PROGRAMA DE POSTGRADO, UNED – CURSO 2005/2006
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control
E.T.S. de Ingenieros Industriales de la UNED
CENSOLAR
ISOFOTÓN
VI Curso de Experto Profesional en
Energía Fotovoltaica
TRABAJO FINAL
Títulos Propuestos
La energía solar en el automóvil
Resumen del Trabajo Final y Objetivos: Valorar y fomentar la utilización de energías como , en
este caso , la solar para mover automóviles .
Apenas existen un puñado de paises para afrontar este reto , pero dentro de 30 años el 90% de los vehículos se moverán con energía eléctrica. ¿ que porcentaje será solar?
VEHÍCULOS ELÉCTRICOS ALIMENTADOS CON ENERGÍA FOTOVOLTAICA
INTRODUCIÓN :
Cada día cae sobre la Tierra más energía proveniente de los rayos solares que la cantidad total de energía que los 5,9 mil millones de habitantes terrestres consumirían en 27 años.
Sólo en las últimas décadas cuando hay mayores demandas de energía, problemas ambientales crecientes y una disminución de las fuentes de combustibles fósiles- hemos volcado la atención hacia las opciones de energía alternativa y concentrado nuestra atención en explotar con seriedad estos tremendos recursos.
El presente trabajo muestra las cualidades de la energía solar y su uso en el ámbito automotriz, viendo como el hombre se ha esforzado por tratar de aprovechar al máximo la energía solar.
OBJETIVOS.
· Entender el proceso de conversión de la energía solar para poder ser utilizada por el hombre.
· Como puede ser utilizada en medios de transporte terrestre.
· La importancia del vehículo solar.
· Funcionamiento de un vehículo solar
Estructura física de una célula fotovoltaica :
Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía solar) y la convierte en energía eléctrica. Para convertir la energía del Sol en energía eléctrica y poder utilizarla de la forma más eficiente y racional posible se diseñan los sistemas fotovoltaicos. La célula solar es el elemento que convierte los fotones que proceden del Sol en una corriente eléctrica que circula por un elemento que denominamos carga. Hoy en día la célula solar más común es un dispositivo de estado sólido fabricado con materiales semiconductores.
El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por Becquerel, quien observó que la tensión que aparecía entre dos electrodos inmersos enelectrolito dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre ellos.
El mismo efecto fue observado por Adams y Day, en 1879, pero esta vez utilizando un elemento sólido: el Selenio.Sin embargo la primera célula solar moderna tuvo que esperar a Chapin en 1954. Fue una célula de Silicio y no se dieron muchos detalles de su estructura debido, probablemente, al temor a que fuese copiada.
La motivación para el estudio y desarrollo de las células solares durante los primeros años de investigación fue su aplicación como fuente suministradora de energía a los satélites espaciales. Hoy se espera que las células solares y la energía solar fotovoltaica contribuyan de forma importante al suministro de energía limpia a la sociedad.
¿ Como se podría generar y almacenar energía eléctrica para consumir cuando hay poco Sol ?
Convertir el exceso de energía FV. utilizándola para producir hidrógeno.
Con el hidrógeno resultante producimos energía eléctrica absolutamente limpia, que se podría utilizar para la recarga de las baterías de los vehículos totalmente eléctricos.
Tal y como podemos apreciar en este gráfico la energía eléctrica fotovoltaica producida en España representa una cuota muy pequeña, si la comparamos con el resto de fuentes de produción de energía eléctrica.
Se prevé para España una producción de 400 MWp hasta el año 2010.
La producción de energía solar tiene un factor de carga extremadamente bajo ( un 17 % típico en un lugar soleado como España ), frente al 90-95 % de las energías obtenidas de las centrales térmicas o nucleares.
Factor de carga :
Número de horas efectivas de generación respecto del total de horas del año. En Extremadura : 1500/8760 = 0.17.
