INSTITUTO TECNOLÓGICO superior de acatlan de osorio puebla
INFORME FINAL DEL PROYECTO
DE RESIDENCIA PROFESIONAL
Proyecto
factibilidad para implementar sistemas solares en alumbrado público
Especialidad:
INGENIERÍA ELÉCTRONICA
Autor:
Luis angel león diaz
No. de Control:
064IE003
Asesor Externo:
ING. GABRIEL ZAPOTITLA RIVERA
Asesor Interno:
ING. FRANCISCO RAMOS GUZMAN
ACATLAN DE OSORIO PUEBLA, A 12 DE ENERO DEL 2011
INDICE
INTRODUCCION...............................................................................3
Justificación.................................................................................4
OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS.....................................................5
CARACTERIZACION DEL AREA EN QUE PARTICIPO................................. 6
PROBLEMAS A RESOLVER, PRIORIZÁNDOLOS ................................. 7
ALCANCES Y LIMITACIONES............................................................................8
FUNDAMENTO TEÓRICO.................................................................................9
PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS
ACTIVIDADES REALIZADAS............................................................................21
RESULTADOS, PLANOS, GRAFICAS Y PROGRAMAS............................25
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...........................................29
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................30
INTRODUCCION
El proyecto que en esta ocasión se desarrolla en el instituto tecnológico superior de acatlan de Osorio obedece a una creciente necesidad de cubrir necesidades básicas en la institución como es el mantener iluminadas las distintas aéreas de el plantel de esta forma se desarrollan barias alternativas de solución llegando a una que es utilizar dispositivos de bajo consumo ya sean lámparas ahorradoras o bien lámparas desarrolladas a partir de la tecnología led que seria una posible solución ya que el proyecto a desarrollar emplea sistemas de iluminación con celdas solares por lo cual se debe reducir al máximo el consumo innecesario para esto recurrimos a fragmentar el proyecto en tres principios básicos acumulación de energía, sistema de encendido, y dispositivo generador de luz o lámpara. El proyecto es dividido en esta forma pues es necesario ya que esto nos genera tres distintos circuitos que en el caso que uno de ellos llegara a fallar su corrección es mas ágil.
Justificación
El proyecto se origina de la necesidad de iluminar espacios públicos en la institución y así hacer mas agradable la estancia en las distintas zonas de mayor concurrencia y así mismo dar seguimiento a la modernización de la institución en infraestructura.
Diseñar un sistema de iluminación auto sustentable que sea capas de reducir en un 50 % como mínimo el consumo de energía en el alumbrado publico para ser competitivo con los dispositivos ya existentes.
Objetivo
Diseñar el prototipo de un sistema de iluminación a base de energía solar el cual deberá ser de un alto rendimiento he innovador a las tecnologías ya existentes a manera de minimizar el consumo de energía eléctrica y así generar un sistema amigable con la naturaleza.
Características del área en que participo
El instituto tecnológico superior de acatlan de Osorio puebla pertenece a la red estatal de institutos tecnológicos de puebla. El Instituto Tecnológico Superior de Acatlán de Osorio se crea como un Organismo Público Descentralizado del Gobierno del Estado de Puebla, cuyo decreto de creación fue expedido el día 6 de marzo de 1998 por el entonces Gobernador, Lic. Manuel Bartlett Díaz, con el propósito de ofrecer Educación Superior Tecnológica.
Como una innovación en la forma de organización y de gestión educativa, fue creado el Subsistema de Institutos Tecnológicos Descentralizados, en el cual el Gobierno Federal y los Gobiernos de los Estados comparten la responsabilidad de ofrecer educación superior con aportaciones financieras para su operación por partes iguales.
Como fruto de esa estrategia nace en 1990 el primer Tecnológico Descentralizado, al año siguiente nacen cinco más y para 1998 el país contaba en su territorio con cincuenta y ocho. Actualmente se tiene cobertura en 21 entidades federativas donde se encuentran localizados 129 Institutos.
Por lo que respecta al Instituto Tecnológico Superior de Acatlán de Osorio, es creado como respuesta a la necesidad de llevar la cultura tecnológica a los habitantes del municipio de Acatlán y los 16 municipios más que comprenden su zona de influencia.
Su inicio de operaciones fue en el año de 1997, a través de un Convenio de Coordinación entre el Gobierno Federal y el Gobierno del Estado de Puebla firmado el 29 de Diciembre de 1997.
