Archivo para julio, 2010


Efecto de la resistencia shunt en celulas solares

El típico rango de las resistencias shunt 1 x 2 cm hasta 2 x 6 cm es desde 10^3 hasta 10^5 ohm. La resistencia shunt no se puede controlar durante los procesos de manufactura, excepto que algunas veces puede ser monitoreada para propósitos de controls de procesos de producción. Los efectos de la resistencia shunt son usualmente despreciables para operación próxima a una constante solar, pero es significante cuando hay niveles pobres de luz.

Anuncios

Efecto de las resistencias en serie en celula solar

Las resistencias en serie de una célula solar es una idealización de las pérdidas eléctricas disipativas internas las cuales pueden ser deducidas por observaciones del comportamiento de sus terminales. Pequeñas variaciones de las Rs pueden tener un profundo impacto en la eficiencia de conversión de la energía. Tales variaciones son usualmente causadas por los procesos de manufactura, pero dichos cambios también pueden ser causados por exposición al medio ambiente tales como radiación de partículas, temperaturas cíclias y humedad.


Propiedades Eléctricas de Salida de Células Solares

Ics –> es el corriente de cortocircuito (voltaje de los terminales es igual a cero).
Pmp –> punto de máxima potencia de salida, conocido también como: punto óptimo de potencia de salida Pop.
Voc–> voltaje de circuito abierto (cuando la corriente de salida es cero).
El punto de máximo potencia Pmp corresponde a la máxima eficiencia de conversión y se localiza donde el rectángulo tiene la más grande área dentro de la curva I-V.
En correspondencia con Pmp esta la corriente de máxima potencia Imp y el voltaje de máxima potencia Vmp.
Una línea recta desde el origen y que pase por el Pmp, representa la resistencia de carga óptima Rop y que es 1/Rop = Imp/Vmp.


Cuadro de datos de la variación de la intensidad solar en relación a la distancia Tierra / Sol.

La Tierra en su rotación anual alrededor del Sol tiene momentos de acercamiento y distanciamiento del Sol, esto influye que la intensidad solar varíe según la distancia Tierra / Sol a lo largo del año. Pero para consideraciones de diseño se toma un valor de 1000 W/m^2 como hipótesis general y esto resulta de considerar que la constante solar se reduce un tanto debido a que la atmósfera terrestre filtra (captura) parte de la constante solar, la atmósfera tiene un comportamiento no lineal pero para efectos de cálculo se dispone que a nivel de suelo la intensidad solar es de 1000 W/m^2.


La Constante Solar

Dice: el Sol es típico de las más numerosa clase de estrellas con designación espectral dG2 y cuenta con una temperatura de superficie de cuerpo negro de 6000 °K. El Sol emite radiación en el rango de longitud de onda entre 10^(-10)m [Rayos X] y 30m [radio frecuencia]. El pico de la energía emitida espectralmente ocurre en los 0.48um y aproximadamente el 77% de la energía emitida esta en la banda desde 0.3 hasta 1.2 um el cual es de interés para las células solares corrientes. Aproximadamente 1% de la energía se emite por debajo de los 0.3 um y aproximadamente 22% se hace por encima de los 1.2um. La energía total recibida desde el Sol sobre una unidad de área perpendicular a los rayos del Sol a la distancia media entre Sol y Tierra que se denomina Unidad Astronómica [AU = 1.4959789 x 10^(11)m], es llamada la constante solar. El valor de la constante solar es de 1353 W/cm^2,  el error estimado es +/- 2.1 mW/cm^2.


Diagrama del voltaje de ruptura del aire vs altura

Dado que las instalaciones en base a fuentes solar y eólica se disponen a diferentes alturas sobre el nivel del mar, es un hecho que tenemos que asegurar la no presencia de descargas. El diagrama mostrado indica que el voltaje de ruptura del aire varía muy poco dentro de los límites habitables por el ser humano, lo que permite hacer diseños de las elementos eléctricos sin tomar en cuenta las pequeñas variaciones del voltaje de ruptura. Sin embargo, es interesante este diagrama ya que permite tener conocimiento de aplicaciones como aviones solares que viajen a alturas en que es bueno ya considerar el voltaje de ruptura en el diseño de la parte eléctrico.