La producción de módulos es muy costosa ( 6€ /KWp instalado ).
La electricidad que producen los módulos, también ( 45 c€ / KWh ).
VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
Los vehículos eléctricos llevan ya mucho tiempo entre nosotros, aunque no sea muy normal ver un vehículo eléctrico circulando por nuestras ciudades y mucho menos por carreteras.
Estos vehículos se utilizan , en gran medida , en recintos cerrados como pequeños vehículos de servicio. En menor medida, existen vehículos de tamaños medios aunque se trata de modelos experimentales.
El objetivo de este proyecto es tratar de fomentar el uso y la investigación de este tipo de vehículos desde el punto de vista de las posibilidades reales que existen de ser alimentados, total o parcialmente, con energía limpia procedente del sol.
Este tipo de energía que nos ofrece el sol, combinada con otros tipos de energías como puede ser el hidrógeno, representan alternativas reales para ser utilizadas en nuestros vehículos y así poder prescindir de los combustibles fósiles que tantos problemas generan en este mundo.
HISTORIA DE LOS VEHÍCULOS SOLARES.
La historia de los vehículos solares se remonta a 1982, cuando un visionario aventurero australiano, de origen danés, Hans Tholstrup, y el piloto de carreras Larry Perkins, construyeron y manejaron el primer auto solar, el "BP Quiet Achiever" desde Perth hasta Sidney. Cruzar Australia de oeste a este con un total de 4058 Km. tardaron 20 días con un promedio de velocidad de 23 Km/h.
El propósito de este primer auto, fue el de mostrar al mundo tres cosas básicamente, que la energía solar era una fuente muy importante y suficientemente desarrollada para sustituir a los combustibles fósiles, que el transporte terrestre tiene alternativas no contaminantes como el vehículo eléctrico, y crear el interés en el mundo científico por el desarrollo de ambas.
El primer fruto de este propósito se dio en 1985, cuando el suizo Urs Muntwyler creó la primera competición mundial de autos solares el "Tour de Sol", esta carrera creó una gran expectación y atrajo la mirada del mundo. Desde entonces esta carrera se celebra anualmente en Europa.
A pesar de que la historia del automóvil eléctrico es más antigua que la de los vehículos solares es evidente el gran auge que ha tomado la idea del vehículo eléctrico a partir de este tipo de competiciones que definitivamente han logrado captar el interés del mundo científico, enfocándolo al desarrollo del vehículo eléctrico.
La General Motors, después de haber ganado el World Solar Challenge en 1987 con su extraordinario automóvil solar, el "Sunraycer", decidió diseñar y construir con miras comerciales, uno de los autos eléctricos más prometedores; el "EV1". Este automóvil es capaz de desarrollar velocidades de 160 Km/h y tiene una autonomía de 190 Km. A una velocidad de 90 Kh.
OBJETIVO DE LOS VEHÍCULOS SOLARES
Si se entiende un automóvil solar como aquel vehículo que es impulsado únicamente por células fotovoltaicas, entonces los automóviles solares no son los que se estarán conduciendo en un futuro, ya que en realidad no son nada prácticos, son excesivamente caros, complicados, frágiles y aún en el caso de que se lograran obtener células solares con 100 % de eficiencia, la energía que podría captar un vehículo de tamaño regular sería muy poca para cubrir las necesidades de transporte actuales, además de que la luz solar no siempre esta presente.
La verdadera importancia de un automóvil solar no radica pues en un futuro transporte comercial, sino en lo siguiente:
*Un automóvil solar es un verdadero proyecto de investigación y desarrollo de adelantos tecnológicos en aerodinámica, materiales, fotocélulas, electrónica, motores, baterías y llantas, que pueden ser posteriormente aplicados a los vehículos eléctricos para hacerlos competitivos frente a los vehículos de combustión interna y acelerar así, su aceptación en el mercado. Se debe recordar que una gran parte de los avances tecnológicos incorporados hoy en los vehículos de combustión interna, que nos transportan cotidianamente, fueron desarrollados en prototipos para competiciones automovilísticas.