El proyecto que se presenta fue creado por el departamento de electrónica de el instituto tecnológico de acatlan de Osorio puebla con el fin de mejorar la infraestructura ya existente en el plantel a fin de mejorar la presencia de el plantel en la comunidad y automatizar el sistema de alumbrado en esta etapa de el proyecto se procede a llevar a acabo un análisis de factibilidad de el cambio de el sistema de iluminación ya existente a base de energía eléctrica suministrada por comisión de luz. A cambiarla por un sistema sustentable de energía solar y lámparas led. El objeto de este análisis es proporcionar datos que nos lleven a analizar la cantidad de energía desperdiciada en estos sistemas que en la actualidad cuenta el plantel y contar con un sistema innovador que nos ayude a reducir el consumo de energía eléctrica y bien así reducir las grandes emisiones de gas invernadero que son generados del proceso de generación de energía eléctrica. El principal punto a cubrir es este análisis de factibilidad para posterior mente llevar a acabo el proyecto en un futuro cercano.
Problemas a resolver priorizándolos
El principal problema que se pretende resolver es el mal funcionamiento de de los sistemas de iluminación de la institución ya que es sabido que un sistema de iluminación con bombillas eléctricas constan de un tiempo de vida relativamente corto al igual que las lámparas fluorescentes.
La implementación de un nuevo sistema de iluminación deberá reducir algunas fallas vistas en los anteriores sistemas utilizados este deberá reducir algunos problemas como son:
- Disminuir riesgos de manipulación de corriente eléctrica a personas no capacitadas
- Reducir los altos gastos en el consumo de corriente eléctrica
- Mantenimiento del sistema empleado anteriormente
- Evitar interrupción del servicio por necesidad de reparar el sistema
Alcances y limitaciones
Al termino de la residencia profesional se lograron cubrir en su mayoría los puntos planteados en el programa que se planteo como fue realizar un análisis concreto de la factibilidad de hacer el cambio en el consumo de energía eléctrica proporcionada por comisión a la generada por una celda solar que si bien esta resulta un tanto mas costosa los resultados de la inversión los podemos ver a largo plazo que en realidad es mas rentable realizar una instalación de energía solar respecto a la eléctrica y que mejor si nos apoyamos en una lámpara desarrollada a partir de leds que nos ahorran consumo de energía las principales limitaciones que se presenta pueden ser la poca información que se tiene sobre el sistema alimentado por energía solar y si bien el costo es otra limitante se compensa con el interés que se pueda crear con este análisis que se presenta en el presente proyecto. El interés de este trabajo no es solo dar a conocer la energía solar pues en los últimos tiempos esta a proliferado y se ha sabido abrir camino con el paso de la tecnología el interés de el proyecto es ver que existen gran cantidad de fuentes de generación de energía que no perjudican el medio ambiente y que resultan bastante confiables en la vida cotidiana. Si bien el tiempo no fue suficiente para implementar el proyecto con el presente se sientan las bases para su pronta implementación mostrando así su eficiencia y mejoras en el campo donde se llegara a implementar
Fundamento teórico
Una célula solar es un dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de la radiación solar en energía eléctrica. La gran mayoría de las células solares que actualmente están disponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalino. El primer tipo se encuentra más generalizado y aunque su proceso de elaboración es más complicado, suele presentar mejores resultados en cuanto a su eficiencia.
Las celdas solares de primera generación se introdujeron comercialmente a principios de los años 80. Construidas a partir de obleas o tabletas finas de silicio semiconductor, aún se usan intensivamente en la actualidad. El silicio no absorbe la luz con mucha eficiencia, por lo que el grosor de las obleas no se puede reducir más allá de cierto valor; además, son frágiles, lo que complica el proceso productivo desde los mismos inicios hasta la instalación final del panel solar.
La segunda generación de celdas solares comenzó a finales de los años 90 con la introducción de la tecnología de láminas delgadas. Proporcionan una eficiencia similar a las de silicio, pero su grosor es unas 100 veces menor.[1]
Construidas apilando capas muy finas de diferentes materiales semiconductores, estas celdas presentan varios inconvenientes; a) las capas semiconductoras se depositan mediante un proceso a alto vacío que resulta muy caro y complicado, y b) se colocan sobre un substrato de vidrio, que requiere de procesos adicionales para establecer los necesarios contactos eléctricos.
La actual tercera generación de celdas solares, también construidas a base de láminas delgadas, obvia las dificultades anteriores de la siguiente forma. Las capas de material semiconductor se depositan directamente sobre metal, eliminando así pasos los adicionales para colocar los contactos. Además, el procedimiento elimina la fragilidad del dispositivo, proporcionando celdas solares con un alto grado de flexibilidad, lo que resulta altamente ventajoso desde el punto de vista de su manipulación mecánica.
Pero quizás la ventaja más importante sea que el proceso productivo se simplifica enormemente. En vez de la complicada deposición al vacío, las capas semiconductoras se aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas, usando un proceso de impresión rotativo similar al del offset convencional, empleado comúnmente para imprimir periódicos y revistas. Este proceso abarata grandemente el costo de producción (figura 2).
Por otra parte, su capacidad de generar energía es comparable con la de las celdas precedentes, e incluso mejor. Una de las compañías que producen este tipo de celdas, Nanosolar Inc. (www.nanosolar.com), alega que sus paneles son capaces de generar hasta 5 veces más corriente que cualquier otro panel en el mercado en condiciones similares.
