INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA SISTEMA DE CARGA CON PANELES SOLARES PARA BATERIAS DE AUTOS ELÉCTRICOS TESIS PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTA: TORRES LÓPEZ ALEJANDRO ASESORES: M. EN C. NAYELI RAMÓN LARA ING. EVERARDO LÓPEZ SIERRA México D.F. Diciembre 2013

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3 Índice Resumen... V Abstract... VI Introducción... VII Planteamiento del Problema... IX Objetivo General... XI Objetivos Particulares:... XI Justificación... XII Capítulo 1 Energía Solar 1.1 Usos Captación de la Energía Solar Estructura de una Celda Solar Características de una Celda Solar Paneles Solares Tipos de Conexión entre Paneles... 7 Capítulo 2 Almacenamiento de la Energía en Baterías 2.1 Tipos de Baterías Batería de Plomo-Ácido Batería de Níquel-Hierro Batería Alcalina de Manganeso Batería de Níquel-Cadmio Batería de Níquel-Hidruro Metálico Batería de Iones de Litio Batería de Polímero de Litio Carga de la Baterías Capítulo 3 Consideraciones para el Diseño del Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos 3.1 Unidades de Radiación Solar Página II

4 3.2 Horas de Sol Pico Características Eléctricas de los Paneles Fotovoltaicos Potencia Máxima Calculo del Consumo Máximo Cálculo de la Energía Generada por el Panel Instalación de Corriente Continua Instalación de Corriente Alterna Colocación de los Paneles Solares Distancia entre Paneles Fotovoltaicos Capacidad de la Batería Efecto Sombra Capítulo 4 Cálculos y Simulación del Sistema de Carga 4.1 Cálculos para el Diseño del Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos Carga Rápida a 50 kw en 30 Minutos Cálculos para el Sistema de Carga de Corriente Alterna Carga Normal a 6.6 kw en 4 Horas Carga Normal a 3.5 kw en 8 Horas Inclinación y Distancias Óptimas de los Paneles Solares Acondicionamiento de la Energía Solar para su Uso en la Carga de las Batería Regulación de la Carga Control PWM (Modulador de Ancho de Pulso) Control PWM del Convertidor de CC-CC Control SPWM del Convertidor de CA-CD Convertidor CD-CD (Cúk) Convertidor CD-CA (VSI) Filtros Pasivos (Pasabajas) Presupuestación Aplicación Conclusiones Bibliografía Página III

5 Referencias Anexos A Hojas de Datos de los Elementos Considerados para el Sistema de Carga Características Eléctricas del Panel Solar Erdm- Solar Características Eléctricas del Panel Solar Solartec Características Eléctricas del Panel Solar Heliocol Características Eléctricas de la Batería LTH Características Eléctricas de la Batería Trojan Características Eléctricas de la Batería Motoma Características Eléctricas del Convertidor Fronius Características Eléctricas del IGBT IRGPC40k Características Eléctricas del PIC18F Características Eléctricas del Buffer MC54/74HC244A Características Eléctricas del Optoacoplador NTE Características Eléctricas del Driver IR Características Eléctricas del Módulo de IGBT s Glosario de Términos Página IV

6 Resumen En esta tesis se presenta el diseño de una instalación eléctrica fotovoltaica aislada para realizar la carga de la batería de un auto eléctrico. En el capítulo 1 se presenta un panorama de los paneles fotovoltaicos, lo cual consistió desde que es una celda solar, las partes que constituyen el panel solar y sus diferentes conexiones (serie, paralelo y mixto). En el capítulo 2 se habla de las diferentes baterías que existen en el mercado para la realización de instalaciones eléctricas fotovoltaicas, de sus elementos químicos y de la cantidad de tensión que generan por celda. Tomando en cuenta que algunas baterías no proporcionan la potencia requerida, se realizó la selección de la batería más adecuada a los requerimientos de potencia. Para el diseño de la instalación eléctrica fotovoltaica se consideraron ciertos términos y formulas, así como también algunos datos de diversas organizaciones como son las horas de sol pico y la radiación solar que hay anualmente en México para la realización de las operaciones como se muestra en el capítulo 3. Se desarrollaron los cálculos necesarios en el capítulo 4 para el diseño de la instalación eléctrica fotovoltaica aislada, mediante estos cálculos se determinó el número de paneles fotovoltaicos y baterías necesarios para dicha instalación, considerando los tres tipos de carga, rápida 30 minutos, normal 4 horas y normal 8 horas. Por último se realizaron los diagramas de conexión de los paneles solares, baterías y convertidores, para los tiempos de carga de 30 minutos, 4 horas y 8 horas, se efectuaron los cálculos necesarios para el diseño del convertidor de CD-CD elevador Cúk y del filtro del convertidor de CD-CA y posteriormente se utilizó el paquete computacional PSpice (OrCAD) para obtener las respuestas de los convertidores bajo las condiciones de la carga conectada. Página V

7 Abstract In this thesis project the design of an electrical photovoltaic isolated system is presented, to charge an electrical car's battery. In chapter 1, a preview to the photovoltaic panels is shown; solar cells, parts of the photovoltaic panels and its different connections (series, shunt and mixed) are included. In chapter 2 the different kind of batteries which exists in the industry are explained also with its characteristics such as chemical components and the voltage that each one generates. Considering that some batteries do not provide the necessary power, a certain battery was selected. For the design of the system, specific knowledge and equations were used; also facts like maximum power demanded and annual solar radiation in Mexico were taken into consideration. All this is within chapter 3. The development of the calculus for the basic equations for the system are described on chapter 4. Through this calculation, the minimum amount of panels and batteries were obtained for the three different types of load: fast 30 minutes, normal 4 hours and normal 8 hours. At last, the diagrams of the circuits were drawn for the several loads. In addition, a CD-CD elevator Cuk and a CD-CA filtered converter were designed. Moreover, in order to know the dynamic response of the converters, OrCAD software was required. Página VI

8 Introducción Con la llegada de nuevas tecnologías para la generación de energía eléctrica como son las energías renovables (solar y eólica entre otras) se puede contribuir a la conservación de los recursos naturales no renovables y disminuir las emisiones de CO2 (dióxido de carbono) que contaminan el medio ambiente. Se le denomina energía renovable a la que se obtiene de recursos naturales inagotables, unas porque contienen una gran cantidad de energía y otras porque son capaces de regresar por medios naturales. Las energías renovables se pueden clasificar en: Energía Solar. Energía Eólica. Energía Mareomotriz. Energía Geotérmica. Biomasa. El ser humano puede aprovechar la energía solar por medio de dos tecnologías las cuales son: Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Fototérmicos. Sólo se hablara de la energía solar y de los sistemas fotovoltaicos ya que estos términos son los que se utilizaran para la realización de este proyecto. Los sistemas fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad. A los dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica se les llaman Celdas Solares que son la unidad mínima en la que se lleva a cabo dicha transformación. Las Celdas Solares pueden conectarse en serie y/o en paralelo para formar un panel fotovoltaico (panel solar). Una de las aplicaciones de un panel solar es la de alimentar un sistema de carga de baterías de autos eléctricos ya que con la llegada de estos autos la demanda de energía eléctrica irá aumentando progresivamente. Con este Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos se Página VII

9 busca que mientras las personas estén en su trabajo, de compras en un centro comercial o viajando puedan cargar la batería de su auto eléctrico, eligiendo el tipo de carga que deseen ya sea normal o rápida, es decir, si una persona está de compras en el centro comercial Santa Fe en la ciudad de México (este centro comercial se tomara como referencia para la realización de este proyecto), puede elegir carga rápida, de esta forma su auto eléctrico podrá recargar el 80% de su batería en un tiempo de 30 minutos, por otro lado si un trabajador del mismo centro comercial labora al día 4, 8 o más horas puede elegir carga normal, de esta forma su auto eléctrico podrá cargar el 100% de su batería durante su jornada de trabajo (los tiempos de carga rápida y carga normal fueron obtenidos en la página web de nissan leaf en español). Estos dos tipos de carga estarán disponibles en el mismo sistema de carga, monitoreando el nivel de carga de la batería para que cuando llegue al 80% en carga rápida o al 100% en carga normal, la energía generada por el panel solar sea almacenada en otras baterías para que esa energía cargue la batería de otros autos eléctricos. Página VIII

10 Planteamiento del Problema En México es predominante la generación de la energía eléctrica utilizando recursos naturales no renovables como son: petróleo, gas natural y carbón. Estos combustibles fósiles presentan dos desventajas, la primera que son recursos naturales no renovables, así que con el paso del tiempo se agotarán y la segunda es que la quema de estos combustibles ocasiona daños a la salud de las personas y al medio ambiente, ya que generan una gran cantidad de dióxido de carbono que es el principal gas de efecto invernadero que provoca el cambio climático. La siguiente tabla muestra el porcentaje de generación en el país de cada uno de los tipos de plantas generadoras (ver tabla 1). Tipo de Generación Capacidad Efectiva en MW Porcentaje Termoeléctrica 22, % Hidroeléctrica 11, % Carboeléctrica 2, % Geotermoeléctrica % Eoloeléctrica % Nucleoeléctrica 1, % Fotovoltaica % Termoeléctrica (Productores 11, % Independientes) Eólica (Productores % Independientes) Total 51, % Tabla 1. Capacidad efectiva instalada por tipo de generación al mes de enero de Como se puede observar en la tabla anterior la generación de energía eléctrica por efecto fotovoltaico ocupa el porcentaje mínimo en nuestro país. 1 (CFE, 2013) Página IX

11 Podemos aumentar el porcentaje de este tipo de generación de energía renovable y contribuir a la disminución de CO2, alimentando un Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos, el cual puede estar ubicado en el centro comercial Santa Fe, ya que con la llegada de los autos eléctricos a la Ciudad de México y el aumento en el manejo de este tipo de autos, irá aumentado progresivamente la demanda de energía eléctrica, cuando estos carguen su batería, por lo que es importante contar con fuentes de energía renovables no contaminantes ubicadas en los lugares más visitados por las personas. Con la implementación del sistema de carga que se propone en este proyecto, se busca satisfacer parcialmente la demanda de energía eléctrica por la carga de las baterías de los autos eléctricos que circulen por la Ciudad de México y así disminuir las emisiones de CO2. Por todo lo anterior, Con la utilización de Sistemas de Carga con Paneles Solares para Baterías aislado se podrá satisfacer parcialmente la demanda requerida por los vehículos eléctricos? Esa es la pregunta a la que se pretende dar respuesta con la realización del presente trabajo. Página X

12 Objetivo General Diseñar un sistema de carga para baterías de autos eléctricos alimentado con energía solar. Objetivos Particulares: Identificar los componentes que constituyen al panel solar para el diseño del sistema de captación de energía. Conocer los diferentes tipos de baterías para realizar una correcta selección de la batería que se va a utilizar. Conocer los elementos necesarios más relevantes y realizar los cálculos para el acondicionamiento de la energía para su uso en la carga de las baterías. Realizar los diagramas de conexión de los paneles solares, baterías y convertidores. Simular los circuitos diseñados para obtener las gráficas de respuesta de los convertidores. Página XI

