Automatización de casas con energía solar, Apuntes de Tecnología de la Información

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APUNTES SOBRE AUTOMATIZACIÓN

DE CASAS CON ENERGÍA SOLAR

AUTOMATIZACIÓN DE CASAS CON ENERGÍA SOLAR

ISC., LAE. Y LD EFRAIN ALEJANDRO LÓPEZ GONZÁLEZ

CAPÍTULO 1 ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN

• INTRODUCCIÓN
• 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
• 1.2 DELIMITACIÓN
• 1.3 HIPÓTESIS
• 1.4 OBJETIVO
• 1.5 JUSTIFICACIÓN
• 2.1 LA ENERGÍA DEL SOL CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL
• 2.1.1 ENERGÍA SOLAR
• 2.1.2 LAS CAPAS SOLARES
• 2.1.3 LA ACTIVIDAD SOLAR
• 2.1.3.1 Manchas solares
• 2.1.3.2 Fáculas
• 2.1.3.3 Regiones activas
• 2.1.4 LA RADIACIÓN SOLAR
• 2.1.5 EMISIÓN DE RADIO DEL SOL
• 2.1.5.1 La radiación infrarroja
• 2.1.5.2 Radiación ultravioleta
• 2.2 LA ELECTRICIDAD SOLAR
• 2.2.1 CELDAS SOLARES
• 2.2.2 INTENSIDAD SOLAR
• 2.3 EL SISTEMA FOTOVOLTAICO
• 2.3.1 SUBSISTEMA FOTOVOLTAICO
• 2.3.1.1 Condiciones estándar y NCOT.
• 2.3.1.2 Conexión de módulos fotovoltaicos
• 2.3.2 SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO
• 2.3.3 EL SUBSISTEMA DE REGULACIÓN
• 2.3.3.1 Diodos de bloqueo.
• 2.3.3.2 Tipos de reguladores de carga.
• 2.3.4 EL SUBSISTEMA DE CONVERSIÓN
• 2.3.4.1 Convertidores DC – DC.
• 2.3.4.2 Convertidores DC – AC.
• 2.4 CONEXIÓN MÓDULO FOTOVOLTAICO
• 2.4.1 RENDIMIENTO DE LA CONEXIÓN
• 2.5 INSTALACIÓN, MANTENIMIENTO Y VIDA ÚTIL
• 2.5.1 INSTALACIÓN
• 2.5.2 ORIENTACIÓN
• 2.5.3 ÁNGULO DE INCLINACIÓN
• 2.5.4 ESTRUCTURA DE SOPORTE
• 2.5.5 CABLEADO
• 2.5.6 UBICACIÓN DEL CONTROLADOR Y LAS BATERÍAS
• 2.5.7 MANTENIMIENTO.
• 2.5.8 VIDA ÚTIL
• 2.6 SISTEMAS DE CONTROL ANALÓGICO Y DIGITAL
• 2.6.1 SISTEMAS DE CONTROL
• 2.6.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE CONTROL
• 2.7 AUTOMATIZACIÓN
• 2.8 DOMÓTICA
• 2.8.1 EDIFICIOS INTELIGENTES Y DOMÓTICA
• 2.8.2 INMÓTICA
• 3.8.3 EL HOGAR DIGITAL
• 2.8.3.1 Gestión de la producción y el consumo eléctrico
• 3.1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO REFERENCIAL
• 3.1.1 MÉXICO
• 3.1.2 CHIAPAS
• 3.2 ESTADO DEL ARTE
• 3.3 RADIACIÓN EN EL ESTADO DE CHIAPAS
• 4.1 FUNCIONAMIENTO CAPÍTULO 4 DESARROLLO DEL HARDWARE Y EL SOFTWARE
• 4.2 DESARROLLO DEL HARDWARE
• PIC16F877-A 4.2.1 ETAPA DE CONTROL DEL MICROCONTROLADOR
• 4.2.1.1 Unidad Central de Procesamiento (CPU)
• 4.2.1.2 Memoria
• 4.2.2 HARDWARE BÁSICO
• 4.2.2.1 Fuente de voltaje
• 4.2.2.2 Oscilador
• 4.2.2.3 Reset
• 4.2.2.4 Etapa de protección
• 4.2.2.5 Etapa amplificadora
• 4.2.2.5 Optoacopladores (LDR).
• 4.2.2.5 Iluminación.
• CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS
• CONCLUSIONES
• GLOSARIO DE TÉRMINOS
• ANEXO
• ANEXO
• FUENTES DE CONSULTA

