produjo el cortocircuito, quemándole la mano o provocandouna explosión de la batería.

Envuelva con cinta aisladora las partes metálicas de cualquier herramientametálica que use cuando trabaja con la batería.

Aunque el sistema de reserva sólo tenga una batería, siempre se necesitaráconectar más de un cable por terminal, ya que uno viene de la salida del CdC y elotro sale a alimentar la carga. Es importante que no apile los terminales de cablesque se conectan a un borne de batería, ya que los cables tienen diámetros voluminosos,ejerciendo una cupla que puede aflojar el contacto. En su lugar, use una secciónrectangular de cobre, con un espesor mínimo de 5mm, y con tres perforaciones: unacentral para el borne de batería, y dos para anclar, a cada lado, los terminales de loscables de conección.


CdC

Batería

Toma de tierra

Cicuito 1Cicuito 2

Interruptor 2Interruptor 1

Panel FV


Fusiblesde entrada

Fusiblede

Batería

Utilice tornillos con tuerca y arandela estrellada para sujetar los terminalesde los cables. La Figura 12.4 muestra un conector dual para batería solar que leservirá de guía para construír el suyo.

Figura 12.4- Terminal doble para batería solarEn el capítulo de mantenimiento doy un procedimiento publicado

originalmente por la revista HOME POWER, para que Ud se fabrique los terminalespara cable, si no encuentra los comerciales o desea hacérselos Ud mismo..Panel de distribución

En sistemas de bajo consumo, para minimizar el costo, la batería, elCdC, el fusible de batería, el interruptor 2 y los fusibles de entrada se ubican dentrode la casa. De esta manera se ahorra el costo de un cobertizo que brinde una protecciónambiental adecuada a estos componentes. Si Ud adopta esta solución, evite que losniños puedan tocar la batería.

La Figura 12.5 refleja estos comentarios. En este esquema se optó por ubicarel soporte del panel en el suelo, y conectar el fusible de baterías al lado negativo porlas razones dadas en el Capítulo 9.

Figura 12.5- Diagrama reflejando la ubicación de los componentes

El código eléctrico de los EEUU no requiere, en sistemas de menos de50VCC, que se tenga una conección a tierra a la entrada de la carga. Sin embargo, esmuy recomendable, por razones de seguridad.


Coneccionadointerno

Del coneccionado interno ya he explicado en el Capítulo 9 cómo seleccionarel tipo y calibre del cable a usar. Otro detalle sobre el tema es el uso de lo que eninglés se llaman wire nuts (tuerca para alambres o cables). Estos componentes sontan prácticos y seguros en el coneccionado de alambres y cables, que permiten llevara cabo la instalación interna de una casa sin necesidad de soldar o usar los terminalesde compresión descriptos anteriormente.

La Figura 12.6a ilustra el interior de uno de estos componentes. Al final dela parte cónica tienen un resorte, a veces fijo, a veces movible, el que permite elroscado de dos o tres alambres, en general.

a) b)Figura 12.6- Interior y exterior de un “wire nut”

La parte plástica que forma el cuerpo del conector varía en diseño a fin deacomodar diferentes diámetros de alambre AWG22-10). El de la Figura 12.6b muestraun modelo con dos orejas que proturan del cuerpo. Este tipo permite una mayorcupla de rotación. En inglés se lo llama “wing wire nut” es decir wire nut con alas.

Los alambres deben ser previamente retorcidos con cuidado usando unapinza de electricista, como la ilustrada a continuación, la que tiene una secciónplana. El extremo del retorcido debe ser cortado parejo para que ninguno de loscables proture más que los restantes, desplazando el resto del fondo.

Pinza de electricista

Los “wire nuts” se venden para distintos grupos de calibers y se usan cincocolores (Gris, Azul, Amarillo, Naranja y Rojo) para identificar un grupo de AWG deotro, aunque para ciertos colores se duplican los AWGs. La ilustración muestra elotro estilo de cuerpo plástico, sin “orejas” externas.

Código de Colores


Tornillosde sujeción

Roscaretensora

dentro de lacaja

Radio:5 vecesel diám.

Caja

Cables“vivos”

Cables deneutral

Para ejemplificar el uso de estos conectores he incorporado la Figura 12.7,donde se muestra el coneccionado de un tomacorrientes para 110VAC. En estailustración el neutral (blanco) y el vivo (negro) están conectados a suscorrespondientes lados en el tomacorriente. Los alambres de tierra (cobre desnudo)están sujetos por un conector wire nut.

Figura 12.7- Conectando un tomacorriente

Si se quiere protejer los cables contra roedores puede usarse un blindajemecánico usando una cubertura espiralada flexible, como la ilustrada en la Figura12.8a. Este blindaje debe ser cortado diagonalmente, paralelo al espiral. Como losbordes son filosos y desparejos se hace necesario terminar el blindaje usandoconectores que protejan la zona del corte y, a la vez, puedan ser insertados en uno delos “kock outs” (partes removibles) de la caja de conección (Figura 12.8b) La Figura12.8c muestra que el radio de curvatura para este blindaje debe ser igual a 5 veces eldiámetro de la cubertura metálica elegida.

Blindaje

a) b)

Figura12.8- Blindaje metálico

c)


Notasadicionales

Esta cubertura puede ser más costosa que el caño plástico pero es más segura.La introduje porque quería que el lector tuviere opciones.Sistemas de CA

El diagrama en bloque de un sistema para CA está ilustrado en la Figura 12.6.

CdC Batería

Interruptor 2

Interruptor 1Fusiblesde entrada

Fusiblede

Batería

Panel FV


Inversor

Vivo

Neutral

COBERTIZO

Ventilación

Cicuito 1Cicuito 2

Tierra

CARGA

Interruptor 3

Cable de tierraNeutrala

tierra

Figura 12.6- Sistema FV para CA

El esquema que se muestra fué justificado en el capítulo anterior. Los fusiblesde entrada, para cargas por sección mayores que 10A, serán llaves de aperturaautomáticas.

La toma de tierra debe ser hecha de manera tal que nunca quede interrumpida.Por ello no se coloca del lado del cobertizo, ya que el interruptor 3 la desconectaría.Dentro de la carga (casa) está conectada después de los fusibles, por el motivoseñalado. Esta precaución es importante pues, como he explicado, es una tierra paraseguridad del usuario y adquiere más importancia con voltajes de trabajo más altos.

Las temperaturas extremas afectan los componentes eléctricos, como heexpresado varias veces. El calor, en particular, es el mayor enemigo de lossemiconductores, y los cables conductores. En los primeros limita la capacidad dedisipar el calor generado internamente; en los segundos deteriora la aislación yaumenta las pérdidas por disipación. La vida útil de los componentes se reduce si nose provee ventilación adecuada. No exceda los valores máximos dados por elfabricante, tanto para las temperaturas máximas como para la humedad.

El diagrama en bloques presentado en el Capítulo 2, muestra el monitoreode la carga como un elemento independiente. Como esta función ha sido incorporadaen los Controles de Carga, he decidido no describir en detalle la enorme variedad deellos. Baste decir que, para sistemas de gran consumo se ofrecen medidores de Why numerosos sistemas de monitoreo para baterías, salida de voltaje de paneles, etc.Algunos son tan evolucionados que reciben la información en forma remota, la quemandan a un control central, donde puede verse y acumularse para ser analizadadurante un determinado período de funcionamiento.

En sistemas más modestos la forma más sencilla y económica es observarlas luces de monitored incorporadas al CdC y complementar la información siguiendoun plan de mantenimiento adecuado.

145

CAPITULO 13

MANTENIMIENTODE SISTEMAS

Introducción

Registro

Procedimientos

Paneles FVs

La mejor manera de justificar un plan de mantenimiento es recordar el refrán quedice: “mejor es prevenir que curar”. ¿Cuándo debe ser iniciado? Mi contestación es:desde el primer día de uso. Esto no significa que Ud deba empezar a medir diariamentevoltajes y corrientes. Nada de eso. La primera etapa es la de familiarización con el sistema.

Más adelante, cuando se alcazan las temperaturas extremas del primer verano oinvierno, al menos durante un mes, es aconsejable tomar datos más específicos una vez porsemana. Compararando estos valores con los de sucesivos veranos e inviernos, Ud podráapreciar cambios y, basados en ellos, observar con más detalle los componentes sospechosos.Este capítulo describe los aparatos y metodología para generar un registro del sistema, sumejor herramienta de servicio y guía para un uso correcto de la energía a consumir.

Asigne letras a las baterías si tiene más de una y números a las celdas de cadabatería. Por ejemplo la más cercana al negativo puede ser la No 1. De esta manera lacombinación C2 corresponderá a la celda 2 de la batería C. Un sistema análogo puede serusado para los paneles. Esto le facilitará la entrada de los valores.

Elija un título para los valores del registro, como “Voltajes de baterías” y luegoagregue fecha, hora del día, temperatura ambiente (aunque sea aproximada). Repita estaorganización, de manera que las mediciones puedan compararse sabiendo que fueron tomadasen circunstancias similares.

La inspección visual, combinada con una acción manual, es una manera efectivade llevar a cabo una tarea de mantenimiento. Conecciones flojas, cables afectados por laacción de los rayos UV, contactos de batería sulfatados, electrolito sobre la batería, nivel deagua bajo dentro de las celdas, panel FV dañado después de una granizada, nueva áreasombreada (los árboles crecen), contactos oxidados, pueden ser detectados por este método.Los otros procedimientos requieren el uso de un aparato de medición, como en el caso delos voltajes y amperajes, o la densidad del electrolito en una batería.

Como todos los semiconductores, no tienen estado intermedio; o funcionan o dejande funcionar. Durante el pico del verano verifique el voltaje de salida cuando la temperaturaambiente alcanza su mayor valor. Haga esta medición sin desconectar la carga. El polvo, ano ser que sea excesivo, no tiene mayor influencia en el voltaje de salida. No eche agua fríasobre un panel caliente.

146 CAPITULO 13 - MANTENIMIENTO DE SISTEMAS

Cuando la inspección visual revele que los contactos de baterías estánsulfatados, desconéctelos y, usando un cepillo con cerdas metálicas finas, limpiecon cuidado la superficie de los bornes y la de los terminales afectados. Cuide de norespirar las párticulas cepillando con movimientos que las expulsen lejos de Ud.Nivel del electrolito

La cavidad en donde se inserta el tapón de una celda de batería está diseñadapara que se cree un menisco (superficie cóncava), el que actúa como un lente reflectorde la luz incindente. La ilustración dada a continuación muestra como se forma elmenisco reflector debido a la fuerza de capilaridad en los bordes de la cavidad. Suaparición es fácilmente detectada, e indica que no se debe agregar más agua destilada.

Luz incidente

Electrolito

Menisco reflector

Baterías

Menisco reflector

No exceda este nivel. Use únicamente agua destilada. Nunca agregue ácidoo substancias restauradoras.Densidad del electrolito

En el Capítulo 5 se explica porqué cambia el valor de la densidad delelectrolito en una batería de Pb-ácido y cómo este valor está directamenterelacionado con el porcentaje de carga de la batería. Para evaluar su valor se utilizael densímetro (hydrometer, en inglés). La Figura 13.1 ilustra un densímetro quetiene incorporado, dentro del tubo de medida, un termómetro.

Figura 13.1- Densímetro con termómetro y flotador interno

Flotador

Termómetro

147CAPITULO 13 - MANTENIMIENTO DE SISTEMAS

Este tipo de densímetro es el mejor, y consecuentemente, el más caro. Puedeasimismo usar modelos menos refinados y estimar la temperatura del electrolitoconociendo la temperatura del ambiente donde están las baterías. La Figura 13.3muestra un modelo sin termómetro, usado para evaluar baterías para automotores.Hoy día se ofrece un modelo digital.

Figura 13.2- Densímetro sin termómetroObservacionesF La densidad del electrolito sigue creciendo después que una batería ha sido

desconectada de su circuito de carga, y sigue bajando después que sedesconecta su carga.

F La medición de la densidad es afectada por la temperatura del electrolito,la que puede diferir de la ambiente si la batería ha permanecido activa(cargando o descargando).

Mediciónü Nunca agregue agua destilada antes de medir la densidad del electrolito.ü Antes de efectuar una medición de la densidad, mueva suavemente la batería

para homogeneizar el electrolito. Este procedimiento puede formar parte dela rutina de la inspección manual, evitando la estratificación del electrolito.En baterías de auto no se necesita esta precaución porque no permanencenestáticas por largo tiempo.

ü Haga descansar la batería durante una hora, de ser posible, para homogenizarla temperatura del electrolito.

ü Antes de sumergir la punta flexible de goma dentro de la celda, oprima laperilla para que salga el aire. Esta precaución evitará que salte electrolito aloprimir la perilla. Llene el densímetro y vacíelo lentamente unas tres a cuatroveces para que el cuerpo del densímetro alcance la temperatura del electrolito.Esta precaución es más importante con climas fríos.

ü Restituya el electrolito del densímetro a la celda de donde lo extrajo cuandotermine con una medición. No mezcle electrolitos de diferentes celdas.

Los dos densímetros ilustrados trabajan basados en el desplazamiento de unindicador. En el de la Figura 13.1 el flotador tiene la escala de medición. Un balastrocalibrado ubicado en su parte inferior, tiende a mantenerlo sumergido.

Cuando la densidad es mayor que la del agua (1,000), el flotador sube dentrodel tubo que contiene el electrolito. Para obtener una buena lectura incorporesuficiente líquido para no restringir la flotación de la escala y, usando un dedo,golpee suavemente las paredes exteriores para que no se “pegue” contra ellas. Eviteque entre excesivo líquido forzando la parte superior del flotador dentro de la perilla.

Al observar la escala del flotador, lea la parte central evitando los extremosdel menisco (Figura 13.3). Observe la temperatura del electrolito.


La Tabla I dá los valores de la densidad para una temperatura de 27°C. LaTabla II le permitirá corregir el valor medido si la temperatura del electrolito esmayor o menor que la de referencia.

Figura 13.3- Leyendo la escala del flotadorEl otro densímetro es de lectura directa, pero su graduación sólo es válida

para una temperatura de 27°C.

Se venden unos densímetros con bolitas de colores flotantes. Su calidad esextremadamente pobre. Ud necesita uno que le dé un número para la densidad.Para simplificar la medida con un densímetro sin termómetro, sólo recurra a lamedida de temperatura cuando ésta es muy baja o muy alta.Si no puede costear un termómetro, asuma que el electrolito está a la temperaturaambiente, la que en general está dada por la radio.Densidad vs. estado de carga

La Tabla I muestra esta relación para una temperatura del electrolito de27°C. Para valores de voltajes de batería que son un múltiplo o submúltiplo de 12V,multiplique o divida el voltaje por el valor correspondiente (para un banco de 6Vdivida por 2; para uno de 24V multiplique por 2).

Tabla IPorcentaje de Carga (%) Densidad del Electrolito Voltaje (V)

100 1,277 12,7390 1,258 12,6280 1,238 12,5070* 1,217 12,3760 1,195 12,2450 1.172 12,1040 1,148 11,9630 1,124 11,8120 1,098 11,66

* Peligro de sulfatación

(Cortesía de Troyan Batteries)

Notas:


Corrección por temperaturaLa Tabla II muestra esta correlación. Observe que la corrección tiene signos

opuestos, dependiendo de la temperatura del electrolito. Los valores muestran quecada 11°C la densidad cambia 0008 unidades.

Tabla II

Temperatura Corrección Temperatura Corrección °C Fracción decimal °C Fracción decimal

54 + 0020 16 - 000849 + 0016 10 - 001243 + 0012 4,5 - 001638 + 0008 -1,1 - 002032 + 0004 -7 - 002421 - 0004 -12 - 0028

Referencia: 27°C Corrección: 0000

Batería defectuosaCuando el valor de la densidad de una celda difiere 0050 con respecto a

cualquiera de las restantes, la celda tiene problemas de sulfatación. Si tieneproblemas con la alimentación de la carga, reemplace la batería tan pronto comopueda. Este es un ejemplo práctico de como el registro puede ayudarlo a determinarsi se está desarrollando un problema.

Hay dos de ellas: la medición del voltaje y la del amperaje. El voltímetro yel amperímetro para CC o CA son los instrumentos que se utilizan en cada caso.Sin embargo lo más práctico es otro instrumento, llamado en inglés Multi-meter(medidor multi-función) que ofrece estas dos funciones moviendo una llave selectora.Ud sólo debe seleccionar el parámetro a medir y el rango de la medición.

