Energía Solar para WISP - Parte 01

©Wireless Cowboys - Peneles Solares alimentando a un Bridge Link punto a punto rural. 

Los WISP somos los llamados a cerrar la brecha digital en todos los lugares donde no hay acceso a servicios básicos como el Internet, para ello hay que desplegar Redes Inalámbricas con una infraestructura confiable, constante sin interrupciones. Cuando se despliega estaciones repetidoras o bridge links en zonas elevadas y de difícil acceso se necesita energía que pueda responder a las necesidades y requerimientos de los equipos de telecomunicaciones, para ello en este post trataremos a fondo el despliegue de un sistema energético renovable y limpio, ENERGÍA SOLAR.

1. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR

Es una fuente de energía renovable por excelencia o energía limpia y se aprovecha de la radiación electromagnética procedente del sol hacia la tierra por insolación, toda la energía que llega a la tierra según Wikipedia recibimos 174 pentavatios de radiación solar y  solo el 30% regresa al espacio.

La energía solar se aprovecha a través de células fotovoltaicas o fotoeléctricas, produciendose el efecto fotovoltaico que es la transformación de la energía lumínica en energía eléctrica, fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, empero la primera célula se fabricó en 1883 por Charles Fritts, a todo esto denominamos Energía Solar Fotovoltaica.

Pero tambien tenemos otras energías como la Energía Solar Térmica, se usa para producir agua caliente de baja temperatura, calefacción a nivel sanitario en rango industrial que puede alimentar a todo un edificio, este tipo de energía es común puesto que con este sistema muchos calientan agua exclusivamente para la ducha en sus hogares. Este tipo de energía es muy diferente a la fotovoltaica, pues acá se aprovecha la energía del sol y se transforma en calor; solo observen el gráfico.

Energía solar térmica: El agua fría circula por el inferior, pasa por los
paneles térmicos y regresa al tanque con cierta temperatura,
ya puede ser aprovechada para bañarse por ejemplo.

- PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS

Un panel solar fotovoltaico consiste en un conjunto de células encapsuladas en dos capas EVA (etileno - vinilo - acetato) la primera en una lámina de vidrio, y en el inferior una de polímero termoplástico, todo esto es enmarcado en una estructura de aluminio generalmente, para aumentar la resistencia mecánica del conjunto y facilitar el anclaje de todo el módulo.

Las células fotovoltaicas es un dispositivo electrónico encargado de transformar la energía lumínica (Fotones) en energía eléctrica, esto es el efecto fotovoltaico o fotoelectrico, absorben fotones de luz y emiten electrones libres, al ser capturados el resultado es corriente eléctrica que sirve para alimentar nuestros aparatos electrónicos.

Proyecto PV Soundless Freising, en una autopista de Alemania.

Las células se fabrica de tres distintas maneras una de ellas es de Silicio amorfo, son las menos eficientes del mercado, su costo es barato y se usa por ejemplo para las calculadoras, relojes y demás pequeños aparatos alimentados solarmente. Otra de las células se fabrican de Silicio policristalino, se constituyen por varios cristales de silicio y tienen un color azul intenso; sin embargo hasta ahora las más eficientes son las células de Silicio monocristalino, son construidas por un solo cristal de silicio de gran dimensión y tiene un color azul uniforme, su rendimiento es de 150 Wp/m², frente a los 100 Wp/m² que ofrece la células silicio policristalino.

Sin embargo eso no es todo, pues existe otra célula más, es la célula fotovoltaica multiunión, como su nombre lo indica es de multiples junturas de varios materiales semiconductores, ha demostrado una eficiencia  por encima del 43% de conversión, mientras que la célula silicio monocristalino llegan desde14, 16, hasta 20%; no obstante éstas células han sido desarrolladas para aplicaciones espaciales solamente, pues su coste va por los 40 USD/cm² aproximadamente.

Entonces hasta aquí ya sabemos que tipo de paneles escoger para nuestro proyecto, ahora toca averiguar cuanto de energía necesitamos abastecer, puesto que de esto depende la eficiencia de todo el proyecto, se pueden perder la confianza de nuestros suministrados y proyecta una mala imagen de nuestro WISP.

2. ANÁLISIS DE LA POTENCIA DE ENERGÍA REQUERIDA

Este tema es muy importante, ya que un buen estudio de cuanta energía y potencia necesitamos nos estará ahorrando futuros dolores de cabeza, y sobretodo que funcione correctamente, estable, sin interrupciones, dando un buen servicio a los suscriptores. Solo tenemos que observar las especificaciones de cada dispositivo, y tomar nota de la cantidad de Vatios o Watt que maneja, ya sea directamente en el equipo o en los datasheets (ficha técnica) de la pagina del fabricante por cada modelo, otra manera de averiguar cuanta energía requiere cada dispositivo es ver en el transformador las especificaciones, en la siguiente imagen se observa que tiene una salida (output) de DC 24V, 0.5A, literalmente significa 24 voltios de corriente continua (DC) y 0.5 Amperios.