¿Cómo Funciona un vehículo Solar de competición?
1- La energía del Sol se convierte directamente en electricidad por las células solares.
2.- Esta electricidad es almacenada en baterías.
3.- Un controlador recibe la energía de las baterías y mueve un motor eléctrico que por medio la transmisión mueve las ruedas.
El piloto dentro de la cabina tiene los elementos básicos que hay en cualquier otro auto, como son : volante, acelerador y freno. Lo único que no tiene es un embrague, ya que un auto solar no necesita caja de cambios de velocidades.
Primer vehículo solar diseñado y construido en España.
“ DESPERTAFERRO “
Encima del vehículo se encuentran dispuestas milimétricamente las células solares encargadas de captar y enviar la energía solar hacia el motor, un brushless de última generación. La energía que las células solares pueden llegar a alcanzar es de 1100 watios.
Isofotón es una de las empresas que ha participado en la construcción de este coche solar, mediante la donación de las placas solares.
El campo fotovoltaico está compuesto por 2.464 células solares de silicio Cz-monocristalino de 31mm x 95 mm de área y con eficiencia superior al 15%. Las células están fabricadas sobre obleas pseudo-cuadradas de 103 mm x 103 mm procedentes de lingotes de 135 mm de diámetro, cortadas con un diseño especial para lograr un mejor aprovechamiento de la superficie total disponible del chasis del prototipo por razones de aerodinámica.
Las piezas plásticas exteriores están protegidas por un barniz de poliuretano, pero de ligero espesor de unas pocas micras, pues de este modo las pérdidas de absorción de la luz son muy bajas.
El área total de las placas solares es de casi 8 m2, y para la búsqueda del punto de máxima eficacia, cuenta con un convertidor DC/DC (maximun power point tracker). Por otro lado, con el fin de evitar el deterioro de las células por sobrecarga indeseada, se han sombreado de forma parcial algunas de las ristras, y se protegen con diodos de paso conectados.
Controlador del motor Brushless, función y característica :
El controlador realiza el control de un motor Brushless DC de tres fases con avanzadas capacidades y una eficiencia superior usando inversor gobernado por modulación PWM y tarjeta de adquisición de datos de funcionamiento procedentes del motor.. El controlador tiene lógica programable optimiza y saca el mayor rendimiento posible a un motor Brushless DC trifásico de flujo permanente. Sus características más importantes son :
- Control de velocidad o control de par.
- Control discreto y control analógico.
- Limitador lógico de corriente (MCL) sensores del voltaje de la batería, de las temperaturas del motor y del controlador con limitación de corriente de entrada y salida.
- Suministro interno de potencia para refrigeración, activado por el controlador en función de los sensores de temperatura del tablero térmico para control de temperatura y optimización de potencia.
Regulador, función y características:
Regular la carga de las baterías con la energía proveniente de los paneles solares y gestionar el funcionamiento de dichos paneles, haciéndolos producir la máxima energía posible para cualquier condición de funcionamiento.
ALGUNAS INTERROGANTES SOBRE LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
¿Trabajan las células fotovoltaicas en climas gélidos?
R. Sí y, de hecho, muy bien.
Al contrario de lo que la mayor parte de la gente intuye, los sistemas fotovoltaicos generan realmente más potencia a menores temperaturas.
Esto se debe a que las células son dispositivos electrónicos reales y generan electricidad partiendo de la luz no del calor.
Como la mayoría de los dispositivos electrónicos, las células fotovoltaicas funcionan con mayor eficiencia a temperaturas frías. En climas templados, las células generan menor energía en invierno que en verano, pero esto se debe a que los días son más cortos, el sol cae a un menor ángulo y la cobertura por nubes es mayor, no por las temperaturas más bajas.
¿Trabajan en días nublados? ¿Qué pasa en interiores?
