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Manual Energía Solar Portátil

Lleva la energía solar a donde quieras

Indice

1. Introducción 3

2. Foto del Sistema con Componentes 4

3. Explicando cada uno de los Componentes 6

4. Diagrama de Conexión y foto real 20

5. Ejemplos Reales de Uso 24

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1. Introducción

El objetivo de este manual es facilitarte y simplificarte el uso de la energía solar al aprender a construir un sistema de energía solar fácil de armar y usar.

Al finalizar de leer este manual y llevar a cabo sus instrucciones tendrás un pequeño sistema de energía solar que te permitirá dos cosas:

1. Ahorrar dinero al usar la energía solar y no la de tu servicio de luz

2. Tener energía solar en donde quieras (playa, campo, rancho, etc.)

Durante el manual me he esforzado mucho en explicar muy bien cada concepto para que aprendas el por qué de las cosas y puedas modificar este pequeño sistema de energía solar de acuerdo a tus necesidades. Es decir, durante el manual construimos un sistema de energía solar con ciertas características, pero la idea no es que sólo aprendas a construir este siste-ma, sino que lo puedas modificar conforme lo requieras.

Entonces te invito a aprender y entender los conceptos, los materiales y el porque de las cosas más que sólo seguir los pasos para construir uno igual al del manual.

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2. Foto del Sistema con Componentes

En la siguiente foto vemos todos los componentes que conforman el sistema de energía solar que armaremos y explicará durante este manual, así como una breve descripción de cada uno de los componentes.

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3. Explicar cada uno de los Componentes

Paneles Solares

Un panel solar es un conjunto de celdas solares conectadas y ensambladas que convierte la luz solar en electricidad en corri-ente directa.

Lo que necesitamos aprender para armar un sistema de energía solar es aprender a leer e interpretar las características del panel.

La siguiente imagen es parte de la ficha técnica de un panel solar marca Solar World de 50 watts.

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Analicemos punto por punto la ficha técnica anterior. Es importante aclarar que no impor-ta el idioma en el que esté la ficha técnica (español, inglés, chino, alemán), el símbolo (P, U, I) siempre serán los mismos.

1. Maximum power (máxima energía):

esta es la máxima energía que nos entregará el panel bajo las condiciones ambientales ideales. Este número es muy fácil de entender ya que es igual a la capacidad del panel que compra-mos. Es decir, si compramos un panel de 100 watts el “máximum power” será de 100 watts. Su símbolo en la Pmax.

2. Open circuit voltage (voltaje en circuito abierto):

Este es el voltaje que tiene el panel solar en circuito abierto. Un voltaje en circuito abier-to es la diferencia de potencial que hay entre las dos terminales de un dispositivo que esta desconectado de un circuito. No hay cargas externas conectadas y no hay corriente eléctrica externa corriendo entre las terminales. Su símbolo es Uoc o Voc.

3. Maximum power point voltage (voltaje en el máximo punto de energía):

este es el voltaje máximo que generará el panel cuando está conectado a nuestra batería o a alguna carga, y cuando el panel está generando su energía máxima, en este ejemplo 50 watts. Su símbolo es Umpp o Vmpp.

4. Short circuit current (corriente o amperaje en corto circuito):

Hablando eléctricamente un corto circuito es lo opuesto a un circuito abierto. El amperaje en circuito abierto es el amperaje que atraviesa la celda solar cuando el voltaje es cero. Es el máximo amperaje que se puede crear en un panel solar. Si símbolo es Isc.

5. Maximum power point currect (amperaje en el máximo punto de energía):

este es el amperaje máximo que generará el panel cuando esté conectado a la batería o a alguna carga, y cuando el panel este generando su máxima energía, en este ejemplo 50 watts. Su símbolo es Impp.

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La fórmula para calcular wattaje es W=VxA. Si multiplicamos el Umpp por el Impp tenemos como resultado la máxima energía que puede entregar el panel.

En el ejemplo que estamos: 18.2V x 2.75A = 50.05 watts

Para saber cuánta energía puede generar tu panel solar en un día estudia las dos siguientes infografías.

• Calcular radiación exacta: cuando hablamos de calcular la radiación exacta lo que

estamos haciendo es calcular cuantas horas de sol efectivas hay para nuestros pane

les en un día. http://cemaer.org/curso-gratis/05.html#.UUo4R1T_jOx

• Qué le puedo conectar a un panel solar: en esta infografía aprendemos a usar las

horas efectivas de sol que ya calculamos para saber cuánta energía solar puede

generar mi panel en un día. http://cemaer.org/curso-gratis/03.html#.UUo4RlT_jOx

Para los cálculos de un sistema solar siempre se utilizan el voltaje en circuito abierto (Uoc) y el amperaje en corto circuito (Isc). También usamos la radiación solar mínima del año por mes.