La versatilidad del multi-meter permite, asimismo, medir resistencias y, porende, la continuidad eléctrica de un circuito. Si una sección está “abierta” laresistencia tiene un valor infinito. Si hay un cortocircuito, el valor de la resistenciaes cero. Otra ventaja es su portabilidad. Existen hoy día dos modelos: el analógico yel digital, los que paso a describir a continuación.Instrumento analógico

La Figura 13.4 muestra un modelo analógico, del que se dan lasespecificaciones

Medicioneseléctricas


EspecificacionesMide valores de resistencia hasta 2MW

Consumo máximo de 200mAGanancia (hFE) en transistores: 0 a 1.000

Movimiento de aguja: sobre pivotes de diamanteLongitud de la escala: 3½” (8.89cm)

Fuentes de poder: 2 baterías de 1,5V; 1 de 9VProtección: Fusible cerámico de 250V

Temperatura de trabajo: Entre 0 y +40ºCPuntas de prueba: 1 roja; 1 negra

Puntas de prueba para transistoresPeso: 308gr

Prueba de batería internaManual de uso

Sensibilidad: 20KW/VPrecisión: +/- 3% del máx. de escala

CCEscalas de Voltajes:

0.3V, 3V, 12V, 30V, 120V, 300V, 1.200VEscalas de Amperajes (CC):

50mA, 3mA, 300mA,12ACA

Escalas de Voltajes:12V, 120V, 300V, 1.200V

ResistenciaEscalas de resistencias:

R X 1, R X 10, R X 1.000, R X 10.000

Figura 13.4- Multi-meter analógico (B&K Modelo 114B)

El modelo analógico se basa en la rotación de una aguja sobre una escalafija. Si bien el panel de medida tiene múltiples escalas (vea ilustración más abajo),el lector debe considerar una a la vez: la que coincide con el rango a medir. Larotación de la aguja es proporcional al valor de la corriente. Si se excede el valormáximo a medir, el movimiento excesivo del mecanismo de rotación puede dañaral aparato. Para disminuir el error de lectura (ver ilustraciones) el multi-tester tieneun espejo en arco entre las escalas de CC. Cuando no se vé la reflección de la aguja,la medida es la más exacta (ausencia de paralaje).

Escalas en un multi-meter analógico Lectura Lectura correcta incorrecta


La escala en rojo se utiliza para medir los voltajes de CA. Estos valores nocoinciden con los del voltaje de CC porque el voltaje de CA es rectificado (convertidoa uno de CC). Debido a ello la sensibilidad del voltímetro de CA (medida en KΩ/V) disminuye respecto al de CC, llegando a tener valores hasta 10 veces menores.El concepto de sensibilidad será ampliado en este capítulo (ver “Medición devoltaje”).

La escala en Ohms (Ω) crece de derecha a izquierda, ya que cuando aumentael valor de la resistencia, disminuye el de la corriente, y por lo tanto el ángulo derotación. De allí que esta escala aparezca invertida.

Cuando mida una resistencia, elija el rango de manera que el valor seencuentre cerca de la parte media de la escala, ya que ésta no es lineal (cero ainfinito). Para cada escala se requiere el ajuste del cero, lo que se consigue controlandola corriente de deflección máxima con un potenciómetro (ajuste de cero) .Instrumento digital

La Figura 13.5 muestra un modelo digital. Ambos usan puntas de pruebaslas que deben ser insertadas (CC) respetando la polaridad a medir, o el rango decorriente, como mostraré más adelante.

EspecificacionesMemorización de lectura

Señal audible para la continuidad3½ dígitos

Puede medir temperaturasPrueba diodos y transistores

Puntas de prueba: 1 roja; 1 negraTermocupla tipo K

Temperatura de trabajo: -40°C a ~75°CFuentes de poder: Batería de 9V

Peso: 170grManual de uso

CCVoltaje: 200mV a 600VCorrientes: 2mA a 10A

CAVoltajes: 1 a 600V

Resistencias200Ω a 2MΩ

Máximo valor en pantalla:1999

Figura 13.5- Multi-meter digital (DT -858) y cables de prueba

Como con todo instrumento, si la versión es digital hay una tendencia apensar que este instrumento es el mejor. Las dos versiones tienen ventajas ydesventajas. A continuación enumero alguna de ellas:

Tipo de medición Versión digital Versión analógica

Voltajes Menor error Error dependiente del modeloy valor a medir.

Amperaje Mayor error Menor error. Ideal para bajosvalores de corrientes.

Continuidad Muy lento (ver texto) Indicación visual inmediata

Peligro de daño Prácticamente nulo Necesita de mucha atención


Medidor idealEl aparato de medida ideal es aquel que obtiene el valor a medir sin alterar

el circuito que está midiendo.Medición de voltaje

En el caso del voltímetro, como la medida se hace conectando la entrada delinstrumento en paralelo con los puntos a medir, esto significa que debe medir sinconsumir corriente alguna. Esta condición es imposible de alcanzar en la práctica,de manera que el voltímetro que tenga el mayor valor de resistencia interna es elque altera menos el circuito.

Los intrumentos digitales tienen elevadísimos valores de resistencia interna(MΩs), la que no depende del rango a medir. Por miden los voltages con menoserror. Sin embargo debe recordarse que la precisión en la medida depende delnúmero de dígitos que pueden considerarse como legítimos (3½, 4½, etc.). Laexpresión 3½ dígitos significa que los tres primeros son confiables, mientras que elcuarto puede dar un valor o en exceso o en defecto. El costo de una unidad estárelacionado con esta especificación.

Los voltímetros analógicos suelen tener una resistencia interna que varíaentre 1 y 20KΩ/volt, dependiendo de su calidad. Esto significa que cuando se leeun voltaje en la escala 0-10V la resistencia interna será de 10KΩ o 200KΩ ,respectivamente. Cuanto más elevado es el rango seleccionado, menor es el error,pero más difícil es su lectura.

Cuanto mayor es el valor de la resistencia interna, mayor es la sensibilidaddel voltímetro, ya que toma menos corriente para hacer la medición.

Cuando el voltaje se mide a través de un bajo valor resistivo el error esmucho menor. Se vende un modelo de multi-meter analógico con una resistenciainterna de 1MΩ, independientemente de la escala, pero su costo es más elevado.Medición de corriente

La situación es la opuesta a la anterior, ya que la medición de un amperaje sehace en serie. Es por ello que los instrumentos analógicos, con resistencias internasmenores que 0,5Ω, sean los que dan menos error.

Los instrumentos digitales miden el valor de la corriente provocando unacaída de voltaje en una resistencia serie de valor conocido, el que es muy superior alde la resistencia interna de un analógico.Peligro de daño

Sin duda alguna los instrumentos analógicos son los más delicados. Eloperador debe elegir si va a medir Volts o Amperes y seleccionar el rango adecuado.Si no se tiene idea del valor a medir, debe eligirse la escala de mayor valor e irdisminuyendo el valor de la misma hasta que la lectura ocurra alrededor de la partemedia de la escala. Un error de polaridad y/o escala puede ser fatal.Solución

Como muchos lectores no han usado instrumentos analógicos y comprardos tipos es muy caro, es preferible optar por un multi-meter digital del tipo auto-rango. En estos instrumentos un error en la polaridad de medida se traduce en laaparición de un signo negativo delante del valor. Las posiciones de selección devoltajes o amperajes se reducen, ya que se acomodan al valor a medir, siempre queno se exceda el máximo especificado.

Para obtener las mejores medidas, use el instrumento sólo como voltímetro.Si puede, compre un modelo que garantice 3½ dígitos.


Cuando deba medir corrientes, incorpore una resistencia calibrada de muybajo valor, en serie con el circuito. Por ejemplo, una resistencia de 1Ω (1%), con unvalor de disipación dos (2) veces mayor que el máximo calculado, le permitirá medirla caída de voltaje en este resistor. Debido a su valor unitario, el valor numérico delvoltaje corresponderá al valor del amperaje.

Para poder efectuar una conección/desconección rápida de la misma, sinalterar el valor resistivo, use conectores cocodrilos de tamaño medio en cada extremodel resistor.Continuidad

Los multi-testers digitales son muy lentos cuando miden resistencias. Es porello que los fabricantes ofrecen una posición de continuidad que está asociada conuna señal auditiva. Cuando el circuito tiene un valor de resistencia muy baja(continuidad), la señal auditiva se activa; cuando el valor es muy alto (circuitoabierto), permanence inactiva.

Como puede apreciarse en las especificaciones, aún modelos económicosde 3½ dígitos, ofrecen opciones para medir diodos, transistores o convertir al multi-tester en un medidor de temperaturas.

Todos los multi-testers, independientemente del tipo, tienen limitaciones defrecuencia y sólo dan valores confiables de voltaje de CA cuando se miden formasde onda sinusoidales. Para medir valores efectivos de CA en ondas no sinusoidalesse debe comprar voltímetros y amperímetros especiales (ver Apéndice II).

Figura 13.6- Seleccionando medidas(Cortesía de la revista Home Power)

La Figura 13.6, cortesía de la revista Home Power, muestra un multi-metereconómico digital, del tipo auto-rango, con las posiciones típicas para la llaveselectora.

Medidasde CA

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

14

13

11

12


Nota:

Para simplificar la explicación, he decidido numerar el texto original eninglés, comenzando por la izquierda, de arriba hacia abajo. De esta manera el lectortendrá no sólo una explicación para su uso, pero un diccionario a mano, ya que losmulti-testers son importados casi en un 100%.

La llave selectora puede tener otras posiciones en otros modelos.

1. Pantalla de cristal líquido. Los números o letras se ven si el cristal recibeiluminación. Por eso algunos modelos ofrecen iluminación de fondo(backlighting)

2. Medición de resistencias. Sólo una posición para todos los valores que sepueden medir.

3. Milivoltímetro. Valores tan pequeños tienen una posición especial.4. Voltímetro de CC (DC). Tiene dos rayitas paralelas. Sólo una posición para

todos los valores que puede medir.5. Voltímetro de CA (AC). Tiene una sinusoide sobre el símbolo V. Sólo una

posición para todos los valores que se pueden medir.6. Llave selectora.7. Medición de amperes. Los altos valores de corriente requieren que la punta

de prueba roja deba ser conectada allí. Observe que para las corrientes haydos posiciones para la llave selectora (No 11 y 12 ).

8. Medición de corrientes bajas (mA o µA). La medición de bajas corrientesrequiere que la punta de prueba roja deba ser conectada allí, junto con laselección de la posición No11.

9. Negativo. Punta de prueba negra. Es la posición típica de este cable cuandose mide voltaje (CC o CA) o resistencias, incluída la de conducción para eldiodo.

10. Positivo. Punta de prueba roja. Es la posición típica de este cable cuando semide voltaje (CC o CA) o resistencias, incluída la de conducción para eldiodo.

11. Medición de µA . Ya vista.12. Medición de µA y A. Ya vista.13. Medición de diodos. En esta posición se mide la resistencia de conducción

de un diodo aplicando un voltaje interno. Invirtiendo la posición de las puntasde prueba, se comprueba si el diodo tiene una resistancia mucho más alta (obaja) respecto a la anterior (con una polaridad conduce; con la opuesta no).Esta posición puede evaluar transistores, ya que un transistor es equivalentea dos diodos (Base-Emisor y Base-Colector).

14. Muestra la unidad que se está midiendo. En la Figura, VDC (Volts de CC).

Fabricación caseraSi no puede conseguir los cables que interconectan las baterías o quiere

agregar conectores para alta corriente a los cables de alimentación, paso a describirun procedimiento que, inicialmente, fué publicado en el No3 de la revista HomePower. Este número no se puede conseguir ni siquiera visitando su página web en lainternet. El Sr Richard Perez, autor del artículo, me autorizó la traducción.

El cable a usarse es el tipo multi-alambre, de 8 o más mm de diámetro. Paralos terminales se usan tubos de cobre blando, de diámetro apropiado (ver texto).

Cables debatería


Pasos de construcción.1- Remueva unos 4,5 cm de aislación, usando una navaja, en los extremos en dondeinstalará los conectores.2- Desenrosque los alambres, de manera que queden paralelos entre sí.3- Corte un trozo de tubo de cobre de unos 6cm de largo. Use la tabla dada acontinuación para determinar el diámetro adecuado del tubo.

AWG Diámetro del tubo de cobre1/0 5/8” (16mm)2/0 o 3/0 ¾” (19 mm)4/0 1” (25,4mm)

4- Limpie con un cepillo metálico, o lija para metales, la parte interna del tubo yúntelos con pasta para soldar (flux, en inglés) del tipo no corrosivo.

4,5 cm

6 cm

Figura 13.7- Peladura y tubo de cobre

5- Deslice la sección de tubo cortada sobre la peladura, dejando 5 a 6 mm de estaárea sin cubrir, para aumentar la flexibilidad del cable.

Figura 13.8- Colocación del tubo de cobre

6- Con una morsa apriete el tubo y el cable para que no se muevan.7- Sáquelo de la morsa y, usando un martillo y una base metálica plana (yunque),aplane el tubo y el alambre.


8- El extremo del tubo (aprox. 2 cm) no contiene cable alguno. Doble esta secciónsobre si misma, aplanándola con el martillo, de manera que no escape la soldadura.

Figura 13.9- Doblez de retensión

9- Sujete el doblez en la morsa, con el cable hacia arriba. Para la operación desoldadura es útil contar con algo de ayuda.10- Caliente con un soplete de propano la parte exterior del conector hasta queburbujee el “flux”.11- Usando soldadura del tipo 60-40 (60% estaño-40% plomo) inunde la parte internadel conector con soldadura, evitando que se extienda a la parte entre el terminal yla aislación. Déjelo enfriar evitando que el cable se mueva.12- Marque con un punzón donde perforará el agujero de conección, pero evite usarel área del doblez. Usando una mecha del diámetro requerido por el terminal, efectúela perforación.13- Con una sierra de mano para metales, corte el doblez.. Con un cepillo de cerdasmetálicas de acero, limpie el conector de toda muestra de residuo. Para darle unaterminación más profesional, estañe la parte exterior del terminal.

Figura 13.10- Cable con terminal soldado, perforado y estañado

14- Si consigue tubos de plásticos que se ciñen con el calor (heat shrinkable tubing)puede cubrir un par de cms sobre la aislación del cable y la parte libre entre laaislación y el terminal. Al calentarlo tomará la forma del material que cubre. Sielige colores como el rojo y el negro, podrá diferenciar los cables de diferentepolaridad. Para calentar el material, sin numeral, mantenga la llama del soplete depropano a buena distancia y caliente toda la superficie en forma pareja. Según elmaterial la temperatura donde comienza a ceñirse varía entre los 190 y los 340°C.Los más communes cambian el diámetro interno a la mitad del original.

Figura 13- Cable con plástico “heat shrinkable” antes de ser calentado

157

CAPITULO 14

BOMBEO DEAGUA

Escacez mundial de agua potableCreo que muchos de los lectores desconocen la magnitud del problema de la escacez

de agua potable en todo el mundo. Aún asumiendo que no existiera polución en las fuentesde agua potable, el gráfico de la Figura 14.1 muestra que la mayor parte del volumen deagua en este planeta (97,5% del total) es agua salada.

Figura 14.1- Recursos mundiales de agua

2

1

34

5

6

7

1-Título: Un Mundo Salado

2- Subtítulo: Reservas Globales de Agua Salada y Dulce

4- Aguas subterráneas (Incluye humedad en el suelo y pantanos

5- Glaciares y Nieves Permanentes

6- Agua Dulce: 2,5%

3- En Lagos y Ríos

7- Aguas Saladas: 97,5%

Traducción

158 CAPITULO 14- BOMBEO DE AGUA SOLAR

Sistemas debombeo solar

El volumen de agua potable representa sólo un 2,5% del total. De estacantidad, el 68,9% es en forma de hielo en los polos, o nieves permanentes en lasaltas cumbres. Un 30.5% se encuentra bajo tierra, en forma de napas (ríossubterráneos), como humedad en el terreno, o como pantanos líquidos o congelados(permafrost). El volumen de agua “fácil de utilizar” (lagos y ríos) es el menor detodos, ya que representa el 0,3% del total de agua potable.

MENOS DEL 1% DEL VOLUMEN TOTAL DE AGUA EN EL PLANETAES POTABLE

Si a estos números substraemos el volumen que es inusable debido a lapolución, y tomamos en cuenta el aumento exponencial de la población mundial,no es difícil entender porqué los expertos hablan de una crisis mundial hacia el2030.

Factores adicionales, como la ineficiencia de los métodos de riego para lasexplotaciones agrícolas, la desforestación, la falta de conciencia de los usuarios queposeen servicios de aguas corrientes, y los cambios climatéricos, contribuyen adisminuir sensiblemente el volumen de las napas subterráneas. Nuevos pozos debenperforarse a mayor profundidad, elevando el costo de los sistemas de bombeo,independientemente del tipo que se use.

Un tema del que se habla poco en este momento es la adquisición, por partede consorcios internacionales, de fuentes de agua potable no contaminadas endiversos países. La ambición de estos gigantes es convertirse en vendedores casiexclusivos de un elemento tan vital para la vida en este planeta. Algunos expertosvisualizan guerras (militares o económicas) entre países que comparten una fuentede agua potable. Este es el caso en ríos que atraviesan varios países entre su lugar denacimiento y su desembocadura (el Nilo en Africa) o lagos compartidos por dos (omás países), como los grandes lagos en la frontera entre EEUU y el Canadá.

El agotamiento parcial o total de las napas subterráneas es un problemapreponderante en el presente.

Ventajas: No dependen de la existencia de una red distribuidora de energía eléctrica

para ser puestos en funcionamiento. No dependen de generadores eléctricos portátiles que consumen

combustibles que poluten el ambiente, o son caros o difíciles de obtener. Su diseño es simple, ya que no requieren un banco de baterías (uso

diurno). Sistemas de bombeo para profundidades moderadas pueden ser

acarreados entre locaciones. Las bombas modernas pueden operar a grandes profundidades y son

más durables y eficientes. En muchos lugares los vientos que hacen funcionar el típico bombeador

a viento, cesan durante el verano, cuando la radiación solar alanza sumáximo.

159CAPITULO 14 - BOMBEO DE AGUA SOLAR

Rentabilidad

Leyesfísicas

Pérdidas

Desventajas:L El volumen extraído por hora es menor que el de una bomba de varios

HP. El criterio de diseño para un equipo de bombeo solar sólo considerael volumen diario requerido, como se verá más adelante.