13 Justificación Con la entrada de los autos eléctricos a México cuando éstos empiecen a circular de forma progresiva por las ciudades es necesario contar con un sistema de carga que sea de fácil acceso localizado en calles y áreas de estacionamiento, y que pueda satisfacer la demanda de energía eléctrica generada por la carga de las baterías, ya que actual mente en la Ciudad de México las estaciones de carga que existen son muy pocas y es difícil que puedan dar servicio a una gran cantidad de autos de eléctricos. Con la implementación de este sistema propuesto, las personas que estén realizando alguna actividad en el centro comercial Santa Fe podrán cargar las baterías de sus autos eléctricos de manera sencilla ya que si la carga de la batería es baja, podrán cargarla mientras trabajan, realizan compras, de forma rápida en un tiempo de 30 minutos o normal en un tiempo de 4 u 8 horas, según el tiempo que les convenga, de esta manera podrán viajar en su auto con la seguridad de que la batería de su auto tiene la carga suficiente para llegar a su destino monitoreando el nivel de carga de su batería. Este proyecto también puede contribuir al plan verde de la ciudad de la Ciudad de México en su tema de movilidad, el cual tiene como uno de sus objetivos recuperar las vialidades para el transporte colectivo eficiente y menos contaminante. Página XII

14 Capítulo 1 Energía Solar

15 La energía solar es aquella que se obtiene al captar el calor y la luz que emite el sol. Gracias a sus características, la energía solar es limpia (no contamina) y renovable (por que utiliza recursos que no se agotan). Es importante tener en cuenta que la potencia de la radiación solar y su aprovechamiento para la generación de energía varían dependiendo de la hora del día, condiciones de la atmósfera y ubicación geográfica. 1.1 Usos La aplicación de energía solar más importante es la que se relaciona con la electricidad. Si acumulamos de forma adecuada la radiación proveniente del sol podemos obtener electricidad, tanto para iluminar nuestra vivienda como para dar funcionamiento a distintos electrodomésticos. La electricidad obtenida se puede usar de manera directa o almacenarse en baterías para luego utilizarse en horas nocturnas o en días que carecen de suficiente radiación solar. En una lista de posibles usos de la energía solar, figuran: 1. Calefacción doméstica. 2. Refrigeración. 3. Calentamiento de agua. 4. Destilación. 5. Generación de energía. 6. Fotosistemas. 7. Hornos solares. 8. Cocinas. 9. Evaporación. 10. Acondicionamiento de aire. 11. Control de heladas. 12. Secado de hierbas y frutas. Página 2

16 Una de las aplicaciones de la energía solar es la de usarla directamente como luz para iluminar recintos. En este sentido, cualquier ventana es un colector solar. Otra aplicación de la energía solar se denomina térmica cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún elemento. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado (de madera, tierra, víveres, hornos solares, etc.), son algunas de las aplicaciones térmicas. La energía solar aprovechada por medio de celdas solares se llama fotovoltaica, las celdas solares son capaces de convertir la luz solar en energía eléctrica, sin pasar por un efecto térmico. La energía fotovoltaica se obtiene con las llamadas placas, paneles o módulos solares fotovoltaicos, que convierten en electricidad la energía recibida del Sol. 1.2 Captación de la Energía Solar Los sistemas fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad. A los dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica se les llaman Celdas Solares que son la unidad mínima en la que se lleva a cabo dicha transformación, las Celdas Solares pueden conectarse en serie y/o en paralelo para formar un panel fotovoltaico (panel solar). Los usos de energía solar pueden llevarse a cabo gracias a la existencia de los paneles solares, los cuales cuentan con partes móviles que no contaminan ni producen ruido, no consumen combustible alguno y no necesitan de tareas de mantenimiento; los paneles solares más tecnológicos son capaces de captar la radiación solar aún en días nublados, pero éstos son mucho más costosos que los paneles comunes. Página 3

17 1.2.1 Estructura de una Celda Solar Las celdas solares se fabrican a base de materiales que convierten directamente la luz solar en electricidad. La mayoría de las celdas solares que se utilizan a nivel comercial son de silicio (símbolo químico: Si). El cual es un semiconductor. Hay diferentes tipos de celdas solares de silicio los cuales son: - Monocristalinas. - Policristalinas. - Amorfas. La diferencia entre ellas radica en su estructura cristalina. Existe además, una diferencia en la eficiencia. Es decir, el porcentaje de luz solar que es transformada en electricidad. Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo. Una celda solar está compuesta por capas. Primero, en la parte inferior hay una capa de contacto y después dos capas de silicio. Después, en la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, la cual da a la celda solar su color azul. Eficiencias de celda: Monocristalina: % Policristalina: % Amorfa: 6-7 % Telururo de cadmio (CdTe): 7-8 % Tabla 2. Eficiencias de Celda 2 2 (Poder Solar DSP SA DE CV, 2013) Página 4

18 Figura 1. Construcción de una Celda Solar Características de una Celda Solar Una de las características más importantes de las celdas solares es que el voltaje de la celda no depende de su tamaño, y es bastante constante con respecto al cambio de la intensidad de luz. La corriente en una celda solar, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para poder comparar una celda solar con respecto a otra se debe considerar la densidad de corriente (Amperes), por centímetro cuadrado del área de la celda. La potencia que entrega una celda solar se puede aumentar empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico frente al sol, o concentrando la luz solar, usando lentes o espejos. Sin embargo, el proceso tiene límites debido a que los mecanismos son muy complejos y que las celdas necesitan refrescarse. La corriente de una celda solar es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, lo cual ocasiona una caída en la potencia. 3 (Ecoefecto Tu Energía Solar, 2013) Página 5

19 1.2.3 Paneles Solares Los paneles solares son módulos que usan la energía que proviene de la radiación solar, y pueden ser utilizados de diferentes maneras desde calentar agua en el hogar, hasta producir electricidad. Los paneles solares fotovoltaicos están compuestos de celdas que convierten la luz en electricidad. Dichas celdas utilizan el efecto fotovoltaico, en el cual la energía luminosa produce cargas positivas y negativas en dos semiconductores que están cercanos uno del otro y son de distinto tipo, por lo que se produce un campo eléctrico con la capacidad de generar una corriente. Figura 2. Generación de energía eléctrica con paneles solares 4 En México es importante apoyarse en la NOM-001-SEDE-2012, para realizar el diseño de sistemas solares fotovoltaicos, el artículo 690 sección definiciones nos habla de las partes que constituyen un circuito de una fuente fotovoltaica conectada a la red de distribución. 4 (Venezolana de Televisión (VTV), 2013) Página 6

20 Figura 3. Identificación de los componentes de un sistema solar fotovoltaico Tipos de Conexión entre Paneles Dependiendo de las necesidades que requiera una instalación eléctrica, se asocia una cantidad determinada de paneles fotovoltaicos, para obtener la potencia requerida. Los paneles fotovoltaicos se pueden conectar en: Conexión en Serie: Esta conexión consiste en conectar el polo positivo de un panel fotovoltaico con el polo negativo del siguiente panel y así sucesivamente, repitiendo esta conexión tantas veces como paneles se necesiten. Por ejemplo si se conectan dos paneles de 12V, se tiene como 5 (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 7

21 resultado 24V de tensión nominal. Para conocer los valores de tensión, corriente y potencia en una instalación de este tipo de conexión se utilizan las siguientes formulas: [ ] [ ] [ ] [ ] 12 V 1 A 12 V 1 A V 1 A Figura 4. Conexión en Serie Conexión en Paralelo: Esta conexión consiste en conectar el polo positivo de un panel fotovoltaico con el polo positivo del siguiente panel y el polo negativo de un panel con el polo negativo del siguiente panel y así Página 8

22 sucesivamente, repitiendo esta conexión tantas veces como paneles se necesiten. Al realizar esta conexión se puede aumentar la corriente generada. Por ejemplo al conectar dos paneles solares de 12V y 1A en paralelo, se tienen 12V de tensión nominal y 2A de corriente generada. Para conocer los valores de tensión, corriente y potencia en una instalación de este tipo de conexión se utilizan las siguientes formulas: [ ] [ ] [ ] [ ] 12 V 1 A 12 V 1 A V 2 A Figura 5. Conexión en Paralelo Conexión Mixta: Esta conexión es una combinación de una instalación en serie y paralelo, aumentando los parámetros de tensión y corriente. Por ejemplo al conectar cuatro paneles fotovoltaicos de 12V y 1A, se tendrán 24V de tensión nominal y 2A de corriente generada. Página 9

23 12 V 1A 12 V 1A V 1A 12 V 1A 24 V 1 A V 2 A V 1 A Figura 6. Conexión Mixta Página 10

24 Capítulo 2 Almacenamiento de la Energía en Baterías

25 2.1 Tipos de Baterías Las baterías o acumuladores son dispositivos capaces de acumular energía eléctrica a través de procesos electroquímicos. Algunas tipos de baterías son: Baterías de Plomo-Ácido. Batería de Níquel-Hierro. Batería Alcalina de Magnesio. Batería de Níquel-Cadmio. Batería de Níquel-Hidruro Metálico. Baterías de Iones de Litio. Baterías de Polímero de Litio Batería de Plomo-Ácido. Este tipo de batería fue la primera batería recargable para uso comercial y está formada por un depósito de ácido sulfúrico, en el cual se encuentra una serie de placas de plomo colocadas alternadamente y los electrodos están hechos de plomo, utilizando una solución de agua destilada y ácido sulfúrico como electrolito. El tiempo de vida útil de este tipo de baterías es relativamente corto, debido a la corrosión del electrodo positivo y el agotamiento del material activo, así como al desgaste provocado por las altas temperaturas a las que trabajan. Este tipo de batería posee una de las concentraciones de energía (Wh/kg) más bajas y puede ser utilizada para el suministro de energía de reserva en sistemas informáticos, pequeños vehículos eléctricos como motocicletas y en iluminación de emergencia en caso de que falle la alimentación eléctrica como por ejemplo en edificios de alta prioridad como hospitales. Página 12

26 Las baterías de Plomo-Ácido ofrecen las ventajas de un servicio y tecnología fiable, y la auto-descarga más baja de los sistemas de baterías recargables, y las desventajas de tener una concentración de energía baja, un número limitado de descargas completas, una carga lenta y materiales que dañan el medio ambiente Batería de Níquel-Hierro. Se conforma de hierro metálico para el electrodo negativo y oxido de níquel para el electrodo positivo, con una solución de hidróxido de potasio como electrolito. Cuenta con tubos o bolsas perforadas de acero con recubrimiento de niquela, en los cuales se introducen os materiales activos. En las placas se fijan dichos tubos, y las placas se montan intercalándose (positivo y negativo) para formar la batería. Las ventajas de este tipo de batería son: su larga vida útil, su fabricación sólida y simple, bajo costo y que pueden sobrecargarse o descargarse reiteradas veces sin por ello perder su capacidad. Las desventajas son: su bajo rendimiento a bajas temperaturas y la poca retención de carga Batería Alcalina de Manganeso. Son similares a las pilas alcalinas comunes con la excepción de que están conformadas por hidróxido de potasio. Su envoltura es de acero y el zinc es polvo ubicado en el centro. Se le denomina alcalina ya que ocurre una reacción de oxidación reducción la cual se da entre el zinc metálico que se encuentra en el electrodo de polaridad negativa (ánodo) y el dióxido de manganeso que se encuentra en el electrodo de polaridad positiva (cátodo). La tensión nominal de este tipo de baterías es de 1.5V y en comparación con otras pilas no alcalinas esta tensión se mantiene estable durante más tiempo. Página 13