La electricidad proveniente de paneles solares convencionales cuesta unos 3 USD por watt. El estimado óptimo de los paneles construidos con la nueva tecnología es de sólo 0.30 USD por watt, lo que haría la energía solar muy competitiva con el carbón y otros combustibles.
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Figura 2. Proceso de impresión offset. Las imágenes entintadas van ubicadas en la placa madre, se trasladan a un cilindro de goma (offset) y de ahí al papel. El proceso offset se basa en que la tinta aceitosa, inmiscible con el agua, se pega sólo a las imágenes, mientras que el agua mantiene limpio el resto del cilindro.
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¿Cómo funciona una celda solar?
Su funcionamiento se basa en la diferencia de potencial que surge en una juntura PN. En una celda convencional de silicio, tal juntura se logra poniendo en contacto íntimo silicio cristalino de alta pureza ‘dopado' o contaminado con impurezas de diferente tipo (frontera de las regiones + y - en la figura 3). En un caso las impurezas proporcionan un exceso de electrones en relación al material sin impurezas (silicio tipo N). En el otro, ocasionan un defecto de electrones (o la aparición de ‘huecos') formando el silicio tipo P. Cuando se forma un contacto íntimo a nivel atómico entre ambos tipos de silicio, cierto número de los electrones en exceso migran hacia la región de ‘huecos', formando pares electrón-hueco y dando origen a una ‘barrera' de potencial interna que impide cualquier posible migración posterior.
Un haz de luz incidente sobre la juntura es capaz de separar los pares electrón-hueco y forzar los electrones a saltar la barrera de potencial, creando una fuerza electromotriz (FEM) en los contactos externos de la celda. Si los contactos se conectan a un circuito externo cualquiera (por ejemplo, que contenga una resistencia) la FEM se comportará igual a la de una batería convencional; aparece una corriente eléctrica (contraria al movimiento de los electrones en la figura 3). La corriente durará todo el tiempo que la juntura se mantenga iluminada.
Hay elementos adicionales que se deben tomar en cuenta para garantizar el funcionamiento de la celda. El silicio es un material muy reflectante, y gran parte de la los fotones incidentes se reflejan en su superficie sin que se puedan aprovechar para generar corriente. Para evitar esto se utilizan capas antirreflectantes, que logran reducir las pérdidas luminosas a menos de un 5 por ciento.
Las celdas se conectan en arreglos en serie y paralelo (usualmente de 36 celdas cada uno) para alcanzar niveles adecuados de voltaje y corriente. Finalmente, las celdas se colocan en un panel rígido con electrodos para las conexiones al circuito externo. Una cubierta de vidrio protege todo el dispositivo de la acción del medio ambiente.
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Figura 3. Arriba. Celda solar convencional de silicio; Abajo. Distribución de las diferentes capas de la celda.
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La celda solar de láminas delgadas
Las capas absorbentes en una celda solar de silicio tienen un espesor de 0.35 milímetros; la de una celda de láminas delgadas es de sólo 0.001 milímetros (1 micrómetro). Esto es posible porque los materiales utilizados absorben la radiación solar con mucha mayor eficiencia que el silicio cristalino. Hay tres tipos diferentes de celdas a láminas delgadas, provenientes de diversas patentes y fabricantes: silicio amorfo (a-Si), cadmio-telurio (CdTe) y seleniuro de cobre-indio-galio (CuInGaSe). Todas se caracterizan por su gran flexibilidad, al estar depositadas directamente sobre una fina capa de metal o vidrio.[2]
La figura 4 muestra el tipo de celda fabricada por Nanosolar.inc, de California. Esta compañía ha desarrollado una tecnología basada en tinta de nanopartículas[3] para depositar las diferentes capas semiconductoras sobre una lámina metálica fina. La capa adicional de óxido de zinc hace el papel de un electrodo (además, no es reflectiva, permitiendo que la luz pase fácilmente) mientras que el otro electrodo lo constituye el substrato metálico. Los diferentes tipos de silicio P y N son aquí sustituidos por el seleniuro y el sulfuro de cadmio.
Las celdas como la de la figura 3 alcanzan un 20 por ciento de eficiencia, comparable al de las celdas de silicio, con eficiencia de 15-25 por ciento, con la inmensa ventaja de construirse a partir de una tecnología productiva mucho más sencilla que las anteriores. La tecnología desarrollada por Nanosolar.Inc consta de los siguientes pasos fundamentales.
1. Papel de aluminio (aluminium foil) se hace pasar por grandes imprentas rotativas, similares a las utilizadas para imprimir periódicos (figura 5).
2. Una impresora de tinta, operando al aire, deposita una delgada capa de tinta de CuInGaSe semiconductor en el substrato de aluminio.
