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ESTUDIO DE SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ALTERNATIVOS PARA LA
TELEMETRÍA DE LOS TANQUES DE ACUEDUCTO DE LA CIUDAD DE
CALI
JOSE LUIS RUDA CLEVES
FABIÁN RICARDO MADRID SOLANO
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA
SANTIAGO DE CALI
2007
ESTUDIO DE SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ALTERNATIVOS PARA LA
TELEMETRÍA DE LOS TANQUES DE ACUEDUCTO DE LA CIUDAD DE
CALI
JOSE LUIS RUDA CLEVES
FABIÁN RICARDO MADRID SOLANO
Pasantia para optar al titulo de Ingeniero Electronico
Director Academico
JOHNNY POSADA CONTRERAS
Ingeniero Electrónico
Docente UAO
Coordinador Del Proyecto En La Empresa
LUÍS ÁNGEL TOBON
Profesional Operativo Planta Río Cali
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE AUTOMATICA Y ELECTRONICA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA
SANTIAGO DE CALI
2007
Nota de aceptación:
Aprobado por el comité de grado en
Cumplimiento de los requisitos
Exigidos por la universidad
Autónoma de occidente para optar
Al Titulo de ingeniero electrónico.
Ing. YURI LOPEZ__________
Jurado
Santiago de Cali, 9 julio de 2007.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
Ingeniero Luís Ángel Tobon, Profesional Operativo Planta Puerto Mallarino y
director empresarial de la investigación, por su valiosa colaboración.
Ingeniero Johnny Posada Contreras, Docente UAO y director académico de la
investigación, por su orientación y constante motivación.
CONTENIDO
Pag.
RESUMEN 9
INTRODUCCION 11
1. SISTEMA DE TELEMETRÍA 12
1.1. ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS COMPONENTES DE
SISTEMA DE TELEMETRÍA
13
1.1.1 Sensor de nivel 13
1.1.2 plc micrologix 1500 14
1.1.3 Radio modem 15
2. RECONOCIMIENTO TANQUE DEL ALTO MENGA 16
3. ESTUDIO DE SOLUCIONES 18
3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 18
3.2 ENERGÍA EOLICA 19
3.2.1 Descripcion tecnologica basica de un aerogenerador 20
3.2.2 Curva de potencia de los aerogeneradores 20
3.2.3 Acoplamiento equipo eolico – equipo de telemetria 21
4. SELECCIÓN DE LA FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA 23
5. ESTUDIO DE POTENCIA PARA EL SISTEMA DE TELEMETRÍA (ST) 24
6. IMPLEMENTACION DEL SISTEMA SOLAR FV 25
6.1 CARGA. 25
6.2 ESTIMACION DE PÉRDIDAS 25
6.3 EFICIENCIA DEL SISTEMA 25
6.4 CALCULO DE ENERGÍA PARA EL ST 25
6.5 SELECCIÓN DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO 26
6.6 ESTIMACION DEL NUMERO DE PANELES A UTILIZARSE 26
6.7 MAXIMA TEMPERATURA DE TRABAJO DEL PANEL 27
6.8 POTENCIA DE SALIDA DE UN PANEL 29
6.9 GENERACIÓN DE ENERGÍA DIARIA PRODUCIDA POR EL PANEL 29
6.10 BANCO DE RESERVA 30
6.11 SELECCIÓN DE LA BATERIA 32
6.12 TIEMPO DE RECARGA DE LAS BATERIAS 33
6.13 CALCULO DEL INDICE DE CAIDA DE VOLTAJE (ICV) 33
6.14 PERDIDAS DE POTENCIA EN EL CONDUCTOR 35
6.15 PERDIDAS DE POTENCIA EN EL CONTROLADOR DE CARGA 36
6.16 VERIFICACION DE LA ESTIMACION DE PERDIDAS 37
6.17 MEJORAMIENTO DE LAS CONDICIONES 38
7. ESQUEMA DE SEGURIDAD 39
7.1 TANQUE 42
7.2 BASE PARA LOS PANELES 42
7.3 MALLA PROTECTORA 44
8. ALTERNATIVA DE COMUNICACIÓN CONFIABLE ENTRE EL ST.
Y LA CENTRAL
46
8.1. RED CELULAR 3G IP 46
8.2. SPREAD SPECTRUM (ESPECTRO ENSANCHADO) 47
8.3. COMUNICACIÓN VIA SATELITE 49
9. CONCLUSIONES 51
10. RECOMENDACIONES 52
BIBLIOGRAFIA 53
ANEXO 54
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura.1. Sistema de telemetría 12
Figura.2. Sensor de nivel 13
Figura.3. Plc 14
Figura.4. Radio modem 15
Figura.5. Vista lado izquierdo tenque alto menga 16
Figura.6. Tanque y caseta de vigilancia 17
Figura.7. Transformador mas cercano al tanque de alto menga 17
Figura.8. Sistema solar basico 18
Figura.9. sistema eólico basico 19
Figura.10. Relacion i-v con respecto a la temperatura 27
Figura.11. Variación de la reserva de un banco de baterias 31
Figura.12. Bateria pb-acido ( gel) 32
Figura.13. Regulador solarix stecca 36
Figura.14. Socket de almacenamiento 39
Figura.15. Caseta de vigilancia 40
Figura.16. Esquema del tenque y la malla 41
Figura.17. Tanque de almacenamiento de agua y la caseta de vigilancia 42
Figura.18. Parte alta del tanque alto menga 44
Figura.19. Malla protectora 45
LISTA DE TABLAS
Pag.
