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SistemasFotovoltaicosAutnomos

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ConceptosGenerales

AcumuladorElectroqumico

Regulador decarga

Luminarias

Sistemas Fotovoltaicos AutnomosComponentes

Oscar Perpin Lamigueirohttp://oscarperpinan.github.io

Conceptos Generales

Acumulador Electroqumico

Regulador de carga

Luminarias


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Regulador decarga

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Definicin de un Sistema Autnomo

Un sistema fotovoltaico autnomo (SFA) produce energaelctrica para satisfacer el consumo de cargas elctricasno conectadas a la red, empleando un sistema deacumulacin energtico para hacer frente a los perodosen los que la generacin es inferior al consumo.


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Regulador decarga

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Configuracion SHS

GENERADOR

REGULADOR

CARGA

BATERIA


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Regulador decarga

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Configuracin AC

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

BATERIA

CARGA


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Regulador decarga

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Configuracin DC+AC

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

CARGA

BATERIA

CARGA


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Regulador decarga

Luminarias

Sistema Hbrido

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

BATERIA

CARGA

RECTIFICADOR

GRUPO ELECTROGENO

Conceptos Generales


Regulador de carga

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Conceptos Generales

Acumulador ElectroqumicoDefinicionesPrincipios de funcionamientoEfecto de la temperaturaCicladoComposicinTipos de acumuladores

Regulador de carga

Luminarias


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ConceptosGenerales

AcumuladorElectroqumicoDefiniciones

Principios defuncionamiento

Efecto de la temperatura

Ciclado

Composicin

Tipos de acumuladores

Regulador decarga

Luminarias

Acumulador electroqumico

Un acumulador electroqumico es una bateria secundariao recargable, capaz de almacenar energa elctricamediante una transformacin en energa electroqumica.Sus principales funciones son:

I Autonoma: satisface los requerimientos deconsumo en cualquier momento,independientemente de la generacin.

I Suministro de picos de intensidad: cuando esnecesario, puede suministrar valores de intensidadsuperiores a los que proporciona el generador FV.

I Estabilizacin del voltaje: evita fluctuacionesdainas para los equipos de consumo.


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Ciclado

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Luminarias

Definiciones

Capacidad nominal (Cnom) es la carga elctrica que puedeser extrada de una batera hasta llegar a ladescarga total.

Rgimen de carga/descarga es la corriente aplicada auna batera para restablecer/extraer lacapacidad nominal. Normalmente sepresenta como un ratio entre la capacidadnominal y la corriente.

Estado de carga (SoC) de una batera es la capacidad deuna batera parcialmente cargada, divididapor su capacidad nominal. Por tantosiempre ser 0 < SoC < 1.


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Ciclado

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Luminarias

Definiciones

Profundidad de descarga (PD) es el complemento delestado de carga.

Tensin de corte: es la tensin a la que finaliza ladescarga de la batera. Depende del rgimende descarga y del tipo de batera. Determinala profundidad de descarga mxima, PDmax,y por tanto, la capacidad til, CU, siendo

CU = PDmax Cnom


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Ciclado

Composicin


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Luminarias

Definiciones

Eficiencia fardica es el ratio entre la carga extradadurante la descarga y la carga requeridapara restablecer el estado inicial.

Eficiencia energtica es el ratio entre la energa extradadurante la descarga y la energa requeridapara restablecer el estado inicial.

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Regulador de carga

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Ciclado

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Luminarias

Principios de funcionamiento

Una batera de cido-plomo se compone de:

I Un nodo o electrodo positivo con PbO2I Un ctodo o electrodo negativo con Pb.I Electrolito a base de H2SO4 diluido en agua.


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Principio de funcionamiento

I nodo (+)

PbO2 + SO24 + H+ + 2e PbSO4 + 2H2O

I Ctodo (-)

Pb + SO24 PbSO4 + 2e

I Global

Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O


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Luminarias

Evolucin de la tensin en un proceso decarga

Tiempo de carga (horas)

Ten

sin

de

Carg

a (V

)

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

0 10 20 30 40

: Temperatura { 10 }0 10 20 30 40

: Temperatura { 25 }

0 10 20 30 40

: Temperatura { 35 }

Corriente (A)5812


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Luminarias

Evolucin de la tensin durante un procesode descarga

Profundidad de descarga (PD)

Ten

sin

de

desc

arga

(V)

1.0

1.5

2.0

0.4 0.6 0.8 1.0


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Carga

I El sulfato de plomo se transforma en oxido deplomo, plomo y acido.

I Con largos perodos en estados parciales de carga, elcido se concentra en el fondo por gravedad(estratificacin)I Las reacciones no se producen de igual forma en

toda la extensin de las placas, lo que realimenta elproceso.

