Estación de Carga Solar Autónoma de Vehíulos Eléctricos ECSAVE-I
La estación de carga de vehículos eléctricos ECSAVE-I de diseño multiprotocolo flexible, admite la carga tanto en corriente continua (CC) como en corriente alterna (CA) de diferentes dispositivos, de acuerdo con las necesidades individuales de carga de cada usuario. Diseñada para el modo “Estacionar + cargar”, la ECSAVE-I es ideal para su uso en espacios verdes y en cualquier sitio donde no se cuente con acceso a la red eléctrica.
La estación de carga ECSAVE-I combina las ventajas de la generación fotovoltaica con la tecnología de carga eléctrica para soportar vehículos eléctricos tales como motocicletas, bicicletas y patinetas, actuales y de próxima generación, siguiendo los lineamientos de la norma IEC 61851-1:2017. Esta estación de carga está equipada con paneles fotovoltaicos (FV) y sistemas de almacenamiento de energía de avanzada lo que le permite trabajar tanto de forma autónoma como vinculada a la red eléctrica. Por otro lado, el diseño de esta estación de carga permite cargar otros dispositivos como notebooks, netbooks, tablets, celulares, etc. La ECSAVE- I posee acceso al servicio de Internet vía WI-FI, lo que faculta su monitorización en forma remota y una fácil integración con los sistemas de distribución de energía eléctrica inteligentes (Smart Grids). Asimismo, el software incorporado en la estación de carga permite reconocer las características técnicas de la carga conectada, el estado de carga del banco de baterías, la energía entregada en el proceso de carga y el tiempo estimado para carga completa en tiempo real. La información del estado de la estación y la carga se visualiza en la HMI (Human Machine Interface), compuesta de un display LCD y displays numéricos, con una interfaz de usuario intuitiva y amigable. Además, la conexión a internet de la ECSAVE-I permite obtener información sobre la disponibilidad y ubicación geográfica de la estación por medio de una aplicación para dispositivos móviles, a partir de la información disponible en un servidor que utiliza protocolo MQTT (Message Queue Telemetry Transport). El software de la estación también permite actualizaciones remotas de software, lo que admitiría efectuar actualizaciones de protocolos de carga necesarios para la integración de los sistemas de transporte inteligentes de la actualidad y del futuro.
OBJETIVO:
La ECSAVE-I es una estación de carga autónoma que genera la electricidad necesaria para la carga de vehículos eléctricos y otras cargas en corriente continua y corriente alterna, a partir de una fuente de energía renovable (energía solar FV). La misma puede operar tanto en forma aislada como conectada a la red eléctrica, permitiendo su instalación tanto en zonas con acceso a la red, como en zonas que no dispongan del servicio eléctrico.
La construcción y puesta en marcha de esta estación de carga permite alcanzar objetivos de interés general bien definidos:
• Promover la energía solar fotovoltaica como fuente alternativa para la producción de electricidad a partir de una fuente de energía renovable, y contribuir así a la consecución de los objetivos establecidos a nivel nacional en el uso de las energías renovables según Ley 27.190 y decretos reglamentarios (Régimen de Fomento Nacional Para el Uso de Fuentes Renovables de Energía destinada a la Producción de Energía Eléctrica).
• Reducir la emisión de gases de efecto invernadero en el proceso de generación de electricidad, de acuerdo con las directivas establecidas en el acuerdo de París de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, el cual fuera firmado y ratificado por la República Argentina.
• Contribuir a la introducción de vehículos eléctricos como sistema de transporte urbano eficiente y amigable con el medio ambiente.
• Brindar un servicio a la comunidad permitiendo la carga de diferentes dispositivos electrónicos.
Debido a las características técnicas de este tipo de instalación, sus efectos, tanto energéticos como ambientales, son claramente favorables:
• Reduce el consumo de combustibles fósiles.
• Genera electricidad sin producir emisiones de gases de efecto invernadero ni gases tóxicos.
• No altera las características de la tierra ni aguas subterráneas o superficiales donde se construye.
• No emite ruidos en el proceso de generación de electricidad.
Cabe destacar que la instalación fotovoltaica incorpora las protecciones y parámetros de seguridad y control requeridos por la normativa vigente, de modo que su funcionamiento no introduce perturbaciones en la red que puedan exceder las permitidas por la normativa ni disminuye las condiciones de seguridad, y por lo tanto, no ocasiona impactos negativos en el sistema eléctrico.