3. Otras impresoras depositan las capas de oxido de zinc y sulfuro de cadmio. Después de cada proceso es necesario aplicar uno o más tratamientos térmicos para ‘fijar' las tintas y formar la juntura.
4. Finalmente, la lámina resultante se corta en el tamaño adecuado y se ensamblan en circuitos, incluyendo algún proceso adicional de encapsulado en un polímero impermeable para proteger la celda.
Los fabricantes aseguran que las rotativas son cómodas de usar y de fácil mantenimiento, y que se pierde muy poca materia prima durante el proceso productivo.
Las celdas solares flexibles obtenidas a partir de la impresión en rotativas son ya una realidad. En Saxony, Alemania, se finaliza la construcción de una planta solar eléctrica de 40 megawatts sobre la base de celdas de cadmio-telurio. Además de ser ecológicas, las plantas solares de nueva tecnología son competitivas con las de otros tipos de combustible, y se pueden construir en lugares que no serían apropiados para construir plantas eléctricas del tipo convencional.
En estos momentos ya no resulta difícil imaginar un futuro donde las azoteas y fachadas de los edificios estarán literalmente tapizados con celdas solares flexibles, y que los arquitectos las utilizaran cotidianamente como parte del diseño de edificios de todo tipo.
Por otra parte, la experimentación con materiales tales como el Telurio de Cadmio o el Diseleniuro de Indio-Cobre está llevando a las células fabricadas con estas sustancias a situaciones próximas ya a aplicaciones comerciales, contándose con las ventajas de poderse trabajar con tecnologías de láminas delgadas.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CELULA SOLAR: Cuando conectamos una célula solar a una carga y la célula está iluminada, se produce una diferencia de potencial en extremos de la carga y circula una corriente por ella (efecto fotovoltaico).
La corriente entregada a una carga por una célula solar es el resultado neto de dos componentes internas de corriente que se oponen. Estas son .
Corriente de iluminación: debida a la generación de portadores que produce la iluminación.
Corriente de oscuridad: debida a la recombinación de portadores que produce el voltaje externo necesario para poder entregar energía a la carga .
Los fotones serán los que formaran, al romper el enlace, los pares electrón-hueco y, debido al campo eléctrico producido por la unión de materiales en la célula de tipo P y N, se separan antes de poder recombinarse formándose así la corriente eléctrica que circula por la célula y la carga aplicada.
Algunos fotones pueden no ser aprovechados para la creación de energía eléctrica por diferentes razones:
- Los fotones que tienen energía inferior al ancho de banda prohibida del semiconductor atraviesan el semiconductor sin ceder su energía para crear pares electrón-hueco.
- Aunque un fotón tenga una energía mayor o igual al ancho de banda prohibida puede no ser aprovechado ya que una célula no tiene la capacidad de absorberlos a todos.
- Además, los fotones pueden ser reflejados en la superficie de la célula.
CURVA CARACTERÍSTICA I-V DE ILUMINACIÓN REAL: La curva I-V de una célula fotovoltaica representa pares de valores de tensión e intensidad en los que puede encontrarse funcionando la célula. Los valores característicos son los siguientes:
TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (Voc): que es el máximo valor de tensión en extremos de la célula y se da cuando esta no está conectada a ninguna carga.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO (Isc): definido como el máximo valor de corriente que circula por una célula fotovoltaica y se da cuando la célula está en cortocircuito.
La siguiente ecuación representa todos los pares de valores (I/V) en que puede trabajar una célula fotovoltaica.
También se puede expresar con:
PUNTO DE MAXIMA POTENCIA "PMP" (PM): Es el producto del valor de tensión máxima (VM) e intensidad máxima (IM) para los que la potencia entregada a una carga es máxima.
FACTOR DE FORMA (FF): Se define como el cociente de potencia máxima que se puede entregar a una carga entre el producto de la tensión de circuito abierto y la intensidad de cortocircuito, es decir:
EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA O RENDIMIENTO: Se define como el cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede entregar a la carga (PM) y la irradiancia incidente (PL) sobre la célula que es el producto de la irradiancia incidente G por el área de la célula S:
Dichos parámetros se obtienen en unas condiciones estándar de medida de uso universal según la norma EN61215.Irradiancia: 1000W/m2 (1 KW/m2)
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire)
Incidencia normal. Temperatura de la célula: 25ºC
Otro parámetro es la TONC o Temperatura de Operación Nominal de la Célula. Dicho parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se someten a las siguientes condiciones de operación:
Irradiación: 800W/m2 Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal Temperatura ambiente: 20ºC Velocidad del viento:1m/s
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS PARÁMETROS BÁSICOS DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA:
Al aumentar la temperatura de la célula empeora el funcionamiento de la misma:
-Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito.
-Disminuye la tensión de circuito abierto, aprox: -2.3 mV/ºC
-El Factor de Forma disminuye.
