Fuentes de Energía Alternativa para Telecomunicaciones Materiales de entrenamiento para instructores de redes inalámbricas
Metas Proporcionar una visión general sobre las partes que integran un sistema solar fotovoltaico para telecomunicaciones Entender cuáles variables afectan el desempeño de estos sistemas Examinar brevemente el uso de electrogeneradores eólicos 2
: ) Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico básico consta de cinco componentes principales: el sol, el panel solar, el regulador, las baterias, y la carga. Muchos sistemas también incluyen un convertidor de voltaje para permitir el uso de cargas con diferentes demandas de voltaje. + - paneles solares regulador carga DC + - + - + - inversor conversor DC/DC carga AC carga DC banco de baterias 3
Energía Solar Un sistema fotovoltaico se basa en la capacidad de ciertos materiales para convertir la energía electromagnética del sol en energía eléctrica. La cantidad total de energía solar que ilumina un área determinada por unidad de tiempo se llama irradianza y se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2). Esta energía normalmente se promedia durante un período de tiempo, así que es frecuente hablar de irradianza total por hora, por día o por mes. 4
Irradianza, insolación, y luz solar El gráfico muestra la irradianza solar (in W/m 2 ), la insolación (irradianza acumulativa) y la luz solar (en minutos): [W/m 2 ] 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 irradiance insolation sunlight 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hour of the day 5 800 [minutes] 0
[W/m 2 ] Horas de Sol Pico 1600 1400 1200 irradianza área equivalente 1000 800 600 HSP 400 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 hora del dia 6
Datos reales: irradianza y luz solar total solar flux (W/m 2 ) direct sunlight (minutes) 7
Horas de sol pico Algunas organizaciones han producido mapas que incluyen los valores promedio de la insolación global de las diferentes regiones. Estos valores se conocen como horas de sol pico, o HSP (PSHs, en inglés). Se puede utilizar el valor HSP de cada región para simplificar los cálculos. Una unidad de sol pico corresponde a una densidad de potencia de de 1000 vatios por metro cuadrado. http://www.solar4power.com/solar-power-global-maps.html http://www.synergyenviron.com/resources/solar_insolation_tool.asp http://eosweb.larc.nasa.gov
: ) Paneles solares El componente más notorio del sistema fotovoltaico lo constituyen los paneles solares. + - regulador + - inversor carga AC paneles solares carga DC + - + - conversor DC/DC carga DC banco de baterias 9
Paneles solares Un panel solar está formado por múltiples celdas solares. Hay muchos tipos de paneles solares: Monocristalino: caro, el más eficiente Policristalino: más barato, menos eficiente Amorfo: el más barato, el menos eficiente, el de vida útil más corta De película delgada: flexible, baja eficiencia, los que usan tintes orgánicos están perfeccionándose CIGS: Seleniuro de Galio-Indio- Cobre 10
Paneles Solares Unos 0.55 voltios por celda típicamente 36 celdas en serie para cargar una batería de 12 V
Caracteristica I-V de un panel con 36 celdas solares Isc MPP Voc
Paneles solares: curva IV ISC 8 Irradianza: 1 kw / m 2 Temperatura de la célda: 25 C MPP 6 Current (A) 4 2 0 10 20 30 Voltage (V) VOC 13
Panel solar: curva IV para diferentes valores de irradianza y temperatura 8 Irradiance: 1kW / m 2 Cell Temperature 25C 6 800W / m 2 75C 50C 25C Current (A) 4 600W / m 2 400W / m 2 2 200W / m 2 0 10 20 30 Voltage (V) 14
Optimizar el desempeño del panel 15
Sistema fotovoltaico Si se necesita más energía, se pueden unir múltiples paneles solares en paralelo siempre y cuando haya diodos de bloqueo para proteger los paneles de los desequilibrios. panel solar sin diodo de bloqueo diodo de bloqueo panel solar sin diodo de bloqueo diodo de bloqueo panel solar con diodo de bloqueo carga 12V DC panel solar con diodo de bloqueo cargador solar y regulador convertidor DC/DC carga 24V DC solar panel with block diode inversor DC/DC carga 110V AC banco de baterías 12V 16
Sombra y diodos de Bypass Puesto que una celda en sombra actúa como una carga (un diodo polarizado directamente), se calentará significativamente cuando no se ilumina. Insertando un diodo de bypass cada grupo de celdas, la corriente será desviada a través de él cuando las celdas no reciban radiación y se evita el recalentamiento.