L El costo inicial del sistema es alto, debido al costo de los paneles. Sinembargo, la sencillez del mismo y la duración de las nuevas bombas,permiten la amortización del costo de un sistema solar en tiemposrelativamente cortos.

L Necesita un tanque de acumulación para compensar por los días conradiación solar baja o nula.

Respecto a este tema se puede usar un argumento de contenido extrictamentehumano y justificar el costo de un sistema solar de bombeo como despreciablefrente al costo de no tener agua para sobrevivir.

Si este argumento no es válido (explotación industrial) la rentabilidad dependede factores que son característicos del lugar en donde el sistema de bombeo solarserá instalado. Por ejemplo, ¿El nuevo sistema es el único que se utilizará, ocomplementará a otro en uso? ¿Existe más de un pozo perforado? ¿El sistema enuso comienza a tener serios problemas de mantenimiento? ¿Ha aumentado el costoo la dificultad de conseguir combustibles para el generador eléctrico auxiliar quealimenta las (la) bombas ya instaladas? Etc, etc.

Estudios realizados años atrás por el Sandia National Laboratory de los EEUUmuestran que cuando la potencia instalada oscila entre un mínimo de 100 y unmáximo de 700W, el sistema solar resulta económicamente viable.

No existe duda alguna que en el futuro los combustibles derivados del petróleopermanecerán con costo altos y sin estabilidad de precios. Este factor esextremadamente importante si se tiene en cuenta que un sistema de bombeo solartiene una vida útil de unos 20 años. La reparación o el mantenimiento preventivo demotores de menor tamaño (sistemas solares) son más factibles de ser hechos en ellugar de utilización, ahorrándose el costo de transporte.

El bombeo de un líquido entre dos elevaciones, profundidad de extracción yboca de salida (o entrada al tanque de reserva), necesita de una energía mecánicaigual al trabajo (fuerza x distancia) que debe realizarse para elevar el peso de unvolumen de ese líquido (agua en nuestro caso) entre la altura de extracción y la decolección. Si recordamos que la potencia mecánica está dada por el cociente entreel trabajo y el tiempo en que éste toma lugar, es fácil comprender que si queremosmantener el valor de la potencia al mínimo, para una dada diferencia de altura,debemos extraer solamente el volumen diario que satisfaga la necesidad de uso,más un porciento de reserva, para compensar los días sin sol.

El valor de la potencia eléctrica (número y tipo de paneles FVs) deberá sertal que satisfaga el de la potencia mecánica, más el de las pérdidas mecánicas yeléctricas del sistema.

Las mayores pérdidas mecánicas se encuentran en la fricción del agua dentrode la cañería. Estas dependen, a su vez, de la velocidad de extracción (volumen/unidad de tiempo), la longitud de la cañería, el material con el que está construida(metal o plástico), así como el número de “codos” (deflexiones a 90 o 45°).


Bomba sumergible

Cisterna

Pe

Pd

Cañería

Puntodesucción

Hc

Di

Nivel estático del espejo de agua

Nivel dinámico del espejo de agua

Dh

Las pérdidas eléctricas están asociadas con las pérdidas de calor en losconductores que alimentan la bomba. Cuando este valor se incrementa, suelerecurrirse, como en los sistemas FVs domésticos, a la elevación del voltaje de CC oa su transformación a un voltaje de CA de mayor valor que los de CC.

Para poder entender las especificaciones técnicas, así como el uso apropiadode un modelo de bomba, debe entenderse los parámetros básicos que definen unsistema de bombeo. Recurriré para este propósito a la Figura 14.2.

Figura 14.2- Definición de parámetrosHc: Altura de cisterna Dh: Distancia horizontalPe: Profundidad estática Pd: Profundidad dinámica

Di: Distancia de inmersión

Para llevar a cabo un diseño, se necesita calcular el valor de la alturadinámica (Ad) del sistema a instalarse. Este valor representa la suma de todos losvalores que deben ser tenidos en cuenta cuando la bomba está en actividad, a fin dedeterminar la potencia a instalarse.

Uno de ellos es la produndidad dinámica del pozo (Pd). Este valor es siempresuperior al del valor estático (Pe), ya que el espejo de agua se hace más profundo alextraerse el agua. Dependiendo del caudal de la napa, y la velocidad de extracción,esta variación puede ser despreciable o apreciable.

Otra componente en el cálculo de la altura dinámica es la distancia entre elnivel dinámico y el punto de succión (Di) de la bomba. Esta altura ayuda a cargar labomba, de manera que en la suma toma un valor negativo.

La altura de cisterna (Hc) incrementa el valor total. Las pérdidas por fricciónen la cañería, a fin de reducir todos los valores a una unidad común, se dan comouna “altura equivalente” (Hequiv). Las Tablas al final de este capítulo proporcionanalgunos de estos valores. La “altura equivalente” para los codos, si se usan, dependendel ángulo y de su diámetro. La distancia horizontal (Dh), de existir, debe considerarsesólo para calcular las pérdidas por fricción, pero no contribuye, siendo horizontal, aincrementar el valor de la Ad.

Terminología


Se tiene entonces que:

Altura dinámica (Ad) = Hc + Pd - Di + Hequiv

El valor para Di suele ser despreciable, comparado con los restantes.

La terminología en inglés para el valor Ad es (total dynamic head) y para Hequiv(friction head). La palabra head (cabeza) debe ser interpretada como altura. Estole facilitará la lectura de gráficos incorporados en este capítulo o en especificacionesque lea en la internet.Bombas Centrífugas

Estas bombas son útiles cuando la Ad tiene bajos valores, y por ello se lasutilizan para extraer agua de ríos, arroyos o lagos. Incrementos substanciales en elvalor de la Ad requieren valores muy elevados para la potencia a instalarse (verFigura 14.4). Algunos modelos son flotantes, mientras que otros operan en lasuperficie (orilla).

A no ser que estén diseñadas especialmente (auto-cebantes), estas bombasnecesitan ser “cebadas”, es decir que se necesita mantener una columna continuade agua entre la toma y la boca de entrada. La Figura 14.3a muestra una bomba deeste tipo fabricada por CONERGY™ bajo la marca SunCentric®.

Nota:

Tipos debombas

Figura 14.3a- Bomba centríguga

La Figura 14.3b muestra el diseño típico de una bomba de este tipo, asícomo su montaje. Un motor eléctrico hace girar, a alta velocidad, un sistema depaletas, las que, al rotar dentro de una cavidad cerrada, “expulsan el agua” hacia lasalida. Para aumentar el volumen de expulsión, las paletas tienen forma en espiral,forzando al agua a ir hacia el borde exterior, donde la velocidad alcanza su mayorvalor. Si se usa una cisterna de acumulación ésta no podrá ser muy alta.

Figura 14.3b- Diseño y montaje de una bomba centrífuga típica


La Figura 14.4 muestra la relación entre la altura dinámica máxima (Ad) yel caudal a extraerse para varios modelos de la marca SunCentric™ . La tablainsertada en el gráfico, relaciona cada una de ellas con el valor de la potencia mínimaa instalarse.Observe que las curvas de rendimiento, para cualquier tipo de bomba, tienen tresvariables: Ad, caudal y potencia a instalarse. Para simplificar la presentación, lapotencia se especifica, a veces, como parámetro fijo (1, 2 ,4 paneles, etc.) o comofunción de las otras dos variables.

Nota:

Figura 14.4- Rendimiento de una bomba centrífugaEjemplo

Si asumimos que Ad tiene un valor de 5m, y que el caudal a extraerse es de40 L/min, la Figura 14.4 muestra que estas dos variables (punto de intersección)sólo puede ser satisfecho por la curva No 20, lo que implica que la potencia FV ainstalarse no puede ser inferior a los 205W.Bombas de desplazamiento positivoA diafragma

Estas bombas desplazan, dentro de la cañería de extracción, un volumen deagua igual al succionado de la napa. El movimiento de extracción abre la válvula deentrada a la primera cámara de retensión. Con la siguiente succión, el nuevo volumenfuerza al precedente hacia arriba, abriendo la válvula de salida. Estas bombas tienenun mínimo de tres cavidades, a fin de que la primera soporte sólo la diferencia depresión con la siguiente. La repetición de este proceso llena el largo de la cañeríaque conecta la bomba con la salida. A partir de ese momento se alcanza el estado deequilibrio, y la bomba proveerá un caudal constante, igual al de extracción.

Litros por minuto

Ad

en m

etro

s


El mecanismo traditional para la succión es un diafragma elástico, el quecambia su forma de cóncavo a convexo, con la acción del motor. La Figura 14.5muestra tres modelos de la serie SD de la compañía Kyocera®, los que usan estediseño.

Figura 14.5- Bombas a diafragma

La Figura 14.6a, b y c dá la relación entre Ad, caudal y potencia a instalarsepara cada uno de los modelos ilustrados (SD 12-30, SD 6-35 y SD 3-70).

Figura 14.6a- Ad, caudal y potencia instalada


Este tipo de bomba es más económico que las de tornillo en espiral, peronecesitan de un mayor mantenimiento. El diafragma así como las escobillas(carbones) del motor, debe ser reemplazado a intervalos recomendados por elfabricante. Debe cuidarse que el filtro de entrada no se tape cuando se detecta lapresencia de arena en el fondo del pozo. Para algunos modelos optar por un filtroexterior significa agrandar el diámetro del pozo de 4 a 5” de diámetro.

Figura 14.6b- Ad, caudal y potencia instalada

Figura 14.6c- Ad, caudal y potencia instalada


A tornillo helicoidalLas bombas de desplazamiento positivo más modernas han reemplazado al

diafragma con tornillos helicoidales (tornillos de Arquímedes). El desplazamientoes continuo y no necesitan válvulas, ya que el volumen atrapado en cada vuelta de laespiral no puede escapar debido al hermetismo de su cierre con la sección deextracción. Este diseño permite la extraccción de agua aún en la posición horizontal.

La Figura 14.7 ilustra un modelo de la marca Lorentz™, el PS200 Mini, elque bombea hasta 50m de profundidad. El modelo de mayor alcance llega a bombearen pozos de hasta 230m de profundidad.

Estas bombas son más caras que las anteriores pero necesitan un menormantenimiento e incorporan otros adelantos, los que son descriptos en la secciónAvances tecnológicos, que las hacen más eficientes que las bombas a diafragma.

Figura 14.7- Bomba con tornillo en espiral con control electrónico

La Figuras 14.8a y b muestran las curvas de rendimiento para esta bombacuando se usan paneles FVs con voltajes nominales de salida entre 24 y 48 V, enlugar de baterías.


Figura 14.8- Tablas de rendimiento (Lorentz PS200 Mini)


Bombas pump JackEsta es una bomba volumétrica, conocida en algunos países latinos como

“burro de bombeo”. Se la vé en campos petrolíferos, donde se las utilizan para sacarpetróleo de napas relativamente profundas. El mecanismo de bombeo consiste devarias secciones de barras plásticas pulidas (menor peso y fricción contra laempaquetadura superior) las que son unidas hasta alcanzar un pistón que operadentro de un cilindro sumergido dentro de la napa.

La acción de un mecanismo oscilatorio vertical, accionado por un motoreléctrico, permite un amplio desplazamiento del pistón dentro del cilindro. Dosválvulas, ubicadas dentro del mismo, permiten la entrada y salida del agua extraídade la napa, la que es forzada a ascender por la cañería conectada a la salida delcilindro. La Figura 14.9 ilustra este tipo de bomba.

Figura 14.9- Bomba pump Jack (Burro de bombeo)

La ilustración de la Figura 14.9 puede diferir, mecánicamente, de la versiónofrecida por un determinado fabricante, pero no el diseño básico. Para este tipo debomba el caudal a extraerse depende de la “cilindrada” elegida (diámetro del cilindroy recorrido del pistón). Se las utilizan para bombear agua a grandes profundidadespero están sufriendo la competencia de las bombas con tornillos helicoidales lasque ahora llegan a bombear desde los 230m. La Figura 14.10 ilustra la relación Advs. caudal para dos modelos Solar Jacks®, el SJ-24-47-JA (curva A) y el SJ-36-47-JA (curva B).


Figura 14.10- Rendimiento a gran profundidadDiámetro del pozo

El diámetro a perforarse incide en el costo de perforación. Muchas de lasbombas solares pueden usar un pozo de 4” (10cm) de diámetro. Para evitar elderrumbe, la perforación requiere un encamisado metálico.

El diámetro del pozo para algunos modelos con tornillos helicoidales es de5” (12,5cm). Otros modelos requieren este diámetro cuando se adopta el uso de unamalla de filtro exterior. La bomba tipo Pump Jack requiere diámetros más grandesdebido a las dimensiones del cilindro de extracción.

A

B


La cupla de arranque en un motor de CC con escobillas depende del valor dela corriente que circula por el mismo, la que, a su vez, depende del voltaje de entrada.Al comenzar el día, el voltaje proporcionado por los paneles solares limita el valorde la corriente de arranque.

Para compensar este problema se usa un controlador. Este aparato es unconversor de CC a CC. Como las pérdidas internas en el controlador son muy bajasrespecto a la potencia que manejan, los valores para las potencias de entrada ysalida son prácticamente iguales.

Al comenzar el día el controlador ofrece un bajo valor de resistencia interna(menor caída de voltaje), permitiendo incrementar el valor de la corriente a la salida.La cupla de arranque se incrementa y el motor comienza a girar lentamente hastaque los paneles incrementan el voltaje de salida (mayor radiación solar). Cuando elmotor recibe el voltaje nominal de trabajo, el controlador cesa de funcionar. Estosmotores de CC usan imanes permanentes en el estator, eliminándose la necesidadde alimentar un bobinado additional (mínimo valor de corriente).

Debido a su menor costo inicial, la mayoría de las bombas de desplazamientopositivo utilizadas en la actualidad usan el movimiento de un diafragma parasuccionar el agua, el que debe ser reemplazado, dependiendo del uso, entre 1 y 5años. Uno de los avances tecnológicos ha sido el reemplazo del diafragma portornillos helicoidales, lo que extiende considerablemente la vida útil de la bomba.El otro es la intruducción de un nuevo motor eléctrico, el que tiene mayor durabilidady eficiencia (menor consumo). A este tipo de motor se lo conoce como motor de CCsin escobillas (carbones). En inglés, DC brushless motor.

El tipo de motor usado en bombas a diafragma tiene un imán permanente enel estator y bobinados en el rotor. Para conectar estos bobinados al voltaje exterior,el motor usa un conmutador mecánico, el que gira concéntrico con el rotor. Losextremos de estos bobinados terminan en delgas (secciones metálicas aisladas entresí que rodean el cilindro del conmutador). El voltaje a aplicar a un determinadobobinado establece contacto con las respectivas delgas, en forma secuencial, usandoun par de escobillas (carbones), los que rozan estas delgas.

La corriente establecida permite iniciar, y mantener, la rotación del eje delrotor. Las escobillas de contacto sufren un desgaste constante, y la conmutación secaracteriza por la generación de arcos eléctricos que se manifiestan al abrirse unbobinado (carga inductiva). Estas chispas generan ruido eléctrico.

En el nuevo diseño la posición del imán permanente y la de los bobinados“están invertidas”, siendo el estator el que tiene los bobinados y el rotor el imánpermanente. La Figura 14.11 ilustra el estator de un motor sin escobilladas de dos(2) fases, usado en un ventilador para computadora. Las dos piezas (N-S) quecomponen el imán permanente del rotor, giran alrededor del estator, y por ello los“dientes” del mismo tienen forma redondeada.

Controladores

Avancestecnológicos

Motor de CCtradicional

Motor de CCsin escobillas


Figura 14.11- Estator de un motor de CC sin carbones de 2 fases

Los bobinados del estator reciben, secuencialmente, su voltaje a través deFETs de potencia, los que actúan como llaves entre el voltaje externo y el bobinadocorrespondiente. La secuencia es determinada por un microprocesador, el que usasensores del tipo Hall, ubicados en el estator, para establecer, en todo momento, laposición del rotor respecto a los bobinados fijos.

Para el motor de 2 fases se usan 3 sensores, cada uno proveyendo un voltajede control (1 ó 0), el que varía cuando el imán del rotor pasa frente al sensor. Elmicroprocesador genera tres voltajes de control, desfasados entre sí, los que en undeterminado momento, toman uno de tres valores digitales: 1, 0 ó -1.

Las seis señales (tres voltajes posicionales y tres voltajes de activación),permiten generar un código digital. Un decodificador usa esta información paramandar una señal a la gate de uno de los FETs, activando una de las bobinas delestator. Esto asegura que el bobinado energizado es el que corresponde a la posiciónrelativa entre el campo magnético del rotor y el bobinado próximo a su paso.

Cuando se quiere un mayor control para la velocidad de rotación el númerode bobinados aumenta. Esto fuerza el aumento del número de imanes en el rotor.Para un motor de 4 fases se tienen 6 bobinados en el estator y dos imanes en el rotor.

Un motor sin carbones:

Puede girar a mayor velocidad que el modelo con escobillas, y ser mássilencioso.

No produce chispas (ruido eléctrico). Trabaja a más baja temperatura, ya que el estator puede ser montado sobre

un “heat sink” (disipador de calor). Puede variar la velocidad de rotación variando el tiempo de conducción

(variación del ancho de pulso que activa la gate), en lugar de la magnituddel voltaje aplicado.

Permite optimizar el desfasaje entre el voltaje y el campo magnético,obteniéndose un arranque más fácil y una rotación de menor consumo.

Motor de CCsin escobillas


Otros avances en el diseño de las bombas están relacionado con el grado detolerancia que las bombas sumergibles tienen con respecto a la presencia de arenaen el fondo del pozo y con la posibilidad de funcionar, sin dañarse, cuando el nivelde la napa baja bruscamente, dejando la bomba fuera del agua.