Tabla 1. Tabla tecnica sensor de nivel 13
Tabla 2. Tabla tecnica plc 14
Tabla 3. Tabla de consumo radio modem 15
Tabla 4. Tabla de precios de los generadores 23
Tabla 5. Tabla de consumo de potencia vatios-hora/día.dc 24
Tabla 6. Especificaciones tecnicas panel solar kyocera kc 65 t 26
Tabla 7. Relacion entre el icv y el aeg 34
Tabla 8. Cables de cobre 35
Tabla 9. Especificaciones del regulador stecca 37
9
RESUMEN
Las empresas municipales de Cali cuentan con varios tanques alrededor de la
ciudad que se encargan de almacenar y distribuir el agua para los ciudadanos
caleños, estos tanques están en constante monitoreo por un sistema de
telemetría encargado de recopilar la información. de los sensores de nivel y
transmitirlos a la central ubicada en puerto mallarino con el fin de conocer la
cantidad de agua contenida por el tanque y determinar si hay que abastecerlo.
El sistema de telemetría instalado en los tanques de acueducto de CALI posee
varios instrumentos encargados de la medición, análisis y transmisión de las
variables de nivel.
En ocasiones anteriores se alimento el sistema de telemetría del tanque de Alto
Menga por medio de una cometida eléctrica que ofrecía una torre de
comunicaciones perteneciente a una compañía operadora de celular (comcel),
pero debido a que se encuentra en una zona aislada y de un estrato social bajo
esta cometida fue robada, dejando el sistema totalmente des-energizado y a la
central sin la información del estado de nivel de los tanques.
Por eso EMCALI requiere para el buen funcionamiento del sistema de
telemetría la definición de una fuente de energía alternativa que garantice una
alimentación constante apoyándose en los diferentes tipos de energía
disponible, y además realizar el diseño de un esquema de seguridad físico que
impida el hurto de algún componente de la fuente.
Teniendo en cuenta esta información se procedió a realizar una investigación
acerca de cual seria la fuente de energía alternativa apropiada para alimentar
el sistema de telemetría de una manera constante, confiable y además que
sea económica.
10
Se estudian las posibles soluciones y se plantean dos tipos de generación
eléctrica alternativa (energía eólica y energía solar fotovoltaica). Después de
analizar desde el punto de vista físico, social y económico estas dos posibles
soluciones se escoge la energía solar fotovoltaica.
11
INTRODUCCION
La división de acueductos de EMCALI se encarga de la recolección,
tratamiento, bombeo y distribución del agua para los ciudadanos de Cali y
algunos municipios cercanos a esta ciudad.
Emcali cuenta con algunos tanques encargados de almacenar agua, estos
tanques están ubicados en varias zonas alrededor de la ciudad de Cali lo cual
garantizan un total abastecimiento a la población, a su vez dichos tanques
están en constante monitoreo por un sistema de telemetría que posee sensores
de presión, plc, radio-moden, antenas yagui, etc. Que informan a una central
ubicada en puerto mallarino la cantidad de agua contenida por el tanque para a
si mismo saber si hay que abastecerlo.
En su mayoría los tanques se encuentran ubicados dentro del perímetro urbano
lo cual permite que el sistema de telemetría se alimente con el trazado eléctrico
común, pero en otros casos como Alto Menga, Bajo Menga y Nápoles no
existe ningún tipo de fuente de alimentación cercana para energizar el sistema
de telemetría del tanque, por lo que se hace necesario buscar una fuente de
alimentación alternativa que brinde confiabilidad y garantice el buen
funcionamiento del sistema. Dicha fuente de alimentación; debe ser autónoma,
ergonómica y económicamente viable para dar solución al problema planteado.
Además, debe de contar con estructuras de seguridad físicas ya que dada su
ubicación, zonas aisladas y de estrato social bajo, podría ser hurtada por
personas particulares a la empresa. También se deberá realizar un análisis del
área en donde se encuentra ubicado el tanque para conocer las características
predominantes como la topología del terreno y las condiciones atmosféricas
para identificar que fuente de energía alternativa seria conveniente utilizar ya
sea una fuente de energía solar, cólica, fósil o utilizar bancos de baterías.
12
1. SISTEMA DE TELEMETRÍA
El sistema de telemetría que posee emcali esta constituido por un transmisor
de nivel encargado de censar la cantidad de agua contenida por el tanque, los
datos obtenidos se envían a un plc micrologix 1500 por medio del protocolo
modbus (4 – 20mA), el plc procesa los datos obtenidos y los envía a un radio-
moden para que los transmita por medio de una antena yagui a la central
ubicada en puerto mallarino, como se puede observar en la Figura 1.
Figura 1. Sistema de telemetría
PLC MICROLOGIX 1500
RADIO-MODEM
ANTENA YAGUI
SENSOR DE NIVEL
TANQUE
13
1.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE TELEMETRÍA
1.1.1. Sensor de nivel. Sitrans P DS 3 FF SERIES Siemens: Es el transmisor
con el estándar de seguridad especial para presión absoluta, relativa y
diferencial, así como caudal y nivel. Este transmisor es apto para instalación en
circuitos de medición SIL 2 según IEC 61508/IEC 61511.
Figura 2. Sensor de nivel siemens Sitrans P DS III
Tabla 1. Especificaciones técnicas sensor de nivel
POWER SUPPLY Vh SUPPLIED VIA
BUS separate 24V power supply necessary no bus voltaje 9 to 32V not ex 9 to 24V whit intrinsicall-safe operation current consumption basic current (max) 12mA starting current ≤ basic currenti yes
14
1.1.2. Plc. PLC Micrologix 1500 base units: Es un plc fabricado por la compañía
Allan – Bradley el cual contiene 12 entradas de 24Vdc y 12 salidas de rele a
120Vac, soporta los protocolos de comunicación RS-232 con DF1 en full
duplex, DF1 en half duplex, ASCII, Modbus y protocolos DH-485. En la Figura
3 se puede observar el plc.
F igura 3. PLC Micrologix 1500
Tabla 2. Datos Técnicos PLC Micrologix 1500.
1764-24BWA and 1764-28BXB Description 1764-24AWA
Inputs 0 through 7
Inputs 8 and Higher
On-State Voltage Range 79…132V ac 14…30.0V dc 14…26.4V dc
10…30.0V dc 10…26.4V dc
Off-State Voltage Range 0…20V ac 0…5V dc
Operating Frequency 47…63 Hz 0…20 kHz 0…1 kHz
Minimum 5.0 mA @ 79V ac 2.5 mA @ 14V dc 2.0 mA @ 10V dc
Nominal 12.0 mA @ 120V ac
7.3 mA @ 24V dc 8.9 mA @ 24V dc
Maximum 16.0 mA @ 132V ac
12.0 mA @ 30V dc 12.0 mA @ 30V dc
Off-State Leakage Current, Min.