- El rendimiento decrece.
sistema consta de los siguientes elementos (ver esquema):
- Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 ó 24 V).
- Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
- Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.
- Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V.
Una instalación solar fotovoltaica sin inversor, utilización a 12Vcc
Una instalación solar fotovoltaica con inversor, utilización a 230Vca
Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc (primer esquema) o bien transformar la corriente continua en alterna de 230 V a través de un inversor (segundo esquema).
Si en vez de un panel solar se instala un aerogenerador el sistema se denomina eólico. Si se instalan ambos será un sistema mixto. En este caso cada uno debe llevar su propio regulador.
El funcionamiento físico consiste en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía perdida cuando pasa un electrón de la banda de conducción a la de valencia se manifieste como un fotón desprendido o como otra forma de energía (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando un diodo semiconductor se polariza directamente, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo.
Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueden pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable. Este proceso emite con frecuencia un fotón en semiconductores de banda prohibida directa (direct bandgap) con la energía correspondiente a su banda prohibida (véase semiconductor). Esto no quiere decir que en los demás semiconductores (semiconductores de banda prohibida indirecta o indirect bandgap) no se produzcan emisiones en forma de fotones; sin embargo, estas emisiones son mucho más probables en los semiconductores de banda prohibida directa (como el nitruro de galio) que en los semiconductores de banda prohibida indirecta (como el silicio).
La emisión espontánea, por tanto, no se produce de forma notable en todos los diodos y sólo es visible en diodos como los LEDes de luz visible, que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con la correspondiente al espectro visible. En otros diodos, la energía se libera principalmente en forma de calor, radiación infrarroja o radiación ultravioleta. En el caso de que el diodo libere la energía en forma de radiación ultravioleta, se puede conseguir aprovechar esta radiación para producir radiación visible, mediante sustancias fluorescentes o fosforescentes que absorban la radiación ultravioleta emitida por el diodo y posteriormente emitan luz visible.
Representación simbólica del diodo led.
El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un led es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.[2]
Para obtener buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el led; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Valores típicos de corriente directa de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA. En general, los ledes suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos). El primer led que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.
Las lámparas de emisión de diodos (LED), con una longitud de onda entre 440-490 nm, obvian la necesidad de filtros y con una potencia obtenida a expensas no del calentamiento de filamentos, sino por efectos mecánicos, hacen innecesaria la existencia de ventiladores dada la nula generación de calor. En este sentido alargan la vida del mecanismo, conceptualmente podríamos catalogarlas como "eternas".
La tecnología LEd ha llegado a nuestro días conectada a la red eléctrica a 230V. Las ventajas de dicha tecnología son muchas, que enumeramos a continuación:
- Con la tecnología LED se produce una menor disipación de calor. Esto es debido a que la incandescencia emite luz en todo el espectro visible, siendo el difusor (que hace de filtro) quien deja pasar sólo el color requerido y el resto del espectro se transforma en calor, mientras que el diodo LED emite luz monocromática directamente, en la longitud de onda de color requerido, por lo que no existe la transformación de luz en calor.
- Esta diferencia en la emisión de luz entre la incandescencia más el filtro y el diodo LED, hace que ésta sea más eficiente, ya que toda la luz emitida por foco luminoso es aprovechada en la iluminación del punto de luz.
- La vida útil de la lámpara incandescente es de 6.000 h mientra que la del LED puede llegar a 100.000 h, es decir, 17 veces mayor.
- Altos niveles de flujo e intensidad dirigida.
- Significante tamaño para múltiples y diferentes opciones de diseño.
- Alta eficiencia, ahorro de energía.
- Todos los colores (de 460 nm a 650 nm).
- Requerimientos bajos de Voltaje y Consumos.
- Alta resistencia a los golpes y vibraciones.
- Pueden ser fácilmente controlados y programados.
- Diferentes formas con diferentes ángulos de radiación
Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.
El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).
Este circuito es muy interesante, la fotorresistencia / LDR (resistencia dependiente de la luz) varía su valor en ohmios dependiendo de la cantidad de luz que incida sobre ella.
Cuando el LDR está iluminado su resistencia es baja y causa que el voltaje en la base del transistor se incremente.
El transistor 1 conducirá, lo que causará que el transistor T2 no lo haga (entre en corte). De esta manera el Relay / relé no se activa.
Cuando el LDR NO está iluminado su resistencia es alta y causa que el voltaje en la base del transistor se haga pequeña.
El transistor T1 NO conducirá lo que causará que el transistor T2 si lo haga (entre en conducción). De esta manera el relay o relé se activa.
El valor del fotorresistor no es crítico y se puede utilizar casi cualquiera pues se incluye un potenciómetro en serie para controlar la sensibilidad del circuito.
Se utiliza un sistema muy sencillo de obtención de corriente continua, como es el rectificador de media onda con sólo un diodo (ver diodo 1N4002) y esta señal rectificada se aplana con ayuda del capacitor de 470 o 1000 uF.