: ) Baterías Las baterías están en el corazón del sistema fotovoltaico, y determinan el voltaje de trabajo. + - regulador + - inversor carga AC paneles solares carga DC + - + - conversor DC/DC carga DC banco de baterias 18
Baterías La batería almacena la energía producida por los paneles que no es consumida inmediatamente por la carga. Esta energía almacenada puede ser usada en períodos de baja radiación solar (en la noche o cuando está nublado). 19
Baterías El tipo más común de batería usado en aplicaciones fotovoltaicas son las de plomo-ácido libres de mantenimiento, también llamadas recombinantes o baterías VRLA (Plomo-ácido regulada por válvula valve regulated lead acid). Estas pertenecen al tipo de ciclo profundo o estacionarias, a menudo usadas como respaldo de energía para comunicaciones telefónicas. Ellas determinan el voltaje de trabajo de su instalación. Para una mayor eficiencia, cualquier otro dispositivo debe ser diseñado para trabajar al mismo voltaje de las baterías. 20
Voltaje de operación Los sistemas fotovoltaicos más autónomos trabajan a 12 o 24 voltios. Preferiblemente, un sistema inalámbrico que funcione con corriente continua (DC) debería operarse a los 12 voltios que proporciona la mayoría de las baterías de plomo ácido. Un enrutador o AP que acepte 8-20 voltios DC es ideal. La mayoría de los AP baratos tienen incorporado un regulador de voltaje de modo conmutado y aceptan trabajar en un rango muy amplio de voltaje sin necesidad de modificación y sin recalentarse (incluso si el dispositivo viene de fábrica con una fuente de energía de 5 ó 12 Voltios). 21
Cómo diseñar un banco de baterías El tamaño del banco de baterías va depender de: la capacidad de almacenamiento requerida la tasa de descarga máxima la temperatura de almacenamiento de las baterías (sólo las de plomo ácido). La capacidad de almacenamiento de la batería (cantidad de energía eléctrica que puede retener) se expresa normalmente en amperios-hora (Ah). Un banco de baterías en un sistema PV debería tener la suficiente capacidad de proporcionar la energía que se necesite en el periodo nublado más largo previsto. 22
: ) El regulador El regulador es la interfaz entre los paneles solares y la batería, y puede a menudo proporcionar energía para cargas DC moderadas. + - regulador + - inversor carga AC paneles solares carga DC + - + - conversor DC/DC carga DC banco de baterias 23
El regulador 24
Monitorizar el estado de la carga Hay dos estados especiales de la carga que pueden presentarse durante los ciclos de carga y descarga de la batería. Ambos deben evitarse para preservar su vida útil. Sobrecarga: ocurre cuando la batería llega al límite de su capacidad. Si se sigue inyectando energía más allá del punto de carga máxima, el electrolito comienza a descomponerse. Esto produce burbujas de oxígeno e hidrógeno, pérdida de agua, oxidación en el electrodo positivo y, en casos extremos, hay peligro de explosión. 25
Monitorizar el estado de carga Sobredescarga: ocurre cuando hay demanda de la carga en una batería descargada. Descargar una batería más allá del límite recomendado por el fabricante puede producir daño en la batería. Cuando la batería cae por debajo del voltaje que corresponde a un 50% de descarga, el regulador impide que se extraiga más energía de la batería. Los valores apropiados para prevenir las sobrecargas y sobredescargas deberían programarse en el controlador de carga para que coincidan con los requisitos de su banco de baterías. 26
Maximizar la vida de la batería Las baterías de plomo-ácido se degradan pronto si se descargan completamente. Una batería de camión va a perder un 50% de su capacidad nominal en 50-100 ciclos si se carga y descarga completamente durante cada ciclo. Nunca descargue una batería de plomo-ácido de12 voltios por debajo de los 11.6 voltios porque acortaría significativamente la vida útil de la misma. En uso cíclico, no se aconseja descargar una batería de camión por debajo del 70%. Mantener la carga en un 80% o más, va a aumentar considerablemente la vida útil de la batería. P. ej., una batería de camión de 170 Ah tiene una capacidad de uso de sólo 34-51 Ah. 27
: ) Convertidores de voltaje Un inversor cambia DC en AC, normalmente a 110V ó 220V. Un convertidor DC/DC cambia el voltaje DC de entrada en el valor deseado. + - regulador + - inversor carga AC paneles solares carga DC + - + - conversor DC/DC carga DC banco de baterias 28
Inversores DC/AC La electricidad provista por el regulador es DC a un voltaje fijo. El voltaje proporcionado podría no ajustarse a los requisitos de la carga. Un convertidor continua/alterna (DC/AC), también conocido como inversor, convierte la corriente DC de la batería en AC. Esto tiene el precio de perder energía en la conversión. 29
Convertidores DC/DC Si es necesario, se puede usar un convertidor para obtener DC a niveles de voltaje diferentes a los proporcionados por las baterías. Los convertidores DC/DC también hacen perder energía en la conversión. Para un funcionamiento óptimo, se debería diseñar el sistema fotovoltaico de manera que genere un voltaje que se ajuste lo más posible a los requisitos de la carga. 30
: ) La carga Satisfacer las necesiades de la carga constituye el verdadero motivo del sistema fotovoltaico. + - regulador + - inversor carga AC paneles solares carga DC + - + - conversor DC/DC carga DC banco de baterias 31