27 2.1.4 Batería de Níquel-Cadmio. Este tipo de baterías no se ven afectadas por la corrosión debido a su estructura interna de acero y electrolito alcalino, son resistentes a altas temperaturas y poseen una larga vida útil. Funciona a partir de un ánodo de cadmio y un cátodo compuesto por hidróxido de níquel. Por su parte, el electrolito se conforma de hidróxido de potasio. La tensión que entrega esta batería en sus terminales durante la descarga es estable y no falla repentinamente como las baterías de Plomo-Ácido, posee una concentraciones de energía (Wh/kg) superior a la alcanzada con las baterías de Plomo-Ácido. Entre los inconvenientes que presenta se encuentra el cadmio el cual es altamente contaminante y la tensión nominal que es de 1.2V/ celda frente a 2V/celda que suministra la batería de Plomo-Ácido por lo que se requiere una mayor cantidad de baterías conectadas en serie Batería de Níquel-Hidruro Metálico. Emplean un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo compuesto por una aleación de hidruro metálico eliminando el cadmio el cual es muy peligroso para el medio ambiente y caro. Puede almacenar hasta 30% más de energía que una batería de Níquel-Cadmio del mismo tamaño. Se puede presentar el efecto de auto descarga (pierde energía) cuando no son utilizadas, considerando que si la auto descarga supera el 30% al día, la batería puede estar dañada. La tensión nominal que entrega por celda es de 1.2V igual que la batería de Níquel-Cadmio y su desempeño es afectado a altas temperaturas debido a la degradación de los metales del electrodo negativo. Página 14

28 2.1.6 Batería de Iones de Litio. En estas baterías, los iones de litio pasan del electrodo de grafito al electrodo de fosfato de hierro-litio por medio de un electrolito, el cual se encarga de transportarlos. Cuando este tipo de baterías son recargadas, los iones de litio y electrones fluyen en sentido opuesto a como lo habían hecho en la fase de descarga. El tiempo de carga de este tipo de batería depende de la velocidad con la que los iones de litio pueden entrar y salir de los electrodos. Las baterías de iones de litio ofrecen un buen rendimiento energético con una tensión nominal en un intervalo de 3.2 a 3.8 V por celda y ofrecen la ventaja de que son casi reciclables en su totalidad, pero la desventaja es que pueden entregar bajos niveles de potencia en determinados momentos, sobre todo cuando es necesario que la batería entregue potencia extra por alguna situación pero son las baterías más utilizadas por teléfonos móviles y autos eléctricos Batería de Polímero de Litio. Son muy parecidas a las baterías de iones de litio y se pueden fabricar en láminas de un milímetro de espesor, por lo que son de un tamaño más reducido. Suelen utilizarse en equipos pequeños y son más livianas, cuentan con un ciclo de carga y descarga más largo y mayor capacidad. La NOM-001-SEDE-2012 seccion 480-6(a) nos dice que no se exigirá que las celdas y baterías de múltiples celdas con cubiertas selladas en recipientes de material no conductor y resistente al calor, tengan un soporte aislante adicional. 2.2 Carga de la Baterías De acuerdo a la investigación realizada para este proyecto se propone la utilización de la batería de plomo-ácido ya que es la más utilizada para almacenar la energía eléctrica generada por efecto fotovoltaico a falta de la tecnología de ion Página 15

29 de litio. En este proyecto se considerarán tres marcas diferentes de baterías las cuales son: LTH, Trojan y Motoma. Para cargar estas baterías se propondrá el método de carga a tensión constante con corriente limitada, ya que este método es el más utilizado para cargar baterías, el cual consiste en aplicar una corriente constante cuando inicia la carga y manteniéndola hasta que la batería alcance un cierto nivel de tensión, cuando esto ocurre el cargador pasará a un segundo estado, en donde se mantendrá un nivel de tensión constante. Al mantener la tensión constante, la corriente empezará a disminuir hasta que llegue a un valor mínimo que también se mantendrá aproximadamente fijo, cuando esto ocurra, se considera que la batería está cargada, por lo que se deberá sensar la tensión. Para este método de carga se podría considerar una tercera opción cuando la batería este cargada, la cual consiste en aplicar una tensión constante, pero de una magnitud un poco mayor a la tensión nominal denominada tensión de flotación, la cual mantendría a la batería completamente cargada compensando su auto descarga. Página 16

30 Capítulo 3 Consideraciones para el Diseño del Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos

31 3.1 Unidades de Radiación Solar La radiación solar llega considerablemente debilitada a la capa atmosférica de la Tierra y cuando pasa por dicha capa se debilita aún más, por lo que la radiación solar genera 1000 W/ aproximadamente en la superficie de la Tierra. Se pueden obtener los valores de radiación solar de una determinada zona considerando Irradiancia e Irradiación. Donde: Para tener una mejor referencia de los valores de radiación solar que se generan a diario en la Ciudad de México se debe tomar en cuenta el siguiente mapa. Figura 7. Mapa de Radiación Solar en la República Mexicana 6 6 (Power Electrical Sale Corporation S.A. de C.V., 2013) Página 18

32 3.2 Horas de Sol Pico La cantidad de horas pico solar (HPS) es otro factor que influye en la generación de energía eléctrica por efecto fotovoltaico ya que la energía que es captada sólo es recogida durante cierto tiempo. El número de paneles fotovoltaicos utilizados en una instalación depende del cálculo de energía recogida en las HPS. El valor de las HPS va de 3 hasta 7 horas diarias, este valor está en función del mes y el lugar en donde se encuentre la instalación, aunque se sigue aprovechando la energía en las horas de luz restantes pero en menor cantidad. Para el cálculo de las HPS se utiliza la siguiente fórmula: [ ] Donde: : Valor de horas de pico solar. : Valor de irradiación. : Potencia de irradiación incidente. Las horas de sol pico u horas pico solares (HPS) como algunos textos las llaman en las diferentes ciudades de la República Mexicana se muestran en la siguiente tabla: Página 19

33 Tabla 3. Horas de Sol Pico en la República Mexicana 7 7 (Power Electrical Sale Corporation S.A. de C.V., 2013) Página 20

34 3.3 Características Eléctricas de los Paneles Fotovoltaicos Antes de realizar los cálculos para el diseño del sistema de carga se deben conocer los siguientes parámetros elécticos de los paneles solares: Intensidad de cortocircuito ( : Es la máxima intensidad de corriente que se puede obtener del panel, cuando se provoca un cortocircuito (la tensión de salida del panel tiende a 0 volts). Tensión en circuito abierto ( : Es la máxima tensión que se puede obtener del panel si no circula corriente en los bornes del mismo. Tensión nominal ( : Es la tensión a la que trabaja el panel bajo condiciones normales. Por ejemplo los valores de tensión en los paneles dependen del número de celdas que lo constituyen, 36 celdas para 12 volts y 72 celdas para 24 volts. Potencia máxima : Es la potencia máxima que se adquiere del panel y se obtiene del producto de la tensión por la corriente de salida. Tensión máxima : Su valor es aproximadamente al 80% de la tensión en circuito abierto y corresponde al valor de tensión a potencia máxima, también se puede indicar como. Corriente máxima : Corresponde al valor de corriente a potencia máxima, también se puede indicar como. La NOM en la sección módulos, nos dice que estos deben estar marcados en las puntas o terminales con la polaridad, la corriente nominal máxima del dispositivo de protección contra sobrecorriente del módulo y los siguientes valores: 8 1) Tensión de circuito abierto. 2) Tensión de operación. 3) Tensión máxima permisible del sistema. 4) Corriente de operación. 8 (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 21

35 5) Corriente de corto circuito. 6) Potencia máxima. 3.4 Potencia Máxima Es la potencia máxima que se suministra en un día, se representa utilizando Emax_inst y sus unidades de medida son Whd (Watts hora al día). Para el diseño del sistema de carga es necesario calcular la potencia máxima diaria para lo cual se debe considerar: La potencia de cada equipo conectado. La cantidad de equipos que se van a conectar. Las horas en que estarán en funcionamiento dichos equipos. Para realizar el cálculo de la potencia máxima se utiliza la siguiente formula: [ ] 3.5 Calculo del Consumo Máximo Para este cálculo se debe considerar la tensión nominal del banco de baterías que se va a utilizar. Considerando que el consumo varía en función de la tensión a utilizar, es decir, a mayor tensión menor corriente y viceversa. Al colocar un mayor número de baterías en serie aumentara la tensión y la cantidad de corriente disminuirá. Para realizar el cálculo del consumo del sistema de carga se utiliza la siguiente fórmula: [ ] Página 22

36 Donde: : Consumo o corriente máxima del sistema de carga al día (Ahd - Amperes hora al día). : Tensión del banco de baterías. Hay que tener en cuenta que el consumo puede aumentar algún día, por lo tanto se le aumenta un 20% (valor recomendado) al consumo máximo, 9 de esta manera se evita que el sistema de carga falle, algunos textos recomiendan valores de 10%, 15% o 25%, al final el diseñador es el que decide qué valor elegir, o no considerarlo. Para realizar el cálculo del consumo máximo del sistema de carga al día con un aumento del 20%, se utiliza la siguiente formula: [ ] Donde: : Corriente máxima que va a consumir la instalación. Cuando se calcula el consumo máximo del sistema de carga hay que considerar posibles pérdidas, para lo cual hay que calcular las pérdidas totales ( utilizando la siguiente ecuación: [ ] [ ] Donde: : Es la auto descarga de la batería dada a 20 C, si el fabricante no proporciona este dato se utiliza un valor del 0.5%. : Rendimiento de la batería, el valor más usado es de 5%, pero se puede utilizar un valor del 10% si la batería es vieja o es sometida a fuertes descargas. 9 (Energía Solar Fotovoltaica: Cálculo de una Instalacion Aislada, 2009) Página 23

37 : Es el rendimiento del convertidor utilizado (si lo hay), para instalaciones de 220V de corriente alterna, los valores varían entre 80% al 95%, es decir, las perdidas varían entre 20% y 5%. : Es el rendimiento del regulador utilizado, que varía dependiendo de la tecnología que utilizada, si no se conoce este valor se recomienda considerar un valor del 90% de rendimiento, es decir, las perdidas serán del 10%. : Otras perdidas no contempladas, se recomienda un valor del 10%. : Son los días que la instalación funciona sin que los paneles le suministren energía, utilizando valores de 3 y 5 días para instalaciones domésticas, 6 o 7 días para zonas de baja irradiación solar (lugares con periodos largos de días nublados) y 7 y 10 días para sistemas de comunicaciones remotos. : Es la profundidad de descarga de la batería, si este valor no lo proporciona el fabricante, se recomienda considerar un valor de 60 o 70%. Cuando se calculan las pérdidas totales, se realiza el cálculo del consumo máximo (, utilizando la siguiente fórmula: [ ] 3.6 Cálculo de la Energía Generada por el Panel Para poder calcular la energía generada por un panel fotovoltaico durante un día se utiliza la siguiente ecuación: [ ] Donde: : Es la corriente pico o máxima. : Corresponde a las horas de pico solar (horas de suficiente irradiación solar). Página 24

