Farolillos para el jardín con leds de 3w, energía solar, y circuito de encendido y apagado automático.

En este tutorial, veremos como se puede montar un sistema de iluminación con LEDs, alimentado con energía solar. Veremos como se monta el circuito necesario para controlar el apagado y encendido automático de los LEDs, y comentaremos algunos conceptos básicos, que nos ayudarán a seleccionar la batería, el regulador y el panel solar.

Podéis ver el vídeo completo de como se hace en este link: "Vídeo farolillos jardín con leds 3w y energía solar"

En estos enlaces podéis descargas el esquemático (Multisim 13) y el diseño de la PCB (Ultiboard 13). 

Esquemático en Multisim
Diseño PCB con Ultiboard

Los elementos que vamos a necesitar son:

Para el circuito:

• 1 Caja estanca para alojar el circuito

• 1 Potenciómetro multivuelta 200K

• 1 Resistencia 1k 1/4W
• 7 Resistencia 52 Ohm 2w (una para cada farolillo)
• 1 Fotoresistencia 1K-1M

• 1 Transistor 2N3904 o similar
• Un relé 12V
• 7 leds de 3w

• 7 reguladores de corriente (opcional)

Para la instalación solar

• Un regulador solar de 12V

• Un panel solar de 12V. En nuestra instalación hemos seleccionado un panel monocristalino de 40 Wp.
• Una batería cíclica que soporte descargas profundas de 27Ah como mínimo. En nuestro caso hemos seleccionado una batería de gel, cíclica, de 32Ah.
• Caja para alojar la batería y el regulador
• Cables para unir todos los componentes

FABRICANDO EL CIRCUITO.

Para la fabricación de la PCB, podéis consultar otros tutoriales de este mismo blog. 
Este es el esquemático del circuito.

Cuando tengamos el circuito ensamblado, realizaremos una prueba con un solo led, para ver que funciona correctamente. En esta foto se puede apreciar como hemos puesto una resistencia y un led, conectados al circuto.

Una vez que hayamos comprobado que funciona, meteremos el circuito en la caja estanca. Primero haremos en la caja, los taladros para insertar los tornillos, y luego fijaremos la placa a la caja con tornillos para placa. 

 El tornillo que aparece en esta foto irá anclado en la caja estanca. Sobre este tornillo pondremos la PCB, y finalmente la fijaremos con los tornillos que aparecen en la foto con color plateado.

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En la tapa de la caja, haremos un corte para que pueda entrar la luz del sol.

Por último fijaremos la caja a la pared.

Antes de introducir los leds en los farolillos, soldaremos la resistencia.

El regulador de corriente viene con dos cables (rojo y negro). Estos cables se conectarán a los dos polos del led. El cable negro al negativo, y el rojo al positivo.

Tendremos que soldar el regulador de corriente a los cables que van al circuito. Soldaremos el cable del polo positivo en el centro del regulador, y el cable del polo negativo en el borde exterior del regulador.

Después introduciremos el cable por el interior del farolillo, y fijaremos el led en la base del farolillo con una termo selladora.

El siguiente paso será colocar los farolillos en el exterior, prestando mucha atención a la polaridad de los cables que vienen del circuito (el positivo con el positivo del farolillo y el negativo con el negativo del farolillos). Si tienen dudas, consulta el esquema que he puesto más arriba. En la foto se puede ver como cada farolillo, lleva detrás una caja de empalme, para sacar hacia el farolillo, los dos cables (el negativo y el positivo).

Para colocar el panel en el exterior, seguramente os haga falta hacer algún tipo de soporte.
Este lo he construido yo mismo con barras de acero y un tubo de acero. Este material lo podéis encontrar fácilmente en el Bricor o en el Leroy. 
Para que no se os oxide, tendréis que darle una imprimación protectora (2 o tres capas), y luego la pintura del color que os guste.

Para amarrar el tubo que soporta el panel solar a los tubos de la valla, he utilizado presas de las que se ponen

en las antenas. He puesto 4 a diferentes alturas.