CARACTERÍSTICAS DE LA ESTACIÓN DE CARGA
La ECSAVE-I está equipada con 5 paneles fotovoltaicos (3 paneles de 100 Wp y 2 de 50 Wp) montados sobre una estructura soporte también empleada como parasol o marquesina, y un sistema de almacenamiento de energía (2 baterías solares de 100 Ah de 12 V). A su vez cuenta con un regulador para la carga de las baterías y un módulo inversor que alimenta las cargas en CA y permite la eventual conexión a red. El monitoreo de las variables de estado y las comunicaciones de la ECSAVE-I son implementadas por medio del hardware desarrollado que se conforma de diversas placas electrónicas ensambladas y programadas especialmente para tal fin. Complementa el conjunto la interfaz de usuario a través de un display LCD y contadores numéricos, pulsador de parada de emergencia, puerto de carga para vehículos eléctricos, puertos USB para carga de dispositivos móviles y tomacorrientes normalizados 220 V CA para la conexión de otras cargas.
ESTRUCTURA
La estructura de la estación de carga tiene la forma de una hoja de 2 m de ancho por 3 m de largo. La forma de la marquesina responde a aspectos estéticos y de integración en el entorno, a fin de disminuir la contaminación visual, y está inspirada en la forma de la hoja de morera, árbol de gran participación en el arbolado público urbano de la ciudad de San Juan. La misma está realizada en caños de 1”1/2 de diámetro y soportada por dos caños de 4” de diámetro que conforman el “pecíolo de la hoja”, como se aprecia en la Figura 1. La altura que alcanza supera los 4 m. Sobre la hoja se encuentran los 5 módulos fotovoltaicos, dispuestos como se exhibe en la Figura 2.
REGULADOR DE CARGA
Casi todos los sistemas fotovoltaicos autónomos deben incluir una estrategia de control que describa las interacciones entre sus componentes. En estos sistemas, la energía generada es consumida por la carga, y el excedente se acumula en las baterías, donde se almacena para su posterior utilización. La falta de un regulador puede acortar la vida útil del sistema de almacenamiento y disminuir la capacidad de almacenamiento. El regulador de carga posee básicamente, tres funciones asignadas que debe cumplir:
• Cargar la batería de forma óptima.
• Impedir que la descarga de las baterías supere los límites admisibles para que las baterías no se dañen y acorten su vida útil.
• Evitar que el generador sobrecargue la batería más de lo debido por las mismas razones anteriores.
Dichas funciones las realiza el regulador mediante un algoritmo de control. Además, suele realizar otras tareas complementarias como:
• Proporcionar información de las tensiones y corrientes de carga, descarga, etc., emitiendo señales de alarma cuando se superen los límites de seguridad.
• Conectar y desconectar cargas a determinadas horas, estableciendo un orden de prioridades en los consumos.
• Llevar un control de los consumos y de la recuperación de carga o ser el punto de confluencia de otros subsistemas, que pueden ser protegidos y maniobrados desde el regulador.
El regulador de carga de baterías vigila la tensión de la batería, la cantidad de corriente de carga y, dependiendo de su sofisticación tecnológica, el tiempo asociado con los diferentes niveles de tensión y corriente. Todo ello se lleva a cabo gracias a un algoritmo de carga.
Básicamente, un algoritmo de carga es un control en el tiempo, sobre los parámetros eléctricos de las baterías a partir de los cuales el regulador toma decisiones que se aplican del sistema FV con el propósito de cargar y descargar las baterías eficientemente. Hay que tener en cuenta que el regulador se configura, específicamente, en función del tipo de la batería, de su aplicación y de las condiciones climáticas.
Los algoritmos en general, presentan cuatro modos, o etapas de carga, distintas. El algoritmo de cuatro estados es aquel que presenta los estados de: carga normal, sobrecarga, ecualización y flotación.