INTRODUCCIÓN

La energía solar se manifiesta de diversas formas y su aplicación ha sido fundamental para el desarrollo de la humanidad. A estas formas se les conoce como energías renovables, ya que son formas de energía que se van renovando o rehaciendo con el tiempo. El presente trabajo de investigación trata sobre implementar la energía solar como una fuente alterna de energía a una vivienda y a través de mecanismos de automatización, reducir el consumo de la misma. La energía solar es captada con la ayuda de los paneles solares que transforman los rayos del sol en energía eléctrica, que se acumula en un banco de baterías, donde un inversor desempeña la función de transformar la corriente continua a corriente alterna y esta se distribuye a través de la red de cables conectados a la vivienda. Después de los procesos de captación, acumulación y transformación de energía, se pasa directamente por una etapa de control que es controlada por un micro controlador PIC16F8 77 - A, el cual es programado con el objetivo de mejorar los rendimientos de energía dentro de la vivienda. Por ello se realizó una maqueta simulando de forma física la automatización en cuanto a la producción de energía eléctrica, utilizando como fuente primordial la energía solar, por lo que es de vital importancia proseguir con el desarrollo y distribución de la energía solar, para hacerla competitiva, especialmente en la distribución de energía eléctrica a las comunidades rurales y generando ahorros en el consumo eléctrico.

En estas comunidades la luz se produce por medio de combustibles como lo son el queroseno (petróleo), gasolina o gas LP, y el manejo de los mismos resulta peligroso debido a que son altamente inflamables y contaminantes, Además el transportar estos combustibles a los lugares que lo requieren resulta demasiado costoso, por lo que se propone el uso de otro sistema para la generación de electricidad. Después de haber realizado un análisis exhaustivo de la problemática, se encontró que uno de los sistemas más viables y accesibles es el uso de celdas solares, ya que el estado cuenta con excelentes días soleados durante todo el año, excepto en la época de lluvias. Por lo que si se emplean paneles fotovoltaicos y circuitos de control analógico de forma adecuada se podría abastecer el consumo de energía eléctrica en los lugares apartados. Por lo antes expuesto, surge la siguiente cuestionante: ¿La energía solar podrá satisfacer las necesidades de consumo eléctrico en los lugares en los que el servicio de distribución eléctrica no puede llegar?

1.2 DELIMITACIÓN

El estado cuenta con una economía basada en la producción de energía eléctrica. La sociedad actualmente cuenta con la tecnología eléctrica, basada en los métodos tradicionales de distribución eléctrica. Es posible conseguir rendimientos favorables implementando la energía solar en las casas a donde el servicio de distribución tradicional no puede llegar, por lo que la presente investigación, pretende aportar alternativas al servicio de distribución eléctrica tradicional. Se realizará un prototipo con las medidas de 100 X 100 cm., de una casa, en la que se demostrará la simulación del funcionamiento de la energía solar, la cual estará provista de circuitos de control analógico como el encendido de luces, llenado de tinaco

y controles de temperatura para cada habitación, los cuales permitirán mejorar el ambiente dentro de la misma y contribuirán a tener ahorros de energía. El tiempo comprendido para el desarrollo de la presente investigación es de 6 meses, comprendidos de enero a junio del 2005.

1.3 HIPÓTESIS

La energía solar podrá satisfacer las necesidades de consumo eléctrico en los lugares a los que el servicio de distribución eléctrica no puede llegar Emplear celdas solares que a través de procesos fotovoltaicos convierten la energía solar en eléctrica, podrán satisfacer las necesidades básicas de consumo de energía de una familia.

1.4 OBJETIVO

General

• Desarrollar el prototipo de una casa automatizada con celdas solares para demostrar su funcionamiento. Específico
• Crear el prototipo de la casa.
• Implementar el suministro de energía de la casa prototipo, a través de celdas solares.
• Desarrollar los controles analógicos para mejorar el ambiente dentro de la casa.

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL

2.1 LA ENERGÍA DEL SOL

2.1.1 ENERGÍA SOLAR

“La energía solar que recibe nuestro planeta, es el resultado de un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el interior del Sol. De toda la energía que produce ese proceso, nuestro planeta recibe menos de una milmillonésima parte. Esa energía, que en ocho minutos recorre los más de 145 millones de kilómetros que separa al Sol de la Tierra, representan una cantidad enorme en proporción al tamaño de nuestro planeta”^2 La energía solar se manifiesta en un espectro que se compone de radiación ultravioleta, visible e infrarroja. Al llegar a la Tierra, pierde primero su parte ultravioleta, que es absorbida por la capa de ozono que se encuentra en el límite superior de la atmósfera. Ya en la atmósfera, la parte infrarroja se pierde ya sea por dispersión al reflejarse en las partículas que en ella se presentan o al llegar a las nubes, que son capaces de reflejar hasta un 80% de la radiación solar que llega a ellas. El resto llega a la superficie, ya sea de manera directa o indirecta como reflejo de las nubes y partículas en la atmósfera. La radiación solar que llega a la superficie terrestre se puede transformar directamente en electricidad o calor. El calor, a su vez, puede ser utilizado para producir calor y generar electricidad.