Esta es otra vista del soporte.

Del panel solar, tendremos que llevar los cables a la caja donde hemos ubicado la batería y el regulador.

En esta foto podéis apreciar la caja con el circuito. Tiene la abertura para que la LDR capte la luz solar, y abra o cierre el circuito de leds.

 Con esto la parte del circuito está terminada.

INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA.

El siguiente esquema muestra el conexionado y los componentes de la instalación fotovoltaica.

Donde aparece la conexión a la zona de descarga, debemos conectar el circuito que hemos montado para el control del encendido y apagado automático de los farolillos.

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE LA BATERÍA PARA LA INSTALACIÓN.

Nuestro circuito tiene un consumo de 1,141 A. Si contamos que en los meses de invierno, podemos llegar a tener 14 horas de oscuridad, necesitaremos una batería de 16 Ah(14x1,141). Teniendo en cuenta que es recomendable que la batería no se descargue totalmente, añadiremos un 40% adicional, de forma que la batería se descargue un 60%. Por lo tanto necesitaremos como mínimo una batería de 27Ah (27*0,6=16,2)

CONCEPTOS BÁSICOS PARA LA SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA.

BATERÍAS

La tecnología de las baterías ha experimentado muchos cambios en los últimos años, impulsada por la necesidad de reducir las dimensiones y las masas de las baterías, manteniendo la misma energía almacenada.

A pesar de los distintos tipos de baterías que se han introducido al mercado en los últimos años (Níquel-Cadmio, Níquel-Hidruro Metálico, Iones de Litio, etc.), las baterías de plomo siguen siendo ampliamente utilizadas en diversos sectores, después de más de un siglo de servicio.

En particular para el uso automotriz y náutico (baterías de arranque y de ciclo profundo), este tipo de baterías son aún insustituibles, gracias a una muy competitiva relación precio/rendimiento y a su fiabilidad muy alta, cuando son utilizadas correctamente.

Principios de funcionamiento de la batería.

Cualquier batería de plomo-ácido está internamente compuesta de una serie de células. Por ejemplo, una batería de 12 V se compone de 6 células de 2 V conectadas en serie.

Cada célula es a su vez compuesta de un electrodo positivo (barra de dióxido de plomo), un electrodo negativo (barra de plomo) y un electrolito (solución de agua destilada y ácido sulfúrico) que contiene iones de azufre (carga negativa) y iones de hidrógeno (carga positiva).

Cuando se conecta la batería a una carga eléctrica (por ejemplo una bombilla de luz), los iones se mueven hacia los electrodos correspondientes para transmitir su carga eléctrica. Por lo tanto, cuanto mayor sea el nivel de descarga de la batería, se reducirá la concentración de iones en el electrolito.

Por otro lado, cargar la batería invierte el proceso de descarga descrito anteriormente, puesto que el plomo sulfatado se convierte en plomo y óxido de plomo respectivamente en el electrodo negativo y positivo de la célula de plomo ácido.

Clasificación de las baterías de plomo ácido según los principales campos de aplicación: 

Baterías de arranque: Estas baterías (también llamadas SLI - Starting, Lighting, Ignition) se utilizan generalmente para el arranque y el funcionamiento de los motores de combustión interna. Por lo tanto la principal característica de estas baterías es precisamente la capacidad de proporcionar fuertes corrientes (varias decenas de amperios) por un tiempo relativamente corto (unos pocos segundos) durante el arranque de un motor de combustión. Se necesita un importante aporte de energía eléctrica en un corto espacio de tiempo para iniciar los “starters” o motores de arranque.

Este tipo de batería se caracteriza por la presencia de un gran número de electrodos más o menos sutiles, con el fin de maximizar la superficie en contacto entre el electrodo y el electrolito, para proporcionar corrientes eléctricas muy intensas durante períodos cortos.

 Las baterías de arranque no son adecuadas para otro tipo de uso, como iluminación, ya que las descargas profundas acortarían su vida útil.