Etapa 1: carga normal
Durante este tiempo, la batería está total o parcialmente descargada, en algún estado de carga menor del 100 %. Para las baterías de plomo-ácido de 12 V que emplea la ECSAVE-I, en reposo, la tensión de circuito abierto se puede considerar que está entre 11,4 V, totalmente descargada, y 12,8 V, totalmente cargada. De esta forma, cuando el regulador se conecte a la batería intentará alcanzar la tensión hasta el nivel requerido de la etapa 2 de sobrecarga. A veces este nivel de tensión se denomina “tensión de carga rápida”. Típicamente está comprendida entre 14,2 V y 15 V. Durante esta etapa la tensión de la batería se incrementa porque la corriente de carga va aumentando el estado de carga de la batería. Es decir, se aplica una corriente predeterminada constante, incrementándose la tensión.
Etapa 2: sobrecarga
En este momento la batería está más o menos al 80 % de su carga. De esta forma, el cargador intentará ahora mantener su tensión de salida constante (y a un valor limitado para evitar la degradación por sobrecarga) mientras que la batería continúa absorbiendo la carga. Durante este modo la corriente de carga disminuye mientras que la tensión es constante. La transición del modo de sobrecarga al próximo estado se determina por un temporizador o por un sensor de corriente de carga. Sin embargo, con cualquiera de estos dos modos la batería no es recomendable que sobrepasase el 95 % de carga. Idealmente estaría a 100 %, pero hay algunas limitaciones prácticas que comúnmente evitan la recarga completa.
Etapa 3: ecualización
El modo de ecualización normalmente es opcional y no está incluido en las especificaciones del fabricante de las baterías. En este estado la batería está, aproximadamente, al 95 % de la plena carga. Para completar el 5 % restante se suele utilizar uno de los pasos siguientes:
1) El cargador cambia a un modo de corriente constante donde el valor de la corriente de carga es un porcentaje pequeño con respecto a la corriente final de sobrecarga (nunca mayor del 20 %, y típicamente entre un 5 y un 10 %).
2) Como alternativa, la tensión del regulador puede establecerse en el ámbito alto, tres o cuatro voltios por encima de la tensión en circuito abierto con un temporizador de seguridad.
La reacción de la batería, durante este tiempo, es forzar a que adquiera su corriente máxima. Entonces, la amplitud de la corriente del cargador gradualmente disminuye hasta que el temporizador fuerce al cargador a cambiar al próximo estado. Esto es como repetir la etapa de sobrecarga, con límites diferentes de la tensión.
Etapa 4: flotación
El modo de carga en flotación suele ser, también, opcional. Normalmente contiene, a su vez, dos procesos: primeramente, se pone a la batería en un modo de tensión constante. Así, la magnitud de la tensión debería de ser alguna décima mayor que la tensión en circuito abierto de plena carga, típicamente entre 13,2 V a 13,6 V. A continuación, cuando la tensión decrece, por debajo de un valor umbral, se mantiene durante un tiempo breve la batería a una tensión constante, que comúnmente está entre la de flotación la de carga rápida recomendada por el fabricante. Este segundo proceso se denomina a veces “carga de histéresis”.
El regulador de carga empleado en la ECSAVE-I implementa los modos antes descriptos para controlar de forma apropiada la carga y descarga del banco de baterías, suministrando la carga conectada de manera óptima. Asimismo, la comunicación de este componente con el resto de la estación resulta fundamental para conocer el estado de carga de las baterías en tiempo real, así como también la corriente y tensión del arreglo FV en cada momento.
INVERSOR
Los inversores (CC/CA) convierten la potencia de CC obtenida del campo de módulos FV a CA de 50 Hz de frecuencia. El inversor empleado cumple con normativas internacionales vigentes en lo referente a calidad del producto técnico (tensiones, frecuencia y armónicos), protección electromagnética, perturbaciones, etc. El mismo dispone y comunica al sistema de control de la estación de carga las señales necesarias para asegurar su adecuada supervisión y manejo, y los controles automáticos imprescindibles para su correcta operación. Utiliza semiconductores del tipo MOSFET, con configuración fuente de tensión, y emplea modulación por ancho de pulso PWM para lograr entregar a la salida una forma de onda sinusoidal.
En la estación de carga ECSAVE-I, el inversor permite el abastecimiento de cargas en CA, ya sea que se trate de vehículos eléctricos que incorporan su cargador en el propio vehículo, o de otro tipo de cargas en CA. En la primera estación de carga ECSAVE-I instalada en el edificio del IEE UNSJ-CONICET, el inversor corresponde a uno del tipo autónomo, sin conexión a red. No obstante, el proyecto ECSAVE contempla para futuros desarrollos la inclusión de inversores con capacidad de operar en forma autónoma y también conectada a la red, de forma tal de poder suministrar energía al sistema eléctrico en caso de contar con energía excedente si las baterías se encuentran cargadas al 100% y no existen cargas conectadas en la estación.