Si la bomba puede dañarse al quedar sin agua, el fabricante ofrece un detector queapaga a la misma cuando el nivel dinámico del pozo alcanza el máximo permisible.

En esta sección doy una idea de los pasos que se requieren al diseñarse unbombeador de agua solar. El proceso fuerza al diseñador a una serie de estimacionesque superan, en número, a las que se necesitan al diseñar un sistema FV. Tomemoscomo ejemplo el de la perforación.

Este paso del diseño es el más difícil, pues aún cuando se pueda tener accesoa un estudio hidrológico de la zona, sólo se puede tener una idea del área que tienela mayor posibilidad de tener una napa abundante y no muy profunda. La mejor guíasuele ser la empresa o persona que ha perforado otros pozos en la zona, los quepodrán dar, asimismo, la mejor aproximación respecto a la capacidad de la napas.La mayor contradicción se presenta cuando se va a comenzar la perforación, yaque quien haga este trabajo necesita saber que diámetro debe tener el pozo. Estedato depende del modelo a elegirse, el que, a su vez, depende de la profundidaddinámica que va a tener el pozo y del consumo diario.

Esto significa que el diseñador debe buscar la mejor información posiblepara la profundidad del pozo y seguir los pasos que enumero a continuación paradeterminar, con la mayor certeza, el modelo de bomba a instalarse.

Para llegar a este valor se recurre a tablas de consumo promedio, como laque incorporo a continuación.

TABLA DE CONSUMO PROMEDIOActividades humanas

Tipo de Consumo Litros por día Litros por minuto Litros por vez

Persona: 284Baño de ducha (sin restrictor de salida): 11,5 a 19Manguera de ½” abierta: 13.0Manguera de ¾” abierta: 19.0Excusado: 12 -18Lavatorio (llenado): 6 - 8Regar unos 5mm un predio 610de 10m2 con cesped

Nota:

Pasosdel

diseño

Perforación

Caudaldiario


TABLA DE CONSUMO PROMEDIOAnimales de granja

Tipo Litros por día Tipo Litros por díaCaballo: 45 Cabra: 8Bobino: 45 Oveja: 8Vaca lechera: 133 Chancho (puerco): 15Burro: 23 Cada 100 pollos: 15

TABLA DE CONSUMO PROMEDIOCultivos

Tipo M3/hectárea Tipo M3/hectárea (1 M3 = 1,000 ltrs)

Arroz 100 Cereales 45Caña de azúcar 66 Algodón 55

Frutales: 150 Lts por árbol/día

Notas:

Selecciónde la

bomba

El número de litros/día requeridos por persona dado en la tabla toma enconsideración todo tipo de uso, como agua para hygiene personal, sanitarios, etc.Cuando una casa no posee un sistema de aguas corrientes, esta cantidad se reduceapreciablemente.Los valores dados para los animales varían cuando la temperatura ambiente eselevada

Asumo que con la ayuda de las tablas Ud ha determinado el valor del caudaldiario. A este valor deberá agregarle un caudal de reserva, el que le permitirá teneragua en reserva durante los días sin sol.

Siguiendo un razonamiento similar al del cálculo de la batería de reservapara un sistema FV, el caudal de reserva estará dado por el producto de los días sinsol (más uno) por el caudal diario estimado. La porción diaria que Ud deberáadicionar depende de la cantidad de días de “reposición” que puede permitirse. Unaguía es aceptar entre 5 y 6 veces el número de días promedio sin sol. El caudal dereserva, dividido por este número de días, le dará una mejor aproximación para elcaudal diario a bombearse.

La selección del modelo de bomba necesita la mejor aproximación para elvalor de la altura dinámica. Ya ha estimado el valor de la del pozo. La otra componentees la altura de la cisterna de reserva. El uso que se le dará a esta agua determina laaltura de la misma. Por ejemplo, si el agua sólo se destinará a llenar los bebederospara los bobinos, la necesidad de presurización es mínima y una altura de unos 5metros es más que suficiente, sobre todo si el caño de salida tiene un amplio diámetro.

Si, en cambio, el agua va a ser usada en un sistema doméstico básico, sinlavadores de platos o ropa del tipo automático, los que requieren alta presión delínea, un valor de 18 psi (vea el Apéndice 3) es suficiente. Para obtener este valor senecesita una altura 2,307 veces mayor (en pies) o 41,5’ (~13m). La altura del aguadentro de la cisterna contribuirá a compensar las pérdidas de fricción.

Por último, desconocemos las pérdidas por fricción. Sin embargo, podemoshacer una primera selección de modelo asignando un valor para la alturaequivalente del 5% de la altura estimada entre el espejo de agua y el punto dedescarga a la cisterna.


Recién ahora Ud podrá efectuar la selección del modelo y, consecuentemente,el diámetro requerido para el pozo.

Cuando éste funcione Ud tendrá una mejor idea del valor de su alturadinámica y rendimiento. Este es el momento de decidir la posición y altura de lacisterna y reveer el valor de la altura equivalente que asumió. En la práctica, alelegir el modelo de bomba el fabricante determina el tipo de salida, en general de½”, y recomienda el tipo de tubería (PVC).

Para facilitarle el cálculo de la altura equivalente he incluido varias tablas,las que dan valores para cañerías de plástico (de cualquier tipo) o de metal.

Antes de instalar la cañería que une la salida del pozo con la cisterna, verifique siel fabricante pide el uso de una válvula unidirectional a la salida. Este requerimientosuele ser necesario cuando la altura entre estos dos puntos es substantial, la querepresenta un alto valor de presión estática cuando la bomba permanence inactiva,pudiendo dañar las empaquetaduras.

Los valores de “altura equivalente” (Aequiv) están dados en función del caudalque circulará por la cañerías, y su diámetro en pulgadas, y están dados en pies porcada 100’ de longitud (30,4m). Si se adicionan todas las alturas equivalentes en piesy luego se convierte el valor final a metros, creo que se simplifica el problema. Lastablas, debido a su origen (EEUU) dan los caudales en galones (1G = 3,7854 ltrs ~ 4ltrs/G).

En mi búsqueda he verificado que existen diferentes valores de altura equivalentepara el mismo caudal y material, de manera que no se extrañe que los valoresdados difieran de otros que Ud pueda conseguir.

VALORES DE AequivPlástico

pies por cada 30,4m de longitudDiámetro interior del tubo plástico en pulgadas

Galones/ Lts/ 1/2 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2 2 ½ min min

2 7,57 3,54 0,90 0,28 0,07 0,03 *4 15,14 12,79 3,26 1,01 0,26 0,13 0,04 *6 22,71 27,10 6,90 2,13 0,56 0,27 0,08 0,038 30,28 46,17 11,75 3,63 0,96 0,45 0,13 0,06

10 37,85 69,80 17,77 5,49 1,45 0,68 0,20 0,09 12 45,42 97,84 24,90 7,69 2,03 0,96 0,28 0,12 15 56,78 ** 37,65 11,63 3,06 1,45 0,43 0,18 20 75,71 ** 64,14 19,81 5,22 2,46 0,73 0,31 25 94,63 ** ** 29,95 7,89 3,73 1,10 0,47

1’ = 0,3040m. 1 galón = 3,7854lts

Verificación

Alturasequivalentes

Nota:

Nota:


VALORES DE AequivMetal (acero o hierro)

pies por cada 30,4m de longitudDiámetro interior del tubo metálico en pulgadas

Galones/ Lts/ 1/2 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2 2 ½ min min 2 7,57 7,51 1,91 0,59 0,16 0,07 0,02 * 4 15,14 27,10 6,90 2,13 0,56 0,27 0,08 0,03 6 22,71 57,43 14,62 4,52 1,19 0,56 0,17 0,07 8 30,28 97,84 24,90 7,69 2,03 0,96 0,28 0,12

10 37,85 147,91 37,65 11,63 3,06 1,45 0,43 0,18 12 45,42 207,32 52,77 16,30 4,29 2,03 0,60 0,25 15 56,78 ** 79,77 24,64 6,49 3,07 0,91 0,38 20 75,71 ** 135,91 41,99 11,06 5,22 1,55 0,65 25 94,63 ** ** 63,47 16,71 7,89 2,34 0,99

Para todas las tablas:Valores en verde: valores recomendados para ese caudal* Excesivo diámetro para el caudal (Pérdida negligible)** Excesivo caudal para el diámetro en consideración

VALORES DE Aequiv en piesCodos, uniones, etc

Tipo Aequiv (pies) para un diámetro nominalde terminal 1/2 3/4 1 1 ¼ 1 ½ 2Codo 90° 1,6 2,1 2,6 3,5 4.0 5,2Codo 45° 0,8 1,1 1,4 1,8 2,2 2,8T (flujo pasante) 1,0 1,4 1,8 2,3 2,7 3,5T (flujo a 90°) 3,1 4,1 5,3 6,9 8,1 10,3Válvula unidir. 5,2 6,9 8,7 11,5 13,4 17,2

Observe que si se desea colocar la cisterna en un lugar que no está en líneacon la salida del pozo, el uso de dos codos de 45° es equivalente a uno de 90°. Laventaja en el uso de los primeros es que acortan la distancia horizontal que debecubrirse para llegar a la altura de vaciado en la cisterna.

Considero que este tema ha sido cubierto con amplitud. La recomendaciónmás importante es el alargue de la duración del día solar, a fin de reducir el caudalpor hora (minuto) a bombearse. Para ello debe contemplar el uso de un seguidorautomático, preferentemente el de dos ejes y de un controlador del tipo MPPT.Estas consideraciones pueden traducirse en un menor número de paneles FVs, comoya se explicó en los capítulos de diseño.

De ser posible, utilice el mayor voltaje permisible, a fin de disminuir laspérdidas por calor en los conectores.

Sistemaeléctrico

A I- 1

CIRCUITOSDE

CONTINUAIntroducción

Circuitoeléctrico

de

Notas:

Asumo, al comenzar este apéndice, que quien lo lea, tiene un limitadoconocimiento sobre circuitos eléctricos, de manera que comenzaré por definir laspartes que componen un circuito eléctrico de distribución, para continuar con laintroducción de los parámetros (variables) que lo definen, y las leyes físicas quepermiten calcular los valores de esos parámetros. El Apéndice II describe los circuitosde Corriente Alternada (CA)

Un circuito eléctrico de este tipo, tiene tres bloques que lo componen: elGenerador, el Medio Conductor y la Carga. La Figura AI.1 ilustra estos tres bloques.

Generador Carga

Medio

Conductor

Figura AI.1- Bloques que forman un circuito de distribución

El Generador crea la energía eléctrica que será utilizada por la Carga. Estetérmino genérico se emplea para describir un aparato que consume o transforma laenergía eléctrica. Un foco de luz incandescente consume energía eléctrica, la que setransforma en calor en el filamento, produciendo la emisión de luz visible. Un motoreléctrico transforma la energía eléctrica que consume en energía mecánica (rotaciónde un eje). Ambos representan ejemplos de cargas eléctricas.

El Medio Conductor (cables) permite el transporte de esta energía, con bajaspérdidas.

Un sistema de distribución de energía de CA, del tipo usado para distribuír energíaeléctrica a una ciudad o a grandes distancias, incorpora dos bloques adicionales:un transformador a la salida del generador, el que incrementa el voltaje que alimentaal medio conductor, y un transformador reductor al otro extremo, para reducir elvoltaje a un valor compatible con la seguridad de los usuarios.La elevación del voltaje de salida del generador disminuye enormemente las pérdidasen la línea, ya que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la la corriente.

APENDICE I

A I- 2 APENDICE I- CIRCUITOS DE CC

Circuitode CC

El conocimiento de un circuito de Corriente Continua (CC) es imprescindible,ya que el panel FV es un generador de este tipo. Tanto el diseñador, como el instalador,deben familiarizarse con las leyes que gobiernan el comportamiento de estos circuitos.Si el consumidor adquiere un conocimiento básico, ello siempre contribuye a unmejor uso del sistema instalado.

Por definición, en un circuito de continua la polaridad del generador esindependiente del tiempo, o dicho de otra forma, no cambia con el tiempo. Esimportante destacar que la polaridad, y no la constancia en el valor del voltaje o lacorriente, es lo que define este tipo de circuito.

La Figura AI.2 muestra, en forma gráfica, tres generadores de continua. Sepuede observar que los voltajes de salida pueden o no ser constantes, pero la polaridadnunca cambia con el tiempo.

Voltaje

Tiempo

V1

V2

V3

deSalida

Figura AI.2- Tres voltages de CC

El primero (V1) representa el voltaje de salida de una batería capaz de sosteneruna corriente constante a una carga de valor fijo.

El segundo (V2) representa el voltaje de salida de un panel FV, el que se véafectado cuando una nube se interpone en el camino de los rayos solares por uncorto tiempo. El gráfico muestra una transición abrupta del voltaje de salida, parasimplificar la presentación. En la práctica la transición no es tan abrupta.

El tercero (V3) representa la salida de un generador de CC pulsante. Lasáreas sombreadas representan los tiempos de conducción. El voltaje ilustradocorresponde a un generador de pulsos de amplitud constante, donde los períodos deconducción y no-conducción (ancho de tiempos en la gráfica) tienen la mismaduración.

Al describir los controles de carga hemos mencionado una variación de estetipo de generador, donde el período de conducción es variable. Abordaré este tema,con más detalle, en este apéndice.

Para poder definir un circuito de CC se necesita conocer tres variables(parámetros eléctricos): el voltaje, la corriente y la resistencia del mismo. El voltajedel generador es el que fuerza la circulación de la corriente en el circuito, el quetiene una resistencia eléctrica que comprende los valores dentro del generador, dentrode la carga y la de los cables de conducción.

Voltaje,corriente

yresistencia

APENDICE I- CIRCUITOS DE CC A I- 3

Unidades

Leyes de CC

Representaciónsimbólica

Dado que el consumo de la carga, o las pérdidas en los cables cambian elvoltaje en el circuito, se hace necesario diferenciar el voltaje del generador de losotros voltajes. Al generador se lo conoce como la Fuerza Electro Motriz, o, en formaabreviada FEM.

Valores de voltajes asociados con una FEM usan la abreviatura Vfem. Estanomenclatura facilita, como veremos, la expresión e interpretación de una de lasleyes que rigen estos circuitos. Los valores de voltajes utilizan la letra V para indicareste tipo de valor. Los de corriente la letra I, y los de resistencia eléctrica la letra R.Estas letras pueden ser mayúsculas o minúsculas, aunque es tradicional usar lasmayúsculas y reservar las minúsculas para valores pequeños respecto del resto delcircuito, o para identificar valores especiales.

Los voltajes se miden en Volts, la corriente en Amperes y la resistenciaeléctrica en Ohms (Ω) Dependiendo del rango de valores, estos parámetros puedenser dados como submúltiplos (mA, miliamperes; mV, milivolts; milliohms, mΩ) omúltiplos (KΩ, kilo-ohms; MΩ, mega-ohms) de la unidad de medida. El amperrepresenta un valor substantial para la corriente, de manera que en los sistemas FVsque se describen en este manual no superan los 100 A.

Afortunadamente, la determinación de los valores de corriente, resistencia yvoltaje sólo requieren el conocimiento de una ley física: la ley de Ohm. Esta ley escomplementada con las dos leyes de Kirchhoff, una para los voltajes, y la otra paralas corrientes, las que permiten calcular el valor equivalente de resistenciasconectadas en serie o paralelo, como veremos de inmediato.

Los componentes de un circuito usan representaciones simbólicas que, conpequeñas variaciones, adquieren un caracter internacional. Las más usadas encircuitos de CC se muestran a continuación.

1 2 3 4

1- Resistor de valor fijo

2- Resistor de valor variable

+ +

3- Generador de CC

4- Batería de acumulación

+

5- Motor de CC

Un resistor de valor variable se llama potenciómetro. Para representar a unabatería se acostumbra mostrar varias células en serie, donde el trazo más grueso yancho corresponde al positivo de una célula. A veces el símbolo de la batería sereduce al de una célula. El valor del resistor acompaña a su símbolo. En la literaturade EEUU un valor de 1.200 Ω se escribe 1.2KΩ. En Europa es común expresar estevalor como 1K2 Ω.


Ley deOhm

Componentesno lineales

Esta ley vincula las tres variables de un circuito de CC. Como sólo existeuna expresión (fórmula), en la práctica se necesita conocer dos de los tres valorespara poder calcular el tercero. Eso es, precisamente lo que dice la ley de Ohm,donde:

I = V / R (1.1) V = I x R (1.2) R = V / I (1.3)

Cualquiera de estas expresiones representa la ley de Ohm. Cuál de ellas sedebe usar está determinado por los dos valores que se conocen.

Esta ley establece que en un circuito existe una relación lineal (proportional)entre los valores de V, I y R. Esta proporcionalidad se extiende a los voltajes entrelos extremos de un resistor, o entre los terminales de carga.

Por ejemplo, para mantener un valor constante para I en (1.1), si el valor deV se duplica, el de R debe duplicarse. Si el valor de I no es constante, pero el de Rlo es, al duplicar el valor de V, el valor de I se duplicará. Razonamientos similarespueden hacerse con las restantes expresiones.

Si en la expresión (1.2) el valor de R es constante, la gráfica que relacionalos valores de V e I forman una línea recta (relación lineal), cuya inclinación dependedel valor de R, como lo muestra la Figura AI.3. Para un valor de corriente (I1), elcircuito que ofrece más resistencia demanda un más alto valor de voltaje (V2 > V1)para establecer ese valor de corriente. El símbolo > significa mayor que.

