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SistemasFotovoltaicosAutónomos
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ConceptosGenerales
AcumuladorElectroquímico
Regulador decarga
Luminarias
Sistemas Fotovoltaicos AutónomosConceptos Generales y Componentes
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Conceptos Generales
Acumulador Electroquímico
Regulador de carga
Luminarias
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Regulador decarga
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Definición de un Sistema Autónomo
Un sistema fotovoltaico autónomo (SFA) produce energíaeléctrica para satisfacer el consumo de cargas eléctricasno conectadas a la red, empleando un sistema deacumulación energético para hacer frente a los períodosen los que la generación es inferior al consumo.
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Configuracion SHS
GENERADOR
REGULADOR
CARGA
BATERIA
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Configuración AC
GENERADOR
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INVERSOR
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Configuración DC+AC
GENERADOR
REGULADOR
INVERSOR
CARGA
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CARGA
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Sistema Híbrido
GENERADOR
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CARGA
RECTIFICADOR
GRUPO ELECTROGENO
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Acumulador Electroquímico
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Acumulador ElectroquímicoDefinicionesPrincipios de funcionamientoModelo eléctricoEfecto de la temperaturaCicladoComposiciónTipos de acumuladores
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AcumuladorElectroquímicoDefiniciones
Principios defuncionamiento
Modelo eléctrico
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Acumulador electroquímico
Un acumulador electroquímico es una bateria secundariao recargable, capaz de almacenar energía eléctricamediante una transformación en energía electroquímica.Sus principales funciones son:
I Autonomía: satisface los requerimientos deconsumo en cualquier momento,independientemente de la generación.
I Suministro de picos de intensidad: cuando esnecesario, puede suministrar valores de intensidadsuperiores a los que proporciona el generador FV.
I Estabilización del voltaje: evita fluctuacionesdañinas para los equipos de consumo.
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Definiciones
Capacidad nominal (Cnom) es la carga eléctrica que puedeser extraída de una batería hasta llegar a ladescarga total.
Régimen de carga/descarga es la corriente aplicada auna batería para restablecer/extraer lacapacidad nominal. Normalmente sepresenta como un ratio entre la capacidadnominal y la corriente.
Estado de carga (SoC) de una batería es la capacidad deuna batería parcialmente cargada, divididapor su capacidad nominal. Por tantosiempre será 0 < SoC < 1.
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Definiciones
Profundidad de descarga (PD) es el complemento delestado de carga.
Tensión de corte: es la tensión a la que finaliza ladescarga de la batería. Depende del régimende descarga y del tipo de batería. Determinala profundidad de descarga máxima, PDmax,y por tanto, la capacidad útil, CU, siendo
CU = PDmax · Cnom
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Definiciones
Eficiencia farádica es el ratio entre la carga extraídadurante la descarga y la carga requeridapara restablecer el estado inicial.
Eficiencia energética es el ratio entre la energía extraídadurante la descarga y la energía requeridapara restablecer el estado inicial.
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ComposiciónUna batería de ácido-plomo se compone de:I Un ánodo o electrodo positivo con PbO2I Un cátodo o electrodo negativo con Pb.I Electrolito a base de H2SO4 diluido en agua.
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Reacción Química REDOX
I Ánodo (+):
PbO2 + SO2−4 + H+ + 2e−
descarga−−−−⇀↽−−−−carga
PbSO4 + 2H2O
I Cátodo (-):
Pb + SO2−4
descarga−−−−⇀↽−−−−carga
PbSO4 + 2e−
I Global:
Pb + PbO2 + 2H2SO4descarga−−−−⇀↽−−−−
carga2PbSO4 + 2H2O
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Descarga
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
I Consumo de electrolito (disminuye su densidad)I Cambios de volumen de los materiales activos.I Descargas repetidas producen pérdida de material
activo y degradación de las placas.I Si la descarga es muy rápida y la bateria permanece
descarga largo tiempo, el sulfato cristaliza y no esrecuperable (sulfatación).