38 : Rendimiento del panel (el cual oscila entre 85% y 95%). Se recomienda usar un rendimiento de 0.9 para la realización de los cálculos por lo que la ecuación 3.8 queda: [ ] [ ] La energía generada por un campo fotovoltaico ( considerando toda la corriente generada en dicho campo ( lo que se tiene la siguiente ecuación: es calculada, por [ ] La corriente pico o corriente máxima que genera la asociación de todos los paneles fotovoltaicos es utilizada para realizar el cálculo de la corriente del campo fotovoltaico. Para el cálculo del número de paneles fotovoltaicos en serie se utiliza la siguiente fórmula: Nota: Se elige el valor próximo inmediato ya que se tiene que dar un valor entero. Para el cálculo del número de paneles fotovoltaicos en paralelo se utiliza la siguiente fórmula: Donde: : Tensión del banco de baterías. : Tensión nominal del panel. Página 25

39 Nota: Al igual que en el cálculo de paneles en serie, se debe elegir el valor próximo inmediato ya que se tiene que dar un valor entero. Cuando el consumo de energía solo va ser en determinados días de la semana, la ecuación 3.11 queda de la siguiente manera: 3.7 Instalación de Corriente Continua Por ser una instalación de corriente continua, las pérdidas en el convertidor no se consideran por lo que es 0, así que si se quiere realizar el cálculo para una instalación con una autonomía de 5 días y considerando los valores recomendados de la sección 3.5 se tiene la siguiente fórmula: [ ] [ ] Si solo se deja como incógnita y se ajusta la formula en función de la zona geográfica, esta quedaría de la siguiente forma: Cuando se utilizan convertidores de corriente continua a corriente continua elevadores o reductores, las perdidas del convertidor deben considerarse. 3.8 Instalación de Corriente Alterna Las pérdidas totales para una instalación eléctrica de corriente alterna se calculan utilizando la siguiente formula: [ ] [ ] Página 26

40 Ya que esta instalación utiliza un convertidor, hay que modificar el valor de en la ecuación de pérdidas, así que si se quiere realizar el cálculo de las pérdidas totales considerando los valores por defecto del inciso 3.6, con un rendimiento del convertidor del 90% ( =0.1) para una instalación con una autonomía de 5 días, las pérdidas totales son: [ ] [ ] Si solo se deja como incógnita y se ajusta la formula en función de la zona geográfica, esta quedaría de la siguiente fórma: Para escoger la potencia máxima del convertidor se debe utilizar el valor de la potencia máxima de la instalación de 220V ( la cual se calcula de la siguiente manera: [ ] 3.9 Colocación de los Paneles Solares Para captar la energía solar es importante la colocación de los dispositivos fotovoltaicos utilizados ya que la incidencia del sol se modifica de acuerdo a la estación de la zona geográfica, por lo que los siguientes términos son importantes: Latitud, Orientación, Inclinación, Incidencia. La orientación y la latitud de la instalación solar eléctrica con paneles fotovoltaicos se obtienen dependiendo del lugar geográfico en donde se realizará dicha instalación, la cual debe tener una inclinación para que el ángulo de incidencia sea Página 27

41 el adecuado. Estas instalaciones se clasifican de acuerdo a su uso: Anual, invierno, verano o determinados meses. El sur (hemisferio norte) se considera como la orientación óptima y para la inclinación se pueden considerar los siguientes valores: Consumo anual: El mismo que la latitud geográfica menos 10. Consumo preferente en invierno: La latitud geográfica más 10. Consumo preferente en verano: La latitud geográfica menos 20. Para poder obtener el valor de la inclinación óptima en una instalación solar eléctrica en función de la latitud del lugar ( ) se puede utilizar la siguiente fórmula: 3.10 Distancia entre Paneles Fotovoltaicos En una instalación fotovoltaica en donde se encuentren una gran cantidad de filas de paneles fotovoltaicos y no hay una distancia adecuada entre dichas filas de paneles, se presentan pérdidas al momento de generar energía eléctrica debidas al efecto sombra. Para saber qué distancia es la adecuada o debe considerarse en la colocación de las filas, una con respecto a otra, se necesita saber cuál es la altura del panel, para lo cual se utiliza la siguiente fórmula: [ ] Donde: : Altura que proyectara el panel. : Hipotenusa correspondiente a la longitud del panel. : Inclinación. Página 28

42 h a β d Nivel del suelo Figura 8. Altura del Panel Fotovoltaico 10 NOTA: Con la formula anterior se puede calcular la distancia mínima entre un objeto y el panel fotovoltaico, conociendo la altura del mismo. Para realizar el cálculo de la distancia ( ) entre un objeto o filas de paneles entre sí, se utiliza la siguiente fórmula: [ ] Donde: : Distancia. : Altura que proyecta el panel u objeto. : Latitud geográfica en donde se realizara la instalación. 10 (Energía Solar Fotovoltaica: Cálculo de una Instalacion Aislada, 2009) Página 29

43 d h d h Figura 9. Distancia entre Paneles y Obstáculos Capacidad de la Batería Para realizar el cálculo de la capacidad del acumulador se utiliza la siguiente fórmula: [ ] Cuando se obtiene este valor se puede realizar el cálculo para obtener el número de baterías que se necesitan conectar en serie y paralelo, utilizando la siguiente ecuación para calcular el número de baterías en paralelo: La cantidad de baterías que se necesitan conectar en serie para obtener la tensión que requiere la carga se calcula con la siguiente fórmula: 11 (Energía Solar Fotovoltaica: Cálculo de una Instalacion Aislada, 2009) Página 30

44 3.12 Efecto Sombra Cuando se genera energía por efecto fotovoltaico hay que evitar cubrir temporalmente la superficie de captación, ya que se generan pérdidas no deseadas, a este efecto se le llama pérdidas por efecto sombra. Existen diferentes aspectos que pueden producir dichas perdidas los cuales son: Poca distancia entre filas de paneles fotovoltaicos: Es cuando un panel fotovoltaico produce un efecto sombra sobre otros paneles. Perdidas por orientación e inclinación: Si un panel solar no tiene una orientación e inclinación adecuada de acuerdo a la localización geográfica de la instalación. Perdidas por sombreado: Es cuando un objeto u objetos proyectan su sombra sobre un panel fotovoltaica. Página 31

45 Capítulo 4 Cálculos y Simulación del Sistema de Carga

46 4.1 Cálculos para el Diseño del Sistema de Carga con Paneles Solares para Baterías de Autos Eléctricos Considerando la especificación del fabricante de autos eléctricos así como cargadores de las baterías que utilizan (Nissan), la carga rápida consta de cargar hasta el 80% de la capacidad total en 30 minutos aproximadamente a una potencia de 50kW de corriente directa, y el 100% de la capacidad total en 4 horas y 8 horas a una potencia de 6.6 kw a 32 A y 3.5 kw a 16 A respectivamente Carga Rápida a 50 kw en 30 Minutos A continuación se muestran los cálculos efectuados para el diseño del sistema de carga de corriente continua para realizar la carga de un auto eléctrico en un tiempo de 30 minutos, considerando 3 marcas de paneles solares y 3 marcas de baterías de plomo ácido, que operan en México: Marca Erdm- Solar Modelo No. de Celdas Tensión Nominal Tensión Máxima Corriente Máxima Potencia Máxima ERDM305M V V 8.43 A 305 W Solartec S72PC V V 7.80 A 295 W Heliocol MXS 230 W V V 7.90 A 230 W Tabla 4. Características Eléctricas de Paneles Solares Marca Modelo Tensión Nominal Capacidad LTH L 31TS 190 M 12 V 115 Ah Trojan 27TMH 12 V 115 Ah MOTOMA MS12V V 100 Ah Tabla 5. Características de las Baterías Página 33

47 Nota: Se seleccionó un tiempo de descarga de la batería de 20 horas considerando que el centro comercial Santa Fe da un servicio de 20 horas continuas. La potencia máxima de la carga del auto eléctrico en corriente continua durante 30 minutos es (ver sección 3.4): La corriente máxima que consume el sistema de carga de corriente continua durante 30 minutos para un auto eléctrico, considerando un banco de baterías de 440 V es (ver sección 3.5): Se le aumenta un 20% al sistema de carga como margen de seguridad por si se incrementa en algún momento el consumo de corriente (ver sección 3.5): Se calculan las pérdidas totales considerando 3 días de autonomía ya que México ocupa el tercer lugar a nivel mundial con mayor potencia de energía solar, como señaló Enrique Caldera en su ponencia Panorama Mundial de la Energía, utilizando la siguiente formula (ver sección 3.5 y 3.7): Por lo tanto el consumo de corriente máxima se calcula de la siguiente manera (ver sección 3.5): Se calcula la energía que generan los paneles solares de las 3 diferentes marcas, considerando las horas de sol pico en el Distrito Federal, la latitud en la que se encuentra la ciudad (ver tabla 3) y un rendimiento de los paneles solares del 90% Página 34

48 según las especificaciones de los fabricantes, utilizando la siguiente formula (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol A continuación se calcula la cantidad de ramas en paralelo considerando las 3 marcas diferentes de paneles solares para obtener la corriente necesaria (ver capítulo 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol Página 35

49 Para después calcular el número de paneles solares en serie de cada rama, se consideran de igual manera las 3 marcas diferentes (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol Se calcula la capacidad del banco de baterías, considerando 3 días de autonomía y una profundidad de descarga de la batería del 60%, se escoge este valor por defecto ya que algunos textos lo recomiendan cuando los fabricantes de las baterías no lo proporcionan en las hojas de datos 12, utilizando la fórmula siguiente (ver sección 3.11): Para después calcular el número de baterías en paralelo, considerando las 3 diferente marcas de baterías (ver sección 3.11): 12 (Energía Solar Fotovoltaica: Cálculo de una Instalacion Aislada, 2009) Página 36

50 Batería LTH Batería Trojan Batería MOTOMA Para obtener el valor de tensión de 440V se calcula la cantidad de baterías que se deben conectar en serie, considerando las 3 marcas anteriores (ver sección 3.11): Batería LTH Batería Trojan Batería MOTOMA Página 37