Voltaje

CorrienteI1

V1

V2

V = R x I

α

CatetoOpuesto

CatetoAdjacente

Figura AI.3- Gráfica V-I en un circuito lineal

Si dividimos el valor V2 / I1 obtenemos el valor de R2 en el circuito. Como elvalor de V2 representa, asimismo, el valor del cateto opuesto del ángulo α, y el de I1el del cateto adjacente, el valor de la resistencia R2 resulta ser la tangente del ánguloα (tang α).

Cuando el voltaje a través de un componente o un generador no puede serrepresentado por una variación lineal (elementos no lineares), es evidente que laresistencia no permanence constante.


Resistenciainterna

Circuitocerrado

Panel FV

Este es el caso del voltaje a través de un diodo semiconductor o el de unpanel FV. ¿Qué pasa con la ley de Ohm en estos casos? La respuesta es que sólo esválida en pequeños trozos de la curva. Pequeñas variaciones de voltaje y corrientesse expresan como ∆v y ∆i, respectivamente, donde la letra griega ∆ (delta) tiene elsignificado de “pequeña variación de”.

En cada fragmento de la curva V-I (o I-V) el valor de la resistencia para esapequeña zona está dado por:

r = ∆v / ∆i (1.4)

Si analizamos la curva I-V para un panel FV considerando, en distintos puntosde la misma, la variación que experimenta la corriente para un valor constante de∆v, observamos que en la zona donde la corriente se mantiene prácticamenteconstante, los valores de ∆ i son muy pequeños. La resistencia equivalente, oresistencia interna del panel, de acuerdo con la expresión 1.4 tiene un valor muyelevado. Al llegar al codo, y a partir de este punto, para el mismo valor de ∆vcorresponderán valores crecientes para ∆i, es decir, la resistencia interna delgenerador disminuye rápidamente.

Un análisis similar para la curva I-V de un diodo, en la zona de conducción,muestra que al incrementarse el voltaje, la corriente crece en forma no lineal,mostrando una fuerte reducción de la resistencia interna. Por ello se utilizan losdiodos como interruptores serie.

El símbolo usado para un diodo semiconductor es el ilustrado. Consiste enuna flecha, que marca la dirección de la corriente cuando el ánodo tiene un voltajemás alto que el cátodo (0,6 V aprox.), y de una barra que indica el bloqueo de lacorriente a través del diodo si la polaridad se invierte.

Anodo Catodo

+Mencioné este término en el párrafo anterior. Pasaré ahora a describirlo en

más detalle. La mejor forma de considerar los valores de resistencia dentro delgenerador (o batería) es agrupar un generador ideal (sin resistencia alguna y voltajeconstante) con una resistencia externa cuyo valor es igual al de la resistencia internadel generador real. Esta combinación representa el circuito equivalente del generador(o batería), ya que el voltaje entre los bornes de salida del circuito equivalente soniguales a los medidos a la salida del generador (o batería). Este voltaje puedecalcularse usando la ley de Ohm:

Voltaje de salida = Voltaje ideal - (ri x I)

Al producto ri x I se lo conoce como la caída interna de voltaje.

Este concepto es importante porque la resolución de circuitos está asociada,como veremos pronto, con la circulación de la corriente en el mismo. Un circuito sedice que es cerrado si, partiendo de un determinado punto en el mismo, al asumir unsentido de circulación arbitrario, la corriente vuelve al punto de salida.


Coneccionesserie y

paralelo

1ra ley deKirchhoff

Es evidente que sólo puede establecerse una corriente en un circuito cerrado.Se dice que un elemento de circuito está conectado en serie, cuando por él

circula toda la corriente del circuito. Se dice que un elemento de circuito está enparalelo cuando sólo una porción de la corriente total circula por el mismo. Comoveremos a continuación para el caso de los resistores, la porción de la corriente totalque circula en un resistor conectado en paralelo con otro, es inversamenteproporcional a su valor resistivo.

Esta ley establece que un circuito cerrado la suma total de los voltajes esigual a cero. Esta ley física implica que existen voltajes positivos y negativos, losque se cancelan entre sí.

Para establecer el signo del voltaje se necesita establecer un sentido decirculación para la corriente. El adoptado por este manual es el más aceptado en laliteratura técnica: la corriente sale del positivo de la FEM y regresa a este punto,como se muestra en el circuito de la Figura A.I.4.

Vfem

R1 R2

Vr1 Vr2I

+

I

Figura AI.4- Circuito de continuaSi recorremos imaginariamente el circuito, comenzando por el negativo

(mínimo voltaje), al ir al positivo por dentro de la batería el voltaje se incrementa,ya que la batería representa la FEM del circuito. A este voltaje creciente leasignaremos el signo positivo.

Al pasar la corriente por R1 y R2, el voltaje disminuye hasta igualar al delnegativo de batería. En cada resistencia se produce una caída de voltaje, cuyo valorestará dado por el producto de la corriente (I) por el valor de la respectiva resistencia.Como el voltaje cae, le asignaremos un signo negativo.

La ley de Kirchhoff para los voltajes puede escribirse como:

FEM - (Vr1 + Vr2) = 0 (1.5)

o, pasando las cantidades en paréntesis al otro lado de la ecuación:

FEM = Vr1 + Vr2 (1.6)

Esta expresión significa que la FEM es igual a la caída total de voltajes en elcircuito. Ambas expresiones representan la ley de Kirchhoff para los voltajes.

Substituyendo los valores de Vr1 y Vr2 por los respectivos productos, laexpresión (1.6) se convierte en:


Ejemplo

FEM = I (R1 + R2) (1.7)

La suma de las dos resistencias representa la resistencia total del circuito.En este ejemplo se asume que la resistencia interna de la batería es nula, porsimplicidad. Más adelante se incorpora este valor en un ejemplo.

La expresión 1.5 no está limitada a la presencia de dos resistencias, de maneraque la expresión 1.7 puede contener la suma de varias resistencias en serie. Esto nospermite generalizar los resultados y concluír que:

El valor de la resistencia equivalente serie en un circuitoes igual a la suma de los valores de las resistencias en serie en el circuito.

Tomemos en consideración el circuito de la Figura AI.5, en dondeconsideramos que la FEM (batería) tiene una resistencia interna (ri), que los dosvalores R1 y R2 representan las resistencias ómhicas de los cables que unen la cargacon el generador, y que los cables están conectados a una carga, cuyo valor resistivoes rc.

Como los dos tramos de cable que unen el generador a la carga son delmismo tipo y largo, se deduce que R1 = R2. Como sabemos que la resistencia serie(total o parcial) es igual a la suma de las resistencias en serie, la resistencia del cableestará dada por Rcable = 2R1 = 2R2. Esta igualdad muestra que para el cálculo de laresistencia en el cableado debe considerarse una distancia igual al doble de la real. La resistencia ri representa la resistencia interna de la batería. El circuitoequivalente de batería en la Figura AI.5 se muestra en azul.

Vfem

R1 R2

Vr1 Vr2

(Vc)

Vri ri

rc

I

+

Figura AI.5- Circuito de CC con carga

Asignaremos valores a los componentes del circuito.

Vfem = 12 Vri = 0,01 ΩR1 = R2 = 0,1 Ωrc = 7 Ω

La resistencia del cable será de 0,2 Ω. Como el voltaje de salida de la FEMdepende del valor de la corriente, debemos primero calcular este valor.

I = 12 / (0,01 + 0,2 + 7 ) = 12 / 7,21 = 1,66 A


2da ley deKirchhoff

Vfem

RcVri ri rc1

+

rc2

I

I1 I2 Vc

Nodo de Entrada

Nodo deSalidaI

En este ejemplo puede apreciarse que el valor de ri representa el 0,14 % delvalor del valor de la resistencia del resto del circuito, reduciendo el voltaje de batería(Vb) a:

Vb = 12 - (0,01 x 1,66) = 11,9834 V ,

lo que representa un 0,14% de reducción en el voltaje de salida.El voltaje a través de la carga será de:

7 x 1,66 = 11,62 V

La caída de voltaje en los cables puede calcularse de dos maneras diferentes:como el producto de su resistencia por la corriente, o como la diferencia entre elvoltaje de salida de batería menos el de la carga (1ra ley de Kirchhoff). Es decir:

Vcable = 0,2 x 1,66 = 0,332 V o = 11,9834 - 11,62 = 0,3634 V

La diferencia entre las dos cantidades (menos del 1%) se debe al redondeohecho en los cálculos. En la práctica dos decimales son suficientes para los cálculos,pero he considerado más de dos para obtener una mínima diferencia en los valores.

Esta es la ley de Kirchhoff para las corrientes. Se aplica cuando en algunaparte del circuito se crean pasos múltiples para la corriente, como en el caso de laFigura AI.6, donde se adiciona otra carga al circuito considerado anteriormente.

Figura AI.6- Resistencias en paralelo

Cuando dos (o más) resistencias en un circuito tienen conectados sus extremosentre sí (rc1 y rc2 en nuestro ejemplo), se dice que entán en paralelo. Al compartir elmismo potencial en cada extremo, las resistencias tienen la misma diferencia depotencial (Vc) entre sus extremos.

La segunda ley de Kirchhoff establece que la corriente que entra a labifurcación (I) tiene el mismo valor que la que sale de la bifurcación (I1 + I2). Alpunto de entrada se lo llama nodo de entrada. Al de salida, nodo de salida. Como laley de Ohm establece un solo valor para la corriente (V/Rt), es obvio que no sepuede perder o ganar corriente Por lo tanto:

I = I1 + I2 (1.8)

APENDICE I- CIRCUITOS DE CC A I- 9A I- 9

Reemplazando los valores de I1 e I2 por los correspondientes en función deVc, rc1 y rc2 se tiene que:

I = Vc / rc1 + Vc / rc2 = Vc ( 1/rc1 + 1/rc2) = Vc / St (1.9)

Los términos 1/rc1 y 1/rc2 representan los valores de conductancias Sc1 ySc2, en Siemens (unidad de conductancia). Por simplicidad en la presentación, laFigura AI.6 sólo considera la existencia de dos resistencias, pero si hubiere un númeromayor de ellas, la expresión (1.9) tendría términos adicionales correspondientes alas conductancias de las nuevas resistencias. Esto nos permite generalizar losresultados y concluír que:

La conductancia total (St) de dos (o más) resistencias en paralelo es iguala la suma de las conductancias parciales.

La expresión en negrita en (1.9) proporciona una forma de calcular el valorde la conductancia total en paralelo. En la práctica resulta más práctico determinarel valor de la resistencia equivalente en paralelo, el que está dado por el valor de 1/St. Para dos resistencias en paralelo la suma de las conductancias, luego de reducirla suma a un denominador común, se convierte en la expresión:

rc1 x rc2Rp = (1.10)

rc1 + rc2

Se deduce que el valor equivalente de dos resistencias en paralelo está dadopor el producto de sus valores individuales dividido por el valor de su suma. Si sedesea calcular el valor de varias resistencias en paralelo puede reducirse el problemaa un cálculo repetitivo, agrupando las resistencias en pares y luego los valoresequivalentes entre sí.

Si el número de resistencias es impar, el cálculo se reduce al valor equivalentedel último par en paralelo con una resistencia. El lector puede verificar, usando dosvalores arbitrarios, que el valor equivalente de dos resistencias en paralelo es siempremenor que el menor de los valores individuales. Esto se debe a que el valor deldenominador en la expresión (1.10) es siempre mayor que la mayor de ellas.

En particular, el valor equivalente en paralelo para dos resistencias de igualvalor es la mitad del valor de una de ellas.

Resolveremos ahora el circuito de la Figura AI.6. Para ello asumimeros que:

Rc = 0,2 Ω ri = 0,01 Ω

Vfem = 12 V rc1 = 7 Ω rc2 = 5 Ω

El primer paso es calcular la resistencia equivalente en paralelo, rcp, el quepermitirá considerar a todas las resistencias en serie. Este valor está dado por:

rcp = (rc1 x rc2) / (rc1 + rc2) = 2,92 Ω .


Luego debemos calcular la resistencia serie total, Rt. Este valor está dadopor:

Rt = 0,01 + 0,2 + 2,92 = 3,13 Ω

Conocemos ahora dos valores, FEM y Rt, de manera que la ley de Ohmnos permite calcular el tercero, la corriente (I) en el circuito. Este valor está dadopor:

I = 12 / 3,13 = 3,834 A

El voltaje entre los bornes de batería (Vb) está dado por:

Vb = FEM - (ri x I) = 12 - 0,038 = 11,962 V

Como el valor de Rc + rcp es menor que el de Rc + rc del circuito anterior,el porcentaje de ri respecto al resto del circuito es mayor, y el voltaje Vb disminuyelevemente respecto del anterior (Pág.8). Otra manera, quizá más directa y fácil derazonar, es considerar que al disminuír el valor de Rt, la corriente I se incrementa y,por ende, la caída interna de voltaje en la batería. Ambas maneras de razonar sonútiles, ya que alertan al diseñador sobre la disminución del voltaje de batería.

Verificaremos, como ejercicio, la segunda ley de Kirchhoff. El voltaje através de la carga está dado por:

Vc = 2,92 x 3,834 = 11,195

Los valores para las corrientes I1 e I2 serán, respectivamente:

I1 = 11,195 / 7 = 1,599 A e I2 = 11,195 / 5 =2,239 A

I = I1 + I2 = 3,838 A

La diferencia de valores, como antes, se debe al redondeo de cifras, de maneraque hemos verificado la 2da ley de Kirchhoff. Los cálculos de los respectivos valorespara las corrientes de las ramas en paralelo, muestran que el mayor valor de corrientecorresponde a la rama con menor resistencia.

La Figura AI.7 muestra como disminuye el valor de la resistencia interna deun banco de acumulación, cuando se usan baterías en paralelo.


Bancos debaterías

ri

BATERIAS EN PARALELO

BATERIAS EN SERIE-PARALELO

12V

6 V

6 V

ri ri

ri ri ri

ri'

ri'ri'

ri' ri'

ri'

ri'ri'

Figura AI.7- Bancos de baterías

En ambos ejemplos asumo que el sistema es de 12V y que las baterías de ungrupo en particular tienen la misma resistencia interna. Como las baterías de laFigura AI.6 son ideales, ninguna de ellas tiene una resistencia interna, ya que estevalor está incorporado en ri. Por eso el circuito equivalente (3 rayas paralelassignifican equivalente) sólo contempla el valor de ri en cada rama.

El lector puede verificar que: Para dos baterías la resistencia interna equivalente es igual a ri/2 Para tres baterías este valor baja a ri/3 Para n baterías el valor será de ri/n

Si el banco de 12 V está hecho con dos baterías de 6 V en serie en cada rama,lo único que cambia es el valor resistivo en cada rama, de manera que para tresbaterías se tendrá un valor equivalente en paralelo de 2ri’/ 3. He usado ri’ paraindicar que la resistencia interna de la batería de 6 V no es necesariamente igual a lade 12 V.

El valor de potencia (generada, disipada o consumida) está dado, en cadainstante, por el producto del voltaje por la corriente. Si el consumo es el de la cargase usan los valores correspondientes a la misma. Si se considera la potencia generada,deberá considerarse el voltaje a la salida del generador equivalente. Se tiene, engeneral, que la potencia eléctrica en un dado instante está dada por:

W = V . I (1.11)

Si se reemplaza el valor del voltaje o el de la corriente (ley de Ohm), seobtienen otras expresiones para la potencia.

W = R . I2 = V2 / R (1.12)


Nota:

Energíaeléctrica

2

Como en el caso de la ley de Ohm, dependiendo de las variables (parámetros)que se conozcan, se usará una u otra expresión. La unidad para la potencia es elWatt, el que se abrevia con la letra W. El valor de la potencia entregada por labatería al circuito de la Figura AI.6 está dado por:

W = Vb x I = 11,962 x 3,834 = 45,86 W

La potencia disipada en los cables está dada por:

Wdis = 0,2 x (3,834)2 = 0,2 x 14,70 = 2,94 W

La potencia disipada en los cables representa el 6,4 % de la potencia entregadaal circuito. En la práctica el cable se elige para no sobrepasar el 4 % de la potenciagenerada (aprox.1,8 W en nuestro ejemplo). La ley de conservación de la energíadicta que la potencia generada debe igualar a la consumida. Basados en esta leyfísica, la carga consume:

Wc = W - Wdis = 45,86 - 2, 94 = 42,92 Wo, asimismo:

Rp . I2 = 2,92 x (3,834)2 = 42,92 W

La dispación de energía dentro de la batería está dada por:

ri . I2 = 0,01 x 14,7 = 0,15 W

Un problema práctico se presenta cuando queremos usar una resistencia de la queconocemos su valor y capacidad de disipación, es determinar el valor de la máximacorriente que puede tolerar. La expresión 1.12 puede resolverse para la corriente I.Su valor está dado por:

I = W . R

Por definición, el valor de la energía generada o consumida está dado por:

E = W . t (1.13)

donde t es el tiempo transcurrido. Es fácil comprender que la energía resulte medidaen Watts.hrs, o Wh. Vemos ahora el vínculo entre energía y potencia y porqué en elpárrafo anterior se infiere que en todo instante la potencia generada debe igualar ala consumida. En el Apéndice III se dan otras unidades para la energía y la potencia,así como su relación cuantitativa.