Concentración y presión del gas atmosférico a diferentes alturas

Esta tabla permite fundamentar lo mencionado en la entrada anterior. En los niveles habitables por el ser humano la concentración y presión de la atmósfera se puede considerar constante como herramienta para abreviar cálculos. Dado que la presión es una medida de la cantidad de movimiento de átomos de la sustancia en estudio, por lo tanto, hay una relación entre la concentración y presión del gas. Lo mismo se puede decir también de la interacción entre el viento y los turbinas eólicas, en que el aire transfiere parte de su cantidad de movimiento hacia los álabes y dado su diseño particular esta cantidad de movimiento incita el movimiento de rotación.


Cuadro de densidad, presión y temperatura en la atmósfera terrestre

En el cálculo de los sistemas de energía en base al sol, tiene especial importancia la atmósfera terrestre debido a que hace un filtrado no lineal de la radiación solar. Además, también  tiene importancia en la energía eólica ya que es la masa del aire en movimiento la que permite el movimiento de los álabes de las turbinas. Según el diagrama en mención, podemos hacer supuestos simplificadores de las características de la atmósfera que simplifiquen los cálculos de diseño de centrales solares y eólicas sin importar la altura a la que están dispuestos sobre el nivel del mar; puesto que se presenta una uniformidad en lo que es densidad, temperatura y presión dentro de la altura habitable por la mayoría de la población.


Un primer diagrama de carga de un condensador conectado a una red eléctrica DC

Este es un primer modelo del proceso de carga de un condensador de potencia (puede también considerarse que es una batería) el cual esta colocado entre la fuente de energía (generador) y la red eléctrica (cargas), mediante un conección del tipo T. Él objetivo de tomar condensadores es como almacenadores de carga y compensadores de voltaje en las microgrids, de esta manera la regulación de voltaje se realiza automáticamente en lo que respecta a tiempos cortos que puede ser la grid suplida de energía desde condensadores. Algunas hipótesis: Tanto el voltaje del generador como de la grid, se han considerado constante y, además; el condensador no cuenta con pérdidas, ni se ajusta a una curva de carga.


Diagrama de control para pequeños ángulos de carga con Simulink/Matlab

En la entrada anterior habiamos visto el diagrama completo del ángulo de carga de una línea eléctrica simple considerando que este varia desde cero hasta noventa grados eléctricos. Pero en la práctica se puede aproximar a un comportamiento lineal las ecuaciones en mención considerando una pequeña variación del ángulo de carga. De esta manera las ecuaciones se linealizan (valga la redundancia) y permite simplificar el diagrama expuesto en la entrada anterior.

El presente diagrama tiene el cálculo para un ángulo de carga desde O° hasta 2° en donde se han eliminado algunos elementos no lineales del diagrama anterior.

En la práctica las máquinas eléctricas sólo permiten una pequeña variación del ángulo de carga, ya que esto incrementa las corrientes al interior de la máquina eléctrica. Se limita el ángulo de carga, para poder mantener el diseño de la máquina dentro de las tolerancias de las normas eléctricas y de costos competitivos en el mercado. Un diseño que permite mayores corrientes en el rotor y por lo tanto, mayor ángulo de carga, implica tener mayor cantidad de hierro y cobre, lo que eleva el costo de producción y mantenimiento.


Diagrama completo de control del ángulo de carga

Es sabido que la transmisión de potencia eléctrica se divide en dos cosas muy separadas. En primer lugar la cantidad de potencia activa que se transmite depende mucho del ángulo de carga de los variables eléctricas en la línea eléctrica en estudio. En segundo lugar, la cantidad de potencia activa que se transmite depende fundamentalmente de los valores de los voltajes que hay entre la barra que transmite y la barra que recibe. Por lo tanto, el ángulo de carga, determina en buena forma las capacidad de transmisión de potencia eléctrica.

En el diagrama mostrado, se observa un estudio de la transmisión de potencia eléctrica en una línea simple con barra fuente y de recepción. El ángulo de carga varia desde O° hasta 90° a lo largo de los 10 segundo que demora la simulación. Se puede observar como es la variación de la potencia activa y reactiva según el ángulo de carga.