Controlador de CargaEl controlador de carga protege a la batería contra posible sobrecarga del panel solar y evita que sea fuertemente descargada durante los consumos. Las características de carga comprenden diversos estados que incluyen la adaptación automática a la temperatura ambiente.

La siguiente imagen es parte de la ficha técnica de un con-trolador de marca Phocos de 5 Amperes de capacidad.

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De la ficha técnica de un controlador de carga nos importan 3 valores y son los que vamos a analizar. Toda la demás información son características internas o físicas del controlador que no necesitamos conocer a fondo para armar nuestro sistema solar portátil.

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1. Voltaje Nominal:

Este número nos dice con que voltajes de baterías puede trabajar nuestro controlador. En este caso con baterías de 12 o 24 V, que son las más comunes. El controlador se ajusta au-tomáticamente.

2. Máxima corriente o amperaje del panel solar:

Este dato nos dice las diferentes capacidades disponibles para este modelo de controlador. Siempre es la capacidad del controlador que compramos. En el caso del sistema que estamos construyendo compramos un controlador de 5 amperes.

3. Máximo voltaje del panel:

Nuestro controlador tiene cierto límite en el amperaje que soporta (que vemos en el núme-ro 2) y en el voltaje. En este caso es diferente si usamos sistemas de 12 o 24 volts.

Para escoger nuestro controlador debemos saber cuál es el amperaje y el voltaje que está enviando nuestro panel al controlador.

Vamos a comparar el panel de 50 watts y el controlador pocos que compramos a ver si nos funcionan.

Voltaje Uoc del Panel 22.1Voltaje que soporta el controlador

en sistemas de 12V

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Cumple Si

Amperaje ISC del Panel 2.95Amperaje que soporta el controlador 5

Cumple Si

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Las dos tablas anteriores significan que el controlador que compramos si funciona para el panel que tenemos. Si vamos a comprar otro modelo de panel o uno más grande tenemos que revisar si las especificaciones del controlador soportan el Uoc e Isc del panel.

Batería de Ciclo Profundo

Las baterías de ciclado profundo están especialmente diseñadas para soportar un alto número de descargas profundas, y ser recargadas sin afectar su desempeño, a diferencia de las baterías automotrices, que al ser sometidas a condiciones de descargas profundas, pierden más rápidamente su capacidad.

Un ciclo se describe como una descarga y una carga de la batería, no importando el porcentaje de descar-ga que haya sufrido. Ejemplo, si descargas una batería

al 50% y la recargas al 100% eso es un ciclo.

Diferencias entre baterías de Ciclado Profundo y las baterías de arranque (automotrices)

Además de las características de su diseño, las demandas de energía de ambos tipos de bat-erías también son diferentes, ya que las baterías de ciclado profundo proveen cantidades relativamente bajas de corriente por largos períodos de tiempo, mientras que a una batería automotriz se le demandan grandes cantidades de energía por solo unos cuantos segundos; posteriormente, un alternador se encarga de recargarla y de entregar la energía al sistema eléctrico del vehículo en marcha.

Una batería automotriz descargada de manera profunda, puede perder su capacidad de uso a solo 50 ciclos o menos, mientras que un acumulador de ciclado profundo continúa con ópti-mo desempeño aún después de los 450 ciclos.

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Ya habíamos comentado que las baterías más comunes son de 12 volts, aunque también existen las de 6 volts, que si conectamos en serie podemos sumar su amperaje y tener un banco de baterías de 12 volts.

La unidad en la que se miden las baterías es de amperes-hora Ah. Esto nos indica la capacidad de almacenaje de energía que tiene la batería.

En el sistema que estamos construyendo estamos usando una batería de 55 Ah y trabaja a 12 volts. Este número no nos dice mucho, pero usando la fórmula del wattaje podemos saber cuánta energía podemos almacenar en la batería.

Recordemos que la fórmula es: w = V x A. Entonces: 12 x 55 = 660 watts, esta es la energía que puede almacenar mi batería.

Ya con esta información podemos comprar cualquier batería que queramos, calcular cuanta energía puede almacenar y que le podemos conectar.

Tiempo de Vida de una Batería

Ya hablamos más arriba sobre los ciclos de las baterías, y en función de esto está la vida útil de una batería.

Veamos la siguiente gráfica y después la explicamos.