51 4.2 Cálculos para el Sistema de Carga de Corriente Alterna En esta sección se realizan los cálculos correspondientes a la carga normal de un auto eléctrico para los diferentes tiempos de carga (4 horas y 8 horas) Carga Normal a 6.6 kw en 4 Horas A continuación se presentan los cálculos realizados para el diseño del sistema de carga de corriente alterna para efectuar la carga de un auto eléctrico en un tiempo de 4 horas, considerando 3 marcas de paneles solares y 3 marcas de baterías de plomo ácido, que operan en México (ver tablas 4 y 5). La potencia máxima de la carga del auto eléctrico en corriente alterna durante 4 horas es (ver sección 3.4): Se debe seleccionar un inversor cuya potencia de salida sea mayor o igual al del consumo de corriente alterna por la carga del auto eléctrico (ver sección 3.8): La corriente máxima que consume la carga del auto eléctrico durante 4 horas, considerando un banco de baterías de 220V es (ver sección 3.5): Se le aumenta un 20% al sistema de carga como margen de seguridad por si se incrementa en algún momento el consumo de corriente (ver sección 3.5): Página 38

52 Se calculan las pérdidas totales considerando 3 días de autonomía (por lo explicado en la sección 4.1.1) y un rendimiento del inversor del 95%, utilizando la siguiente formula (ver sección 3.5 y 3.8): [ ] [ ] Por lo tanto el consumo de corriente máxima se calcula de la siguiente manera (ver sección 3.5): Se calcula la energía que generan los paneles solares de las 3 diferentes marcas, considerando las horas de sol pico en el Distrito Federal, la latitud en la que se encuentra la ciudad (ver tabla 3) y un rendimiento de los paneles solares del 90% según las especificaciones de los fabricantes, utilizando la siguiente formula (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol A continuación se calcula la cantidad de ramas en paralelo considerando las 3 marcas diferentes de paneles solares para obtener la corriente necesaria (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Página 39

53 Panel Solartec Nota: Como el valor no sobrepasa por mucho el valor de 6 ramas en paralelo se podría considerar dejar este valor de. Panel Heliocol Para después calcular el número de paneles solares en serie de cada rama, se consideran de igual manera las 3 marcas diferentes (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol Página 40

54 Se calcula la capacidad del banco de baterías, considerando 3 días de autonomía y una profundidad de descarga de la batería del 60%, se escoge este valor por defecto ya que algunos textos lo recomiendan cuando los fabricantes de las baterías no lo proporcionan en las hojas de datos 13, utilizando la formula siguiente (ver sección 3.11): Para después calcular el número de baterías en paralelo, considerando las 3 diferente marcas de baterías (ver sección 3.11): Batería LTH Batería Trojan Batería MOTOMA Para obtener el valor de tensión de 220V se calcula la cantidad de baterías que se deben conectar en serie, para cada una de las 3 marcas (ver sección 3.11): 13 (Energía Solar Fotovoltaica: Cálculo de una Instalacion Aislada, 2009) Página 41

55 Batería LTH Batería Trojan Batería MOTOMA Carga Normal a 3.5 kw en 8 Horas A continuación se muestran los cálculos realizados para el diseño del sistema de carga de corriente alterna para llevar a cabo la carga de un auto eléctrico en un tiempo de 8 horas, considerando las 3 marcas de paneles solares y 3 marcas de baterías de plomo ácido, que operan en México (ver tablas 4 y 5). La potencia máxima de la carga del auto eléctrico en corriente alterna durante 8 horas es (ver sección 3.4): Se selecciona un inversor cuya potencia de salida es mayor o igual al del consumo de corriente alterna por la carga del auto eléctrico (ver sección 3.8): Página 42

56 La corriente máxima que consume la carga del auto eléctrico durante 8 horas, considerando un banco de baterías de 220V es (ver sección 3.5): Se le aumenta un 20% al sistema de carga como margen de seguridad por si se incrementa en algún momento el consumo de corriente (ver sección 3.5): Se calculan las pérdidas totales considerando 3 días de autonomía (por lo explicado en el capítulo 4.1.1) y un rendimiento del inversor del 95%, utilizando la siguiente formula (ver capítulo 3.5 y 3.8): [ ] [ ] Por lo tanto el consumo de corriente máxima se calcula de la siguiente manera (ver capítulo 3.5): Se calcula la energía que generan los paneles solares de las 3 diferentes marcas, considerando las horas de sol pico en el Distrito Federal, la latitud en la que se encuentra la ciudad (ver tabla 3) y un rendimiento de los paneles solares del 90% según las especificaciones de los fabricantes, utilizando la siguiente formula (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Página 43

57 Panel Heliocol A continuación se calcula la cantidad de ramas en paralelo considerando las 3 marcas diferentes de paneles solares para obtener la corriente necesaria (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol Para después calcular el número de paneles solares en serie de cada rama, considerando de igual manera las 3 marcas diferentes (ver sección 3.6): Panel Erdm-Solar Página 44

58 Panel Solartec Panel Heliocol Se calcula la capacidad del banco de baterías, tomando en cuenta 3 días de autonomía y una profundidad de descarga de la batería del 60%, se escoge este valor por defecto ya que algunos textos lo recomiendan cuando los fabricantes de las baterías no lo proporcionan en las hojas de datos, utilizando la fórmula siguiente (ver sección 3.11): Para después calcular el número de baterías en paralelo, considerando las 3 diferente marcas de baterías (ver sección 3.11): Batería LTH Batería Trojan Página 45

59 Batería MOTOMA Nota: Como el valor no sobrepasa por mucho el valor de 12 baterías en paralelo se podría considerar dejar este valor de. Para obtener el valor de tensión de 220 V se calcula la cantidad de baterías que se deben conectar en serie, considerando las 3 marcas anteriores (ver sección 3.11): Batería LTH Batería Trojan Batería MOTOMA Página 46

60 La NOM en su sección nos dice que la ubicación de las baterías debe cumplir con lo establecido en los siguientes puntos: 14 a) Ventilación. Se deben tomar medidas para que haya suficiente ventilación y difusión de los gases provenientes de las baterías, para prevenir la acumulación de una mezcla explosiva. b) Partes vivas. La protección de las partes vivas de los equipos eléctricos que funcionen a 50 volts o más deben estar resguardadas contra contactos accidentales por envolventes apropiadas (sección ). c) Espacio de trabajo. Alrededor de todo equipo eléctrico (de 600 volts o menos) debe existir y mantenerse un espacio de acceso y de trabajo suficientemente que permita el funcionamiento y el mantenimiento rápido y seguro de dicho equipo (sección ). El espacio libre de trabajo se debe medir desde el borde del bastidor de la batería. 4.3 Inclinación y Distancias Óptimas de los Paneles Solares La inclinación óptima de los paneles solares para un mejor aprovechamiento de la radiación solar, destacando que la Ciudad de México está ubicada a una latitud de (ver tabla 3 y sección 3.8) es: Con las 3 marcas diferentes de paneles solares y sus respectivas dimensiones (valores proporcionados por los fabricantes), se realizaron los cálculos de distancia entre paneles solares, calculando primero la altura que proyectan los paneles (ver sección 3.9): Panel Erdm-Solar 14 (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 47

61 Panel Solartec Panel Heliocol La distancia mínima entre los paneles solares, para las 3 marcas diferentes es (ver sección 3.9): Panel Erdm-Solar Panel Solartec Panel Heliocol Además de las consideraciones anteriores se debe tomar en cuenta lo que menciona la NOM-001-SEDE-2012 acerca de la instalación de los paneles fotovoltaicos que dice así: Toda estructura o edificio con un sistema de fuente fotovoltaica que no esté conectado a un suministro de la red pública y es un sistema autónomo, debe tener una placa o un directorio permanente instalado en el interior del edificio o la estructura, en un lugar fácilmente visible. La placa o el directorio deben indicar la ubicación del medio de desconexión del sistema, y que la estructura contiene un sistema autónomo de energía eléctrica (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 48

62 4.4 Acondicionamiento de la Energía Solar para su Uso en la Carga de las Batería La NOM-001-SEDE-2012 en la sección definiciones, nos muestra los componentes de un sistema fotovoltaico. Circuitos de una fotovoltaica Circuito fotovoltaico de salida Circuito de entrada del inversor Inversor Circuito de salida del inversor Conexión de la red de generación y distribución de energía eléctrica a) Sistema Interactivo Fuente de energía eólica, generadores accionados por motor, micro hidroeléctricas y otras fuentes Almacenamiento de energía, controlador de carga y control del sistema Circuito fotovoltaico de salida Circuito de entrada del inversor Circuito de salida del inversor Inversor Cargas de c.c. b) Sistema Hibrido Página 49

63 Controlador de carga Circuito fotovoltaico de salida Circuito de entrada del inversor Equipo principal de alimentación para las cargas de c.a. Almacenamiento de la energia Inversor Circuito de salida del inversor Equipo principal de alimentación para las cargas de c.c. c) Sistema Autónomo Figura 10. Identificación de los componentes de un sistema fotovoltaico en configuraciones comunes del sistema El propósito de estos diagramas es el de servir con un medio de identificación de los componentes, circuitos y conexiones de un sistema fotovoltaicos. 2. No se muestra el medio de desconexión ni la protección contra sobrecorriente exigidos por el Artículo No se muestra la puesta a tierra del sistema ni de los equipos. 4. Hay diseños particulares en cada configuración y algunos componentes son opcionales. El siguiente diagrama de bloques muestra las diferentes etapas del sistema de carga con paneles solares para baterías de autos eléctricos propuesto, el cual consta de un grupo de paneles solares, formado por 10 paneles conectados en serie y 6 ramas en paralelo (estos valores fueron el resultado de la carga normal de 8 horas y se consideran por ser la carga que más energía consume), tomando en cuenta los cálculos anteriores y la marca Erd Solar de los paneles solares para que se obtenga una tensión de 220V, ya que con esta marca son necesarios 16 (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 50

64 menor cantidad de paneles solares y se puede hacer una mejor agrupación de estos. Carga Normal Selección de Velocidad de Carga Convertidor Elevador (Cúk) Convertidor de CD-CA (VSI) Regulador de Carga (Sobrecarga) Carga Rápida Carga Baterías Regulador de Carga (Sobredescarga) Figura 11. Etapas del sistema de carga con paneles solares para baterías de autos eléctricos Este grupo de paneles alimentará un banco de baterías el cual consta de 19 baterías conectadas en serie por 12 ramas conectadas en paralelo. De igual manera considerando los cálculos anteriores y dependiendo de la marca de las baterías, si la carga es normal el banco de baterías alimentara con 220V un convertidor de cd-cc (Cúk) elevador para obtener 440V de corriente directa y posteriormente un convertidor de cd-ca para obtener 220V de corriente alterna. En el caso de la carga rápida los paneles alimentaran directamente a la carga de manera que 20 paneles estén conectados en serie y 3 ramas en paralelo, para obtener una tensión de 440V, cuando el auto termine de cargar la energía proveniente de los paneles es almacenada en un banco de baterías, el cual consta de 38 baterías conectadas en serie por 6 ramas conectadas en paralelo como se muestra en la siguiente figura. Página 51