Las Figuras AI- 8 a) y b) muestran dos voltajes de CC pulsantes. En ambos elvoltaje máximo de los pulsos (V1), y la duración del período de repetición (T), es elmismo. El valor de T dá el tiempo de repetición del voltaje. La inversa de este valor1 / T representa la frecuencia de repetición, la que, en este ejemplo, es de un ciclopor segundo.


Circuitos deCC pulsantes

Extrapolación

Nota:

V1

Voltaje

Tiempo

V1

Voltaje

Tiempotnc

T

NC NCNC

CC

tc

T T T T T

C C C

tnc tc

tnc = tc = 0,5seg

T = 1seg T = 1seg

tnc = 0,2seg tc = 0,8seg

Veq

VeqC

Observe el lector que puede hablarse de frecuencia aún en un circuito de CC.Ambos voltajes se caracterizan por tener un período de no-conducción (NC)

y otro de conducción (C), ya que ésta es la característica esencial de un voltajepulsante.

La diferencia entre los dos voltajes ilustrados es la duración del tiempo deconducción del pulso. La relación tC / T se llama, en inglés, duty cycle (ciclo activo),y la abreviaremos con las letras CA. Como la unidad es la misma para el numeradory denominador, el CA resulta ser una fracción, ya que T >tc. A veces este valor estádado en forma porcentual, el que se tiene multiplicando el valor fraccional por 100.

a) b)

Figura AI. 8- Voltajes pulsantes con diferente ciclo activo

Para el primer voltaje, el valor del CA (duty cycle) es 0,5. Para el segundo es0,8. El valor de CA es importante porque permite calcular,en ambos casos, el voltajeequivalente durante el período T, el que está dado por:

Veq = CA . V1(1.14)

Para el primer circuito este valor es 0,5 V1; para el segundo, 0,8 V1. Elvoltaje equivalente (Veq) representa el valor de voltaje constante que, conduciendodurante todo el período T, se comporta de la misma forma que el pulso activo. Estonos permite reducir un circuito pulsante a un circuito de CC de voltaje constantedurante el período T, lo que facilita enormemente los cálculos.

El concepto de CA se aplica tanto a pulsos de voltaje como de corriente, demanera que si un voltaje pulsante alimenta a una carga resistiva, establecerá en elmismo una corriente pulsante de igual CA. La potencia disipada en esa carga tendráun valor equivalente constante durante el período T que está dado por:

Wcarga = Veq . Ieq = V2eq / Rcarga = I2eq . Rcarga (1.15)

La variación de la potencia consumida es, asimismo, un fenómeno pulsantecon el mismo valor para el ciclo activo (CA).


Controlesde carga

Coneccióna tierra

Para que el Veq se haga cada vez menor se hace necesario reducir el valordel CA, lo que implica que el tiempo de conducción debe disminuír (período derepetición constante).

Este es el principio usado en los controles de carga para variar el voltajeefectivo que sostiene la corriente de carga. Como la disminución es dinámica, yaque responde al valor del voltaje de batería, se tiene una variación (modulación) desu ancho, y por eso se llaman PWM (modulación de ancho de pulso).Conección atierra

La teoría de circuitos muestra que sólo puede definirse una diferencia devoltaje. Este concepto es muy importante porque cualquier punto en un circuito,digamos el negativo de batería, sólo puede definirse en relación con otro voltaje,pero no en forma absoluta.

Es por ello que se adopta el concepto de conección a tierra, o simplementetierra (ground, en inglés) al que se le asigna el potencial cero (0 V). La lógica paraesta elección es que la superficie de la tierra es lo suficientemente grande comopara asumir que la densidad de carga (cargas/m2) es muy baja.

De lo expresado, se deduce que si un punto, y solamente un punto, delcircuito es conectado a tierra, el circuito no se altera, ya que lo único que hemoshecho es establecer una referencia de voltaje (0 V) la que permite evaluar todos losvoltajes. Por simplicidad, el punto a tierra elegido es el negativo del circuito.

El lector podría preguntarse porqué he enfazado que solamente un puntodebe conectarse a tierra. La respuesta es que si hay dos (o más) se establecen circuitoscerrados entre una tierra y la otra. La Figura AI.9 muestra un simple circuito de CC,con dos conecciones a tierra, las que se simbolizan de distinta manera para evidenciarque puede haber diferencias entre los dos puntos conectados a tierra. No olvidemosque la tierra es un conductor y que, por lo tanto, dependiendo de la conductividaddel terreno puede ser representada por un valor resistivo (RT).

Vfem

R1 R2

Vr1 Vr2

+

I1

RT

I1

I2

Referencia

ri

Figura AI.9- Dos tierras en un circuito

Al incorporarse la segunda tierra se establece un circuito cerrado, en paralelocon el existente, donde el valor de la corriente (I2) dependerá del valor de RT. Lacaída de voltaje en ri se incrementará debido a la presencia de I2, alterando el valordel potencial de salida de batería.


Doblepulsación

Energíarequerida

La luminosidad de una luz parpadeante de prevención o guía, puede hacersemás llamativa si se incrementa, brevemente, la intensidad de la misma durante elperíodo activo. Esta técnica se usa en boyas marinas y luces de alerta, pero puedeser extendida a un cartel luminoso en una carretera.

Tomemos la boya marina como ejemplo. Asumamos que la boya permanece3 segundos apagada y un segundo prendida. El período T de repetición es de 4segundos. Un cuarto de segundo después de encenderse la luz, la potencia entregadaa la carga, durante 0,4 seg, crece un 15%.

La variación de potencia descripta está ilustrada en la Figura AI.10. Comohay dos pulsos en este ejemplo, existe una doble pulsación durante el período T derepetición.

Potencia

Tiempo

T

tc

WL

Tt'c t'c

Wx

Figura AI.10- Doble pulsación

Resumiendo, en nuestro ejemplo:

tc = 1 seg; t’c = 0,4 seg, T = 4 seg, WL = 20 W, Wx = 3 W

Donde tc es el tiempo activo de la lámpara con iluminación normal, t’c eltiempo activo del brillo más intenso, T el período de repetición del fenómeno, WLla potencia requerida para emitir normalmente y Wx la potencia extra sumistrada alfoco (15% de 20W).

El período de repetición es el mismo para los dos valores pulsantes, ya queocurren con una diferencia de 0,25 seg entre los dos.

El problema es calcular la energía que la batería debe entregar diariamente,si la boya permanence activa un máximo de 13 hrs por noche.

La potencia equivalente por ciclo para la iluminación normal, dado que elCA es de 0,25 (1 / 4) resulta ser de 5 W. Para el segundo pulso el valor de CA es 0,1(0,4 / 4), de manera que la potencia equivalente entregada durante T es de 23 x 0,1o 2,3 W. La potencia equivalente total, por ciclo, es la suma de ambas, o:

5 + 2,3 = 7,3 W / c

La energía en Wh entregada en 4 segundos (4 / 3.600 de hora) resulta ser elproducto de la potencia equivalente total durante esa fracción de hora. Es decir:

7,3 W x (4 /3.600) hr = 0,00811 Wh


En cada hora se generan 900 pulsos (3.600/4), y en las 13hrs:

13 x 900 = 11.700 pulsos

La energía que debe entregar la batería es, entonces de:

11.700 x 0,00811 Wh = 94,9 Wh

APENDICE IICIRCUITOS

DE ALTERNADA

AII- 1

Introducción

NotaImportante

Voltajede CA

T

La mayoría de los sistemas FV de baja o mediana capacidad usan voltajes deCC. Sin embargo, cuando el diseño incorpora el uso de aparatos electrodomésticosen cantidad, suele ser más sencillo convertir la CC en CA. Al hacerlo se tienen dosventajas: la corriente para un dado consumo baja (mayor voltaje), y la selección deelectrodomésticos para CA es más variada y de menor costo.

Otra situación práctica se plantea al querer utilizarse bombas sumergiblesde irrigación de alto consumo, ya que bajos valores de voltaje implica el uso decables muy pesados.

Los sistemas de distribución de gran capacidad deben reducir las pérdidasen el medio conductor a un mínimo. Para ello se necesita elevar el voltaje detransmisión a cientos de miles de volts. La CA es la única solución económica, yaque permite la incorporación de transformadores, los que elevan o reducen los voltajesde acuerdo a la extensión de la línea de transmisión o a los requerimientos del usodomiciliario.

La ley de Ohm y las dos leyes de Kirchhoff descriptas en el apéndice anterior,rigen en los circuitos de CA.

Los valores de voltaje de una Corriente Alternada (CA) son repetitivos, demanera que existirá un período de duración (T) y una frecuencia de repetición dadapor el cociente 1/T. Pero, a diferencia de los voltajes pulsantes, durante el período Tel voltaje cambia de polaridad. La variación de polaridad más útil es la que tomalugar cuando el voltaje instantáneo (v), durante el período T, varía siguiendo unaforma sinusoidal. Esto implica que, en todo instante (t) dentro del período, el valorde v está dado por la expresión:

v = Vp x sen (2πt / T) (2.1)

donde Vp es el valor pico (máximo), t es el tiempo transcurrido desde el comienzodel ciclo, y π una constante cuyo valor aproximado es de 3,1416. Como la funciónsen α , durante el período T, oscila entre dos valores máximos (+1 y -1) y otro mínimo(0), el voltaje instantáneo v variará, en forma continua, entre esos valores extremos.

La Figura AII.1 muestra un voltaje sinusoidal de CA, como el que se utilizapara alimentar cargas residenciales.

AII- 2 APENDICE II- CIRCUITOS DE ALTERNADA

Valores defrecuencia

Nota:

Valoreficaz

RelaciónVp/Vef

Nota:

Figura AII.1- Voltaje sinusoidal de CA

En sistemas de origen europeo la frecuencia suele ser de 50 c/s, o 50 Hz(Herts). En sistemas originados en los EEUU, la frecuencia es de 60 c/s (60 Hz). Eltiempo T (1/f ), es de 20 y 16,6666 ms (milisegundos), respectivamente.

El cambio de polaridad dicta que el voltaje debe pasar por el valor cero. Estacaracterística hace que no pueda ser mantenido un arco eléctrico entre los contactosde una llave interruptora de CA al abrir el circuito.

A diferencia de un circuito de continua, donde el valor de la FEM suele serconstante o puede reducirse a un valor constante (voltaje pulsante equivalente), elvoltaje de CA varía constantemente durante el período T. Para poder calcular losvalores de corriente y potencia en un circuito de CA se necesita definir un nuevovalor, al que se conoce como valor eficaz.

Este representa un valor constante que genera (o disipa) la misma potenciaque el valor sinusoidal variable. Esta definición implica que el valor de un voltajede continua que cree la misma disipación en un resistor que otro de CA es, enefecto, igual al valor del voltaje eficaz de la onda sinusoidal.

El valor eficaz en la literatura técnica en inglés se abrevia con las letras rms(raiz cuadrada del valor medio al cuadrado). En este manual lo abreviaremos conlas letras ef.

El valor máximo, o pico, de una onda sinusoidal está relacionado con suvalor eficaz por la expresión:

Vp = Vef x 2 = Vef x 1,4142 (2.2)

El valor pico es importante cuando se toma en consideración problemas deaislación. La resolución de circuitos de CA se llevan a cabo considerando los valoreseficaces. Los sistemas de distribución domiciliaria en los EEUU usan un valor de120 Vef, lo que se traduce en un valor de 169,7 Vp. Los sistemas europeos usan unvalor de 220 Vef, lo que se traduce en un valor de 311,13 Vp.

El valor efectivo de un voltaje de CA depende de la forma de onda o, dicho de otramanera, de cuánto se aparta la forma de onda del voltaje de la sinusoidal pura.

2

TV

t

APENDICE II- CIRCUITOS DE ALTERNADA AII- 3

Voltajesno

sinusoidales

Distorsiónporcentual

Númerosimaginarios

Cuando la forma de onda se aleja de la sinusoidal pura, la teoría muestra quela nueva forma de onda es equivalente a la suma, en cada instante, de un númeroinfinito de ondas sinusoidales, las que tienen frecuencias y amplidudes diferentes.A la onda sinusoidal cuyo valor pico y período es igual al de la forma no-sinusoidal,se la denomina onda fundamental, o simplemente, fundamental. El resto de lassinusoides tienen mayor frecuencia (múltiplos de la fundamental) y sus valores picosdisminuyen al aumentar la frecuencia. A estas sinusoides se las conoce como lasarmónicas de la fundamental.

Como el valor pico de las armónicas disminuye, sus valores efectivos resultancada vez menores. El valor efectivo de una onda no-sinusoidal está dado por laexpresión:

Vef = V2ef1 + V2ef2 + V2ef3 + V2ef4 + …….+ V2efn (2.3)

donde Vef1 es el valor efectivo de la fundamental, y Vef2,3,4,..n son los valores efectivoscorrespondientes a la segunda, tercera, cuarta y enésima armónica.

Como los valores efectivos están asociados con la potencia, una onda no-sinusoidal genera más disipación que una sinusoidal pura. Además las armónicastienden a afectar el comportamiento de radios y TVs, ya que irradian frecuenciasmucho más altas que la fundamental.

Los voltímetros de CA (digitales o no) tienen limitaciones de frecuencia, demanera que para medir el voltaje efectivo de una onda de voltaje no-sinusoidal seutiliza la definición física dada en este capítulo, aplicando ese voltaje a una resistenciade valor conocido. La disipación de calor generada por el voltaje efectivo de laonda no-sinusoidal crea un voltaje de CC en una termocupla, proporcional a esadisipación. Una vez que se conoce la disipación (W), el valor efectivo de esa formade onda está dado por:

Vef = R x W

Los primeros inversores (CC a CA) utilizaban ondas de voltaje que eransólo una aproximación de la sinusoidal pura. Algunos, descontinuados en el presente,generaban una onda cuadrada. Esta pobre imitación fué reemplazada por un voltajeque variaba en escalones (conversores cuasi-sinosoidales). Los inversores modernosgeneran salidas de voltaje sinusoidales de alta calidad (baja distorsión), sobre todolos que se conectan a la red de distribución. El factor de distorsión ? relaciona elcontenido armónico al valor de la fundamental. La relación suele darse en formaporcentual. Se tiene que:

δ % = (VefA / VefF) x 100 (2.4)

Donde δ % es el porcentaje de distorción armónica, VefA es el valor efectivo de lasarmónicas y VefF es el valor efectivo de la fundamental. Los inversores modernosgeneran voltajes sinusoidales con una distorsión porcentual menor al 1% (< 1%).

Como veremos al tratar de resolver los circuitos de CA, no se puede evaluarla corriente en el circuito sin usar los números imaginarios, los que se caracterizanpor tener un valor y una dirección, es decir un ángulo asociado con el valor. Estasituación no es nueva en física, ya que la reacción de una fuerza ejercida en unobjecto dependerá no sólo de su magnitud, pero de la dirección en que se aplica.

2

2


Nota:

Sumavectorial

Nota:

2

Un número imaginario consiste de dos valores, dados en forma de suma.La expresión general es del tipo:

M = R + i Idonde R es la parte real e I la parte imaginaria de M.

En la nomenclatura de los EEUU se utiliza la letra minúscula i para identificarla parte imaginaria. En la literatura europea es común la letra minúscula j.

La representación gráfica de un número imaginario se hace usando un sistemacartesiano de dos ejes: x e y. La parte real (R) se representa a lo largo del eje x y laimaginaria (I) a lo largo del eje y. La figura AII.2 muestra la representación gráficadel número imaginario M.

Puede observarse que las dos componentes (real e imaginaria) usan flechas,cuyas puntas indican la dirección en el eje x e y respectivamente. A estas flechas selas denomina vectores, de manera que un número imaginario representa la sumavectorial de las dos componentes. La longitud del vector M es el valor de su magnitud,y corresponde a la diagonal del paralelograma que forman las puntas de los vectores(Figura AII.2). Si el gráfico está hecho en escala, el valor aproximado de la sumavectorial puede leerse del gráfico. La solución matemática es la preferida. Lamagnitud del vector [M], indicada entre corchetes para distinguirla del vector M, secalcula aplicando el teorema de Pitágoras:

[M] = [R]2 + [I]2 (2.5)y, por trigonometría:

tang Φ = [I] / [R] (2.6)

De (2.6) se deduce que:Φ = arctang( [I] / [R] ) (2.7)

El ánguloΦ es positivo cuando gira, desde el eje x, en sentido contrario a lasagujas de un reloj.

x

y

[ M ]

Q1Q2

Q3 Q4

φ

R

iI M

[ I ]

[ R ]

Figura AII.2- Representación gráfica del vector M


Productovectorial

Divisiónvectorial

Eny fuerade fase

Reactanciae

Impedancia

Unidades

El sistema cartesiano define cuatro cuadrantes (Q1 - Q4). Dependiendo delos signos de los vectores R e I, el vector M ocupará uno de los cuatro cuadrantes.

Cuando dos vectores V1 y V2 cuyas componentes son:

V1 = R1 + iI1 yV2 = R2 + iI2

son multiplicados vectorialmente (V1 * V2), el vector producto P tiene una magnitud[P] y un ángulo ? dados por las expresiones:

[P] = [V1] x [V2] y Φ = Φ 1 + Φ2

donde ?1 y ?2 son los ángulos asociados con los vectores V1 y V2, respectivamente,cuyos valores están dados por la expresión (2.7), aplicada a cada vector.