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Esta gráfica nos dice cuantos ciclos nos puede entregar una batería de ciclo profundo dependi-endo de la profundidad de descarga.

En el eje horizontal vemos la profundidad de descarga de la batería, desde descargarla sólo un 5% hasta descargarla un 100%. En el eje vertical vemos el número de descargas que soporta esa batería, según la profundidad de descarga, antes de terminar su vida útil.

Por ejemplo: Si usamos una batería como la del sistema que estamos construyendo, de 55 Ah, y la descargamos sólo al 50%, tendrá una vida útil de 1,035 ciclos. Si suponemos que este ciclo de carga y descarga se lleva a cabo todos los días, nuestra batería tendrá una vida útil de 2.83 años.

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Inversor de Corriente

El panel solar genera electricidad en corrien-te directa, la cual pasa por el controlador y es almacenada en la batería (generalmente de 12 volts). Pero prácticamente todos nuestros aparatos electrónicos funcionan en corrien-te alterna y a 120 o 240 volts, depende de en donde vivamos.

El trabajo del inversor es justamente convertir la electricidad en corriente directa y 12 volts

que nos entrega la batería, en corriente alterna y en 120 o 240 volts para poder usarla con nuestros aparatos elec-trónicos convencionales.

La siguiente imagen es parte de la ficha técnica de un in-versor marca Truper de 400 watts de capacidad.

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Analizaremos 5 puntos importantes sobre este inversor y que son los que debemos de tomar en cuenta a la hora de adquirirlo. Los demás puntos hablan del funcionamiento del inversor pero para el diseño de nuestro sistema solar portátil no son relevantes.

1. Tensión de Entrada:

Se refiere a la tensión o voltaje que viene de la batería hacia el inversor. En este caso nos dice que es de 12 volts y en corriente directa. El símbolo de corriente directa es una línea con 3 puntos abajo. Este valor es muy importante ya que nos dice con qué tipo de baterías trabaja el inversor, en este caso sólo de 12 volts. Si usamos una batería de 6 o 24 volts necesitamos comprar un inversor que trabaje en esos rangos.

2. Tensión de Salida:

Este es el voltaje que nos entrega el inversor a la salida en corriente alterna. El símbolo de la corriente alterna es una especie de onda. Si vivimos en un lugar en donde la tensión que nos entrega la compañía de luz es de 120 volts debemos comprar un inversor que nos entregue 120 volts y si vivimos en un lugar en donde se usa 240 volts comprar un inversor que nos entregue 240 volts.

3. Frecuencia:

Aquí también debemos comprar un inversor que nos entregue la frecuencia apropiada para nuestro país. En Latinoamérica la frecuencia varía entre 45 y 70 Hz.

4. Potencia:

Este es el wattaje máximo que le podemos conectar a nuestro inversor. En este caso po-demos conectarle hasta 400 watts. Puede ser un solo aparato que consume 400 watts, o 10 aparatos que consumen 10 watts cada uno, el objetivo es no pasarnos de esos 400 watts.

5. Potencia Pico:

Esta potencia pico está pensada para el arranque de los motores. Cuando un motor arranca, por unos momentos la energía que consume se dispara casi al doble, y el inversor debe tener la capacidad para soportar estos picos. Si no le vamos a conectar nada que

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involucre motores a nuestro inversor no es necesario que tenga la capacidad de soportar estos picos. No todos los inversores lo hacen, por lo que debemos poner atención a la hora de com-prar el inversor.

Seleccionar nuestro inversor es la parte más fácil del sistema solar, ya que sólo debemos saber cuánta energía consumen los aparatos que le queremos conectar y comprar el inversor acorde.

Carro o Diablito

EL objetivo de este sistema que estamos con-struyendo es que sea portátil y que podamos aprovechar la energía solar en donde la necesite-mos. Para ello necesitamos un carrito o diablito en donde poner el sistema y poder transportarlo.

Nosotros usamos un carrito llamado “Magna Cart”, ya que es muy estético, ligero, plegable y muy resistente. Es cuestión de que busques un distribuidor de la marca en tu país o ciudad.

El Magna Cart es sólo una idea, pero puedes usar cualquier carrito o diablito que tengas a la mano o que sea fácil de conseguir en donde vives. El objetivo es que tenga ruedas y te permita mover

tu sistema de energía solar de manera muy fácil.

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Estante de la Batería

El estante para la batería nos sirve para dos cosas. Para con-tener la batería y poder asegurarla al carrito, y para asegurar el controlador e inversor y tener todo concentrado en un solo lugar.