Corriente en bobina de rotor de una máquina eléctrica

En una máquina eléctrica se da el desplazamiento “S” definido con la diferencia proporcional de las velocidades angulares del rotor y del estator. Éste desplazamiento a su vez, determina la intensidad de la corriente que se genera en el rotor con la finalidad de que el desplazamiento sea mínimo, o como se suele decir, el elemento de la máquina eléctrica (rotor o estator) con menor velocidad angular alcance al otro con mayor frecuencia angular.

Esta intensidad de corriente predetermina las capacidades de la máquina eléctrica de responder ante situaciones determinadas, y es un punto importante para el diseño de la estructura mecánica así como el de la capacidad eléctrica de los conductores y la disipación de energía eléctrica producida por pérdidas eléctricas propias de las interacciones electromagéticas al interior de una máquina eléctrica.

Matlab/Simulink permite una fácil y flexible aproximación para estudiar en detalle este tema.


Cálculo de la Potencia Disponible en una Torre Solar considerando la variación de la densidad del aire y la variación de la temperatura del aire

El presente diagrama muestra el cálculo de la potencia disponible en una Torre Solar (a la salida de la turibna) considerando la variación de la densidad del aire,  la variación de la temperatura del aire y que la instalación cuenta con colector y turbina para lo cual se consideran sus eficiencias energéticas.


Portencia en Torre Solar debido a Radiación Solar más eficiencias de colector y turbine

En el diagrama se calcula la potencia que se obtendría en el caso de que la energía solar se almacene en el viento según las escalas que marca las eficiencias del colector y la turbina. Está potencia es la que se obtendría idealmente a la salida de la turbina. Después de la turbina hay que considerar otras eficiencias como por ejemplo: del generador eléctrico y otros equipos más.


Potencia Ideal Disponible en una Torre Solar sin Turbina

El presente diagrama cálculo la potencia ideal disponible en una torre ideal sin turbina. Estos cálculos permiten proyectar el uso de torres solares en lugares adecuados que permitan una área extensa para la colocación de techo a poca altura que permita el calentamiento del aire. El cálculo se basa en variación de la temperatura, la nula variación de la densidad del aire, gravedad constante y flujo de masa de aire en el tiempo constante.


Velocidad Máxima en Torre solar mediante Matlab/Simulink

El diagrama muestra el cálculo de la velocidad máxima del viento ascendiendo por la chimenea de la instalación de una torre solar. Acá se considera que no hay turbina instalada, que no hay variaciones de densidad del aire y que todo el proceso se basa en la diferencia de temperatura debido calentamiento del aire.


Una máquina de inducción consta de un bobinado en el estator y otro en el rotor. La frecuencia de rotación del campo magnético en el estator lo hemos mencionado como n_s, la cual la he considerado nominalmente 60Hz más una perturbación. El análisis de varios tipos de perturbaciones permitirá mejor la comprensión del comportamiento de la máquina. El número de polos considerado p_s es igual a 4. El deslizamiento “s” se calcula por la expresión s= (n_s – n_r)/n_s, y relaciona la frecuencia del estator con la del rotor (f_r=s*f_s). Es de mencionar que cuando el deslazamiento tiende a 1, la frecuencia del rotor tiendo a 0. Esto permite que cuando haya una repentina carga sobre el rotor, el incremento de su frecuencia, genera el torque adicional para que sus RPM se incrementen, conllevando a un aumento en la corriente eléctrica del estator que lógicamente sirve para compensar el ingreso de la carga adicional.


Un sistema eléctrico que alimenta a cargas domiciliarias, tiene un comportamiento distintivo de la potencia eléctrrica, caracterizado por una hora punta durante las primeras horas de noche y horas “valle” en la madrugada y durante la mañana.

Siendo necesario el simular las cargas domiciliarias y sus pequeñas fluctuaciones provenientes de la conexión – desconexión de cargas a lo largo del día, se hace necesario crear diversos modelos de cargas domiciliarias para probar el sistema bajo diferentes condiciones y/o características de cargas.