El cociente (Q) de los vectores V1 y V2 tendrá una magnitud [Q] y un ánguloΦ ’ dados por las expresiones:

[Q] = [V1] / [V2] y Φ ’ = Φ 1 - Φ 2

Lo que facilita la resolución de los circuitos de CC es que el voltaje y lacorriente en el circuito ocurren al mismo tiempo, es decir están siempre en fase. Enlos circuitos de CA esta situación es sólo posible si el circuito tiene componentesresistivos, ya que sus valores no son afectados por la frecuencia. Componentes comolos motores eléctricos, los relays, los transformadores y muchos otros que tienenbobinados se comportan de manera tal que la corriente y el voltaje no están en fase.Algo similar ocurre con el uso de capacitores.

Reactancia es el nombre que se dá a la oposición al paso de la corriente enun circuito de CA. Este valor depende no sólo del valor del componente, pero de lafrecuencia de la CA. Para identificar los valores de reactancia se utiliza la letra Xmayúscula.

Existen dos tipos de reactancias. Una es la reactancia ofrecida por un bobinadohecho alrededor de un circuito magnético. A este tipo se la llama reactancia inductiva(XL) porque la CA induce en el componente un voltaje que siempre se opone a laacción creada por la corriente.

El circuito magnético se hace usando hojas superpuestas de un hierro especial,las que están eléctricamente aisladas entre sí para evitar pérdidas. Este circuitomagnético (cerrado) captura el campo magnético generado por la CA.

El segundo tipo de reactancia es el capacitivo (XC), el que se genera cuandose incorpora un capacitor al circuito de CA.

Cuando se toman en consideración la resistencia óhmica y los dos tipos dereactancias, se tiene el valor total de oposición al paso de la corriente. A este valorvectorial se lo denomina la impedancia (Z) de CA.

La inductancia de un inductor se mide en Henrys (Hy) y la capacitancia deun capacitor en Faradios (F).


Expresiónde

valores

Reactanciainductiva

(XL)

El Faradio representa un valor elevado de capacidad, de manera que es comúnencontrar valores de capacidad en microFaradio (?F). El lector encontrará másinformación sobre múltiplos y submúltiplos de unidades en el Apéndice III.

Es evidente que los valores de las reactancias tendrán en consideración lafrecuencia de línea, así como el valor del inductor o el capacitor, respectivamente.Pero en estas expresiones aparece la necesidad de mostrar el valor del desfasajeentre el voltaje y la corriente introducido por el componente. Esta necesidad lleva aluso de los números imaginarios, los que fueron descriptos anteriormente.

El valor del inductor (L) en un circuito de CA de frecuencia f, genera unareactancia inductiva que está dada por la expresión:

XL = i (2πf) L = i ω L = i 377 L (2.8)

El valor 2πf se lo conoce como ω, la velocidad angular de la rotación delvector y es constante para una dada frecuencia. Cuando la frecuencia es de 60 Hz setiene el valor aproximado de 377 (314,16 para los sistemas de 50Hz). El valor deXL está dado en ohms (Ω ).

En este manual, cuando doy ejemplos de cálculo, asumo que la frecuenciaes de 60 Hz.y el valor eficaz del voltaje 120 V.

La Figura AII.3 muestra un circuito como el descripto. Si el inductor tieneuna inductancia de 0,9 Hy el vector reactancia XL será:

XL = i 339,3 Ω

La expresión (2.8) asume que el inductor no tiene resistencia alguna, lo queen la práctica es imposible, ya que el alambre del bobinado tiene resistencia. Por elmomento lo más importante es destacar que si el valor de XL >> r (mucho mayorque el de su resistencia) podemos asumir que el vector XL está asociado a un vectorsin componente real, y con una componente imaginaria positiva en el eje y (Φ =+90°).

V

I = -i [ I ]

i XL

~Generador

de CA L

Figura AII. 3- Corriente atrasada 90°


Reactanciacapacitiva

(XC)

Se acostumbra a considerar al vector voltaje como de referencia para losángulos de fase (Φ = 0). La corriente en este circuito tendrá una magnitud y fasedada por las expresiones:

[I] = [V] / [XL] y Φ I = 0 - 90° = - 90°

Usando los valores del ejemplo anterior, el vector corriente está dado por:

I = -i (120 / 339,3) = -i 0,35 A

Si observamos la representación vectorial en la Figura AII.3, vemos quecuando el voltaje está en cero, la corriente está atrasada respecto al voltaje en 90°.Atrasada es correcto pues la rotación de los vectores es en sentido contrario a lasagujas del reloj.

En la Figura AII.4 tenemos un circuito de CA con capacidad. El valor de lareactancia capacitiva está dado por:

XC = - i (1/ 2πf C ) = - i (1 / ωC) = -i (1/ 377C) (2.9)

Asumiendo que el capacitor tiene una capacitancia de 8 µF (8.10-6 F), elvector XC está dado por:

XC = -i 106 / (377 x 8) = -i 331,6 Ω

En este circuito el vector corriente I está dada por las expresiones:

[ I ] = [V] / [XC] y Φ ’I = 0 - (-90°) = 90°

En nuestro ejemplo:I = i (120 / 331,6 ) = i 0, 36 A

~Generador

de CA

C

V

I = i [ I ]

-i XC

Figura AII. 4- Corriente adelantada 90°

La nueva representación vectorial muestra que si un circuito de CA contienesólo capacitancia, la corriente se adelanta respecto al voltaje.


Solucióngráfica

Soluciónmatemática

Impedancia

Notas:

2

La resistencia del inductor puede ser integrada a la resistencia total del circuito siel inductor y el resto de la resistencias están en serie.Puede observarse que, teóricamente, si un inductor y un capacitor se conectan enserie, los valores iXL e -iXC pueden tener el mismo valor de magnitud, cancelándoselos dos vectores, lo que daría un valor infinito para la corriente en el circuito. Estacondición se llama resonancia serie. En la práctica el valor de la corriente estarálimitado por el valor resistivo del circuito.

Asumiremos a continuación que tenemos un circuito de CA donde estánconectados, en serie, un resistor (R) un inductor (L) y un capacitor (C). Paradeterminar el valor del vector corriente (V/Z ) debemos primero calcular laimpendancia (Z) de este circuito.

En este nuevo circuito asumiremos R = 30 Ω, valor que representa la sumade la resistencia interna de los alambres del bobinado del inductor, la de los cablesde connección, más la resistencia que representa las pérdidas en el capacitor. Losvalores de inductancia y capacitancia serán los mismos que los usados anteriormente.

Aplicando la ley de Ohm, podemos sumar, vectorialmente, las reactancias(XL y XC) y encontrar el valor serie equivalente. En el circuito de nuestro ejemplola reactancia serie Xs está dada por:

Xs = i 339,6 + (-i 331,6) = i 8 Ω

Como XL>XC, el vector Xs resulta ser inductivo. Ahora nos quedan dosvectores Xs y R cuya suma vectorial nos dará el valor de Z y su ángulo de desfasaje.

~Generador

de CA

C

L

R

R

i Xs Z

Φ

Figura AII.5- Circuito de CA con R, L, C

Medir la diagonal del paralelograma formado por las puntas de esos vectores.Esta solución no es la más precisa, sobre todo cuando las magnitudes son muydispares.

Como se vió al tratar la suma vectorial, magnitud y fase de Z están dadas porlas expresiones:

[Z] = [XLs]2 + [R2] y(2.10)

Φ = arctang [XLs] / [R]


Potencia

Para los valores de nuestro ejemplo:

[Z] = 31 Ω Φ = arctang (8 / 31) = 14,5°

Como este valor está dada por el producto vectorial V * I, debemos calcularel vector I. El vector corriente se obtiene dividiendo los vectores V y Z. La magnitudy fase para la corriente están dadas por:

[ I ] = [ V ] / [ Z ] y Φ = 0 - Φ Z = - Φ Z

Para los valores de nuestro ejemplo,

[I] = 120 / 31 = 3,87 A Φ = 0 - 14,5 = - 14,5°

El vector potencia (P) está dado por:

[P] = [V] x [I] y Φ = ΦV + ΦI

En nuestro ejemplo:

[P] = 120 x 3,87 = 464,4 VA Φ?= 0 + (-14,5) = - 14,5°

El valor de la magnitud del vector potencia debe darse en VA (voltamper)porque este vector no está en fase con el voltaje y tiene, como se observa en laFigura AII.6, una componente real positiva y otra reactiva (imaginaria) de valornegativo . Sólo el módulo de la componente real puede darse en watts. Lacomponente reactiva sólo genera calor, y representa las pérdidas en el circuito deCA.

VΦ

I

Z

Φ-Pútil = 449,607 W

Preactiva= 116.276 VA

P = 464,4 VA

-y

Figura AII. 6- Vector Potencia

El ángulo Φ define los valores de las componentes útil y reactiva. Como elvalor de [Pú] está dado por la projección del vector sobre el eje x, se tiene:

[Pú] = [P] cosΦ (2.10)y

[Preac] = [P] sin ( -Φ ) (2.11)


a)

Voltaje Potencia Corriente

Factorde

Potencia 2

La expresión (2.10) es válida ya que: cos (-?) = cos?. Se verifica, asimismoque:

[P] = [Pú]2 + [Preac]2 (2.12)

El valor del cos? recibe el nombre de factor de potencia (fp). Para un ángulode 0° el coseno es 1 y toda la potencia será útil (caso resistivo puro). En nuestroejemplo,

cosΦ = cos 14,5 = 0,96 = fp

En instalaciones industriales se mide cosΦ para saber con que eficiencia seusa la la energía eléctrica entregada al sistema de alimentación. Cuando el valor delcoseno Φ es bajo, se lo corrige incorporando cargas capacitivas, las que decrecen elvalor de XL, haciendo a su vez decrecer el ángulo Φ , si R permanece constante (verFigura AII.5).

La compañía que le suministra energía eléctrica cuida que el factor depotencia sea muy cercano a la unidad, de manera que la energía medida a la entradapueda ser estimada en KWh. Se deduce que los consumidores privados o industriales,pagan por la cantidad de energía que reciben y no por la que usan (fp<1).

Cuando se habló de los conversores se tomó en cuenta la existencia de lapotencia reactiva al agregarse un 25% adicional al valor de potencia de CC a laentrada del mismo.

La Figuras AII.6 a) y b) muestran, respectivamente, las ondas sinusoidalescorrespondientes a un circuito resistivo (V e I en fase) y otro con un fp = 0,8, el querepresenta un desfasaje de 37°. Note el lector que en a) la potencia siempre espositiva, mientras que en b) puede apreciarse las zonas donde la potencia reactivase hace presente.

Figura AII.6- Factor de potencia


Reddomiciliaria

b)


37° de atraso

La distribución domiciliaria de la energía eléctrica de CA se efectúa usandoun sistema trifásico, el que consiste en tres voltajes vectoriales separados por 120°(como el símbolo de la Mercedes Benz), cada uno de ellos con un voltaje eficaz de120 V. Esta configuración permite un mejor balance de las cargas domésticas y laposibilidad de tener un voltaje elevado (trifásico) cuando se deben conectar cargaselevadas.

El punto común a los tres vectores se conecta a tierra como referencia depotencial y para tener, dentro de las instalaciones domiciliarias, una referencia devoltaje nulo respecto al usuario, el que siempre pisa tierra.

Los cables que llegan a la caja de entrada son tres, como lo ilustra la FiguraAII.7.

Vivo

Vivo

Neutral

120Vef

120Vef

207,8 Vef

CargaMonofásica

CargaMonofásica

Figura AII.7- Entrada domiciliaria

El conductor a tierra se denomina neutral y los otros dos vivos, ya que nopueden ser llamados positivos. Es importante recordar la convección de colorespara una CA, ya que el NEGRO se reserva para los dos conectores vivos y elBLANCO para el neutral.



Nota:

Voltajeentre fases

2

La convención de colores cambia en Europa.

Como se trata de cantidades vectoriales, el voltaje entre los dos vivos (voltajeentre fases Vff) está dado por la expresión:

Vv/v = 3 x 120 V = 1,73 x 120 = 207,8 Vef

A este voltaje se lo conoce como trifásico, para diferenciarlo del monofásicode 120 Vef. Los inversores de CC a CA son del tipo monofásico. Dependiendo decomo se conecte sus salidas, se puede tener un voltaje nulo (en oposición de fase) odoble.

AIII- 1

TEMASSUELTOS

Introducción

Cotamáximade error

Tipo deerrores

En este apéndice he decidido hacer una recopilación de varios temas que, ami entender, pueden contribuir a aclarar o ampliar los conocimientos básicos dellector o facilitar el cálculo de un sistema FV.

Todas las cantidades, ya sean las que se usan para efectuar cálculos o lasobtenidas al efectuar una medición, están afectadas por un error. El valor de estoserrores es una cantidad algebraica, ya que puede tener un signo positivo (error enexceso) o un signo negativo (error en defecto).

En la práctica no siempre se conoce el signo del error, y por eso resulta másútil definir una cota máxima de error, a la que indicaremos con la letra ∆. Estacantidad representa un valor absoluto, y por lo tanto no tiene signo algebraicoasociado con ella. Si, por ejemplo, obtenemos una cota máxima ∆ = [0,4], nuestroerror varía entre +0,4 y -0,4. Al valor absoluto de una cantidad lo indicaré entrecorchetes [ ].

Si un aparato mide longitudes con un error absoluto [e] de 0,5 milímetro,esta información no nos dá ninguna idea de la repercusión que este error tiene cuandose mide una longitud en particular.

Para determinar la incidencia de este error se necesita calcular el errorrelativo [er] el que, como lo indica su nombre, relaciona el error absoluto con lalongitud medida. Se acostumbra, para evitar un excesivo número de decimales, dareste valor en forma porcentual (e%), el que se obtiene multiplicando el valor [er]por 100.

Ejemplo 1Si el aparato anterior mide una longitud de 6 cm, las cotas relativa y

porcentual estarán dadas, respectivamente, por:

∆r [0,5 / 60] [ 0,0083] (6 cm = 60 mm)y

∆% [0,83]% (entre - 0,83% y + 0,83%)

El símbolo significa que la cantidad a la izquierda del mismo es menoro igual que la cantidad a su derecha. Cuando se calcula un sistema FV es suficientemantener los resultados por debajo de una cota porcentual del [4] %. Para una dadaaplicación, la máxima tolerancia porcentual estipulada es lo que determina laaceptabilidad o rechazo del valor de la cota calculada.

APENDICE III

APENDICE III- TEMAS SUELTOS AIII- 2

∆ para lasuma

yla resta

Nota:

∆ para elproducto

Tomemos dos cantidades aproximadas, q1 y q2, las que están afectadas porlos errores [e1] y [e2]. El valor de la cota máxima para la suma y la resta resultan serlos mismos, dado que se usan valores absolutos (caso más desfavorable).

∆ = ∆s = ∆r [e1] + [e2] (3.1)

Por lo tanto:

La cota de error para la suma o resta de dos cantidades proximadas esigual a la suma de los errores absolutos de los sumandos.

El valor del error relativo y porcentual de la cota resultan ser:

Suma: ∆r [∆ / (q1 + q2)] (3.2)

∆% = 100 ∆r

Resta: ∆r [∆ / (q1 - q2)] (3.3)

∆% = 100 ∆r

Como el numerador en las expresiones (3.2) y (3.3) tiene el mismo valor, la cotaporcentual para la resta será más elevada, dado que la incidencia de ∆r es mayoren relación a un valor menor.

Cuando se multiplican dos cantidades aproximadas (q1 y q2), cada una deellas afectadas por un error absoluto, [e1] y [e2] respectivamente, se comprueba quela cota del producto está dada por la expresión:

∆p [q1 . [e2] + q2 . [e1]] (3.4)

La cota de error para el producto de dos cantidades aproximadas es iguala la suma de los productos de cada una de las cantidades

por el error absoluto de la otra.Ejemplo 2

Un rectángulo tiene un largo de 3m y un alto de 0,5 m. El largo está afectadopor un error absoluto de 1 cm y el alto por un error absoluto de 5 mm ¿Cuál es elvalor de la cota de error para el área? De los datos dados se deduce que:

q1 = 3 m [e1] = 0,01 m q2 = 0,5 m [e2] = 0,005 m

El valor de la cota de error es de:

∆A [q2 . [e1] + q1 . [e2]]donde

q1. [e2] = 0,015 q2.[e1] = 0,005y por lo tanto

∆A [0,015 + 0,005] = [0,02]


∆ para elcociente

Nota:

Redondeo

Nota:

El valor de la cota relativa y porcentual serán, respectivamente:

∆R [0,02] / 1,5 = [0,0133] ∆% [1.33%]

El valor de la cota máxima está controlado por el sumando de mayor valor.

Cuando se dividen dos cantidades aproximadas (q1 y q2), cada una de ellasafectadas por un error absoluto, [e1] y [e2] respectivamente, se comprueba que lacota del cociente ∆q está dada por la expresión:

∆q [(q1 . [e2] + q2 . [e1]) / q22] (3.5)

La cota de error para el cociente de dos cantidades aproximadas es iguala la suma de los productos de cada una de las cantidades por el error

absoluto de la otra, todo dividido por el cuadrado del divisor.Ejemplo 3

El voltaje de una batería es de 12 V con un error absoluto de [0,25]V. Lacarga es de 10 Ω, con un error de [0,5] Ω (resistencia del 5%). ¿Cuál es la cotamáxima de error para la corriente (V/R)? De los datos se deduce que:

q1 = 12 [e1] = [0,25] q2 = 10 [e2] = [0,5]

∆q [(12 . 0,5 + 10 . 0,25)] / 100 [(6 + 2,5)] / 100 [0,085]

La corriente nominal en el circuito es de 1,2 A, de manera que la cota porcentualserá:

∆% [(0,085 / 1,2)] . 100 [7,08]%

Como se observó anteriormente, el valor del denominador (R2) determina el valorde la cota.