2.1.2 LAS CAPAS SOLARES

“El Sol, con un diámetro de 1,392,530 Km (109 veces superior al de la Tierra), se divide en varias capas. (^2) Http://www.anes.org/docs/er-mexico2.pdf

Las capas internas son estimadas con base a modelos estelares, siendo el núcleo donde ocurre la fusión nuclear, la zona de radiación donde se traslada la energía liberada por la fusión y finalmente la capa de convección, donde el material y el plasma están circulando y creando intensos campos magnéticos que posteriormente se reflejan como la actividad solar en las capas superiores. Las capas externas que están al alcance de la observación son la Fotosfera (esfera de luz), de la cual recibimos directamente la energía visible y puede ser vista con la protección adecuada o con instrumentos como binoculares y telescopios. La Fotosfera se encuentra a una temperatura promedio de 6500 ºK, y observando su estructura fina se ve que ésta constituida por los llamados gránulos, que son efecto final de la convección que ocurre en la capa inferior. Los gránulos tienen un diámetro promedio de 1000 Km., y una vida cercana a los cinco minutos. La Fotosfera es mucho más brillante hacia el centro del disco solar, oscureciéndose hacia el limbo, por el efecto de penetración que se tiene desde la perspectiva de la observación. La siguiente capa es la Cromósfera (esfera de color), descubierta en las observaciones de eclipses torales de Sol, como un borde de notable color rojo. La Cromósfera, es la atmósfera que envuelve a la Fotosfera, y su temperatura oscila en promedio de 3500 a 35,000 ºK. Su estructura fina está constituida por espículas que semejan pasto o pequeñas llamas. Las espículas están sobre toda la Cromósfera y su cambio fundamental es el nivel de inclinación. Si están inclinadas en ángulos típicos de 60 grados, se encuentran en un campo magnético cerrado y esto es fácilmente visible en las regiones circundantes a las manchas solares. Si las espículas se ven verticales, se encuentran en un campo magnético abierto, como se visualiza en las regiones polares. La última capa es la Corona, también descubierta durante los eclipses totales de Sol, cuando es fácilmente visible y por ello fue el recurso fundamental para estudiarla durante décadas, originalmente se pensó que era un efecto en la atmósfera de la Tierra y posteriormente se determinó que era parte de la atmósfera solar.”^3 (^3) SANCHEZ Ibarra Antonio. Tesis el Sol y su Actividad. 2001

2.1.3.3 Regiones activas

La sumatoria de efectos visibles en la cromósfera e incluso en la corona solar sobre las regiones de manchas solares con llamadas regiones activas. Su apariencia varía dependiendo de la región espectral que se observa.

2.1.4 LA RADIACIÓN SOLAR

“El análisis del espectro del Sol puede revelar una gran cantidad de información acerca del mismo y de sus propiedades físicas. Investigando el espectro, por ejemplo, es posible percibir información acerca de las condiciones a distintas alturas sobre la base de la fotósfera; a una longitud de onda dada es posible ver el interior de la atmósfera solar, solo hasta el nivel en que se vuelve opaca a esa radiación particular. Un buen absorbente es también un buen emisor, la mayor parte de la radiación recibida a una longitud de onda dada se origina en el nivel en el que la atmósfera solar y se vuelve opaca a esa longitud de onda (el nivel de emisión), por debajo de ese nivel, la radiación es absorbida con demasiada eficacia para alcanzar a la Tierra, mientras que por encima de ese nivel, es transparente, absorbiendo y emitiendo muy poca energía. Para la longitud de onda central de una raya de absorción muy oscura, la atmósfera es extremadamente opaca y por lo tanto cualquier radiación recibida debe originarse desde un nivel relativamente alto; hacia las alas la absorción es menor y la radiación se origina en un nivel más bajo.”^4

2.1.5 EMISIÓN DE RADIO DEL SOL

“Aunque la curva de cuerpo negro para un cuerpo con una temperatura de unos 6000 ºK, prolongada hacia la región de radio, sugeriría que el Sol tendría que ser un emisor de radio muy débil, las observaciones muestran que, de hecho la emisión de radio del (^4) http://www.fisica.edu.uy/astronomia/lared/articulos/La%20radiacion”20solar.htm

Sol es una Magnitud altamente variable que a determinadas longitudes de onda pueden crecer en factores tan grandes como 10000. La emisión de radio del Sol, está constituida por tres componentes principales:

1. La emisión del Sol sin perturbar es la emisión global de fondo del Sol, excluyendo las fuentes discretas (localizadas) y tiene la forma de radiación térmica (de cuerpo negro) emitida por partículas moviéndose al azar en un gas caliente. La temperatura de brillo aparente de esta radiación varía de 6000 ºK longitudes de onda milimétricas, a más de 10^6 ºK de longitudes de onda métricas, debiéndose a la diferencia de niveles de la atmósfera (la temperatura de brillo asociada a la radiación de una longitud de onda dada es la temperatura que tendría un cuerpo negro del mismo tamaño que el Sol para emitir la cantidad medida de radiación a esa longitud de onda).
2. La componente de variación lenta (componente S) es también radiación térmica, pero es emitida desde regiones localizadas de la atmósfera solar, siendo la cantidad total de radiación emitida por todo el Sol, rara vez mayor que el Sol sin perturbar es localmente intensa y depende del nivel de actividad solar, Es más importante en el rango de longitudes de onda disimétricas, entre unos 10 y 50 cm. (frecuencias de 3 GHz a 600 MHz.)”
3. Destellos de radio, pueden tener lugar sobre todo el espectro del radio con escalas de tiempo desde 1 hasta varias horas. La potencia emitida puede superar la del Sol sin perturbar por factores de 1000 o 10000 GHz, y la radiación básicamente de naturaleza no térmica es emitida por electrones que en lugar de moverse al azar como en un gas caliente, tienen movimientos dirigidos bajo la influencia de un campo magnético.

oficinas. Para estos fines, los combustibles fósiles tales como el petróleo, carbón y el gas natural son los más empleados”^7 “Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. El primero en notar el efecto fotoeléctrico fue el físico francés Edmund Becquerel, en

1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio”.^8

2.2.1 CELDAS SOLARES

“La mayor parte de las celdas utilizadas a nivel comercial son de silicio (símbolo químico: Si). El silicio es lo que se conoce como un semiconductor, este elemento químico se encuentre en todo el mundo bajo la forma de arena, que es dióxido de (^7) http://www.mysolar.com/mysolar/pv/solarenergy.asp (^8) http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo2.pdf

silicio (SiO 2 ), también llamado cuarcita. Otra aplicación del silicio semiconductor se encuentra en la industria de la microelectrónica, donde es empleado como material de base para los chips”^9 Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior y, luego, dos capas de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de anti reflexión, que da a la celda solar su típico color azul. Figura 2.1 Estructura de una celda solar 1 Luz (Fotones) 4 Capa de desviación 2 Contacto frontal 5 Capa positiva 3 Capa negativa 6 Contacto posterior Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas, la diferencia entre ellas radica en la forma de la disposición de los átomos de silicio, es decir, en la estructura cristalina. Existe, además, una diferencia en la eficiencia. Por eficiencia se entiende el porcentaje de luz solar que es transformado en (^9) http://www.mailxmail.com/curso/vida/energiasalternativas/capitulo7.htm

Figura 2.2. Arreglo de celdas Los paneles solares (también denominados módulos fotovoltaicos FV) son fabricados de diversas formas y tamaños, los más comunes producen un máximo de 50 Watts pico (Wp) de electricidad bajo condiciones de luz solar plena y miden 0.5 m 2 aproximadamente.

2.2.2 INTENSIDAD SOLAR

“El sol emite constantemente enormes cantidades de energía solar que viajan en línea recta hasta la tierra. La cantidad de energía que se recibe en un solo día, resulta más que suficiente para cubrir la demanda de energía a nivel mundial todo un año, sin embargo, no toda puede ser utilizada de manera efectiva, debido a que al penetrar la atmósfera terrestre, una parte es absorbida, una parte se dispersa y otra cae sobre la superficie de la tierra. La luz solar que se dispersa se denomina radiación o luz difusa. La luz del sol que cae sobre la superficie sin dispersarse ni ser absorbida es radiación directa. La intensidad de luz solar que alcanza nuestro planeta varía según el momento del día y el año, el lugar y las condiciones climáticas. La energía total registrada sobre una

base diaria o anual se denomina “ radiación” e indica la intensidad de dicha luz. La radiación se expresa en Wh/m^2 o KWh/m^2 por día. Con el fin de simplificar los cálculos realizados con base a la información sobre radiación, la energía solar se expresa en equivalentes a horas de luz solar plena. La luz solar plena registra una potencia de unos 1000 W/m^2 ; por lo tanto, una hora de luz solar plena equivale a 1 KWh/m^2 de energía. Esta es aproximadamente, la cantidad de energía solar registrada durante un día soleado de verano, con el cielo despejado, en una superficie de un metro cuadrado de la celda solar, colocada de forma perpendicular al sol. Figura 2.3 Radiación solar recibida en la superficie, expresada en W/ m^2 En la figura 2.3, puede apreciarse la radiación solar media recibida en la superficie terrestre, la cual oscila entre un máximo de 275 W/m^2 en las regiones despejadas de nubosidad del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/ m^2 en las islas bromosas del Ártico. La media global es de 170 W/m^2.