2.5 mA 1.5 mA
15
1.1.3 Radio Modem. Radio Modem MDS Transnet 900: El mds transnet utiliza
FHSS (Espectro de Banda Ancha de Salto de Frecuencia) en la banda ISM de
902 / 928 MHz para brindar transporte de datos confiable y de largo alcance de
hasta 115.2 kbps. TransNET provee comunicaciones de datos transparentes
para casi todos los protocolos de Telemetría/SCADA y de EFM incluido
MODBUS el radio – MODEM se ilustra en la Figura 4.
Figura 4. Radio Modem MDS Transnet.
Tabla 3. Datos Técnicos Radio – Modem MDS Transnet
MDS Transnet 900 30 – 13.8 Vdc Salida de Potencia
(transmision) 1 Vatio
Consume de corriente (Transmision)
236 – 510 mA
16
2.RECONOCIMIENTO AL TANQUE DEL ALTO MENGA
Durante el desarrollo de la investigacion se hizo una visita al tanque del alto
menga para conocer el sitio en donde se ubicaría la fuente de alimentación
recomendada, con el fin de conocer las caracteristicas predominantes y la
topologia del terreno que ayudaron a determinar la viabilidad de cada una de
las posibles fuentes alternativas.
En la Figura 5 se puede observar una foto tomada desde el lado izquierdo del
tanque en donde se aprecia una malla que impide el acceso directo al publico.
Figura 5. Vista del lado izquierdo del tanque de Alto Menga
El tanque esta unido por el lado derecho a la caseta del vigilante, sitio en el
cual ira ubicado el socket del sistema de telemetria debido a que queda
protegido del agua y del sol; como se muestra en la Figura 6.
17
Figura 6. Tanque y Caseta del Vigilante
Durante el reconocimiento al tanque del alto menga se midio la distancia que
hay entre el ultimo transformador de energía electrica y el tanque, esta
distancia es cercana a los 200m. teniendo en cuenta que para llevar un trazado
electrico hasta el tanque se necesitan de 5 a 6 postes. Cada poste tiene un
costo aproximado de 3 millones de pesos. Esta distancia me genera una caida
de voltage significativa elevando de esta manera los costos por esta razon
EMCALI pide realizar el estudio de una fuente de energía alternativa.
Figura 7. Transformador electrico mas cercano al tanque alto menga
18
3. ESTUDIO DE SOLUCIONES
Después de visitar el tanque del alto Menga, estudiar la topologia del terreno y
analizar las variables climáticas como el viento y radiacion solar etc. se
determino que los tipos de energía alternativa que se pueden utilizar en este
sitio para que el sistema de telemetría funcione adecuadamente son la energía
solar fotovoltaica o la energía eólica, ya que ambas se pueden utilizar en la
zona.
3.1. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica es la energía que resulta de la conversión directa
de la luz solar en electricidad. La energía solar se ha convertido en una
atractiva fuente de energía renovable para aplicaciones de electrificación rural y
telecomunicaciones. Diversas naciones en vías de desarrollo han llevado a
cabo planes masivos de electrificación rural con energía solar.
Figura 8. Sistema solar básico.
El panel solar produce energía en forma de corriente directa (12 voltios) que se
almacena en la batería pasando a través del regulador cuya función es
proteger la batería de la sobrecarga o de la sobredescarga. Las cargas
eléctricas como lámparas, radio, o televisión se conectan a la batería a través
del regulador (Sistema DC) o a través de un inversor (Sistema AC) que
19
convierte la corriente almacenada en la batería en corriente alterna y permite el
uso de las lámparas eficientes y otros electrodomésticos a 120 voltios AC.
A mayor cantidad de luz, mayor es la cantidad de energía que se acumula en la
batería. Por lo tanto durante las temporadas secas de mucho sol se tiene
energía en abundancia. En cambio durante los días lluviosos y nublados, se
tiene menor disponibilidad de energía.
3.2. ENERGIA EOLICA
Figura 9. Sistema eólico básico.
La energía eólica es considerada una energía proveniente indirectamente del
sol, pues es él responsable de los movimientos del aire debido a las diferencias
de temperatura que se crean en la atmósfera. Del movimiento del aire es que
puede extraerse la energía, en forma de energía cinética, que luego es
convertida en otro tipo de energía (por lo general mecánica), todo según lo
permite el concepto de la conversión de energía. Básicamente, el viento
"acciona" algún tipo de artefacto de cuyo funcionamiento se obtiene un
20
beneficio, como pueden ser, las velas de los barcos para la navegación, o la
rotación de los molinos.
Por esta simplicidad en su funcionamiento, la energía eólica, al igual que la
hídrica, fue de las primeras formas de energía de movimiento en suplantar a la
fuerza humana. Hoy en día, al hablar de energía eólica se hace referencia
principalmente al uso que se le da al viento para accionar turbinas eólicas, ya
sea en el bombeo de agua –por medio de las aerobombas-, o en la generación
de electricidad –por medio de los aerogeneradores-. Se requiere para este
proyecto energizar un sistema de telemetría de los tanques de agua de la
ciudad de Cali que requiere de energía eléctrica (de forma DC, AC), y por ello
se empleará un aerogenerador.