Baterías de ciclo profundo: Estas baterías están diseñadas específicamente para ser descargadas hasta el 80% y encuentran su principal uso en el ámbito de la tracción eléctrica (por ejemplo para usar los carritos eléctricos en los campos de golf o las carretillas elevadoras).

Son de ciclo profundo, lo que significa que soportan descargas continuas de hasta un 80% sin que ello acorte su vida útil. No son adecuadas para alimentar motores de arranque.

Generalmente sus electrodos son mecánicamente más robustos que los de las baterías de arranque, ya que tienen que soportar un mayor número de ciclos de carga/descarga y pueden ser descargadas hasta aproximadamente el 80%.

Baterías estacionarias: Son baterías de ciclo profundo – admiten múltiples descargas – pensadas para sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI/UPS), alarmas y aplicaciones solares.

Se diferencian de las cíclicas en que las estacionarias están diseñadas especialmente para mantenerse conectadas de manera permanente a la red eléctrica.

Baterías náuticas: Muchas baterías para uso náutico son una especie de "híbrido" entre las baterías de ciclo profundo y de arranque (SLI). Los electrodos son generalmente más robustos que los de las baterías de arranque, aunque son menos espesos en comparación con los de las baterías de ciclo profundo. Generalmente los fabricantes no recomiendan descargarlas más del 50%.

Tipos de construcción de la batería

A continuación, un resumen de los principales tipos de baterías de plomo ácido:

Estándares (Wet) / Selladas (MF):  La mayoría de las baterías son de este tipo y se caracterizan por tener los dos electrodos (positivo y negativo) inmersos en un electrolito líquido (una solución de agua destilada y ácido sulfúrico). Las baterías estándares disponen de tapas removibles para permitir el restablecimiento del nivel de electrolito, mientras las baterías selladas (o MF - sin mantenimiento) se componen de agujeros de ventilación, que (por lo general) no se pueden quitar y permiten que todo el gas generado durante la carga de la batería se disperse en el aire fuera de la batería.

Por lo tanto, las baterías MF no están totalmente selladas y también es importante evitar la sobrecarga, o el electrolito se evaporará prematuramente, causando una reducción significativa de la vida de la batería.

Algunas (no muchas) baterías selladas tienen tapas especiales que pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno generados durante el proceso de carga de nuevo en agua, para reducir las pérdidas de agua del electrolito hasta aproximadamente el 90-95%.

Baterías de gel: Las baterías de gel contienen electrolitos gelificados (obtenidos mediante la adición de gel de sílice): esto hace el electrolito (solución ácida de agua destilada y ácido sulfúrico) sólido y gelatinoso.

La principal ventaja de este tipo de baterías es que no pueden liberar ácido, incluso si se ponen al revés o si su caja está rota.

Sin embargo, hay también algunas desventajas en el uso de baterías de gel: tienen que ser recargadas a bajas corrientes y voltajes, para evitar la creación de burbujas dentro del electrolito gelificado, que podrían dañar permanentemente la batería. Por esta razón, es particularmente importante evitar el uso de cargadores rápidos tradicionales para el mantenimiento de las baterías de gel.

Baterías AGM (VRLA): Este tipo de baterías contienen un electrolito sólido AGM (Absorbed Glass Mat), que es una fibra de vidrio fina impregnada de una solución de agua y ácido sulfúrico) entre los electrodos.

Estas baterías son muy seguras, ya que no pueden liberar ácido, incluso si se ponen al revés o si su caja está rota.

Casi todas las baterías AGM son también de tipo VRLA (Valve Regulated Lead Acid): esto significa que la batería tiene una pequeña válvula que mantiene una ligera presión positiva con respecto al ambiente externo (la atmósfera).

Como es fácil imaginar, estas baterías tienen todas las ventajas de las baterías de gel, pero no presenten sus límites, ya que pueden soportar una mayor corriente de carga: la batería se puede cargar como una batería estándar (o MF).