I Puede reducirse mediante un gaseo controlado.

I Al terminar el proceso de carga se produce laelectrolisis del agua, con liberacin de oxigeno ehidrgeno (gaseo):I Prdida de agua del electrolito (hay que reponerla)I Homogeneizacin del electrolito por agitacin

(reduce la estratificacin)


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Descarga

I Ambos electrodos transforman la materia activa ensulfato de plomo en ambos y agua en el nodo.

I Consumo de electrolito (disminuye su densidad) ycambios de volumen de los materiales activos.

I Descargas repetidas producen prdida de materialactivo y degradacin de las placas.

I Si la descarga es muy rpida y la bateria permanecedescarga largo tiempo, el sulfato cristaliza y no esrecuperable (sulfatacin).

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Temperatura baja

I El electrolito se hace ms viscoso y decrece lamovilidad de los iones (aumenta la resistenciaelctrica)

I Baja la capacidad para un regimen de descargadeterminado a razn de 1%/C

I Si el electrolito se congela, no hay movimientoinico, y por tanto la capacidad es nula. Paraevitarlo, hay que recurrir a densidades altas deelectrolito en lugares muy frios.


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Temperatura alta

I Acelera las reacciones, favoreciendo la corrosin.Por tanto, decrece la vida de la batera.

I En climas clidos, se debe optar por bajasconcentraciones de electrolito (que se vecompensada por la mayor movilidad inica debida ala alta temperatura).

I Baja el valor de tensin al que empieza lasobrecarga debido a que la resistencia interna bajacon la temperatura.I Hay que corregir el umbral de corte con la

temperatura (se puede utilizar la ambiente comoreferencia)


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Luminarias

Capacidad segn el regimen de descarga y latemperatura

Regimen de descarga (horas)

Capa

cidad

(Ah)

350

400

450

500

20 40 60 80 100

Temperatura (C)010203040

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Definicin

I El ciclado es el proceso por el que un acumuladores continuamente cargado y descargado durante suvida.

I El ciclado y los agentes externos contribuyen adegradar el acumulador hasta que alcanza el fin desu vida til, momento que puede ser definido comoun valor mnimo en su capacidad til.


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Resistencia al ciclado

I La profundidad de descarga: las descargasprofundas disminuyen los ciclos de vida de unabatera.

I El rgimen de carga: cuanto mayor es el rgimen decarga y el porcentaje de sobrecarga, menor ser lavida alcanzada.

I La temperatura: las temperaturas altas aceleran lacorrosin en los electrodos disminuyendo los ciclosde vida.

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Rejillas

I Las rejillas dan soporte estructural a los materialesactivos (oxido de plomo en nodo, plomo en ctodo)y conducen la corriente elctrica hacia el circuitoexterno.

I Estn fabricadas en aleaciones de Plomo.I La aleacin de plomo-calcio proporciona alta

resistencia a la corrosin por sobrecarga peropresenta elevada corrosin en bajos estados de carga.

I La aleacin de plomo-antimonio presenta buencomportamiento en ciclado y en descarga profunda.

I La rejilla negativa es plana, mientras que la rejillapositiva puede ser plana (operacin en flotacin) otubular (operacin en ciclado).


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Materiales activos y electrolito

I Los materiales activos participan en las reaccionesqumicas. Estn adheridos a las rejillas. Deben serporosos para permitir la penetracin del electrolito

I El electrolito participa en la reaccin y realiza eltransporte inico para cerrar el ciclo de corriente delas reacciones.

I La eleccin del electrolito debe tener en cuenta sudensidad, conductividad, punto de congelacin,poder de corrosin e impurezas.


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Electrolito

I Para reducir la resistencia elctrica del electrolito,su densidad debe ser alta, pero un electrolito dealta densidad es muy agresivo (produce corrosinen la rejilla positiva).

I Altos regmenes de descarga requieren mayordensidad para facilitar el transporte inico. Losacumuladores estacionarios utilizan densidades msbajas que los de arranque.

I El electrolito puede ser lquido (aireadas) oinmovilizado (selladas).


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Separadores

I Los separadores aislan las placas de diferentepolaridad pero permiten el movimiento inico atravs suyo. Deben tener resistencia mecnica, serpermeables y porosas, resistentes a la oxidacin, sincontaminantes y electricamente no conductores.

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Luminarias

Caractersticas generales

I Un acumulador incorporado a un SFA debe sercapaz de funcionar sometido a ciclados diarios yanuales de carga y descarga, teniendo en cuenta quela carga entregada por el generador dependedirectamente de la radiacin (variable en losperodos intradiario e intraanual).