3.2.1. Descripcion tecnologica basica de un aerogenerador. Existen dos
conFiguraciones básicas en los aerogeneradores:
- De eje vertical
- De eje horizontal (es el más común)
3.2.2. Curva de potencia de los aerogeneradores. Hay una ecuación
matemática que modela la potencia entregada por una turbina eólica:
TTurbina AVP ηρ 3
2
1= (1)
Donde: η = densidad del aire
A = área de barrido de las aspas (perpendicular a la dirección de viento)
V = velocidad del viento
ρ = eficiencia total del aerogenerador
21
Habrá una velocidad de viento para la cual, por de bajo de ella, la turbina no
entregará ninguna potencia, llamada velocidad de arranque ( iniV ) (cut-in wind
velocity). A la velocidad de viento en la cual el equipo entrega su potencia
nominal ( nP ) se conoce como velocidad nominal (Vr) (rated wind velocity), que
por lo general es la misma velocidad en la que la velocidad rotacional del
equipo es limitada. La velocidad de viento en la cual el equipo es "apagado" por
motivos de seguridad se conoce como velocidad de abatimiento (Vout) (furling
wind velocity).
En general, cuando no se tienen datos específicos del desempeño de la
turbina, la curva de potencia en función de la velocidad del viento puede
aproximarse a:
( )
−−=
inr
inn vv
vvpvP (2)
Cuando v, la velocidad del viento, está entre Vin y Vr, y
( ) npvP = (3)
Cuando v está entre Vr y Vout.
La velocidad de viento para la cuál el equipo de telemetría funciona acoplado al
aerogenerador a su máxima eficiencia es la velocidad de diseño Vd.
3.2.3. Acoplamiento equipo eolico – equipo de telemetría. La entrega de
energía del sistema eólico dependerá del aerogenerador y los regímenes de
vientos donde esté localizado. Puede calcularse utilizando el siguiente
modelamiento matemático:
22
∫ ⋅⋅= dvvpvfTEnergia )()( (4)
Donde:
v velocidad del viento
T Tiempo de entrega de energía (periodo de evaluación)
f(v) función de distribución de velocidad de viento
p(v) función de potencia entregada por aerogenerador
⋅+⋅⋅= ∫∫
Vout
Vr
Vr
Vin
dvvfpndvvPvfPnTEnergia )()()( (5)
⋅+⋅
−−⋅= ∫∫
Vout
Vr
Vr
Vin inr
in dvvfpndvVV
VvvfPnTEnergia )()( (6)
A la relación entre la energía total entregada por el equipo eólico y la energía
que entregará en el mismo periodo de tiempo a una potencia nominal, se llama
factor de planta:
PnT
EnergiaPF
⋅=.. (7)
En términos del factor de planta queda:
∫∫ ⋅+⋅
−−⋅=
Vout
Vr
Vr
Vin inr
in dvvfpndvVV
VvvfPF )()(. (8)
Como se observo en las Figuras 8 y Figura 9 el esquema físico de estos dos
sistemas es el mismo, lo único que cambia es su generador.
23
4. SELECCIÓN DE LA FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA
A continuación se muestra la tabla 4 que compara los costos de estos
generadores.
Tabla 4. Tabla de precio de los generadores.
GENERADOR W CANTIDAD COSTO
AEROGENERADOR 70 1 6´500.000
PANEL SOLAR 65 1 1´391.143
De esta manera se observa lo costoso que es un aerogenerador comparado
con los paneles solares.
Si se mira desde un punto de vista social este tipo de generación de energía
beneficia a la comunidad ya que es una forma limpia de generar energía
eléctrica utilizando los recursos naturales renovables sin destruir ni contaminar
el medio ambiente.
Después de estudiar las especificaciones de las posibles soluciones se decide
recomendar la fuente con energía solar fotovoltaica ya que no solo es la más
económica sino que es la más confiable para el sistema de telemetría.
24
5. ESTUDIO DE POTENCIA REQUERIDA POR LOS EL SISTEMA DE
TELEMETRÍA (ST)
El consumo de potencia de cada componente esta determinado por la
multiplicación del voltaje de alimentación y la corriente que disipa.
W = V *I (10)
Si la potencia calculada se multiplica por el número de horas por día que se va
utilizar el instrumento, obtenemos la potencia- hora/dia de cada componente.
Esta información se puede visualizar en la tabla 5.
Tabla 5. Tabla de consumo de potencia vatios – hora/día
CANTIDAD A
EQUIPOS DC B
POTENCIA (W) C
POTENCIA (W) D = (A*C)
HORAS (h) E
ENERGIA (Wh) F = (D*E)
1 SENSOR DE NIVEL 0,3 0,3 24,0 7,2 1 PLC MICROLOGIX 1500 0,2 0,2 24,0 5,3 1 RADIO-MODEN MDS 7,1 7,1 24,0 170,4 1 ANTENA YAGUI 1,0 1,0 24,0 24,0
TOTAL Wh/día DC = 206,9
25
6. IMPLEMENTACION DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
6.1. CARGA
Se debe satisfacer una carga de 207Wh/d
6.2. ESTIMACION DE PÉRDIDAS
Debido a la disipación de calor en los conductores y al consumo del control de
carga se estiman una perdidas del 2% del total de potencia a generarse.
6.3. EFICIENCIA DEL SISTEMA
Las pérdidas debido al proceso de carga se estiman en un 90% mientras que la
disipación de calor de los conductores y el consumo del regulador permiten
calcular una eficiencia de la parte generadora del 98% (100generación - 2%
perdidas).
La eficiencia total del sistema es igual a:
E. total = E. proceso de carga * E. generación
E. total = 0.9 * (1 – 0.02)
E. total = 0.882
6.4. CALCULO DE ENERGÍA PARA EL ST.
La energía total a generarse se calcula dividiendo la carga total / la eficiencia
total.
Energía a generarse = 207Wh/d / 0.882
Energía a generarse = 234.7Wh/d
26
6.5. SELECCIÓN DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO
Conociendo la carga total y el voltaje de alimentación del sistema de telemetría
se puede estimar que panel solar se puede utilizar.
Se selecciono un panel solar kyocera K65t que tiene las siguientes
especificaciones.
Tabla 6. Especificaciones técnicas panel solar kyocera kc65t
Se considero conveniente usar este tipo de panel debido a la potencia que
suministra lo cual disminuye el numero de paneles a usarse, alto voltaje de
circuito abierto que ayuda a cargar las baterías en menor tiempo y además por
su fácil adquisición y bajo costo en el mercado.