Transformador POE-24 Ubiquiti DC 12V 0.5A

Para convertir el voltaje y amperaje a vatios, multiplicamos en uno por el otro 24v x 0.5A = 12 Watt; sin embargo puede el dispositivo alimentado no consumir 12Watt, es lo máximo que puede alimentar el transformador independientemente de cuanto consuma el dispositivo, si alimentamos con este transformador a un Nano Station M2 en su datasheet especifica solo 8Watt de consumo, no obstante aconsejo quedarse con el valor más alto, (Por si cableamos a más de 30 metros de Cable UTP, necesitamos más fluidez de energía, por lo tanto los Watt incrementan).

Aclarando Vatio y Vatio-hora:

El vatio (o watt) es una magnitud intensiva: mide la potencia de consumo instantánea. El vatio-hora es una magnitud extensiva: mide la cantidad de trabajo realizada durante un tiempo determinado.

Por ejemplo, si tenemos un artefacto de 100 W de potencia y lo tenemos encendido durante 1 hora, habrá consumido 100 Wh. Si ese mismo artefacto estuviere encendido durante 2 horas, habrá consumido 200 Wh

El consumo eléctrico facturado se mide en Vatios-hora, no en vatios.

Queda claro que nuestros dispositivos están expresados en Vatios-hora, ahora para continuar con el análisis de cuanta potencia de energía necesitamos solo tenemos que sumar todos los Watts de los dispositivos; suponiendo que tenemos:

05 Nano Station M2 de 8Watts

Por lo tanto 5 unid x 8Watts = 40Watts hora

¿Y en 24 horas? 40Watts x 24 horas = Tenemos 960 Watts en 24 horas, 01 día.

Ya aprendimos a calcular la energía requerida por nuestros dispositivos, tal vez no a nivel exacto, pero tenemos ya podemos calcular una cifra válida para ejecutar un proyecto, el siguiente paso es cómo elegir los paneles adecuados, recién estamos iniciando la guía, queda mucho trayecto.

3. ESCOGIENDO PANELES FOTOVOLTAICOS ADECUADOS

Para escoger paneles fotovoltaicos siempre hay que considerar el tiempo promedio de insolación (ya hablamos de este término) que existe en el área del proyecto, además de la máxima ausencia del sol cuando se encuentre nublado o en lluvias, entonces calcularemos suponiendo la media de las peores condiciones. Consulte un mapa solar de su localidad, para efectos prácticos consideraremos que aprovechamos 4 a 5 horas de sol en su máxima insolación en promedio anual.

Panel Solar Fotovoltaico SunPower E20-327 Tecnología Maxeon®

Tomando el ejemplo anterior necesitamos 960 Watts cada día de la semana o 40 Watt-hora

Si solamente disponemos de un máximo de 5 horas al día, el panel solar tiene que ser capaz de capturar energía suficiente para alimentar a los dispositivos además de recargar nuestro banco de baterías para la noche y/o periodos de días nublados o lluviosos donde se reduce la disponibilidad de nuestro recurso natural SOL.

960 Watts / 5 horas = 192 Watts de potencia requerida en el panel solar fotovoltaico (esto en principio).

Ahora hay que tener en cuenta recargar para días completos sin sol, suele ocurrir a menudo, usted puede considerar desde 1 día hasta 4 días sin sol, esto dependerá de su ubicación local, consulte mapas solares; nosotros consideraremos 3 días sin sol en el peor de los casos.

1er día = 5 horas de sol (máxima insolación)...............................................960 Watts necesarios

2do, 3ro y 4to día = Sin ninguna hora de sol...............................................2880 Watts necesarios

Total de 3840 Watts / 5 horas = 768 Watts de potencia requerida en el panel fotovoltaico.

Es importante sobredimensionar el sistema pues existe un margen de pérdida en cables, equipos y según la calidad que implemente, puede jugar entre más paneles o más baterías, si dispone de espacio podría usar un generador de energía no renovable para auxiliarlo cuando no haya sol, y vuelvo a repetirlo todo dependerá de la zona local donde se ubique, consulte mapas solares.

Sobre los tipos de paneles fotovoltaicos ya hemos discutido al principio, recalcando que los mejores son los de MONOCRISTALINO, pues en días nublados seguirán capturando energía lumínica a un porcentaje reducido de su valor nominal, por ejemplo 10% o 20%.

Todo el manual trata de implementar un sistema energético autónomo a nivel práctico, si necesitan cálculos con mayor precisión, les dejaré unos link que los pueden ayudar y de seguro necesitan también dar una leída para informarse mucho mejor al respecto.

• Calculadora Solar - Perú
• Dimensionamiento de un sistema solar

Terminamos la primera parte de ENERGÍA SOLAR PARA WISP, no se pierdan la segunda parte, hablaremos sobre banco de baterías, controladores, inversores y el montaje.