65 Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Carga Normal Carga Rápida Carga Normal Carga Normal Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Figura 12. Diagrama esquemático de la conexión de los paneles solares Como se pudo observar en este capítulo se utilizan 10 paneles para la carga normal y 19 para la carga rápida, así que para poder realizar la transición de carga rápida a normal se utilizarían 20 paneles solares para realizar el sistema de carga. Del diagrama anterior si los interruptores de carga normal se cierran y los de carga rápida se abren, el circuito quedaría de la siguiente forma: Página 52

66 Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie + Carga Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie - Figura 13. Diagrama esquemático de la conexión de los paneles durante la carga normal de un auto eléctrico Ahora bien, si los interruptores de la figura 10 se cierran para la carga rápida y los de carga normal de abren el circuito queda de la siguiente forma: + Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Carga Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie Grupo de 10 paneles conectados en serie - Figura 14. Diagrama esquemático de la conexión de los paneles durante la carga rápida de un auto eléctrico Página 53

67 Y la conexión de las baterías se muestra en el diagrama siguiente: Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Carga Normal Carga Rápida Carga Normal Carga Normal Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Figura 15. Diagrama esquemático de la conexión de las baterías La sección de la NOM nos dice que las baterías de acumuladores con celdas conectadas de modo que operen a tensiones nominales mayores a los 250 volts se les debe aplicar las disposiciones mencionadas de 480-6(a) y además las disposiciones de esta sección. Las celdas deben estar instalas en grupos con una tensión nominal no mayor que 250 volts. El aislamiento, que puede ser el aire, se debe proporcionar entre los grupos, y debe haber una separación mínima de 5 centímetros entre las partes vivas de polaridad opuesta de la batería, para tensiones de batería que no excedan de 600 volts 17. Como se puede observar en este capítulo, se utilizan 19 baterías para la carga normal y 37 para la carga rápida, así que para poder realizar la transición de carga rápida a normal se utilizarían 38 baterías para realizar la instalación eléctrica fotovoltaica. 17 (NOM-001-SEDE-2012, 2012) Página 54

68 Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie + Carga Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie - Figura 16. Diagrama esquemático de la conexión de las baterías durante la carga normal de un auto eléctrico Del diagrama anterior si los interruptores de carga normal se cierran y los de carga rápida se abren, el circuito quedaría de la siguiente forma: + Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Carga Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie Grupo de 19 baterías conectados en serie - Figura 17. Conexión de las baterías de almacenamiento al finalizar la carga de la batería del auto Ya que para la carga rápida se requiere una potencia de 50 kw por hora y dicha potencia es la máxima que puede entregar el sistema de carga con paneles solares para baterías de autos eléctricos, solo se podrá cargar un auto en 30 Página 55

69 minutos. Para la carga normal de 4 horas se requiere una potencia de 6.6kW y para la de 8 horas se requiere una potencia de 3.5kW, por lo tanto se consideran los siguientes cálculos para saber la cantidad de autos que se pueden cargar al mismo tiempo en esta modalidad de carga: [ ] [ ] [ ] [ ] De esta manera, se necesitarán 14 convertidores para la realización del sistema de carga de 3.8kW de potencia de salida (valor comercial) a una tensión de 220Vca para realizar la carga de 14 autos en 8 horas, al cambiar el tiempo de carga a 4 horas se conectaran dos convertidores en paralelo para obtener una potencia de salida 7.6kW a una tensión de 220Vca y así poder cargar 7 autos como máximo al mismo tiempo. Página 56

70 Carga Normal (4 horas) 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga Normal (8 horas) Carga Carga Normal (4 horas) Carga Normal (8 horas) 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Carga Normal (4 horas) Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Carga Normal (4 horas) Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Carga Normal (4 horas) Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Carga Normal (4 horas) Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Carga Normal (4 horas) Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CD-CA 3.8 kw Carga Figura 18. Diagrama esquemático de la conexión de los inversores Página 57

71 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga Figura 19. Diagrama esquemático de la conexión de los inversores durante la carga normal de 4 horas Página 58

72 Del diagrama mostrado en la figura 17, si los interruptores de carga en 8 horas se mantienen abiertos y los de carga en 4 horas se cierran la conexión queda como el diagrama mostrado en la figura Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga 220 Vcc Inversor CC-CA 3.8 kw Carga Figura 20. Diagrama esquemático de la conexión de los inversores durante la carga normal de 8 horas Página 59

73 Del diagrama mostrado en la figura 17, si los interruptores de carga en 4 horas se mantienen abiertos y los de carga en 8 horas se cierran la conexión queda como el diagrama mostrado en la figura Regulación de la Carga La función del regulador de carga es la de vigilar el proceso de carga y descarga de la batería. Tiene como funciones principales: 1. Evitar la sobrecarga de la batería: una vez que la batería este carga al 100% no continúe cargando, de esta manera se aumenta la vida útil de la batería. 2. Impide la sobredescarga de la batería cuando la luz solar es insuficiente: la batería no continuara alimentado el sistema de carga cuando este descargada. 3. Se cerciora del buen funcionamiento del sistema de carga en el punto de máxima eficacia. Para las instalaciones de baja potencia se utilizan los reguladores paralelo o shunt, y para las instalaciones de alta potencia se utilizan los reguladores serie ya que se necesitan dispositivos de control de mayor tamaño que soporten los niveles de tensión y corriente del sistema. Debido al alcance del presente trabajo, no se propone un regulador de carga específico sino que se menciona como consideración futura durante la implementación de ser el caso. 4.6 Control PWM (Modulador de Ancho de Pulso) En muchas aplicaciones industriales, para controlar el voltaje de salida de los inversores, se necesita con frecuencia 1) hacer frente a las variaciones del voltaje de entrada de cd, 2) regular el voltaje de los inversores y 3) satisfacer los requisitos de control de voltaje y frecuencia constantes. Hay varias técnicas para Página 60

74 variar la ganancia del inversor. El método más eficiente de controlar la ganancia (y la tensión de salida) es incorporar control por modulación por ancho de pulso (PWM) en los inversores Control PWM del Convertidor de CC-CC Para poder controlar el ciclo de trabajo de un convertidor, es necesario utilizar un control PWM, que regule y controle la tensión de salida. Una forma de realizar este tipo de control es comparando una onda triangular y una señal de entrada de cd, para poder variar el ancho de pulso, es decir, la tensión de salida, se debe variar el nivel de la señal de entrada de cd o la amplitud de la onda triangular. Figura 21. Comparación de una señal de referencia con una señal portadora 19 Para la realización de este proyecto se utilizara el software de simulación de circuitos eléctricos OrCAD v.16.5 para realizar las simulaciones de los diferentes tipos de PWM. 18, 19 (Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, 2004) Página 61

75 Figura 22. Simulación del control PWM (Esquemático) Nota: Se consideró una constante k de por ser el valor obtenido en los cálculos realizados para el diseño del convertidor Cúk. Figura 23. Salida del PWM comparando una onda triangular y una señal de entrada de cd Página 62

76 4.6.2 Control SPWM del Convertidor de CA-CD El control SPWM es uno de los más utilizados en el control de la tensión de salida de los convertidores CA-CD alimentados por tensión tanto por su facilidad de obtención como control. La manera de generarlo se describe a continuación. Si se aplica una señal de entrada de tipo senoidal cuya frecuencia sea menor que la frecuencia de la onda triangular, la tensión que se obtendrá cuando se filtre la onda modulada también será senoidal. Esta modulación por ancho de pulso sinusoidal (SPWM) es la que se suele usar en las aplicaciones industriales. La frecuencia de la señal de referencia determina la frecuencia de la salida del inversor y su amplitud pico controla el índice de modulación, y en consecuencia el voltaje rms de salida. Figura 24. Voltaje fundamental pico de salida en función del índice de modulación 20 La cantidad de pulsos por medio depende de la frecuencia de la portadora. El voltaje de salida de un inversor contiene armónicos. El control PWM provoca que las armónicas presentes en la tensión de salida sean las que se encuentran en 20 (Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, 2004) Página 63

77 torno a la frecuencia de conmutación y sus múltiplos, es decir, en torno a las armónicas,,, etc. Las frecuencias a las que se presentan las armónicas de voltaje se pueden relacionar por 21 : ( ) Figura 25. Respuesta a la frecuencia de la tensión de salida de un VSI controlado por SPWM 22 Figura 26. Simulación del control PWMS (Esquemático) Se fijaron los valores de 1V como amplitud de onda triangular y 0.1Vmax para la onda senoidal lo que da un índice de modulación de 0.1 para las pruebas mostradas en la figura (Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, 2004) 22 (Power Electronics, Converters, Applications and Design, 2003) Página 64

78 Figura 27. Salida del SPWM comparando una onda triangular y una señal de entrada senoidal de 0.1 V Figura 28. Salida del SPWM con una tensión en la onda senoidal de 1 V Página 65

79 Figura 29. Salida del SPWM con una tensión en la onda senoidal de 1.1 V (Sobremodulación) 4.7 Convertidor CD-CD (Cúk) El convertidor Cúk reduce o eleva la tensión de entrada e invierte su polaridad. Para obtener una tensión de 440V se debe controlar el ciclo de trabajo (es la relación que existe entre el tiempo que permanece encendido y el periodo ) entre un valor de a un valor de, de esta manera se limita el voltaje de mínimo y máximo de salida. Se utilizó este tipo de convertidor debido a que no se necesita un controlador para el MOSFET. Para este proyecto se realizaron los siguientes cálculos para el diseño del convertidor de cd-cd elevador: Datos: ; Tensión de alimentación Página 66

80 ; Tensión de salida, ya que se requiere una tensión positiva y el convertidor Cúk invierte la polaridad se utiliza una tensión negativa. ; Corriente de rizo de los inductores (propuesta). Se utilizó este valor de corriente por que la salida esperada es de 15A y 1A es el % de la corriente de salida lo cual es poco. ; Tensión de rizo de los capacitores (propuesta). Se utilizó este valor de tensión por que la salida esperada es de 440V y 1V es el % de la tensión de salida lo cual es muy poco. ; Frecuencia del PWM. Se utilizó este valor de frecuencia debido a lo observado en la gráfica de corriente vs frecuencia que se encuentra en las hojas de datos del IGBT. Calculo de la constante : ( ) Despejando de la ecuación anterior: De la fórmula para calcular la corriente de rizo del inductor 1 se despeja la variable para conocer el valor del inductor 1: Página 67

81 De la fórmula para calcular la corriente de rizo del inductor 2 se despeja la variable para conocer el valor del inductor 2: Además de los valores de los elementos se necesita calcular los valor critico tanto de inductor como capacitor que son los valores mínimos para circule corriente y tensión continua a través de los mismos. El valor crítico del inductor 1 se calcula utilizando la siguiente fórmula: Considerando la siguiente fórmula para calcular el valor de carga: Por lo tanto el valor crítico del inductor 1 es: Página 68

82 El valor crítico del inductor 2 es: Para obtener el valor del capacitor 1 se utiliza la fórmula para calcular la tensión de rizo del capacitor 1 y se despeja la variable : Para calcular la corriente a la entrada del convertidor se utiliza la siguiente formula: ( ) Considerando la siguiente fórmula para calcular la corriente de salida del convertido: Por lo tanto el valor de la corriente de entrada es: ( ) Habiendo obtenido el valor de la corriente de entrada se puede calcular el valor del capacitor 1: Página 69