6.6. ESTIMACION DEL NUMERO DE PANELES A UTILIZARSE
Los componentes del sistema de telemetría se deben alimentar a 24Vdc lo cual
permite definir que se deben usar un mínimo de dos paneles solares
conectados en serie ya que cada panel suministra un máximo de 17Vdc en
circuito abierto.
27
6.7. MAXIMA TEMPERATURA DE TRABAJO DEL PANEL
Tanto la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto del panel, se
ven afectados por la temperatura de trabajo, pero el tipo de variación, así como
su magnitud porcentual, son distintos para estos dos parámetros. Si tomamos
como referencia los valores a 25°C del panel solar kyocera kc65t como se
muestra en la Figura 6, la corriente de cortocircuito aumenta moderadamente,
mientras que el voltaje a circuito abierto disminuye sensiblemente.
Es por ello que los fabricantes tratan de ofrecer un voltaje de circuito abierto
elevado a 25°C, de manera que el incremento en la t emperatura de trabajo no
impida el proceso de carga de las baterías. Cuando la temperatura de trabajo
es menor que 25°C, el voltaje de circuito abierto c rece, y la corriente de
cortocircuito disminuye.
Figura 10. Relación I – V con respecto a la temperatura
Cuando la temperatura de trabajo aumenta, el valor de la potencia de salida
disminuye. En la práctica, debido a la disipación de calor dentro de las celdas
28
del panel, salvo en climas muy fríos, la temperatura de trabajo excede los 25°C.
Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico
especificado por el fabricante. Por eso se debe tener en cuenta esta
degradación del panel, a fin de asegurar que los requerimientos eléctricos del
sistema pueden ser satisfechos durante los días más calurosos del verano.
La temperatura de trabajo que alcanza un panel FV obedece una relación lineal
dada por la expresión:
Tt = Ta + k R (10)
Donde Tt es la temperatura de trabajo del panel, Ta es la máxima temperatura
ambiente, R es el valor de la radiación solar en mW/cm2, y k es un coeficiente
que varía entre 0,2 y 0,4°C.cm2/ mW, dependiendo de la velocidad promedio
del viento.
Cuando ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel es pobre o
nulo, y k toma valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad
promedia del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de k
será el mínimo (0,2). El valor de R varía entre 80 y 100mW/cm2. Para
locaciones con alto valor de insolación diaria se usa el valor máximo. Si existen
nubes pasajeras que reducen el valor de irradiación, el valor de R se reduce a
80mW/cm2. El producto kR representa el incremento de temperatura que sufre
el panel sobre la máxima temperatura ambiente.
Si se seleccionan los valores más críticos, es decir, que hayan cero vientos y
una máxima radiación solar se puede estimar la máxima temperatura de trabajo
del panel.
Ta = 35ºC K= 0.4 R= 100
Reemplazando en la expresion 9 se obtiene:
29
Tt = 35 +0.4*100 Tt = 75ºC
La máxima temperatura de trabajo del panel solar será 75ºC.
6.8. POTENCIA DE SALIDA DEL PANEL
El calculo de la potencia de salida de un panel trabajando a temperatura Tt esta
determinado por la expresión:
Pt = Pp - (Pp * δ * AT) (11)
Donde Pt es la potencia de salida a la temperatura de trabajo (Tt); Pp es la
potencia pico del panel (a 25°C); δ es el coeficiente de degradación (0,6%/°C) y
AT es el incremento de temperatura por sobre los 25°C.
Reemplazando en la expresión 10 se obtiene:
Pp = 65W δ = 0.006 AT = 75 ºC - 25 ºC = 50 ºC
PT = 65 – (65*0.006*50)
PT = 45.5 W
La potencia pico del panel a temperatura Tt desciende hasta 45.5W
6.9. GENERACIÓN DE ENERGÍA DIARIA PRODUCIDA POR EL PANEL
La potencia de energía diaria generada por el panel se puede calcular
multiplicando la potencia de salida del panel a temperatura Tt por el número de
paneles y por el número de horas de insolación diaria.
La soleacion diaria promedio esta alrededor de 6 a 7 horas pero para efectos
de cálculos matemáticos se usan 5 horas.
30
Potencia generada = Potencia del panel * numero de paneles * horas – sol
Pg = 45.5W * 2 * 5h
Pg = 455Wh/d
Este valor de potencia satisface la demanda de la carga 234Wh/d con un
exceso de 221Wh/d (94%).
6.10. BANCO DE RESERVA
El banco de reserva de un sistema fotovoltaico permite alimentar el sistema
cuando no hay generación de energía (radiación solar nula) debido a que
almacena potencia en las baterías.
La adición de un sistema de respaldo o banco de reserva aumenta las pérdidas
en el sistema las cuales deberán ser compensadas por la parte generadora
debido a que en el proceso de carga el voltaje entregado por el panel (17V) es
mayor al voltaje nominal de las baterías (12V).
La capacidad de reserva dependerá de la cantidad de días consecutivos sin sol
y el grado de confiabilidad que se considera tolerable para el sistema. El
número de baterías de Pb-ácido del banco de reserva estará determinado por
el máximo valor elejido para la profundidad de descarga (PD), así como el tipo
de batería de Pb-ácido a usarse (voltaje nominal y capacidad de reserva de la
unidad).
Para calcular el banco de reserva se debe entender el régimen de uso del
mismo durante los períodos que preceden y suceden a los cuatro días sin sol.
La Figura 11 muestra las variaciones que sufre la reserva durante esos
períodos.
31
Figura 11. Variación de la reserva de un banco de baterías.
Mientras predominen días soleados las baterías se recargan a su nivel máximo.
La energía consumida durante la noche es restituida por los paneles al día
siguiente. Al comenzar el período sin sol, que se considera de insolación nula,
las baterías no pueden ser cargadas. Durante cuatro días se repite este
régimen. Esto significa que el mínimo nivel de reserva al retornar los días de
sol estará dado por el consumo energético durante los cuatro días sin sol más
uno, ya que la descarga durante la noche anterior es inevitable.
