Las aplicaciones descritas en este capítulo utilizan voltaje DC (corriente continua) que tiene una polaridad. ¡Confundir la polaridad genera daños inmediatos e irreversibles para su equipo! Vamos a suponer que usted sabe usar un multímetro digital (DMM por su sigla en inglés) para chequear la polaridad. Los voltajes DC que se utilizan en las aplicaciones descritas no son dañinos al tocar los conductores –pero las baterías de plomo grandes pueden erogar muy altas corrientes–. Un cable que ocasione un corto entre las terminales va a comenzar inmediatamente a ponerse al rojo vivo y a quemar su aislamiento. Para prevenir el fuego, siempre debe haber un fusible cerca de la terminal positiva de la batería. De esta forma el fusible se quemará antes que lo hagan los cables.

Las baterías de plomo contienen ácido sulfúrico que puede causar quemaduras graves. Cuando están cargadas o se cortocircuitan sus terminales, liberan hidrógeno –aún cuando sean del tipo hermético–. Se requiere una ventilación apropiada para prevenir explosiones, especialmente si las baterías son del tipo de plomo-electrolito ácido. Cuando manipule estas baterías es una buena idea proteger sus ojos con lentes de seguridad. Una vez conocí a un “experto” en baterías que hizo explotar tres de ellas durante su carrera. El plomo es tóxico, por lo que asegúrese de deshacerse de sus baterías gastadas de forma adecuada, aunque esto puede ser algo difícil en los países que no tienen ninguna infraestructura de reciclaje.

Hay muchas situaciones en las cuales se quiere instalar un nodo inalámbrico en una zona donde la red de distribución eléctrica es inestable, como ocurre a menudo en países en desarrollo, o simplemente no existe, como en una colina donde quiera instalar un repetidor.

Un sistema de energía autónomo consiste básicamente en una batería que almacena energía eléctrica producida por un generador que funciona con el viento, la luz solar y/o la gasolina. Además se necesita un circuito electrónico que controle el proceso de carga y descarga.

Cuando diseñamos un sistema para operar con energía solar o eólica, es importante elegir un dispositivo que gaste un mínimo de energía. Cada vatio desperdiciado en la carga causa grandes costos en el suministro de energía. Más consumo de energía significa que se van a necesitar paneles solares más grandes y más cantidad de baterías para proveer la energía suficiente. Si ahorramos energía eligiendo el equipamiento adecuado también vamos a ahorrarnos mucho dinero y problemas. Por ejemplo, un enlace a larga distancia, no necesariamente precisa de un amplificador que gaste mucha energía. Una tarjeta Wi-Fi con una buena sensibilidad de recepción y un despeje de al menos el 60% de la zona de Fresnel va a funcionar mejor que un amplificador, y al mismo tiempo ahorra energía. Un dicho muy conocido de los radioaficionados también se puede aplicar aquí: El mejor amplificador es una buena antena. Otras medidas para reducir el consumo de energía incluyen disminuir la velocidad del CPU y reducir la potencia de transmisión al valor mínimo que se necesite para proveer un enlace estable, incrementar la longitud de los intervalos de beacon, y apagar el sistema en los momentos que no se necesite.

La mayoría de los sistemas solares funcionan a 12 o 24 voltios. Preferiblemente, se debe utilizar un dispositivo inalámbrico que funcione con voltaje DC, operando a los 12 V que la mayoría de las baterías de plomo-ácido proveen. Si transformamos el voltaje de la batería a AC, o si utilizamos un voltaje diferente al de la batería para alimentar el punto de acceso, estamos desperdiciando energía. Un enrutador, o un punto de acceso que acepte de 8 a 20 voltios DC es perfecto.

La mayoría de los puntos de acceso económicos, tienen un regulador de voltaje de modo conmutado que funciona bien en un rango de voltaje sin recalentarse (aunque la fuente que traiga de fábrica sea de 5 o 12 voltios).