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Carga
2PbSO4 + 2H2O→ Pb + PbO2 + 2H2SO4
I Con largos períodos en estados parciales de carga, elácido se concentra en el fondo por gravedad(estratificación)I Las reacciones no se producen de igual forma en
toda la extensión 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 liberación de oxigeno ehidrógeno (gaseo):I Pérdida de agua del electrolito (hay que reponerla)I Homogeneización del electrolito por agitación
(reduce la estratificación)
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Fuente de tensiónI Una batería de ácido-plomo puede ser modelada
como una fuente de tensión, VBI, en serie con unaresistencia, RBI.
VBI
RBI
Id Ic +
VB
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Densidad del electrolito y Tensión en Abierto
La medida de la tensión en circuito abierto de labatería es un método común para estimar el estadode carga de una batería.
I VBI = ρe + 0.84I Baterías cargadas:
I 1,2 g cm−3 ≤ ρe ≤ 1,28 g cm−3.I 2,04 V ≤ VBI ≤ 2,12 V.
I Hay que corregir con la temperatura
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Evolución de la tensión durante un procesode descarga
Profundidad de descarga (PD)
Tens
ión
de d
esca
rga
(V)
1.0
1.5
2.0
0.4 0.6 0.8 1.0
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Evolución de la tensión en un proceso decarga
Tiempo de carga (horas)
Tens
ión
de C
arga
(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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Temperatura baja
I El electrolito se hace más viscoso y decrece lamovilidad de los iones (aumenta la resistenciaeléctrica)
I Baja la capacidad para un regimen de descargadeterminado a razón de 1%/ºC
I Si el electrolito se congela, no hay movimientoiónico, 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 corrosión.Por tanto, decrece la vida de la batería.
I En climas cálidos, se debe optar por bajasconcentraciones de electrolito (que se vecompensada por la mayor movilidad iónica debida ala alta temperatura).
I Baja el valor de tensión 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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Capacidad según el regimen de descarga y latemperatura
Regimen de descarga (horas)
Cap
acid
ad (
Ah)
350
400
450
500
20 40 60 80 100
Temperatura (ºC)010203040
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Definición
I El ciclado es el proceso por el que un acumulador escontinuamente cargado y descargado durante suvida.
I Produce degradación de la batería por perdida dematerial activo (descargas repetidas) yestratificación.
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Resistencia al ciclado
Los factores que influyen sobre la resistencia delacumulador al ciclado son:I La profundidad de descarga: las descargas
profundas disminuyen los ciclos de vida de unabatería.
I El régimen de carga: cuanto mayor es el régimen decarga y el porcentaje de sobrecarga, menor será lavida alcanzada.
I La temperatura: las temperaturas altas aceleran lacorrosión en los electrodos disminuyendo los ciclosde vida.
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Composición
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Rejillas
I Dan soporte estructural a los materiales activosI Conducen la corriente eléctrica hacia el circuito
externo.I Están fabricadas en aleaciones de Plomo.
I La aleación de plomo-antimonio presenta buencomportamiento en ciclado y en descarga profunda.
I La rejilla negativa es planaI La rejilla positiva puede ser plana (operación en
flotación) o tubular (operación en ciclado).
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Materiales activos
I Los materiales activos participan en las reaccionesquímicas.
I Están adheridos a las rejillas.I Deben ser porosos para permitir la penetración del
electrolito
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Electrolito
I El electrolito participa en la reacción y realiza eltransporte iónico para cerrar el ciclo de corriente delas reacciones.
I Para reducir la resistencia eléctrica del electrolito, sudensidad debe ser alta,
I Pero un electrolito de alta densidad es muyagresivo (produce corrosión en la rejilla positiva).
I Los acumuladores estacionarios utilizan densidadesmás bajas que los de arranque (altos regímenes dedescarga).
I El electrolito puede ser líquido (aireadas) oinmovilizado (selladas).
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Separadores
I Los separadores aislan las placas de diferentepolaridad pero permiten el movimiento iónico através suyo.