La carga La carga es el equipo que va a consumir la energía generada por el sistema fotovoltaico. La carga se expresa en vatios: watts = volts amperes Si el voltaje está ya definido, la carga puede expresarse a veces en amperios. 32
Consumo de energía La forma más fácil de medir cuánta energía requiere la carga, es usar una fuente de alimentación de laboratorio dotada de voltímetro y amperímetro.. Se puede graduar el voltaje y ver cuánta corriente está consumiendo un dispositivo a diferentes voltajes. Si no tenemos una de estas fuentes, la medición puede hacerse usando la fuente que viene con el dispositivo. Despegue un cable que vaya a la entrada DC del dispositivo e inserte un amperímetro. 33
Consumo de energía La cantidad de potencia consumida puede calcularse con la fórmula: P = V I P es la potencia en vatios, V is voltaje in voltios, e I es la corriente en amperios. Por ejemplo: 6 vatios = 12 voltios 0.5 amperios Si este dispositivo funciona durante una hora, va a consumir 6 vatios/hora (Wh), ó 0.5 amperios/hours (Ah) a 12V. Entonces, el dispositivo va a consumir 144 Wh ó 12 Ah de energía por día. 34
Potencia consumida por dispositivos comunes Dispositivo Powerstation 2 Nanostation 2 Nanostation 2 Loco Bullet 2 Picostation 2 Bullet 2 HP / Pico HP Potencia consumida onsumption 6.5 W 4 W 4 W 4 W 4 W 8 W
Energía eólica Un generador eólico es una opción para un sistema autónomo instalado en un cerro o montaña. La velocidad promedio del viento en un año debería ser de al menos 3-4 metros por segundo. Ojo: ubique el generador lo más alto posible 36
Energía eólica La máxima potencia eólica disponible está dada por: P = 0.5 * 1.225 * v 3 [W/m 2 ] donde v es en m/s, y la densidad del aire es de 1.225 kg/m 3. Esto corresponde al aire seco, a presión atmosférica estándar, al nivel del mar, y a temperatura de 15 Celsius. La eficiencia de los generadores eólicos se ubica entre el 20 y el 40% 37
Generadores eólicos Electrónica integrada: regulación de voltaje, seguimiento de potencia pico y frenado electrónico. Las aspas de fibra de carbón son muy livianas y resistentes. Los generadores eólicos pueden usarse en combinación con paneles solares para acumular energía incluso de noche. 38
Un generador eólico barato puede construirse con un alternador de automóvil conectado a un aspa adecuada. De todas maneras, se necesitan un regulador de voltaje y una batería.!siga las instrucciones de seguridad para este tipo de cosntrucciones!
Aprovechamiento de energía hidraúlica
Fuentes de energía Diferencias de temperatura Vibraciones Radiofrecuencia de transmisores existentes Energía mecánica (frenado regenerativo) Aprovechamiento de fuentes biológicas 41
Energía del ambiente Los sensores a menudo consumen cantidades diminutas de potencia, menos de 1 mw. En este caso se pueden alimentar desde fuentes alternativas Examinar brevemente cuales son las más comunes, además de la solar y del viento ya tratadas 42
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Energía de RF ambiental To assess the feasibility of ambient RF energy scavenging, a survey of expected power density levels distant from GSM-900 and GSM-1800 base stations has been conducted and power density measurements have been performed in a WLAN environment. It appears that for distances ranging from 25 m to 100 m from a GSM base station, power density levels ranging from 0.1 mw/m 2 to 3.0 mw/m 2 may be expected. First measurements in a WLAN environment indicate even lower power density values, making GSM and WLAN unlikely to produce enough ambient RF energy for wirelessly powering miniature sensors. A single GSM telephone however has proven to deliver enough energy for wirelessly powering small applications on moderate distances. Reniers, A.C.F. ; Theeuwes, J.A.C. Ambient RF Energy Scavenging: GSM and WLAN Power Density Measurements. EuMC 2008. 45
Cosechando energía para WSN 46
Microcontrolador de bajo consumo With 160 ua/mhz active power consumption and 1.5 ua standby power consumption, the MSP430F5xx MCUs enable longer battery life or no batteries at all for energy harvesting systems that run off of solar power, vibration energy or temperature differences like found on human body. The low start-up voltages of TPS612xx family enable start of Energy Harvesting at smaller voltages. TI's RF transceivers that operate in the 2.4-GHz/Sub 1-GHz range are wellsuited for reliable digital wireless applications. 47
Sin Baterías By enabling 20+ year battery life, TI is opening the door to new applications that were not feasible with traditional battery powered systems. From powering a clock with a grape, to using vehicle vibrations to power sensors on a bridge, to solar powered sensors for wireless monitoring of a farm or winery, TI along with leading energy harvesting vendors, are creating a complete ecosystem allowing designers to not only envision but also create a battery-less world. 48
Conclusiones Las energías solar y eólica son medios viables de producir energía alternativa Se necesitan baterías para almacenar energía y reguladores de carga adecuados. Estos últimos también son útiles donde haya energía de red pero que no sea confiable. Los sistemas fotovoltaicos son caros, así que conviene hacer un cálculo cuidadoso de los requisitos mínimos. Evite el uso de inversores de tensión. Es posible capturar energía del ambiente. 49
Gracias por su atención Para más detalles sobre los tópicos presentados en esta charla, vaya al libro Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo, de descarga gratuita en varios idiomas en: http://wndw.net/ 50