El voltaje resultante está lejos de ser plano, pero el circuito no necesita más.
Notas:
N.A. = contacto Normalmente Abierto
N.C. = contacto Normalmente Cerrado
fotoresistor = fotorresistencia = LDR
Costo de Producción de Electricidad en México
¿Cuánto cuesta producir electricidad en México?, una pregunta que a muchos mexicanos nos llena la cabeza, y que hasta el día de hoy, al menos yo no había podido contestar.
En la tabla de abajo (publicada por la CFE) vemos todas las tecnologías que se usan en México para generar electricidad, en las columnas con los años vemos el costo en pesos por cada KWh generado en una planta con esa tecnología.
Las primeras cuatro tecnologías son las que usan combustibles fósiles para generar la energía (tecnologías que en este blog odiamos), las cuarto de abajo son consideradas como energías renovables, pero sólo dos de ellas son tecnologías renovables y limpias, la geotermoeléctrica y la eoloeléctrica (o energía eólica). La energía nuclear contamina con sus desperdicios, los cuales hasta el día de hoy todavía no se sabe que hacer con ellos, y la hidroeléctrica es un tema que hemos discutido mucho, y que debido a los inmensos embalses que inundan miles de metros cuadrados de ecosistemas no consideramos una energía limpia.
Es increíble ver que la geotérmica y la eólica son segunda y tercera fuente de energía más barata para los mexicanos, y que juntas no representan ni el 1% del total, mientras que las de turbo gas, carbón, combustóleo y diesel que llega a costar hasta 8 o 9 veces más producir la energía, representan más del 50% del total de la generación de energía en México.
¿CUANTO CUESTA LA ENERGIA ELECTRICA EN MEXICO?
Varía dependiendo el consumo. Pero puede ir de $ 0.60 si tu consumo se encuentra en el primer rango es decir de 0 a 150 KWh bimestral) a $ 1.50 si tu consumo esta entre 150kwh y 250 KWh bimestralmente hasta $ 2.80 si tu consumo es mayor a 250 KWh bimestralmente
Esas son tarifas para casa habitación en México donde el servicio lo suministra la CFE.
Procedimiento y descripción de las actividades
Para obtener un análisis mas profundo sobre el funcionamiento de un sistema de iluminación publica tradicional con uno de nueva generación se puede tomar en cuenta los siguientes puntos:
Rendimiento de las celdas : en primera instancia asemos un análisis de las celdas existentes en el mercado en el cual tomamos en cuenta tamaños formas, tipos composición entre otros factores nos encontramos con celdas común mente usadas para generar energía a una taza de 23% de ganancia lla que estas resultan mayor favorables en el proyecto por las cualidades con las que cuentan como es tamaño. Durabilidad, y voltaje favorable para la activación de las lámparas que en este caso serán de led´s. estudiamos distintos tipos de celdas pero una en particular resulta un tanto llamativa para el proyecto que son las celdas flexibles mediante un minucioso estudio podemos ver que estas pese a que generan menor cantidad de voltaje que las celdas planas de cilicio en un plano recto, las celdas flexibles tienen esa ventaja su flexibilidad para moldearse a la superficie de la lámpara o bien del poste y de esta manera aprovechar al máximo los rayos solares y si lo vemos de esta forma estos tienen una mayor captabilidad de las celdas rígidas que solo tienen un Angulo de captación de energía un punto pico en el cual los rayos solares la apuntan a un aproximado de 90º este seria su punto pico en cambio las celdas solares por su forma la mayor parte de el día están en su punto pico y esto se refleja en una mayor captabilidad de energía a largo plazo. En síntesis esta recia mas factible en el proyecto de alumbrado publico. La tecnología de celdas flexibles de de nueva generación esto implica un mayor costo, a un que los beneficios son evidentes en el trabajo realizado por las mismas.
A continuación mostramos una celda solar flexible con algunos de sus datos mas importantes para una toma de decisiones.
Otro dato importante en la toma de decisiones es que tipo de lámpara vamos a utilizar en este caso podemos dividirlas en tres rangos posibles.
Lámparas de bombilla incandescente (imagen 1), lámparas ahorradoras o de gas xenón (imagen 2), y por ultimo las construidas por led's (imagen tres). En este caso es importante analizar las ventajas que tenemos en cada una de ellas así como sus desventajas para una mejor comprensión del tema y para tomar la mejor decisión.
Bombilla incandescente
Es bien sabido que estas trabajan a 120 volts y en promedio a 100 wats de potencial. La luz resultante de estas es cálida de un color amarillento y mientras se encuentra en funcionamiento este irradia calor.