Es decir, para un régimen de tres días sin sol el banco de reserva debe
acumular 828Wh/d (207Wh/d * 4), Para abaratar costos, se permitirá que las
baterías se descarguen un máximo del 80% durante las cuatro noches de
utilización de la reserva.
Este alto porcentaje de descarga es posible dado su carácter ocasional. Esta
asunción significa que la reserva mínima del banco de baterías deberá ser de
1035Wh/d (828Wh/d / 0.8).
32
6.11. SELECCIÓN DE LA BATERIA
Ahora que se conoce el valor en Wh/d de la reserva, el siguiente paso es la
selección más económica para las baterías. En primera medida se determina el
voltaje de alimentación del sistema para calcular el numero de baterías a
usarse en conexión serie y luego el tipo de batería.
La batería seleccionada es una Full River de 12v y 40Ah de tipo hermetico (gel)
y ciclo profundo.
Figura 12. Batería Pb-acido (gel)
Se selecciono este tipo de baterías por ser de libre mantenimiento y fácil
adquisición, además están diseñadas para funcionar en sistemas solares y son
distribuidas por el mismo proveedor regional de los paneles solares.
La alimentación del sistema es a 24Vdc por lo que se deben usar dos baterías
conectadas en serie.
La potencia entregada por las baterías es igual a:
Pb= A * V (12)
Remplazando tenemos:
33
Pb= 40Ah * 24V
Pb=960Wh/d
Como se permitirá una profundidad de descarga del 80% la potencia entregada
por las baterías será de:
Pb= 960Wh/d * 0.8
Pb=768Wh/d
Con este nivel de reserva se cubre (768Wh/d) las necesidades durante 3.7 días
(768Wh/207Wh) consecutivos.
Este valor nos brinda el 93% de confiabilidad. que se obtiene de la potencia
máxima de las baterías sobre la potencia que deben almacenar las baterías
(960 Wh/d / 1035Wh/d).
6.12. TIEMPO DE RECARGA DE LAS BATERIAS
El exceso de energía producida por la parte generadora (221Wh/d) permite
cargar las baterías en un periodo de 3.7 días consecutivos de sol
(828Wh/d / 221Wh/d).
6.13. CALCULO DEL INDICE DE CAIDA DEL VOLTAJE (ICV)
El ICV (índice de caída de voltaje) permite determinar el calibre adecuado de
los cables que van desde los paneles hasta las baterías.
3.281 * Vnom*cv %
D*A ICV
= (13)
34
A = Amperaje entregado por el panel.
D= Distancia que hay entre el panel y las baterías
% CV = Porcentaje de caída del voltaje.
3.281 = Factor usado cuando la distancia se mide en metros.
Reemplazando los valores obtenidos:
A = 3.72A
D= 25m
%CV=2
Vnom= 24V
ICV= 3.281 * 24V*2
25m*3.71A
ICV = 6.34 Con el valor obtenido y la tabla 7 que relaciona el ICV con los calibre de los cables podemos determinar el cable a usarse.
Tabla 7. Relación entre el ICV y el AWG
CALIBRE
AWG ICV CALIBRE
AWG ICV 4/0 99 6 12 3/0 78 8 8 2/0 62 10 5 1/0 49 12 3 2 31 14 2 4 20 16 1
El ICV calculado se ubica entre el calibre AWG8 y el AWG10 por lo que se
selecciona el AWG8 por ser de mayor diámetro.
35
6.14. PERDIDAS DE POTENCIA EN EL CONDUCTOR
La perdida asociada a la disipación de calor de los conductores se puede
calcular mediante la expresión:
Wc= R *I ² (14)
Donde R es la resistencia del conductor a lo largo de los 25m e I es la corriente
entregada por el panel (3.71A).
La resistencia presentada por un conductor AWG8 esta dada por la tabla 8.
Tabla 8. Cables de cobre
La resistencia para un conductor AWG8 es igual a 100m
0.2101 Ω, para una
distancia de 25m es igual a:
100m
0.2101 Ω*25m = 0.053Ω
36
Reemplazando el valor de la resistencia en la expresión 13 se obtiene:
Wc = (0.053) (3.71)²
Wc = 0.73 w
6.15. PERDIDAS DE POTENCIA EN EL CONTROLADOR DE CARGA
Como se conoce la corriente máxima que va a pasar por los conductores hasta
las baterías (3.71A) y el voltaje de trabajo del sistema (24V) ya se puede
seleccionar un controlador de carga.
El controlador de carga a usarse es un solarix stecca de la serie gamma el cual
fue seleccionado por su gran eficiencia, bajo costo y fácil adquisición.
Figura 13. Regulador Solarix Stecca
37
Tabla 9. Especificaciones técnicas regulador stecca solarix
El consumo propio del regulador de carga según la tabla 9 es 5mA.
Para calcular el consumo de potencia del controlador de carga multiplicamos la
corriente que consume por el voltaje de entrada.
Wr = V * I
Wr = 24V * 0.005A
Wr = 0.12W
6.16. VERIFICACION DE LA ESTIMACION DE PÉRDIDAS
Se estimo una sumatoria de perdidas igual al 2% de potencia total generada,
se verificaran estos datos.
Total perdidas = perdidas en el conductor + perdidas en el controlador
Wt = Wc + Wr
Wt = 0.73W +0.12W
Wt = 0.85W
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0.85W de perdidas representan un 0.19% de la potencia total generada
(455Wh/d), lo que indica que este valor esta muy por debajo del 2% estimado
incrementando el nivel de eficiencia del sistema.
6.17. MEJORAMIENTO DE LAS CONDICIONES
Al hacer el análisis de la caída de potencia del panel con respecto a la
temperatura, se utilizaron los valores que denotan las peores condiciones; poco
viento y máxima radiación solar.
En la práctica es difícil que estas condiciones se presenten, lo que incrementa
directamente la potencia de salida del panel. Haciendo aun más eficiente el
sistema y disminuyendo el tiempo de carga de las baterías.