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
La generación de electricidad por parte de un generador FV depende en todo momento de la radiación solar existente. Así, la generación FV está sujeta a un ciclo diario día/noche (generación/no generación) repetitivo. A su vez el perfil de generación FV depende de las condiciones atmosféricas particulares y resulta de la combinación de: un perfil de generación diario (días soleados/días nublados) y un perfil de generación anual (verano/invierno). Este perfil de generación más o menos aleatorio puede ajustarse a algunas aplicaciones tales como bombeo de agua por acoplo directo o sistemas conectados a red. Sin embargo en los sistemas FV autónomos como la estación de carga ECSAVE-I, se requiere un mayor nivel de disponibilidad de la energía. En estos últimos casos se hace necesario el uso de un sistema de almacenamiento de energía.
Las baterías desempeñan tres importantes funciones en los sistemas FV:
1. Autonomía: satisfacen los requerimientos de consumo en cualquier momento incluidos periodos de nula (noche) o muy mala (días nublados) insolación.
2. Suministro de picos de intensidad: suministrando, cuando sea necesario corrientes mayores a las que pueda suministrar en el generador FV, especialmente para arrancar motores o equipos similares.
3. Estabilización de la tensión: evitando fluctuaciones dañinas para el correcto funcionamiento de las cargas conectadas.
Dependiendo del tipo de aplicación las baterías pueden funcionar en distintos tipos de ciclos de carga y descarga:
• Ciclo diario superficial: La función del acumulador es el suministro de energía en las horas nocturnas y garantizar un número de días de autonomía (generalmente entre 3 y 6).
Ocasionalmente se puede presentar alguna descarga profunda. Este caso es el modo de funcionamiento menos agresivo para un almacenador. Este es el funcionamiento típico de los sistemas fotovoltaicos autónomos.
• Ciclo anual: En este caso además del ciclo diario, el acumulador está sometido a un ciclo estacional motivado por la distinta producción de energía en los paneles FV en los meses de invierno (baja generación) y verano (alta generación). Las condiciones de funcionamiento son más severas que en el caso anterior porque existen largos periodos en estado de baja carga.
• Ciclo diario profundo: En este caso el acumulador presenta un ciclo diario caracterizado por una descarga profunda, sin embargo no se necesita que garantice días de autonomía, ya que se cuenta con un sistema auxiliar de energía. Este el funcionamiento típico de los sistemas FV híbridos (con generador auxiliar de apoyo, o con posibilidad de conexión a red).
La ECSAVE-I se ha diseñado para su prototipo con un esquema de carga y descarga de ciclo diario superficial.
El tipo de batería elegido para la aplicación es la batería de plomo-ácido (PBO2), que es el tipo de batería más utilizada en los sistemas fotovoltaicos actualmente. Presenta como principales ventajas su gran disponibilidad, bajo costo, buen rendimiento, alta confiabilidad, amplio rango de temperatura de operación, bajo nivel de autodescarga y un razonablemente alto número de ciclos de vida. Sin embargo también presenta algunas desventajas a tener en cuenta: una baja densidad de energía y un pobre comportamiento operando en condiciones extremas tanto de descargas profundas como fuertes sobrecargas.
Las baterías de plomo-ácido son baterías electroquímicas secundarias y están constituidas por un electrodo positivo de dióxido de plomo (PbO2) y un electrodo negativo de plomo metálico (Pb) esponjoso. Ambos electrodos están sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) y agua (H2O) con una concentración nominal del 37% en peso. La densidad nominal del electrolito para esta concentración es de 1,24 g/cm3. La tensión nominal de celda es de 2V.
El sistema de almacenamiento de energía elegido para la ECSAVE-I consiste en un banco compuesto por dos baterías de PbO2 del tipo monobloque inundada de mínimo mantenimiento y apta para frecuentes ciclos profundos. La autonomía del conjunto es tal que permite la carga de 3 vehículos eléctricos del tipo motocicleta.
Para más información, contactarse con el Ing. Dario Carestia del Instituto de Energía Eléctrica, UNSJ-CONICET: dcarestia@iee-unsjconicet.org.