R. Las células fotovoltaicas siguen generando electricidad durante los días nublados aunque su potencia se ve disminuida.
En general, la potencia decae linealmente hasta alrededor del 10% respecto de la intensidad solar plena normal.
Como una célula fotovoltaica plana responde a un márgen de 180 grados de ángulo, no necesitan luz solar directa y pueden generar un 50 al 70% de su potencia nominal de salida en un cielo cubierto.
Una falta de luz diurna puede corresponder a sólo el 5 al 10% de la intensidad a pleno sol, así que la potencia podría disminuir proporcionalmente.
Los niveles de luz en interiores, como en una oficina con gran iluminación, son bastante menores que la intensidad lumínica en el exterior.
Las células fotovoltaicas diseñadas para uso externo generalmente no producen potencia útil a estos niveles de luz dado que han sido optimizadas para intensidades mucho mayores.
Por otra parte, las unidades diseñadas para menores niveles de luz -- como las que se pueden encontrar en calculadoras o relojes, han sido preparadas para estas condiciones y se comportan pobremente a plena luz solar.
¿Cuánto durará mi sistema FV? ¿Perderán potencia a través del tiempo los módulos?
R. En general, los módulos fotovoltaicos constituyen el componente de mayor vida de un sistema. Los de máxima calidad se diseñan para durar, al menos, 30 años y poseen una garantía por 20.
Están diseñados para soportar todos los rigores ambientales incluyendo el frío ártico, el calor del desierto, la humedad tropical, vientos de hata 200 KLM/h, y 25mm de granizo .
Las baterías industriales de alta calidad durarán como máximo unos 8 a 10 años.
Las unidades selladas más pequeñas durarán típicamente de 2 a 4 años.
Las baterías para uso en automóviles no son apropiadas para su utilización en los sistemas fotovoltaicos y generalmente tendrán una duración de sólo 12 a 18 meses de servicio.
La clave para una larga vida es un diseño correcto del sistema y la selección de componentes.
¿Requieren algún tipo de mantenimiento?
R. Sí, pero sólo mínimo. Los sistemas solares modernos pueden proveer una gran cantidad de información de datos y hasta pueden llevar a cabo algunas funciones automáticamente. La tarea mayor es asegurarse de que los Paneles Solares estén limpios y que el nivel de agua de las baterías (cuando se usan) sea suficiente. Los sistemas dispuestos en red y que no poseen baterías requieren muy escaso mantenimiento.
CONCLUSIÓN
En el presente trabajo informativo hemos podido apreciar las diferentes virtudes de la energía solar, de forma especial en lo relacionado con el mundo automotriz y a la vez como el hombre ha ido innovando día a día para su mejor aprovechamiento, todo esto con la intención de lograr métodos de transporte mas sanos para el medio ambiente y para la salud de las personas, sin embargo se han visto afectados por los altos costos de producción que implica poner en funcionamiento un automóvil solar y su adaptación al transporte urbano.
La información que mas abunda sobre el tema solo se relaciona con vehículos de competición, he de esperar que se pueda perfeccionar y adaptar al transporte de pasajeros como una buena alternativa para combatir la contaminación.
BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
Curtis Instruments, Inc. (1999) Manual de Controlador Curtis PCM 1209B.
Hodkinson, R., Fenton, J. (2001) Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design, SAE International.
http://www.arb.ca.gob/zevprog/factsheets/zip.pdf
http://inventors.about.com/library/weekly/aacarselectrica.htm
http://www.azsolarcenter.com/
wwww.eaaev.org/eaalinks.html
http://cafeelectric.com/
http://www.curtisinst.com/
http://www.engin.umich.edu/solarcar/aboutus/eng_howitworks.html
http://www.eis.uva.es/helios/archive.htm
http://www.drgw.net/workshop/solarcar/solarcar.html
Edita :
Luis C. Tardáguila Pierna.
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