I Requisitos:I Resistencia mecánicaI Permeables y porosos.I Resistentes a la oxidaciónI Aislantes eléctricosI Sin contaminantes
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Características 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 radiación (variable en losperíodos 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, típicamente entorno a las 100 horas.
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Baterías de arranque
I Habitualmente empleadas en automóvilesI Fácilmente localizables en cualquier mercado local a
bajo precio (relativo)I Opción frecuentemente empleada en sistemas de
electrificación rural de pequeño tamañoI Reemplazo de baterías 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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Baterías de tracción
I Empleadas, por ejemplo, en carretillas elevadoras.I Resistencia suficiente para soportar un elevado
número de ciclos profundos de carga-descarga.I Requieren aportación de agua y mantenimiento
frecuente.I Empleo en SFA sólo cuando exista mantenimiento
regular.
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Baterías estacionarias
I Empleadas en sistemas de alimentaciónininterrumpida (UPS) o instalaciones remotas (porejemplo, radioenlaces).
I Funcionan en régimen de flotación.I Gran reserva de electrolito aunque realizan poco uso
de agua.I Resistencia a la corrosión y elevada fiabilidad.I Opción muy interesante para SFA. Precio más
elevado frente a las anteriores opciones.
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Elección de batería
I Criterios a tener en cuenta:I Requisitos técnicos (capacidad, tipo de ciclado, etc.)I Coste del sistemaI Recursos de mantenimiento disponibles durante la
vida del sistema,I Disponibilidad de reemplazo en el mercado localI Capacidad de intervención del usuario.
I Para aplicaciones fotovoltaicas se recomienda:I Baterías estacionarias aireadas de placa positiva
tubularI Baterías SLI modificadas: placas más gruesas,
mayor cantidad de electrolito por encima de lasplacas, con aleación de Pb-Sb en la rejilla y vasotransparente.
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Definición
Un regulador de carga es un equipo electrónico 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 latensión en bornes.
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Regulador decarga
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Regulador Serie y paraleloI 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 razón de4 mV ◦C−1 a 5 mV ◦C−1 por vaso.
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Ciclo de descarga
ON
OFF
Usd Urd
Los umbrales deben adaptarse a cada tipo de batería(mediante ensayos, o recomendaciones del fabricante)
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Regulador de carga
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Regulador decarga
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Funcionamiento
I Una lámpara fluorescente convencional está formadapor un tubo de descarga con gas a baja presión, unrecubrimiento de una mezcla de polvosfluorescentes y dos electrodos en los extremos.
I Un circuito auxiliar (balasto) cumple dos funcionesprincipales:I Proporciona la tensión 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 sudestrucción.
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AcumuladorElectroquímico
Regulador decarga
Luminarias
Degradación
I El proceso de encendido es el que más contribuye ala degradación de los tubos fluorescentes.
I Un método alternativo consiste en precalentar loselectrodos (con un circuito basado en uncondensador y en una resistencia) facilitando el pasoa la etapa de emisión termoiónica, y acortando elperíodo de encencedido.
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AcumuladorElectroquímico
Regulador decarga
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Fotometría
Flujo radiante es la potencia emitida por la fuenteluminosa (Unidad: Watio)
Flujo luminoso es la potencia emitida capaz deproducir sensación luminosa en el ojohumano (Unidad: Lumen)
Iluminación de una superficie sobre la que incide unflujo luminoso es el ratio entre flujo ysuperficie (Unidad: lux, lm W−2).
Eficiencia de la luminaria (tubo y balasto) es la relaciónentre potencia eléctrica consumida por elconjunto y la potencia luminosa producida(Unidad: lm W−1).
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AcumuladorElectroquímico
Regulador decarga
Luminarias
Requisitos
I Recomendable eficiencia superior a 50 lm W−1
I Debe ser superior a 35 lm W−1.
I Recomendable resistencia a un mínimo de 10000ciclos de encendido y apagadoI Deberá resistir 5000 ciclos.
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