Lámparas ahorradoras
Estas tienen una cualidad que es una disminución de consumo de energía ya que las podemos encontrar en barios voltajes al igual que potencial lumínico estas tienen la ventaja que ya no irradian tanto calor como la los focos de incandescentes, estas lámparas proporcionan un as de luz blanca y esto se debe al gas en su interior que le da ese color distintivo aunque presenta un problema si se manipulan con celdas solares ya que estas entregan corriente directa y estas lámparas eran con corriente alterna en su principio básico ya que necesitan de un balastro para operar y esto presenta un problema ya que tendríamos que hacer una conversión de corriente, es importante mencionar para una mejor comprensión que ase un balastro, un balastro es un dispositivo que tiene como objeto hacer oscilar la corriente y de esta manera ser fluir la corriente en el tubo dopado con gas y de esta forma la luz pueda ser visible,
Partes del balastro
- Núcleo: Es la parte fundamental del balastro. Está compuesto por varias placas delgadas de acero al silicio, sobre el que se bobina el devanado de cobre para formar una bobina.
- Carcasa: Es la envoltura protectora del balastro. Del devanado salen 2 ó 3 cables de cobre que se conectan al circuito externo, mientras que en los balastros electrónicos salen 4.
- Sellador: Es un compuesto de poliéster que se deposita entre la carcasa y el núcleo del balastro. Su función es aislante.
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Vulgarmente al balastro se lo conoce como reactancia, ya que debido a la corriente alterna la bobina del balastro presenta reactancia inductiva.
En el caso de la lámpara fluorescente se la instala de la siguiente forma:
Al ser elementos que van conectados a la red eléctrica domiciliaria, por lo general están normalizados (IEC, IRAM, CE, etc.).
En el mercado existen balastros para diferentes potencias. Algunos de los valores son 7/9/11, 15, 18, 20, 30, 36, 40, 58/65 vatios.
Teniendo una idea más general de los dispositivos con los que cuentan esta lámpara ase un tanto mas laboriosa su instalación con celdas aunque es posible.
Lámparas de led's
Las lámparas de led's en cambio cuentan con una estructura mas sencilla ya que no necesitan de mayores circuitos para funcionar puesto que las celdas al ser dispositivos de corriente directa como los led's estos no necesitan de una conversión de corrientes, la luz entregada por estos es de un color mas brillante y color blanco que se refleja en una mejor iluminación de en lugar donde trabaja, la lámpara de led's trabaja a 5 vols. en promedio solo que es necesario contar con una corriente constante de aproximadamente 2 amperes puesto que se necesitaría una gran cantidad de estos para y luminar una calle y en conjunto podrán hacer caer el voltaje y la luz ya no seria tan brillantes concluye entonces este dispositivo seria el mas factible para la elaboración de este proyecto.
Los dispositivos elegidos para este proyecto como son las celdas flexibles y las lámparas de led's. Tienen un tiempo de vida estimado de 5 años trabajando cotidianamente sabemos que un led tiene un tiempo de vida de aproximadamente 10000 horas en cambio la celda puede funcionar asta 10 años con su debido mantenimiento. Esto nos dice entonces que el proyecto resulta rentable puesto que la vida de los componentes es relativamente larga además que estos son resistentes a la intemperie.
Enfocándonos al consumo de las lámparas comúnmente utilizadas para alumbrado publico que operan a 120v en alterna y tienen un potencial en promedio de 300 watts estas repercutían en un consumo valuado en .18pesos por hora
A continuación presentamos los cálculos que nos demuestran este consumo en valor monetario
Lámpara incandescente (300w) *(500)*(0.60$/1000w.h)= $ 90
Esto nos indica que tiene en promedio un costo de .18 pesos por hora
Lámpara del led's (60w)*(10000)*(0.60/1000w.h)= $ 360
Esto nos indica que tiene en promedio un costo de 0.036 pesos por hora.
Nota: los cálculos son tomando en cuenta una luminosidad de 300 lumines esto quiere decir que ambas lámparas generaran la misma luminosidad con una amplia diferencia en el costo a largo plazo
El proyecto puede ser rentable a mediano plazo puesto que el proyecto ensamblado queda de la siguiente manera compuesto con sus respectivos precios
6 Celdas solares de 6 v a 100 miliamperios ............................$ 160 c/u
1 Batería recargable de 6 V ........................... .................... $ 750
2 Lámpara de led's (ensamblado)................................. ...... $ 490 c/u
1 censor de luminosidad................................................... $ 120
1 quit de base y soportes para lámparas................................. $ 300
El proyecto terminado oscila en un precio de 3,110 por todo el material a utilizar
Una lámpara normal de alumbrado publico oscila alrededor de 1600 pesos al parecer es mas barata con un inconveniente que esta siempre estaría consumiendo energía eléctrica. (la de celdas solares solo tendría un solo valor nominal) al ver este punto denotamos que el proyecto seria factible si el consumo normal de estas lámparas es de 2.34 pesos al día esto nos da un promedio de 70.24 pesos mensuales tomado en cuanta que los focos utilizados en estas lámparas tienen un vida útil de aproximadamente 6 meses y se deben remplazar hablaríamos de un promedio de 300 pesos estas lámparas de focos de 300w tiene un costo de 1424.4 pesos al año esto nos indica que en el primer año cubriríamos el costo de la lámpara de celdas solares ya que se aproximan sus costos en un año tomando en cuanta que la lámpara solar ya no generaría un costo extra después de su instalación. Ver (tabla 1)
Nota: Las cotizaciones de los precios de construcción del proyecto son estimados para el año 2010
Por otra parte si se anexa un sistema de encendido automático a la lámpara esta podrá ser auto sustentable y no tendría necesidad de ser manipulada por el ser humano esto repercute que la lámpara solo estará encendida cuando sea necesario, de esta forma no abra perdidas de energía durante el día generando así un dispositivo automatizado.