CUIDADO: Si opera su punto de acceso con una fuente de alimentación diferente de la suministrada por el fabricante, va a anular cualquier garantía y puede causar daño a su equipamiento. Si bien la técnica que describimos a continuación en general funciona como le decimos, recuerde que debe probarla, y si lo hace es bajo su propio riesgo.

Abra su punto de acceso y busque cerca de la entrada de DC dos grandes condensadores y un inductor (un toroide con un alambre de cobre enrollado a su alrededor). Si están presentes, entonces el dispositivo utiliza una fuente conmutada, y el voltaje de operación debe ser algo menor que el voltaje impreso en la etiqueta de los condensadores. Usualmente el voltaje de esos condensadores es de 16 o 25 voltios. Tenga en cuenta que una fuente de alimentación no regulada produce picos de voltaje muy superiores al voltaje nominal escrito en la etiqueta. Por lo tanto, conectar una fuente no regulada de 24 voltios a un dispositivo con condensadores de 25 voltios no es una buena idea. Por supuesto, abrir su dispositivo elimina cualquier garantía. No intente operar un punto de acceso a voltajes mayores si no usa un regulador conmutado, pues se calentaría, funcionaría mal o, inclusive, podría incendiarse.

El famoso Linksys WRT54G funciona en cualquier voltaje entre 5 y 20 voltios DC, consume cerca de 6 vatios, y tiene un conmutador Ethernet integrado. Tener un conmutador es por supuesto mejor y más práctico, pero consume energía extra. Linksys también ofrece un punto de acceso Wi-Fi denominado WAP54G que consume solamente 3 vatios y que puede correr OpenWRT y el firmware Freifunk. El Accesscube 4G Systems consume aproximadamente 6 vatios, cuando está equipado con una sola interfaz Wi-Fi. Si 802.11b es suficiente, las tarjetas mini-PCI Orinoco se desempeñan muy bien, y gastan una cantidad de energía mínima.

Otra estrategia importante para ahorrar energía es que los cables de DC sean cortos, gruesos y de buena calidad. Esto minimiza la pérdida de voltaje.

El diseño de sistemas autónomos siempre comienza con el cálculo de cuánta energía se consume. La forma más sencilla de medir el consumo de su dispositivo es emplear una fuente de alimentación variable dotada de voltímetro y amperímetro. El voltaje nominal de una batería de plomo en general varía entre 11 V (descargada) y aproximadamente 14.5 V (límite superior del voltaje de carga). Usted puede variar el voltaje de su fuente de alimentación y ver cuánta corriente consume el dispositivo en diferentes voltajes. Si no tenemos esta herramienta, se puede realizar la medida utilizando la fuente de alimentación incluida en el dispositivo. Interrumpa el cable que va a la entrada DC de su dispositivo e inserte un amperímetro. Tenga en cuenta que un amperímetro se quemará, o quemará la fuente si lo conecta entre la terminal positiva y la negativa de ésta porque el amperímetro producirá un cortocircuito. La entrada de muchos amperímetros no está protegida por fusible, por lo tanto tenga mucho cuidado porque pueden dañarse muy fácilmente.

La cantidad de potencia consumida puede calcularse con esta fórmula:

P = U * I

P es la potencia en vatios, U es el voltaje en voltios, I es la corriente en amperios. Por ejemplo:

6 W = 12 V * 0,5 A

El resultado es el consumo del dispositivo. Si el dispositivo del ejemplo opera por una hora, la energía consumida es de 6 vatios-hora (Wh), ó 0.5 amperios-hora (Ah). Por lo tanto el dispositivo consumirá 144 Wh o 12 Ah al día.

Para simplificar las cosas voy a utilizar el voltaje nominal de las baterías para los cálculos, sin tener en cuenta que el voltaje provisto por la batería varía dependiendo de su cantidad de carga. La baterías son clasificadas por su capacidad en Ah, por lo tanto es más sencillo calcular utilizando Ah en lugar de Wh. La batería de un gran camión en general tiene 170 Ah, por lo tanto una batería cargada al 100% daría energía al dispositivo por aproximadamente 340 horas, con un ciclo de descarga del 100%.