I Debido a las posibles fluctuaciones en la cargaaportada, es probable que se sucedan periodosprolongados en carga parcial.

I Es habitual que las descargas sean a baja intensidadcon periodos de descarga largos, tpicamente entorno a las 100 horas.


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Bateras de arranque

I Habitualmente empleadas en automvilesI Fcilmente localizables en cualquier mercado local a

bajo precio (relativo)I Opcin frecuentemente empleada en sistemas de

electrificacin rural de pequeo tamaoI Reemplazo de bateras estropeadasI Buen comportamiento en descarga de alta intensidad

y tienen buen rendimiento de descarga a bajastemperaturas.

I No son resistentes frente al ciclado


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Bateras de traccin

I Empleadas, por ejemplo, en carretillas elevadoras.I Resistencia suficiente para soportar un elevado

nmero de ciclos profundos de carga-descarga.I Requieren aportacin de agua y mantenimiento

frecuente.I Empleo en SFA slo cuando exista mantenimiento

regular.


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Bateras estacionarias

I Empleadas en sistemas de alimentacinininterrumpida (UPS) o instalaciones remotas (porejemplo, radioenlaces).

I Funcionan en rgimen de flotacin.I Gran reserva de electrolito aunque realizan poco uso

de agua.I Resistencia a la corrosin y elevada fiabilidad.I Opcin muy interesante para SFA. Precio ms

elevado frente a las anteriores opciones.


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Bateras fotovoltaicas

I Bateras SLI modificadas (baratas)I Bateras estacionarias modificadas (caras)


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Eleccin de batera

I La eleccin entre uno u otro tipo es un ejercicio quedebe tener en consideracin no slo criteriospuramente tcnicos sino tambin aspectos como elcoste del sistema, recursos de mantenimientodisponibles durante la vida del sistema,disponibilidad de reemplazo en el mercado local ocapacidad de intervencin del usuario.

I No obstante, para aplicaciones fotovoltaicas serecomienda usar bateras estacionarias aireadas deplaca positiva tubular, o al menos bateras SLImodificadas (placas ms gruesas, mayor cantidad deelectrolito por encima de las placas, ms baratas quelas estacionarias), con aleacin de Pb-Sb en la rejilla yvaso transparente

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Definicin

Un regulador de carga es un equipo electronico capaz deevitar la sobrecarga y la descarga excesiva de unacumulador desconectando al acumulador del generadoro del consumo cuando se alcanzan determinadosestados umbral, generalmente determinados por latensin en bornes.


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Regulador Serie y paralelo

I Regulador Serie

+VB

I Regulador Paralelo

+VB


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Ciclo de carga

ON

OFF

Urc Usc

I Usc debe estar en el rango de 2,3 V a 2,4 V por vaso a25 C.

I Urc debe estar en el rango de 2,15 V a 2,2 V por vaso a25 C.

I Deben corregirse por temperatura a razn de 4 mVC a5 mVC por vaso.


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Ciclo de descarga

ON

OFF

Usd Urd

Los umbrales deben adaptarse a cada tipo de batera(mediante ensayos, o recomendaciones del fabricante)

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Funcionamiento

I Una lmpara fluorescente convencional est formadapor un tubo de descarga con gas a baja presin, unrecubrimiento de una mezcla de polvosfluorescentes y dos electrodos en los extremos.

I Un circuito auxiliar (balasto) cumple dos funcionesprincipales:I Proporciona la tensin de encendido necesaria para

que fluya corriente por el tubo.I Regula la corriente que circula por el tubo una vez

que se ha producido el encendido para evitar sudestruccin.


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Fotometra

Flujo radiante es la potencia emitida por la fuenteluminosa (Unidad: Watio)

Flujo luminoso es la potencia emitida capaz deproducir sensacin luminosa en el ojohumano (Unidad: Lumen)

Iluminacin de una superficie sobre la que incide unflujo luminoso es el ratio entre flujo ysuperficie (Unidad: lux, lm

W2).

Eficiencia de la luminaria (tubo y balasto) es la relacinentre potencia elctrica consumida por elconjunto y la potencia luminosa producida(Unidad: lmW ).


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Regulador decarga

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Degradacin

I El proceso de encendido es el que ms contribuye ala degradacin de los tubos fluorescentes.

I Un mtodo alternativo consiste en precalentar loselectrodos (con un circuito basado en uncondensador y en una resistencia) facilitando el pasoa la etapa de emisin termoinica, y acortando elperodo de encencedido.


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Luminarias

Requisitos

I Recomendable eficiencia superior a 50 lmWI Debe ser superior a 35 lmW .

I Recomendable resistencia a un mnimo de 10000ciclos de encendido y apagadoI Deber resistir 5000 ciclos.

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