Cuando redondeamos una cantidad, podemos: Ignorar un dado número de decimales o Aumentar el valor de un determinado decimal, basados en su posición

(décimo, centésimo, milésimo, etc.)Ejemplo 4

El número π tiene un número infinito de cifras. Es común considerar en loscálculos el valor aproximado: π = 3,1416. Si en su lugar se usara el valor π = 3,14¿qué error porcentual se introduce?. El error que introducimos es por defecto, demanera que:

e = - 0,0016 er = -0,0016 / 3,1416 = 0,000509 e% = - 0,05%

Ejemplo 5Tomemos la cantidad Q = 14,5473 y consideremos redondearla reteniendo

valores hasta el centésimo. Como el valor del milésimo (7) es mayor de 5, el nuevovalor de Q será Q = 14,55. Esta vez el error es por exceso, de manera que:


Unidades demedida

e = 14,55 - 14,5473 = 0,0027 er = 0,0027 / 14,5473 = 0,0001856

e% = 0,018%Ejemplo 6

Consideremos ahora la cantidad Q’ = 0,5473 y hagamos el mismo redondeo.El valor del error es igual al anterior (e = 0,0027). Los nuevos valores de er y e%serán:

er = 0,0027 / 0,5473 = 0,004933 e% = 0,49% !!

El mismo error absoluto representa ahora una cantidad proporcionalmentemayor, aumentando el valor del error relativo y, por lo tanto, el porcentual. Esteejemplo ilustra la importancia del error relativo, sobre todo cuando se trabaja concantidades pequeñas.

Al respecto hay dos temas: familiarizarse con las unidades inglesas, aún hoyusadas en los EEUU, y establecer relaciones entre estas unidades y las métricas.Una tabla que abarque la mayoría de las primeras permitirá al lector entender lashojas de especificaciones que no han sido traducidas al español. Combinada con lasegunda, se puede establecer una correlación de valores.

Nombre de la unidad Abreviatura Relación con otra unidad

LONGITUDPié (Foot) 1 ft o 1’ 1 ft = 12 ”Pulgada (Inch) 1” o 1inYarda (Yard) 1 yrd 1 yrd = 3’ = 36”Milla (Mile) 1 mi

SUPERFICIEPié cuadrado 1 sq.ft o ’ 1 sqft = 144 sq.in(Square foot)Pulgada cuadrada 1 sq.in (Square inch)

VOLUMENGalón (USAGallon) 1 gl 1 gl = 4 qts = 8ptsCuarto (Quart) 1 qt 1 qt = 2 ptsPinta (Pint) 1 ptPié cúbico 1 cu.ft o ft3 1 cu.ft =1.728 in3

(Cubic foot)PESO

Libra (Pound) 1 lb o 1 #1 lb = 16 ozOnza (Ounce) 1 oz

PRESIONLibra / pulg cuadrada 1 psi(Pound per square inch)


Conversiónentre sistemas

Nota:

Factores deconversión

TEMPERATURAGrado Fahreinheit 1 °F

El procedimiento de conversión de una unidad del sistema inglés a suequivalente métrico se reduce al uso de un factor de conversión, el que proporcionael valor inicial en unidades métricas del mismo tipo.

Una vez conocido este valor, digamos pies a metros, multiplicando el númerode pies por el factor de conversión nos dará el equivalente en metros.

Si, por el contrario, queremos obtener el número equivalente de pies para undado número de metros, tendremos que dividir este último valor por el factor deconversión para obtener el número de pies.Ejemplo 7

De la tabla dada a continuación vemos que 1in (pulgada) = 2,54 cm. Sitenemos 10”, tendremos una longitud (en cm) con un valor métrico que es 2,54veces el del valor en pulgadas, o 25,4 cm.Ejemplo 8

¿Cuál es el valor en yardas de 3 m de longitud? El factor de conversión es 1/0,9144, de manera 3/0,9144 = 3,28 yrd. La longitud de la yarda es muy cercana almetro.

El lector debe recordar que multiplicar por la inversa de un número es igual adividir por ese número.

Unidad Inglesa Factor de conversión a métrica

LONGITUD1 in = 1” 2,54 cm 25,40 mm1 ft = 1’ 0,3048 m 30,48 cm1 yrd 0,9144 m 91,44 cm1 mi 1,6093 km 1.609,3 m

SUPERFICIE1 ft.sq 0,09290 m2 929 cm2

1 sq.in 6,4516 cm2

VOLUMEN1 gl (USA) 3,7854 lts1 gl (Imperial) 4,54248 lts(Canadá)264,1728 gl (USA) 1 m3

1 qt 0,9463 lts1 cu.ft 0,0283 m3

PESO1 lb o 1# 0,4536 Kg1 oz 0,02835 Kg = 28,35 gr


Múltiplos ysubmúltiplos

Unidades depotencia

Unidades deenergía

PRESION1 psi 6,89285 Kpa (Pa = Pascal)

1Kpa = 0,070323 Kg/cm2

1 KPa es la presión ejercida por una fuerza de 1.000 N (Newtons) / m2

14,7 psi 1 atm

TEMPERATURA°F = 1,8 °C + 32 °C = (°F - 32) / 1,8

Para convertir temperaturas se debe tener en cuenta que el 0° C no correspondeal 0°F, sino al valor 32°F. El valor 1,8 considera la variación de 100°C respecto a lade (212 - 32) = 180°F, ya que el punto de ebullición del agua en °F es 212.

Nombre Valor Potencia Prefijo Símbolo de 10

Milésima de millonésima 0,000000001 10-9 nano ηMillonésima 0,000001 10-6 micro µMilésima 0,001 10-3 mili mCentésima 0,01 10-2 centi cDécima 0,1 10-1 deci d

Unidad 1 100 nombre y símbolode la unidad

Mil 1.000 103 kilo KMillón 1.000.000 106 mega MMil de millón 1.000.000.000 109 giga GMillón de millón 1.000.000.000.000 1012 tera T

La unidad de potencia más usada en mecánica es el caballo de fuerza, el quese abrevia con las letras HP (Horse Power). En circuitos eléctricos la unidad depotencia más usada es el W (Watt) o alguno de sus múltiplos (KW) o submúltiplos(mW). La relación entre el HP y el Watt es:

1 HP = 746 W = 0,746 KW

Dado que energía es el producto del valor de la potencia por el tiempo, enlos circuitos se usan el Wh (Watt.hora) y su múltiplo, el KWh. En aplicaccionesmecánicas que consideran el uso de la energía calorífica es común usar la caloría.Al respecto se definen dos valores: la gran caloría (Cal) y la pequeña caloría (cal).La relación entre ambas es:

1 Cal = 1.000 cal

En el sistema inglés la energía calorífica se mide en Btu (British thermalunit).

Nota:


Definiciones

Variaciónsinusoidal

Esta es una unidad muy pequeña y está relacionada a la gran caloría C por larelación:

860 Cal = 3.412.038 Btu = 1 KWh

Una gran caloría (Cal) representa la energía calorífica necesaria para elevarla temperatura de 1 litro de agua (a presión normal) un °C.

Un Btu representa la energía calorífica necesaria para elevar la temperaturade 1 lb de agua (a presión normal) un grado °F.

En el Apéndice II indiqué que la variación de amplitud del voltaje de CAmás útil es la que obedece a una forma sinusoidal, pero no justifiqué esta acersión.La practicidad de esta variación se debe a que los generadores crean el voltaje dealternada haciendo girar un campo magnético alrededor de un eje (rotor) creandoun voltaje variable en bobinados fijos en el borde de una circunferencia (estator).

En la figura AIII.1 el vector (en rojo) representa el campo magnético girandoalrededor del estator, en el que, por simplicidad, imaginaremos que tiene dosbobinados: uno en el extremo superior y el otro en el inferior de la circunferencia.El voltaje que puede inducirse en un generador como el descripto depende de variosfactores, uno de ellos es la intensidad del flujo magnético que atraviesa la superficiede los bobinados.

El flujo magnético depende de la intensidad del campo magnético y de lasuperficie del bobinado. Esta última tiene un valor fijo, de manera que la variacióndel campo magnético es lo que nos interesa por el momento, y, en particular, lacomponente vertical del campo magnético, ya que es ésta la que hace variar el flujoa través de los bobinados.

Amplitud

Tiempo

α

Bobinado

Bobinado

T

t

AIII.1- Variación sinusoidal

Puede observarse que la componente vertical del campo rotatorio representael seno del ángulo α. Su proyección sobre el eje vertical del sistema cartesianoamplitud vs tiempo, representa el valor de la componente vertical del vector campomagnético en el instante t.


Frecuencia

Longitudde onda

Vemos entonces que la variación del campo magnético, y por ende, el delvoltaje inducido, es una onda de alterna sinusoidal. Si estos valores son graficadosen función del tiempo, la forma de onda de la amplitud corresponde a la expresión:

A = Amáx . sin α 0 α 2π

El vector rota con una velocidad angular ω , cubriendo una vuelta (2π) en untiempo T. Para tiempos mayores que T los valores se repiten nuevamente (una nuevaonda sinusoidal), ya que el valor T representa el período de repetición del fenómeno(vuelta completa). Para tiempos entre 0 y T el valor de la amplitud dependerá delvalor del ángulo α para ese valor instantáneo (t).Es decir:

A = Amáx . sin (ω . t) (3.1)

Dado que una velocidad es la relación entre el camino recorrido en un ciertotiempo, la velocidad angular ω puede expresarse como:

ω = 2π / T (3.2)

Si substituimos el valor de ω en (3.2) en la expresión (3.1) se obtiene laexpresión:

A = Amáx . sin (2π. t/T)

que es la misma dada al comienzo del Apédice II.

Este valor refleja el número de veces (ciclos) que la rotación completa tomalugar durante un segundo. Es nuestros ejemplos hemos adoptado el sistema de 60Hz(60 ciclos por segundo), de manera que:

T = 1/f = 1/60

Cuando la frecuencia de un fenómeno oscilatorio es elevada, como es elcaso de las ondas de radiación electromagnéticas, es importante conocer lo que sedenomina la longitud de onda, a la que se le asigna la letra griega lambda (?). Elgrado de importancia de este valor se incrementa cuando las dimensiones que setoman en consideración representan valores que son comparables con el valor de λ,como en el caso de la acción del espectro luminoso luminoso y la estructura atómicadel silicio.

Por definición, la longitud de onda representa el valor del camino recorridopor la onda electromagnética durante un tiempo igual a su período (T). Como estasondas se mueven a la velocidad de la luz (en el vacío) el valor de λ será igual alproducto de esa velocidad por el valor de T. A la velocidad de la luz se le asigna laletra c, de manera que:

λ = c. T = c . 1/f = c/f

La velocidad de la luz (en el vacío) es una constante universal cuyo valor esde 300.000 Km/s o, usando potencias de 10, 3 x 108 m/s.


Nota:

Frequenciay energía

Nota:

Ejemplo 9Si una onda electromagnética tiene una frecuencia de 100 Mhz (108 Hz), su

longitud de onda será de:

λ = 3 x 108 / 108 = 3 m

El valor de 100 Mhz corresponde a una de las frecuencias en la banda deradio de FM.Ejemplo 10

Cuando hablamos del espectro visible, las longitudes de ondas erandel orden de los cientos de ηmetros (10-7 m o 10-4 mm). Las frecuencias asociadascon estas longitudes de onda serán del orden de:

f = c/ λ = 3 x 108 / 10-7 = 3 x 1015 Hz = 3.000 THz

Una potencia de 10, (10n), si está en el denominador, pasa al numerador con elsigno opuesto, de manera que dividir por 10+ / - n es lo mismo que multiplicar elnumerador por 10 - / + n .

El diagrama de la Figura AIII.2 muestra la relación entre la frecuencia y laenergía, medida en electron-volt (eV), asociada con ella. Este diagrama ha sidoincorporado para mostrar porqué sólo una parte del espectro visible puede liberarelectrones en un dado semiconductor, ya que cada uno requiere un valor diferenteen eV para liberar un electrón de la capa externa.

Energíaen e.V

0

1

2

33,1

1,8

Violeta

700

λ

400

600

500

Rojo

Azul

1.000

10.000

2.000

VerdeAmarillo

Naranja

nanometros

Figura AIII.2- Frecuencia y energía

Un e.V es la energía que alcanza un electrón cuando es acelerado por el campoeléctrico creado por una diferencia de potencial de 1 V.Su valor es de 1,602 x10-19 J


Pararayos Cargas inducidasDurante una tormenta las nubes acumulan cargas eléctricas con polaridad

negativa o positiva. Cuando dos nubes con diferente polaridad se acercan, provocanuna descarga eléctrica entre ellas, la que desplaza una masa de aire, produciendo elruido de un trueno. Independientemente del tipo de carga, una nube induce unacarga de signo contrario sobre la tierra y sobre los objetos ubicados sobre ella. Estascargas crean un campo eléctrico entre la nube y un objeto. Para que “caiga” un rayo,se necesita una alta densidad de carga (carga/unidad de superficie), ya que alaumentar este valor, aumenta la intensidad del campo eléctrico, llegando a ionizarel aire (aumento de la conductividad del aire). Es entonces cuando se produce unrayo, que es la manifestación del cierre del circuito nube-tierra.

Si observa un viejo pararrayo verá que en su cúspide existe una corona quetermina en puntas agudas. La razón de esta construcción es que, a diferencia de laprotección para paneles FVs, se quiere aumentar rápidamente la densidad de cargay para ello lo más sencillo es disminuir la superficie. Las terminaciones punteagudasconsiguen tener una alta densidad de carga y provocar la “caída” de un rayo en suzona de influencia.

Los pararayos de diseño más moderno mantienen una relación entre su largoy la curvatura de su punta, ya que la investigación demostró que el área de protecciónes mayor que la del diseño antiguo (Figura AIII.3 ).

Figura AIII. 3- Pararayo de diseño moderno

En el Capítulo 12 mostré dos conectores usados en coneccionados a tierra, eindiqué que este diseño no requería soldadura alguna entre el cable de tierra (alambreen el caso de los paneles). La ventaja de no depender exclusivamente de una soldadurapara establecer el contacto varilla-alambre es que la corriente de descarga a tierra esmuy elevada. El calor desarrolado en la resistencia óhmica de la soldadura fundiríaal material, abriendo la conección.


Información

Cable de descargaLa corriente de descarga pasa de un valor nulo a tener miles de amperes en

una fracción de segundo. Este pulso de corriente se comporta como un corrientevariable de alta frecuencia. Por eso no se utiliza un alambre sólido, ya que la corrienteen altas frecuencias circula por la superficie de un conductor.

En instalaciones para pararayos se recurre a cables cuyo diámetro se obtienecon un alto número de cables enroscados, los que incrementan la superficie deconducción sin recurrir a diámetros descomunales. La Figura AIII.4 muestra uno deestos cables, el que está formado por 32 cables de calibre AWG17. Su diámetrocorresponde al de un alambre sólido AWG2. Existen asimismo cables multi-alambreplanos.Tendido del cable

El cable de descarga debe ser sostenido, cada 2m (aprox.) por soportes, ydebe correr ya sea horizontal o verticalmente. Al cambiar de dirección no genereun doblez punteagudo en forma de V o U, sino en forma de L invertida con unacurvatura redondeada.

AIII.4- Cable de tierra para pararayos

Cuando me decidí a revisar la primera edición de este manual me resultómás que obvio que la industria que provee los componentes que hacen posible larealización práctica de un sistema FV había evolucionado, en pocos años, con granvelocidad.

Nuevos paneles con mayor eficiencia de transformación, una líneacompletamente nueva en controles de carga, gracias a la enorme reducción en elcosto de los microprocesadores, innovaciones en baterías, bombas de agua y un sinfin de otros detalles.

También me fué evidente que los pioneros eran reemplazados, en muchoscasos, por nuevas compañías, de manera que nuevos nombres substituían a las marcastradicionales. En una palabra, la evolución de esta industria es muy rápida.

¿Cómo mantenerse al día? En los EEUU, donde hay ferias de renovables, laasistencia a las mismas proporcionan la oportunidad de entablar conversacionescon los expositores de productos y obtener nuevas hojas de especificaciones y precios.Fuera de los EEUU queda la internet, para aquellos que tengan los recursos para verlas páginas de los fabricantes. Mi experiencia es que la mayoría de la informaciónestá dada en inglés.

Esto es lo que me llevó, a lo largo de la presentación de este manual, a dar elnombre técnico en ese idioma para muchas de las palabras que son claves cuando sequiere descifrar la información.


Home PowerMagazine

El español está empezando a aparecer y las compañías japonesas e inglesassuelen incluir nuestro idioma. En algunos casos fabricantes del Canadá y los EEUUdan alguna información en español.

Muchas de las páginas en español no informan sobre productos, ya que loque ofrecen son trabajos de instalación. Cuando se ofrecen productos, estos suelenser de origen estadounidense o japonés.

Por muchos años un grupo de pioneros en el campo de la energías renovableshan publicado, en inglés, una revista llamada Home Power, la que puede visitarseen la internet (www.homepower.com). Para los que son curiosos e intrépidos, lesaconsejo, por lo menos, identificar las direcciones en la internet de los fabricantesque hacen propaganda de sus productos, para luego leer con detalle la informaciónproporcionada.

Desgraciadamente no hay mucho material técnico en español, pero el lectorcon acceso a la internet debe seguir explorando la internet, dado que Europa, y enparticular España han comenzado a desarrollar projectos de energías renovables.

Documents

Manual Fotovoltaico.pdf