El voltaje suministrado por una batería de plomo de 12 voltios depende de su estado de carga. Cuando la batería está cargada al 100% tiene un voltaje de 12.8 V el cual cae rápidamente a 12.6 V al extraerle corriente. Dado que la batería debe proveer una corriente constante, el voltaje de salida desciende linealmente de 12.6 V a 11.6 V en un período largo de tiempo. Por debajo de los 11.6 V el voltaje de salida cae rápidamente. Como la batería provee aproximadamente el 95% de su energía dentro de esta caída lineal del voltaje, el estado de la carga puede estimarse midiendo el voltaje bajo carga. La suposición es que la batería está cargada al 100% a 12.6 voltios y tiene 0% de carga a 11.6 voltios. Por lo tanto, cuando medimos una batería bajo carga, el estatus puede estimarse con un multímetro digital. Por ejemplo una lectura de 12.5 voltios corresponde a una carga del 90%, 12.3 voltios corresponde a una carga del 70%, etc.

Las baterías de plomo se degradan rápidamente cuando se descargan al 0%. Una batería de camión perderá el 50% de su capacidad de diseño dentro de los 50 a 150 ciclos si es cargada y descargada completamente durante cada ciclo. A 0% de la carga la batería todavía tiene 11 V en las terminales (cuando se extrae corriente). Nunca descargue una batería de plomo de 12 voltios por debajo de ese valor, porque eso le haría perder una grandísima cantidad de capacidad de almacenamiento, y descargarla hasta 0 V va a arruinarla por completo. Para evitar esta situación, en la construcción de un sistema de energía basado en baterías se debe utilizar un sistema LVD (Low Voltaje Disconnect) que a bajo voltaje desconecta el circuito. No es aconsejable descargar una batería de plomo por debajo del 70%. Evitar bajar del 80% incrementa significativamente su durabilidad. Por lo tanto una batería de camión de 170 Ah ¡tiene solamente una capacidad utilizable de 34 a 51 Ah!

Una batería de auto o de camión debe permanecer por encima de los 12.3 voltios. En raros casos se puede permitir bajar más de ese valor, por ejemplo un inesperado y largo período de mal clima. Esto puede hacerse siempre que la batería se cargue completamente después de este tipo de incidentes. Cargar al 100% tarda bastante tiempo porque el proceso de carga es más lento cuando se aproxima al final, aún si se dispone de toda la energía posible de la fuente. Una fuente de energía muy débil raramente pueda completar la carga y debido a eso va gastar las baterías rápidamente. Por esta razón se recomienda hacer cargas a corrientes altas para evitar más costos. En este sentido nos pueden ayudar un regulador de carga eólica o solar, o un cargador automático de batería (con características de carga avanzadas). Las mejores son las características IUIa y las IU son la segunda elección.

Las baterías de arranque de automóviles son las más baratas, pero no son la mejor opción. En el mercado hay algunas baterías solares especiales, diseñadas para ser utilizadas en sistemas solares. Ellas permiten ciclos de recarga profundos (dependiendo del tipo pueden llegar a hasta por debajo del 50%) y tienen una baja corriente de autodescarga. Lo mismo se aplica a las baterías selladas de plomo, son más caras pero más seguras de manipular.

Las baterías de auto o de camión que tienen las etiquetas libres de mantenimiento deberían tener una corriente de autodescarga insignificante. De todas formas las baterías libres de mantenimiento todavía lo necesitan. Por ejemplo, se debe chequear frecuentemente el nivel del electrolito, especialmente en climas calientes. Si hay una pérdida de electrolito, se debe usar agua destilada para reponerlo ya que si no lo hacemos arruinaremos la batería.