Los beneficios indirectos de el proyecto se reflejan en u menor consumo de energía eléctrica proveniente de quema de hidrocarburos reduciendo así la contaminación en nuestro país. Un menor costo en energía eléctrica, sistemas de alto rendimiento en la vida diaria además de un ambiente mas agradable a toda ora puesto que este proyecto tiene su funcionamiento en las noches. Podemos ver de esta forma que el proyecto puede ser rentable cada ves a mas corto plazo pues el paso de la tecnología ase reducir costos en producción de los componentes utilizados en este proyecto.
Resultados, planos, graficas y prototipos
Los resultados obtenidos se plantean de la siguiente manera para una mejor comprensión:
GRAFICA DE ESTUDIO DE FACTIBILIDAD
Podemos notar que en el cuarto trimestre o primer año se compensan los gastos del cambio de sistema de iluminación.
Esta grafica nos muestra que el proyecto de celdas solo tendrá un solo pago en el lapso de 2 años en cambio las lámparas tradicionales tendrán un gasto constante por el tiempo que trabaje esta misma también es cierto que la lámpara de led's trabajando a un taza de 13 horas al día tendrá un tiempo de vida de 2.2 años de vida útil en ese lapso esta tendrá que ser reemplazadas
Tabla 1. Costo de consumo de lámparas
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HORA
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DIA
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MES
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AÑO
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FOCO DE 300W
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$ .18
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$ 2.34
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$ 70.2
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$ 842.4
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LED
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$ .036
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$ 0.468
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$ 14.04
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$ 168.48
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Grafica de de ganancia de dos días arbitrarios
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1.-conjunto de celdas conectadas en paralelo para obtener 6 v a 600 m A
2.-bateria de 6V a 1 Amper
3.- regulador a 5 V
4.- circuito de encendido automático
5.- foto censor
6.- lámpara de led's
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Conclusiones y recomendaciones
Al finalizar el proyecto podemos ver que las metas se han cumplido puesto que se ha hecho el análisis de un sistema de iluminación con celdas solares y lámpara de led´s probamos que este resulta mas factible si se realiza de esta forma mediante una ardua investigación se llega a la conclusión que si este se realiza con led´s resulta mas barato que con lámparas ahorradoras o tubos fluorescentes ya que en estos tendríamos que recurrir a mas gastos en la necesidad de crear un circuito inversor ya que estas necesitan de un balastro que trabaja en corriente alterna además que tienen un consumo mayor a diferencia de los led's esto implicaría celdas mas grandes y baterías de igual forma para sostenerlas pero si trabajamos con led's podemos trabajar a 6 V que seria mas favorable en términos de economizar costos que es el objeto primordial de el proyecto concluyo de esta forma el proyecto no debe tardar en ponerse en practica y si necesitara unas modificaciones seria mínimas pues hemos tomado en cuanta todos los principales problemas que se presentaran y la única recomendación seria trabajar sobre las lámparas de led's ya que note que en el mercado el costo de estas es relativamente caro a diferencia si las realizamos en laboratorio estas no resultan tan caras una paradoja las lámparas son sorprendentemente mas caras que las celdas que utilizaremos un buen proyecto seria buscar la forma de minimizar este costo y hacer accesible este proyecto. Mi ultimo punto es ¨la tecnología no es cara si comparamos el ahorro a futuro que tenemos en este sistema ¨
Referencias bibliograficas
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Tecnológico de Yucatán metodología de elaboración de un proyecto para residencia
1ª edición editorial publitec Mérida Yucatán 2002
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Wikipedia celdas solares principios y aplicaciones
http//:www.wikipwdia.org/wiki/celdas
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A. GONZALES ARIAS EFICIENTES FLEXIBLES Y BARATAS , CELDAS SOLARES
Orbe, Mayo 2009
http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/vida%20y%20tierra/celdasolar/index.htm
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Mercado libre cotización de presios y especificasiones
www.mercadolibre.co/celdas
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servido por luis angel
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