39
7. ESQUEMA DE SEGURIDAD
Las instalaciones del tanque en alto Menga estan encerradas con maya y
cuentan con un vigilante permanente. Además de esto, el sistema de
telemetría esta ubicado en un Socket de almacenamiento el cual le brinda
protección y seguridad como lo muestra la Figura 13, por esta razón no fue
necesario recomendar un esquema de seguridad físico para dicho sistema. Lo
mas expuesto son los paneles solares ya que estos estarán instalados en la
parte superior del tanque quedando a la intemperie, pensando en que pueden
ser afectados por piedras lanzadas por personas inescrupulosas se determino
encerrar los paneles solares con una malla, La cual tiene como función
principal proteger los paneles de impactos de piedras con el tamaño suficiente
que puedan afectar a estos.
Figura 14. Socket de almacenamiento
40
Figura 15. Caseta de vigilancia y almacenamiento tanque alto menga
41
En la Figura 16 observamos de una manera grafica como quedarían el tanque
con la malla protectora.
Figura 16. Esquema del tanque con la malla
42
7.1. TANQUE
Figura 17. Tanque de almacenamiento de agua y la caseta de vigilancia
7.2. BASE PARA LOS PANELES
La luz solar viaja en línea recta desde el sol hasta la tierra. Al penetrar la
atmósfera terrestre, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie en
línea recta. Finalmente, una última parte es absorbida por la atmósfera. La luz
solar dispersa se denomina radiación difusa o luz difusa. La luz del sol que cae
sobre la superficie sin dispersarse ni ser absorbida, es, por supuesto, radiación
directa. Como todos habrán constatado gracias a los baños de sol y al trabajo
al aire libre, la radiación directa es la más intensa.
5 m
6 m
43
Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Por
ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo,
las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena
y un panel orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al
máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse
hacia el sur y en el Hemisferio Sur, hacia el norte.
Por lo tanto, en la práctica, los paneles solares deberán ser colocados en
ángulo con el plano horizontal (inclinados). Cerca del ecuador, el panel solar
deberá colocarse ligeramente inclinado (casi horizontal) para permitir que la
lluvia limpie el polvo.
Una pequeña desviación en la orientación no influye significativamente en la
generación de electricidad, ya que durante el día el sol se traslada en el cielo
de este a oeste.
Como se establese en el curso de energía solar fotovoltaica dimensionado de
la universidad de Zaragoza España.
Se recomienda utilizar la parte alta del tanque para la instalación de los paneles
solares.
44
Figura 18. Parte alta del tanque del alto manga.
7.3. MALLA PROTECTORA
Se recomienda que se utilice un tipo malla con agujeros que no obstruyan los
rayos solares ya que estará sobre los paneles, pero deberá protegerlos de
posibles impactos de piedras con el tamaño suficiente para generar daños en
ellos.
45
Figura. 19. malla protectora
Para la estructura de la malla se recomiendan ángulos de aluminio de 1´´ para
completar el cubo se necesitan unos 15.6 m. de ángulo. Para la malla se puede
utilizar malla para aves que se consigue fácilmente en el mercado.
120 cm
150 cm
120 cm.
46
8. ALTERNATIVA DE COMUNICACIÓN CONFIABLE ENTRE EL ST Y LA
CENTRAL.
Las variables de nivel obtenidas por el sistema de telemetría deben ser
transmitidas hasta un centro de procesamiento ubicado en puerto mallarino,
con el propósito de estar siempre informados sobre la cantidad de agua
contenida por el tanque.
Debido a esta circunstancia se necesita una alternativa de comunicación
capaz de transportar los datos de una manera confiable y eficaz.
En la actualidad existen varias posibilidades que permiten transportar
información a puntos remotos. Como por ejemplo la red celular, spread
spectrum, o comunicación vía satélite.
8.1. RED CELULAR 3G IP
La red celular de tercera generación IP está basada en paquetes, lo cual en
términos simples significa que los usuarios pueden estar “en línea” todo el
tiempo pero sin tener que pagar hasta que se haga verdaderamente una
transmisión de datos. La naturaleza “sin conexión“de IP realiza el acceso
mucho más rápido ya que la descarga de datos toma solo unos segundos y se
puede conectar a la red con facilidad. 3G tiene soporte de conmutación de
paquetes IP y soporte IP para, comercio electrónico, video y audio.
Las ventajas de usar una red de tercera generación ip son:
• IP basado en paquetes, pues se paga en función de la descarga lo que
supone relativamente un menor costo. Aunque dependiendo del tipo de usuario
también se podría calificar como desventaja.
• Más velocidad de acceso.
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Desventajas
• Cobertura limitada.
• No orientado a conexión. Cada uno de los paquetes pueden seguir rutas
distintas entre el origen y el destino, por lo que pueden llegar desordenados o
duplicados.
Sin embargo el hecho de no ser orientado a conexión tiene la ventaja de que
no se satura la red. Además para elegir la ruta existen algoritmos que
"escogen" qué ruta es mejor, estos algoritmos se basan en la calidad del canal,
en la velocidad del mismo y, en algunos, oportunidad hasta en 4 factores (todos
ellos conFigurables) para que un paquete "escoja" una ruta.
8.2. SPREAD SPECTRUM (ESPECTRO ENSANCHADO)
El espectro ensanchado o también llamado espectro disperso es una técnica
por la cual la señal transmitida se ensancha a lo largo de una banda muy ancha
de frecuencias, mucho más amplia, de hecho, que el ancho de banda mínimo
requerido para transmitir la información que se quiere enviar.
No se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son
medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin embargo, rinden al
máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la
frecuencia. La señal de espectro ensanchado, una vez ensanchada puede
coexistir con señales en banda estrecha, ya que sólo les aportan un pequeño
incremento en el ruido. En lo que se refiere al receptor de espectro
ensanchado, él no ve las señales de banda estrecha, ya que está escuchando
un ancho de banda mucho más amplio gracias a una secuencia de código
preestablecido.
48
Se puede concluir diciendo que todos los sistemas de espectro ensanchado
satisfacen dos criterios:
• El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor que el
ancho de banda de la señal original.