¡Si carga demasiado sus baterías también las destruirá! En un sistema de alimentación con baterías se debe regular la corriente de carga porque la carga excesiva e ilimitada la va a dañar. Si el voltaje en la batería es demasiado alto, el componente de agua de la solución de ácido sulfúrico produce electrólisis, provocando una atmósfera que contiene una cantidad concentrada de oxígeno. El oxígeno es muy corrosivo y destruirá los conectores internos.

Las cosas son menos complicadas si existe una red de distribución eléctrica, aunque sea inestable y funcione esporádicamente. En ese caso, todo lo que necesitamos es un cargador automático que sea capaz de cargar la batería completamente. Sería deseable tener un cargador de modo conmutado, con un amplio rango de voltajes de entrada y características de carga sofisticadas. Estos ayudan a protegernos de las fluctuaciones de voltaje de la red de distribución. Los cargadores baratos que tienen un simple transformador, puede que nunca carguen su batería por completo si el voltaje de la red es demasiado bajo. Un cargador sencillo diseñado para 230 voltios AC suministra muy poca corriente cuando opera a 200 V o menos. No importa cuánto tiempo esté en funcionamiento, nunca va a llegar a completar la carga. Por otro lado, se quemará si el voltaje es un poco más alto que el esperado –o simplemente arruinará las baterías después de un tiempo. Un estabilizador de voltaje AC que evite la quema de su cargador por altos voltajes puede ser realmente una muy buena idea en muchas situaciones.

Un sistema de alimentación con batería de respaldo es el siguiente:

Suponga que su dispositivo consume 7 W a 12 voltios. Necesitamos el servicio 24 horas al día, por lo tanto el dispositivo va a consumir:

168 Wh = 24h * 7 W

A 12 voltios la capacidad en amperios-hora sería:

14 Ah = 168 Wh / 12 V Ahora, supongamos que, ocasionalmente, tenemos una situación donde el suministro de energía falla por una semana.

98 Ah = 14 Ah/día * 7 días 1176 Wh = 98 Ah * 12 V

Si dejamos que nuestra batería se descargue de 100% a 30%, consumiendo el 70% de la capacidad, necesitamos una capacidad de almacenamiento de:

140 Ah = 98 Ah / 0,7

Una batería de camión tiene esta capacidad.

Generalmente la energía está disponible durante 5 horas al día, por lo tanto el sistema va a funcionar por 19 horas con batería.

133 Wh = 19h * 7 W

Cargar y descargar una batería nunca es 100% eficiente. Siempre va a haber pérdida de energía en la batería, por lo tanto tenemos que cargarla con más energía de la requerida. La eficiencia de carga y descarga en general es de aproximadamente el 75%.

177,4 Wh = 133 Wh / 0,75

Queremos cargarla completamente en 5 horas.

Consideremos la eficiencia de carga:

166 Wh = 148 Wh / 0,75

La convertimos a Ah:

14,8 Ah = 177,4 Wh / 12 V

Consideramos el tiempo de carga:

2,96 A = 14,8 Ah / 5h

Mientras estamos cargando, el punto de acceso/enrutador continúa consumiendo energía. 7 W equivalen a 0.6 A a 12 V:

3,56 A = 2,96 A + 0,6 A

Debemos considerar que el proceso de carga se torna más lento cuado está llegando al final del período de carga. Es mejor disponer de una corriente de carga inicial más alta para asegurarnos que alcanzamos el 100% de la carga. Un tiempo de carga de 5 horas es algo corto, por lo tanto es una buena inversión el tener un cargador IUIa de 8 amperios o más. Hasta una batería de camión económica debe durar por lo menos 5 años, siempre que el electrolito sea chequeado frecuentemente. No se olvide de utilizar LVD. Es aconsejable sobredimensionar el sistema hasta cierto grado. Pero las baterías siempre se van a desgastar y deben ser reemplazadas, por lo que conviene sobredimensionar el alimentador en lugar de las baterías.