83 Para obtener el valor del capacitor 2 se utiliza la fórmula para calcular la tensión de rizo del capacitor 2 y se despeja la variable : El valor crítico del capacitor 1 se calcula utilizando la siguiente formula: El valor crítico del capacitor 2 se calcula de la siguiente manera: Página 70

84 Figura 30. Diagrama esquemático del circuito convertidor cd-cd elevador (Cúk) La tensión de 220V que alimenta al circuito es obtenida de los paneles fotovoltaicos, se utilizaron los valores comerciales de los elementos más próximos a los calculados para realizar la simulación del circuito, al hacer esto no se obtuvo la tensión deseada, así que se elevó un poco el factor k para obtener una tensión aproximada a 440V. Figura 31. Resultados obtenidos del convertidor Cúk Página 71

85 4.8 Convertidor CD-CA (VSI) La función de este convertidor es transformar la tensión de cd proveniente de las baterías a tensión de ca, que pueda ser utilizada por el cargador de los autos eléctricos, considerando como características básicas del convertidor: Tener la capacidad de poder variar la magnitud de salida en amplitud y frecuencia. Poder controlar los armónicos de la magnitud de salida. Figura 32. Disparos del circuito convertidor mediante PWM senoidal, con un índice de modulación del 0.95 A continuación se muestra el circuito convertidor de cd-ca con una carga que consume una potencia de 6.6 kw durante 4 horas a 220 Vca, correspondiente a una carga normal, se tiene que el valor de la carga debe ser de: Página 72

86 Figura 33. Simulación del convertidor de cd-ca, con una carga que consume 6.6 kw Nota: Para efectos de la simulación, se utilizaron interruptores ideales en lugar de dispositivos de estado sólido, la tensión de 440V es obtenida del convertidor Cúk. Figura 34. Resultados del convertidor de cd-ca, con una carga que consume 6.6 kw En la figura 34 se muestra la salida del inversor controlado por PWM, como se observa, el forma de onda de la tensión de salida aún no es la adecuada para la Página 73

87 carga del auto la cual debe de ser senoidal y de 220Vca. Para lograr lo anterior se colocara un filtro lo cual se explica en la sección Figura 35. Disparos del circuito convertidor mediante PWM senoidal, con un índice de modulación del 0.95 Posteriormente se realizó la simulación con el valor de una carga que consuma 3.5 kw correspondiente a una carga normal de 8 horas a 220Vca, se tiene que el valor de la carga debe ser de: Página 74

88 Figura 36. Simulación del convertidor de cd-ca, con una carga que consume 3.5 kw En la figura 37 se muestra la salida del inversor controlado por PWM, como se observa, el forma de onda de la tensión de salida aún no es la adecuada para la carga del auto la cual debe de ser senoidal y de 220Vca. Para lograr lo anterior se colocara un filtro lo cual se explica en la sección Figura 37. Resultados del convertidor de cd-ca, con una carga que consume 3.5 kw Página 75

89 4.8.1 Filtros Pasivos (Pasabajas) Ya que la señal generada se desea hacerla lo más parecida a una onda senoidal pura para lo cual se deben eliminar las armónicas generadas por la acción de conmutación de los interruptores del VSI, se utiliza un filtro pasabajas. Para la construcción de un filtro puede utilizarse sólo una resistencia y un capacitor, en donde la función de trasferencia está dada por la siguiente ecuación: La frecuencia de corte de, ocurre en, y un cero en, lo cual le da al filtro el comportamiento de pasabajas. Las frecuencias altas y bajas influyen en el filtro de diferentes maneras, las frecuencias altas originan y las frecuencias bajas producen lo llevan a su valor máximo (1 o 0 db), es decir, cuando aumenta la frecuencia en el filtro el capacitor empieza a actuar como cortocircuito para las señales de ca, lo que ocasiona que la tensión de salida disminuya. + Vent R C + Vsal - - Figura 38. Filtro pasabajas de primer orden 23 Se decidió hacer un filtro pasabajas de primer orden debido a la facilidad de los cálculos. Por otro lado se observa que el primer armónico de magnitud considerable aparece en es decir,, por lo que debido a que este filtro tiene una respuesta muy suave de decibeles por década se 23 (Filtros Pasivos Pasabajas y Pasaaltas, 2012) Página 76

90 decide la frecuencia de corte igual a, para que el armónico de sea disminuido a veces de la original. Se realizaron los cálculos siguientes para llegar al valor de la frecuencia de corte mencionada anteriormente. Figura 39. Grafica de respuesta en frecuencia para un filtro pasabajas de primer orden 24 Figura 40. Respuesta en frecuencia de la salida del VSI, con una Carga que Consume 6.6 kw 24 (Filtro Basico Pasabajas, 1993) Página 77

91 La grafica anterior muestra el armónico que se debe atenuar mediante la utilización de un filtro, este armónico se presenta en el convertidor cuando la carga de la betería del auto es durante 4 horas. Figura 41. Respuesta en frecuencia de la salida del VSI, con una Carga que Consume 3.5 kw La grafica anterior muestra el armónico que se debe atenuar mediante la utilización de un filtro, este armónico se presenta en el convertidor cuando la carga de la betería del auto es durante 8 horas. Una atenuación de 20dB significa un -20dB y eso representa una década atenuada, por lo tanto: Página 78

92 Figura 42. Disparos del circuito convertidor mediante SPWM, con un índice de modulación del 0.95 Se realizó la simulación del convertidor con una carga que consume 6.6 kw correspondiente a una carga de 4 horas con el filtro pasabajas. Figura 43. Simulación del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 6.6 kw Para el diseño del filtro se realizaron los siguientes cálculos con una resistencia de 100 Ω (valor comercial propuesto): Página 79

93 Figura 44. Resultados del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 6.6 kw En la figura 44 se puede observar la señal de salida del convertidor con el filtro la cual tiene una tensión RMS de 220 Vca, esta tensión es la adecuada para realizar la carga de la batería en 4 horas. Se utiliza un índice de modulación de Página 80

94 Figura 45. Disparos del circuito convertidor mediante SPWM, con un índice de modulación del 0.85 Posteriormente se realizó la simulación del convertidor con una carga que consume 3.5 kw correspondiente a una carga de 8 horas con el filtro pasabajas. Figura 46. Simulación del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 3.5 kw Página 81

95 En la figura 47 se puede observar la señal de salida del convertidor con el filtro la cual tiene una tensión RMS de 220 Vca, esta tensión es la adecuada para realizar la carga de la batería en 8 horas. Se utiliza un índice de modulación de Figura 47. Resultados del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 3.5 kw Nota: Para las simulaciones se utilizaron valores comerciales de los elementos. Como se puede observar se consideraron diferentes índices de modulación para reducir la deformación de las ondas senoidales (armónicos), obtener la tensión deseada a la salida del convertidor y utilizar los mismos valores de los elementos del filtro. Si se quiere reducir aún más los armónicos de la onda senoidal se puede utilizar un valor más grande del capacitor, pero con la precaución de que al aumentar el valor del capacitor, la frecuencia de corte disminuye pudiendo llegar a atenuar la componente de la frecuencia fundamental. Por lo que es necesario compensar aumentando el índice de modulación. Página 82

96 Figura 48. Disparos del circuito convertidor mediante PWM senoidal, con un índice de modulación del 0.96 Se realizó la simulación del convertidor con una carga que consume 6.6 kw correspondiente a una carga de 4 horas con el filtro pasabajas. Figura 49. Simulación del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 6.6 kw Página 83

97 En la figura 50 se puede observar la señal de salida del convertidor con el filtro la cual tiene una tensión RMS de 220 Vca, esta tensión es la adecuada para realizar la carga de la batería en 4 horas. Se utiliza un índice de modulación de Figura 50. Resultados del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 6.6 kw Para la carga de la batería del auto eléctrico correspondiente a 8 horas se realizaron las siguientes simulaciones, con la finalidad de observar la disminución de los armónicos en la onda senoidal aumentando el índice de modulación. Página 84

98 Figura 51. Disparos del circuito convertidor mediante PWM senoidal, con un índice de modulación del 0.88 Posteriormente se realizó la simulación del convertidor con una carga que consume 3.5 kw correspondiente a una carga de 8 horas con el filtro pasabajas. Figura 52. Simulación del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 3.5 kw Página 85

99 En la figura 53 se puede observar la señal de salida del convertidor con el filtro la cual tiene una tensión RMS de 220 Vca, esta tensión es la adecuada para realizar la carga de la batería en 8 horas. Se utiliza un índice de modulación de Figura 53. Resultados del convertidor de cd-ca con filtro pasabajas, correspondiente a una carga que consume 3.5 kw 4.9 Presupuestación El sistema de carga para baterías de autos eléctricos consta de los siguientes elementos, considerando los convertidores propuestos en este capítulo: - Paneles fotovoltaicos Se tomaron en cuenta 3 marcas disponibles en México para formar el sistema de carga, a continuación se muestra la cantidad y el costo de dichos paneles: Cantidad Unidades Marca Precio Total 60 Piezas Erd Solar $3, $222, Piezas Solartec $5, $396, Página 86

100 77 Piezas Heliocol $3, $253, Tabla 6. Cantidad y precio de paneles fotovoltaicos - Baterías de Plomo-Ácido Se tomaron en cuenta 3 marcas disponibles en México para formar el sistema de carga, a continuación se muestran la cantidad y el costo de dichas baterías: Cantidad Unidades Marca Precio Total 228 Piezas LTH $1, $377, Piezas Trojan $2, $678, Piezas Motoma $1, $384, Tabla 7. Cantidad y precio de baterías de plomo-acido - Convertidores Para esta parte se tomó en cuenta un convertidor de una marca disponible en México y los convertidores propuestos en este proyecto, ya que las simulaciones de los convertidores se realizaron con circuitos analógicos, se cambiaran algunos elementos de cada circuito para hacerlos digitales, a continuación se muestra la cantidad de convertidores y los elementos del convertidor propuesto, así como también el costo de los dos convertidores: Convertidor Marca Fronius Cantidad Unidades Marca Precio Total 14 Piezas Fronius $28, $399, Convertidores Propuestos Tabla 8. Cantidad y precio de convertidores Fronius Para armar este convertidor se necesita de los siguientes circuitos: Página 87

101 Convertidor Cúk CD-CD Cantidad Unidades Descripción Precio Total 1 Piezas 1 Piezas 1 Piezas 1 Piezas 1 Piezas 1 Piezas Inductor de 10mH, 50A Capacitor de 470µF Inductor de 10mH, 30A IGBT IRGPC40k Diodo BYT12P- 100 Capacitor de 4.7µF $9, $9, $28.00 $28.00 $3, $3, $85.00 $85.00 $58.50 $58.50 $2.00 $ Piezas PIC18F4620 $ $ Total: $13, Tabla 9. Cantidad y precio de los elementos necesarios para armar el convertidor Cúk Convertidor de CD-CA (Modulador de Ancho de pulso Senoidal) Cantidad Unidades Descripción Precio Total 1 Piezas Microcontrolador Demojm HC08 Freescale $1, $1, Total: $1, Tabla 10. Cantidad y precio del modulador de ancho de pulso senoidal En la siguiente tabla se muestran los elementos necesarios para armar una interfaz de potencia la cual consta de las siguientes etapas: aislamiento, accionamiento, módulo de potencia y protecciones (Diseño de una Interfaz de Potencia para el Accionamiento de un Motor de Inducción Utilizando la Tarjeta DS1103 de dspace, 2005) Página 88