Otra característica importante es que estas baterías son "recombinantes", es decir, el oxígeno y el hidrógeno producidos durante la carga se recombinan de nuevo generando agua (con una eficacia superior al 90%) directamente dentro de la batería, asegurando una pérdida muy pequeña de agua durante toda la vida útil de la batería.

TIPOS DE PANELES SOLARES

Existen tres tipos de paneles solares.

Paneles Solares Térmicos: Estos paneles se recomienda usarlos en viviendas que tengan recepción directa del Sol con altas temperaturas y que tengan un espacio suficiente para colocarlos ya que son mayores que los anteriores porque si no, no serían eficientes. Actúan de la misma forma que los fotovoltaicos pero aparte contienen un liquido que absorbe el calor. Estos paneles convierten la

energía del Sol en energía térmica y transportan esta energía térmica hacia nuestros hogares.

Paneles Solares Termodinámicos: Su principal ventaja es que pueden absorber energía a pesar de que llueva o esté nublado o sea de noche, etc. Estos paneles se basan en los principios fundamentales de la termodinámica, es decir, que pueden absorber cualquier tipo de energía de cualquier ambiente siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0 grados. 

Los equipos termodinámicos son adecuados para utilizarse como producción de ACS y calefacción.

Paneles Solares Fotovoltaicos:  Transforman la energía procedente de la radiación solar en energía eléctrica.

Clasificación por la tecnología de fabricación de las células fotovoltaicas:

• Silicio cristalino
• Monocristalinos: Secciones de un único cristal de silicio
• Policristalinos: se componen de pequeñas partículas cristalizadas.
• Silicio amorfo: Cuando el silicio no se ha cristalizado.

Parámetros fundamentales del panel solar:

• Tensión de circuito abierto Voc: Máxima tensión que se obtiene en los extremos del panel solar cuando no está conectada a ninguna carga.
• Corriente de cortocircuito Isc: Máximo valor de corriente que puede circular por el panel cuando sus terminales están cortocircuitados.
• Potencia máxima Pm: Máxima potencia que obtendremos del panel en condiciones de radiación de 1000 W/m2 y 25ºC (temperatura de celula).
• Voltaje en máxima potencia Vm: Voltaje en condiciones de máxima potencia.
• Corriente en máxima potencia Im: Intensidad en condiciones de máxima potencia.

Algunos fabricantes facilitan gráficas que permiten calcular los datos Vm e Im.

La línea roja representa la curva de potencia, Si trazamos una línea vertical, desde el punto de máxima potencia, podemos ver que alcanza el valor máximo (unos 240Wp), a los 30V más o menos.

La línea azul representa la intensidad del panel en función de la tensión. Si trazamos una línea horizontal, desde el punto que se cruza la línea azul de intensidad, con la línea vertical que hemos trazado, obtendremos la intensidad en condiciones de máxima potencia.

EL REGULADOR

Se encarga de controlar la carga de las baterías, así como la descarga y evitar cargas o descargas excesivas. De un modo sencillo, un regulador se puede entender como un interruptor, cerrado y conectado en serie entre paneles y batería para el proceso de carga y abierto cuando la batería está totalmente cargada. Las intensidades máximas de entrada y salida del regulador adecuado para cada aplicación dependerán de la corriente de máxima que pueda producir el sistema de generación fotovoltaico para la entrada y la corriente máxima de las cargas para la salida. Para tener en cuenta los posibles picos de irradiancia o los cambios de temperatura, es recomendable que, a la hora de escoger el regulador, sea aquel con un 15-25% superior a la corriente de cortocircuito que le puede llegar del sistema de generación fotovoltaico (Ientrada) o bien, de la que puede consumir la carga del sistema (Isalida). La elección del regulador será aquel que soporte la mayor de las dos corrientes calculadas.

Espero que os sea de utilidad este tutorial. Si os apetece podéis dejar vuestros comentarios con preguntas o sugiriendo mejoras.