La cantidad de energía que puede cosechar con un sistema alimentado por energía solar o eólica depende del área en donde se encuentra y la época del año. Usualmente, puede encontrar información acerca de la cantidad de radiación solar o la velocidad del viento de organizaciones administrativas competentes en asuntos climáticos. Éstas colectan información a través de los años y le pueden decir qué debe esperar para cada estación del año. Hay varios programas de simulación y cálculo para sistemas solares, entre ellos está PVSOL, un programa comercial (bastante caro). Existe una versión de demostración en varios idiomas.

Calcular exactamente cuánta energía va a producir un sistema solar en un lugar dado da mucho trabajo. En el cálculo están involucrados varios factores como la temperatura, número de horas de sol, intensidad de la radiación, reflexiones en el medioambiente, alineamiento de los paneles solares y muchos más. Un programa de simulación y datos climáticos es un punto para comenzar, pero recuerde que en el mundo real, algo tan simple como la suciedad en los paneles puede estropear completamente los resultados de sus cálculos teóricos.

Estimar la cantidad de energía producida por un generador de viento es algo difícil y más aún si hay obstáculos alrededor del mismo. El enfoque empírico sería medir la velocidad del viento en el lugar por el período de un año –algo bastante impráctico.

Esto debería ser una guía práctica. Si en su país no se dispone de datos climáticos detallados y un programa sofisticado para el cálculo, le sugerimos construir un sistema piloto. Si la batería no logra cargarse lo suficiente, es hora de incrementar el número o tamaño de los paneles solares. Como mencionamos antes, mantener el consumo de energía al mínimo es realmente importante para evitar costos innecesarios.

Si su sistema necesita tener un tiempo de funcionamiento del 100%, las consideraciones comenzarán tomando en cuenta el peor clima del año. Tiene que decidir si el sistema utilizará una capacidad de almacenamiento o fuente de energía más grandes para proveer energía en los períodos críticos. Puede ser mucho más barato utilizar un generador a gasolina durante estas eventualidades.

Combinar energía solar y eólica puede ser lo más sensato en zonas con estaciones que proveen energía eólica cuando la energía solar es débil. Por ejemplo, en Alemania el sol provee sólo 10% de la energía en invierno comparado con el verano. En primavera y otoño no hay mucha energía solar tampoco, pero hay bastante viento. Durante el invierno se necesitan grandes baterías ya que es posible que ni los paneles solares o los generadores de viento provean suficiente energía durante ese período.

Bajo dichas condiciones, un sistema diseñado para un 100% de tiempo de funcionamiento necesita un margen decente de seguridad y una gran capacidad de almacenamiento. La carga debe ser vigorosa para lograr una carga total tan a menudo como sea posible durante los períodos de buen clima. Los paneles solares pueden necesitar un reemplazo cada 25 años, ¡mientras que una batería en un sistema que no tiene suficiente potencia de carga puede tener que ser reemplazada cada año!

Un sistema de suministro autónomo consiste de:

Si se combinan ambos sistemas se conectan a la misma batería.

Un generador a viento es una opción clara cuando se diseña un sistema autónomo para un transmisor inalámbrico que se va a construir en una colina o montaña. Una consideración a tener en cuenta con la energía eólica, es que la velocidad del viento debe ser lo suficientemente alta en un sitio que puede estar rodeado por objetos. La velocidad promedio durante el año debe ser por lo menos de 3 a 4 metros por segundo, y el generador a viento debe estar 6 metros más alto que otros objetos en una distancia de 100 metros. Una ubicación muy alejada de la costa usualmente no cuenta con suficiente energía eólica para cumplir con estos requerimientos.

En la mayoría de los casos, la mejor solución es un sistema que utilice solamente energía solar. Usualmente. es bastante fácil encontrar una ubicación adecuada para los paneles solares, y ellos no contienen partes mecánicas móviles que precisen mantenimiento.