102 Convertidor de CD-CA (Disparos VSI) Cantidad Unidades Descripción Precio Total 1 Piezas 4 Piezas Buffer MC54/74HC244A Optoacoplador NTE3095 $ $ $ $ Piezas Driver IR2136 $99.00 $ Piezas 10 Piezas 10 Piezas 3 Piezas 6 Piezas 6 Piezas 6 Piezas 3 Piezas 3 Piezas 1 Piezas Módulo de IGBT s de 50A Resistencia de 4.7kΩ Resistencia de 2.2kΩ Resistencia de 220kΩ Resistencia de 220Ω Resistencia de 22Ω Capacitor de 0.1µF Capacitor de 150pF Capacitor de 2.2µF Capacitor de Desacople (Snubber) de 55µF $1, $1, $1.00 $10.00 $1.00 $10.00 $1.00 $3.00 $1.00 $6.00 $1.00 $6.00 $2.00 $12.00 $2.00 $6.00 $2.00 $6.00 $54.50 $ Piezas Diodo NTE575 $14.00 $ Piezas 1 Piezas 1 Piezas Capacitor de 22µF Resistencia de 3.3kΩ Resistencia de 1MΩ $2.00 $4.00 $1.00 $1.00 $1.00 $ Piezas Capacitor de 1nF $1.00 $ Piezas Capacitor de 4.7µF $2.00 $4.00 Página 89

103 Total: $2, Tabla 11. Cantidad y precio de los elementos necesarios para armar el convertidor de CD-CA A continuación se muestran todos los circuitos necesarios para armar el convertidor propuesto y su costo total: Convertidor Propuesto Cantidad Descripción Precio Total 1 Convertidor Cúk (CD-CD) $13, $13, Convertidor de CD-CA (Modulador de ancho de Pulso Senoidal) Convertidor de CD-CA (Disparos VSI) $1, $1, $2, $2, Precio Total del Convertidor CD-CA: $17, Tabla 12. Cantidad y precio de los elementos necesarios para armar el sistema de carga con paneles solares para baterías de autos eléctricos Como se mencionó anteriormente se puede realizar la carga de 14 autos en 8 horas al mismo tiempo por lo que se necesita un convertidor para cada auto, es por esto que se realiza la siguiente operación: Precio Total de los Convertidores: Las siguientes tablas muestran el costo del sistema de carga para baterías de autos eléctricos, en función de los convertidores: Página 90

104 Convertidor Precio Total Paneles Solares Marca Precio Total Baterías de Plomo- Acido Marca Precio Total Precio Total por Sistema LTH $377, $999, Erd Solar $222, Trojan $678, $1,300, Motoma $384, $1,006, LTH $377, $1,173, Fronius $399, Solartec $396, Heliocol $253, Trojan $678, $1,473, Motoma $384, $1,179, LTH $377, $1,029, Trojan $678, $1,330, Motoma $384, $1,036, LTH $377, $851, Erd Solar $222, Trojan $678, $1,152, Motoma $384, $858, Convertidor Propuesto $251, Solartec $396, LTH $377, $1,025, Trojan $678, $1,326, Motoma $384, $1,032, LTH $377, $882, Heliocol $253, Trojan $678, $1,182, Motoma $384, $889, Tabla 13. Precio total del sistema de carga considerando diferentes marcas de paneles fotovoltaicos, baterías de plomo-ácido, el convertidor propuesto y el convertidor de la marca Fronius Página 91

105 Como se puede observar en la tabla anterior, el sistema de carga fotovoltaico para baterías de autos eléctricos de menor costo incluye los paneles solares Erd Solar, las baterías LTH y los convertidores propuesto, el cual tiene un valor de $851, pesos por sistema de carga, si se desea una ganancia por sistema del 30% se tiene que el costo sería de $1,216, pesos. Si el tiempo de vida útil de los paneles fotovoltaicos es de 25 años, el de las baterías es de 10 años y el de los convertidores es de 20 años, se tendría que llegar a esta cantidad en un tiempo máximo de 10 años, por lo que la cantidad por mes seria de: Página 92

106 Aplicación La razón por la cual se realizó este proyecto es para buscar que este tipo de sistema de carga se pueda utilizar en diferentes lugares como son centros comerciales previniendo el aumento del uso de los autos eléctricos, así como en los techos de los estacionamientos de las empresas (estacionamiento fotovoltaico), en las casas habitación y en la calle (electrolineras) ya que actualmente en la Ciudad de México se cuenta con dos centros de carga para las baterías del Nissan Leaf, están ubicadas en la colonia Centro y Roma (la primera está destinada para el uso de una flotilla de taxis). Página 93

107 Conclusiones Como se puede observar por los cálculos realizados en el capítulo 4, se necesita de una gran cantidad de paneles solares (60 paneles) y de baterías de plomo ácido (228 baterías), para que el sistema de carga fotovoltaico aislado proporcione la potencia necesaria para la carga de la batería de un auto eléctrico en 30 minutos. Por lo anterior, en la ciudad de México actualmente se utilizan sistemas de carga conectados a la red eléctrica como las localizadas en la Ciudad de México ubicadas en la colonia Centro y Roma, ya que este tipo de sistemas sirve como apoyo al suministro de energía eléctrica y no como fuente principal. De esta manera en el sistema de carga se disminuye la cantidad de elementos (paneles y baterías), en comparación al sistema de carga aislado, reduciendo costos del sistema y por lo tanto el costo de la energía generada o el consumo de energía de la red. Cuando aumente la cantidad de autos eléctricos en México lo recomendable es realizar sistemas de carga conectados a la red ya que si se utilizan sistemas aislados, se disminuirá el nivel de contaminación que producen los autos de combustión interna pero se creara otro tipo de contaminación, la creada por la cantidad de baterías de plomo ácido. Estas baterías pueden dañar el medio ambiente y afectar la salud de las personas, además de que se tendrán que utilizar centros especializados en el control de y manejo de las baterías desechadas. Será posible realizar un sistema de carga fotovoltaica aislada cuando el valor de los paneles fotovoltaicos disminuya y lleguen otro tipo de tecnologías a México como las baterías de ion de litio de gran potencia, esto sucederá con el desarrollo tecnológico en este campo lo cual hará que el precio de los elementos necesarios en este tipo de instalación disminuya y que éstos sean más eficientes. Aun así como se observó en la sección 4.9, los sistemas fotovoltaicos aislados son una buena opción en cuanto a costos se refiere para la carga de las baterías de los autos eléctricos ya que se puede recuperar la inversión mientras que el costo Página 94

108 por la carga de las baterías es bajo, esto es posible considerando también el costo del convertidor propuesto ya que el precio del sistema de carga se reduce en comparación con el sistema de carga armado con el convertidor Fronius, otra ventaja que se tiene es que se puede obtener una mayor potencia a la salida del convertidor, esto se observó en las pruebas realizadas en el paquete computacional PSpice (OrCAD). Las instalaciones eléctricas fotovoltaicas pueden presentar diversos beneficios dado que al instalarse en el lugar en donde se utilice la energía eléctrica (terrazas, azoteas, tejados y patios, de las casas y edificios), se pueden reducir las pérdidas por transmisión y distribución, así como también se pueden suavizar los picos de demanda cuando los paneles fotovoltaicos estén generando energía eléctrica o la energía almacenada en baterías satisfagan el consumo de energía de algún inmueble. Página 95

109 Bibliografía 1.- Miguel Pareja Aparicio, Radiación Solar y su Aprovechamiento Energético, Primera Edición, Miguel Pareja Aparicio, Energía Solar Fotovoltaica, Calculo de una Instalación Aislada, Segunda Edición, Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales, Cuarta Edición, NOM-001-SEDE Daniel W. Hart, Electrónica de Potencia, Primera Edición, Muhammad H. Rashid, Electrónica de Potencia, Circuitos, Dispositivos y plicaciones, Tercera Edición, Eduard Ballester y Robert Piqué, Electrónica de Potencia, Principios Fundamentales y Estructuras Básicas, Primera Edición, Octubre de William H. Hayt, Jr., Jack E. Kemmerly y Steven M. Durbin, Análisis de Circuitos en Ingeniería, Octava Edición, Ned Mohan, Power Electronics, Converters, Applications and Design, Tercera Edición, David Báez López, Análisis de Circuitos con PSpice, Cuarta Edición, Emilio Figueres Amorós, José Manuel Benavent García y Gabriel Garcerá Sanfelíu, Simulacion de Circuitos Electronicos de Potencia con PSPICE, Charles K. Alexander y Matthew N. O. Sadiku, Fundamentos de Circuitos Eléctricos, Tercera Edición, Página 96

110 13.- Nayeli Ramón Lara, Diseño de una Interfaz de Potencia para el Accionamiento de un Motor de Inducción Utilizando la Tarjeta DS1103 de dspace, 2005 Página 97

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115 Anexos A Hojas de Datos de los Elementos Considerados para el Sistema de Carga

116 Características Eléctricas del Panel Solar Erdm- Solar Página 103

117 Características Eléctricas del Panel Solar Solartec Página 104

118 Página 105

119 Características Eléctricas del Panel Solar Heliocol Página 106

120 Características Eléctricas de la Batería LTH Página 107

121 Características Eléctricas de la Batería Trojan Página 108

122 Página 109

123 Página 110

124 Características Eléctricas de la Batería Motoma Página 111

125 Características Eléctricas del Convertidor Fronius Página 112

126 Página 113

127 Características Eléctricas del IGBT IRGPC40k Página 114

128 Página 115

129 Página 116

130 Página 117

131 Página 118

132 Página 119

133 Página 120

134 Características Eléctricas del PIC18F4620 Página 121

135 Página 122

136 Página 123

137 Página 124

138 Características Eléctricas del Buffer MC54/74HC244A Página 125

139 Página 126

140 Página 127

141 Página 128

142 Página 129

143 Página 130

144 Página 131

145 Características Eléctricas del Optoacoplador NTE3095 Página 132

146 Página 133

147 Página 134

148 Página 135

149 Características Eléctricas del Driver IR2136 Página 136

150 Página 137

151 Página 138

152 Página 139

153 Página 140

154 Página 141

155 Página 142

156 Página 143

157 Página 144

158 Página 145

159 Página 146

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161 Página 148

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163 Página 150

164 Página 151

165 Página 152

166 Página 153

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168 Página 155

169 Página 156

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173 Página 160

174 Página 161

175 Página 162

176 Página 163

177 Página 164

178 Página 165

179 Página 166

180 Página 167

181 Página 168

182 Características Eléctricas del Módulo de IGBT s Página 169