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SistemasFotovoltaicosAutónomos

Oscar PerpiñánLamigueiro

ConceptosGenerales

AcumuladorElectroquímico

Regulador decarga

Luminarias

Sistemas Fotovoltaicos AutónomosConceptos Generales y Componentes

Oscar Perpiñán Lamigueiro

http://oscarperpinan.github.io

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http://oscarperpinan.github.io

Conceptos Generales

Acumulador Electroquímico

Regulador de carga

Luminarias



ConceptosGenerales


Regulador decarga

Luminarias

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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ConceptosGenerales


Regulador decarga

Luminarias

Configuracion SHS

GENERADOR

REGULADOR

CARGA

BATERIA

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ConceptosGenerales


Regulador decarga

Luminarias

Configuración AC

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

BATERIA

CARGA

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ConceptosGenerales


Regulador decarga

Luminarias

Configuración DC+AC

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

CARGA

BATERIA

CARGA

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ConceptosGenerales


Regulador decarga

Luminarias

Sistema Híbrido

GENERADOR

REGULADOR

INVERSOR

BATERIA

CARGA

RECTIFICADOR

GRUPO ELECTROGENO

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Conceptos Generales


Regulador de carga

Luminarias

Conceptos Generales

Acumulador ElectroquímicoDefinicionesPrincipios de funcionamientoModelo eléctricoEfecto de la temperaturaCicladoTipos de acumuladoresComposición

Regulador de carga

Luminarias



ConceptosGenerales

AcumuladorElectroquímicoDefiniciones

Principios defuncionamiento

Modelo eléctrico

Efecto de la temperatura

Ciclado

Tipos de acumuladores

Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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ConceptosGenerales



Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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ConceptosGenerales



Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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ConceptosGenerales



Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Conceptos Generales


Regulador de carga

Luminarias



ConceptosGenerales



Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador de carga

Luminarias



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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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


0 10 20 30 40


Corriente (A)5812

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Regulador de carga

Luminarias



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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador de carga

Luminarias



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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador de carga

Luminarias



ConceptosGenerales



Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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 tamaño o comoreemplazo de baterías estropeadas

I Buen comportamiento en descarga de alta intensidady a bajas temperaturas

I No son resistentes frente al ciclado

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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

Baterías de tracción

I Empleadas, por ejemplo, en carretillas elevadoras.I Soportan 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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

Elección de bateríaCriterios a tener en cuenta

I Requisitos técnicos (capacidad, tipo de ciclado, etc.)I Coste del sistemaI Recursos de mantenimiento.I Disponibilidad de reemplazo en el mercado localI Capacidad de intervención del usuario.

Para aplicaciones fotovoltaicas se recomienda

I Baterías estacionarias aireadas de placa positivatubular

I 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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Regulador de carga

Luminarias



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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

Composición

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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Modelo eléctrico


Ciclado


Composición

Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador de carga

Luminarias



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Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador decarga

Luminarias

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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Regulador decarga

Luminarias

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

Luminarias



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Regulador decarga

Luminarias

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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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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Regulador decarga

Luminarias

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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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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