• El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función
independiente del mensaje y conocida por el receptor
El espectro ensanchado tiene muchas propiedades únicas y diferentes que no
se pueden encontrar en ninguna otra técnica de modulación. Para verlo mejor,
se listan debajo algunas ventajas y desventajas que existen en los sistemas
típicos de espectro ensanchado:
Ventajas
• Resiste todo tipo de interferencias, tanto las no intencionadas como las
malintencionadas (más conocidas con el nombre de jamming), siendo más
efectivo con las de banda estrecha.
• Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de las interferencias
multisenda.
• Se puede compartir la misma banda de frecuencia con otros usuarios.
• Confidencialidad de la información transmitida gracias a los códigos pseudo
aleatorios (multiplexación por división de código).
Desventajas
• Ineficiencia del ancho de banda.
• La implementación de los circuitos es en algunos casos muy compleja.
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8.3. COMUNICACIÓN VIA SATELITE
La comunicación vía satélite es un método de conexión a Internet utilizando
como medio un satélite. Es un sistema recomendable de acceso en aquellos
lugares donde no llega el cable o la telefonía, como zonas rurales o alejadas.
Ayuda a evitar cuellos de botella debido a la saturación de los enlaces
Las señales llegan al satélite desde la estación en tierra por el "haz
ascendente" y se envían a la tierra desde el satélite por el "haz descendente".
Para evitar interferencias entre los dos haces, las frecuencias de ambos son
distintas. Las frecuencias del haz ascendente son mayores que las del haz
descendente, debido a que cuanto mayor sea la frecuencia se produce mayor
atenuación en el recorrido de la señal, y por tanto es preferible transmitir con
más potencia desde la tierra, donde la disponibilidad energética es mayor.
Para evitar que los canales próximos del haz descendente interfieran entre sí,
se utilizan polarizaciones distintas. En el interior del satélite existen unos
bloques denominados transpondedores, que tienen como misión recibir,
cambiar y transmitir las frecuencias del satélite, a fin de que la información que
se envía desde la base llegue a las antenas receptoras.
Equipo necesario
Para comunicarse vía satélite son necesarios los siguientes elementos:
• Módem o tarjeta PCI para satélite.
• Antena parabólica.
• LNB.
• Alimentador o Radio.
• Módem telefónico o conexión con Internet capaz de realizar envío de datos, si
el acceso es unidireccional.
• Un proveedor que proporcione el acceso a Internet por satélite.
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La comunicación por vía satélite es de gran eficiencia pero tiene un alto costo y
demanda la utilización de muchos equipos, además no serian de fácil
implementación en una zona con caracteristcas irregulares del terreno.
EMCALI actualmente trabaja sobre una plataforma spread spectrum, que hasta
el momento ha demostrado ser bastante eficiente y veloz dado que no
presentado problemas desde su implementación; por lo que se recomienda
seguir con esta tecnología.
51
9. CONCLUSIONES
Con esta investigacion se observo como el desarrollo de una fuente de energía
altenativa para alimentar un sistema de telemetría puede beneficiar a la
comunidad, brindandole un servicio de acueducto continuo como se viene
prestando al resto de la ciudad donde ya están instalados los sistemas de
telemetría. De igual manera, se analizo cada una de las formas de generar
energía con medios naturales renovables como lo son la energía eolica y la
energía solar fotovoltaica desde el punto de vista físico y económico de cada
una de ellas.
Esta pasantia nos proporciono conocimientos adicionales y experticia al
momento de enfrenta un problema real en una empresa, es importante resaltar
que los conocimientos adquiridos en la universidad sirvieron como punto de
partida para la solución de los diferentes problemas encontrardos en su
desarrollo.
Este trabajo nos deja muchos conocimientos sobre energias alternativas y
telemetría que pueden llevarse a la practica en el desarrollo de nuestra carrera
profesional en casos similares o iguales al de las empresas municipales de Cali
(EMCALI).
Esta investigacion logra capturar la atencion de directivos de la empresa debido
los beneficios que se obtendran a partir de su implementacion, logrando de
esta manera atender con un servicio de acueducto permanente a la comunidad.
52
10. RECOMENDACIONES
Se recomienda a la Universidad y al programa promover el desarrollo de
proyectos e investigaciones en medios reales con el fin de crear competencias
adecuadas en el ambito laboral.
Las recomendaciones básicas en un sistema de generación fotovoltaica es
evitar en lo posible equipos electrónicos entre los paneles y la carga de esta
manera evitamos las perdidas generadas por estos.
Una de las recomendaciones más importante es verificar constantemente que
los paneles estén libres de objetos extraños y polvo que puedan interrumpir la
radiación solar sobre estos, de esta forma se garantiza un óptimo rendimiento
de los paneles solares y por ende el sistema de telemetría.
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BIBLIOGRAFIAS
BERNAL, Jose luis; DUFO, Rodolfo. Curso energía solar fotovoltaica:
dimensionado. Universidad de Zaragoza España: McGraw-Hill, 2005. 596 p.
ELLIS, Abraham. Energía fotovoltaica en la educación a distancia:
Southwest.Technology Development Institute Estados Unidos: Alsina, 2000.
324 p.
Energía solar fotovoltaica [en linea]: Tipos de sistemas. Santiago de Cali:
Aprotec tecnología apropiada, 2004. [consultado 26 de febrero 2007].
Disponible en internet: http://www.aprotec.com.co/pages/solar_pv.html
ENTREVISTA con Jesús Gómez, Gerente Aprotec Tecnología Apropiada.
Santiago de Cali, 26 de febrero de 2007.
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION.
Normas colombianas para la presentación de tesis de grados. Bogota:
ICONTEC, 1996. 132 p . NTC. 1307
QUARDI, Néstor Pedro. Energías renovables: Energía solar. 2 ed. Buenos
Aires: Alsina, 1991. 436 p.
54
ANEXOS
Anexo 1. Ficha tecnica de los componentes recomendados para la
implementacion de la fuente solar fotovoltaica.
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