Es importante que los paneles estén montados con el mejor alineamiento y ángulo hacia el sol. El mejor ángulo puede variar a través del año y es dependiente de la ubicación del lugar. Es una buena idea tomar en cuenta que el polvo, las hojas o los pájaros pueden ensuciar un panel solar. El ángulo de montaje óptimo puede ser demasiado horizontal, favoreciendo que el polvo se aloje en el panel solar, requiriendo una limpieza frecuente.

No se debe permitir sombra sobre el panel durante el día, porque los paneles consisten en varias células solares que están conectadas en serie. Una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil. Si algo cubre completamente una célula del panel solar –por ejemplo una hoja– el panel entero deja de producir energía. ¡Hasta la sombra de un cable reduce significativamente la cantidad de energía generada por el sistema solar!

Los reguladores de carga para los generadores a viento son diferentes a los reguladores para paneles solares. Si el sistema tiene energía solar y eólica, se van a necesitar dos reguladores. Cada regulador tiene que estar conectado a las terminales de la batería directamente (¡a través de un fusible por supuesto!)

Los fabricantes de paneles son optimistas cuando calculan la potencia máxima de energía de sus paneles. Por lo tanto, la energía producida efectivamente por un panel es significativamente menor que la que se declara en la hoja de datos. La potencia máxima de energía sólo se logra a cierto voltaje, a una temperatura de panel de 20 grados Celsius y a una radiación solar de 1000 vatios por metro cuadrado. Esto no es realista ya que un panel se calienta mucho a 1000 W de radiación por metro cuadrado. Las altas temperaturas reducen la generación efectiva de energía de un panel. No hay mucho que hacer aparte de recordar que un panel nunca logra la potencia publicitada.

La influencia del voltaje de salida del panel es lo más importante para considerar en un sistema autónomo. Si se utiliza un regulador de carga simple, el voltaje en el panel cae al nivel del voltaje de la batería. Un panel solar puede tener la máxima eficiencia a 18 voltios –producir 1 amperio con insolación de 1000 W/m2 a 30 grados Celsius. Este punto de eficiencia máxima es llamado punto de máxima potencia (o MPP por su sigla en inglés).

Nuestro panel podría producir:

18 W = 18 V * 1 A

Si el panel está conectado a una batería de 12.3 voltios, la corriente es un poco mayor que a MPP, quizás 1.1 A, pero el voltaje del panel caería al nivel del de la batería:

13,5 W = 12,3 V* 1,1 A

La eficiencia en nuestro ejemplo sería solo de un 75% con un regulador de carga simple. Este problema puede ser solucionado usando un regulador solar con seguimiento del punto de máxima potencia. Un regulador de MPP bien diseñado logra una eficiencia de 90%. Un sistema con un regulador simple nunca logra más de 70% del la potencia declarada por el fabricante.

Si quiere combinar dos o más baterías para incrementar la capacidad, interconéctelas en paralelo, es decir, interconecte ambas terminales positivas con un cable grueso. En el cable debe haber un fusible cercano a cada terminal positiva. Interconecte las terminales negativas sin fusibles. Para interconectar paneles solares tampoco se necesitan fusibles.

Las cargas (su punto de acceso, enrutador u otro dispositivo) estarán conectadas al regulador de carga. La mayoría de éstos viene con circuitos de desconexión por bajo voltaje. Estos circuitos nunca deberían activarse, pues indicaría un serio error de diseño o la presencia de un daño. Si sucede que hay dos reguladores en el sistema que tienen circuitos de desconexión a bajo voltaje, conecte las cargas a un solo regulador, de otra forma éstos podrían dañarse.

El cálculo de un panel solar no es muy diferente al de un sistema con batería de reserva (detallado anteriormente). Obviamente los períodos en los que no hay energía disponible para la carga pueden ser muy largos, y la corriente de carga no es fija lo que complica el cálculo. Un sistema bien diseñado debe ser capaz de recargar completamente una batería descargada en unos pocos días soleados, al mismo tiempo que provee de energía al equipamiento.

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