Para el estante de la batería encuentro dos opciones, uno plástico como el de la foto del principio, especial para el al-macenamiento de baterías, o fabricar nuestro propio estante

de manera artesanal.

En esta foto vemos un estante fabricado de madera.

Sólo es cuestión de que midas la batería que vas a adquirir y construir el estante de acuerdo a esas medidas.

Estante de Batería Casero

El estante para batería que vemos en la foto original es un estante especialmente diseñado para contener baterías, es de plástico y sólo lo podemos conseguir con distribuidores grandes de baterías o con distribuidores de energías renovables.

Pero siempre hay que pensar en opciones que podamos construir en casa o que sean fáciles de conseguir. Para demostrarlo hemos construido el siguiente estante con madera.

En la siguiente imagen vemos las medidas de la caja. Esta diseñada para soportar una batería de hasta 115 ah.

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En la siguiente imagen vemos ya la batería que estamos usando en este sistema (de 55 ah) den-tro del estante. Y vemos unas entradas de aire que le hicimos. Estas entradas de aire sólo son necesarias si vamos a usar baterías de ácido, ya que son las que emiten gases, si vamos a usar baterías de gel o selladas no es necesario poner estas entradas de aire.

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Diagrama de Conexión

Una vez que tenemos todos nuestros componentes es hora de conectarlo y aprovechar la electricidad que genera nuestro sistema solar.

La secuencia de conexión es la siguiente:

• Panel

• Controlador

• Batería

• Inversor

Veamos la siguiente imagen que nos muestra las diferentes entradas y salidas que tiene un con-trolador y un inverso, y un diagrama esquemático de las conexiones.

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Para hacer las conexiones en corriente directa es muy importante poner atención en la polari-dad de los cables, conectar una polaridad mal puede descomponer todo nuestro sistema.

• La línea roja siempre representa cables con polaridad positiva

• La línea negra siempre representa cables con polaridad negativa

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Vamos por pasos:

1. Primero tenemos los dos cables (uno positivo y uno negativo) del panel solar que van hacia las terminales del controlador marcadas con el panel solar. Generalmente las de ex-trema izquierda.

2. Las terminales del centro del controlador son las que salen hacia la batería. En este caso mandamos el cable negativo directamente del controlador a la batería y el positivo prime-ro lo pasamos por un switch de encendido para poder desconectar la batería.

3. Por último debemos pasar la energía en corriente directa hacia el inversor, lo cual hacemos directamente con un cable po sitivo y otro negativo.

La verdad es una conexión muy sencilla, sólo hay que poner atención a las polaridades, leer los instructivos de lo que compramos y acordarnos que la secuencia es: panel – controlador – bat-ería – inversor.

Ahora, la conexión real se ve así:

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Conexión con Caja de Madera

La conexión de nuestros aparatos usando esta caja va a llevar la misma secuencia que la an-terior.

Panel – Controlador – Batería – Inversor

La diferencia en la conexiones entre la caja de madera y la de plástico es que en la caja de madera no tendremos un botón de encendido y apagado y la entrada del panel al controla-dor es directa, no mediante un enchufe especial.

En la siguiente imagen vemos como quedaría el diagrama de conexión para la opción de es-tante fabricado con madera.

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5. Ejemplos Reales de Uso

Primero te invito a ver el video que he subido a youtube en donde muestro un ejemplo de cómo usamos este kit de energía solar portátil en un departamento.

http://www.youtube.com/watch?v=fsrpIy7Sol8

Como podrás ver en el video puedes usar este kit portátil de energía solar prácticamente para conectar cualquier cosa, sólo hay que tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

1. La capacidad del inversor: en este ejemplo utilizamos un inversor de 400 watts, por lo que no podemos conectar ningún aparato que requiera más de 400 watts para funcionar, porque si lo hacemos quemaremos nuestro inversor.

2. Capacidad de la batería: tenemos que saber cuánta energía almacenada tiene nues-tra batería. Esto ya lo vimos en la parte en donde explicábamos la batería, pero es muy im-portante a tener en cuenta.

Fuera de tomar en cuenta los dos puntos de arriba, podemos conectar cualquier cosa a nues-tro sistema, realmente tu imaginación es el límite.

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Este manual fue terminado en marzo del 2013. Todos los derechos reservados. Queda pro-hibida la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio electromagnético, mecánico o por cualquier otro medio, sin previa autorización por escrito, del autor o del ed-itor, excepto cuando se hace una copia única para guardar en la computadora, o se imprime para uso personal, exclusivamente. De cualquier manera, la reproducción del contenido para usos comerciales, viola los derechos de autor, de acuerdo con las leyes internacionales.