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

38

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.

47

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.

49

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.

50

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.

53

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.

55