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para sistemas de para sistemas de
telecomunicacionestelecomunicaciones
Celdas de combustible Celdas de combustible
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
AgendaAgenda
�Sistemas de energía para telecomunicaciones
�¿Por qué celdas de combustible?�Grupos electrógenos vs. Celdas�Módulo de 5Kw
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
�Módulo de 5Kw�Información del fabricante�Componentes del sistema�Hidrógeno: calidad, costos�Funcionamiento a distintas temp.�Interface gráfica�Vistas de sistemas instalados
Sistemas de energía para
telecomunicaciones
�El suministro de energía a un sistema de telecomunicaciones no puede interrumpirse por tratarse de un servicio estratégico
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
�Normalmente, los sistemas de telecomunicaciones se alimentan desde la red pública de CA por medio de un conjunto de rectificadores
�Cuando la red de CA se interrumpe, la energía es provista por acumuladores electroquímicos, conectados en paralelo con los rectificadores y los consumos
Sistemas de energía para
telecomunicaciones
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
por acumuladores electroquímicos, conectados en paralelo con los rectificadores y los consumos
�Sin embargo, y dependiendo de la autonomía requerida, puede ser necesario incorporar un grupo electrógeno
�En el caso particular de los sistemas de telefonía celular, la necesidad de autonomías de hasta 24 horas es, cada vez más, una exigencia de las autoridades
TTRG TDCA
Aire
Aco
nd
.
Baliz
am
iento
Re
se
rva
Red
Ilu
min
ació
n d
ee
me
rge
nciaTablero de
transferenciaTableroDistribución
Sistema de energía ininterrumpida paratelecomunicaciones (con grupo electrogeno)
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
~
3NM
TDCC
Barra +
Barra -
Batería
24 o 48 VCC
GrupoElectrógeno
Ilu
min
ació
n d
ee
me
rge
ncia
Gasoil
Equipos de
telecomunicaciones
Con
su
mos
auxili
are
s
=~
=~
=
�Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que genera electricidad a través de un proceso en el que se combinan hidrógeno y oxígeno. Si se la asocia con un convertidor electrónico de potencia DC/DC, se convierte en un verdadero generador, equivalente a un grupo electrógeno, pero que genera tensión continua en lugar de alterna.
¿Por qué celdas de combustible en
sistemas de energía ininterrumpida
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
alterna.
�De esta manera, podemos plantearnos utilizarlo como una fuente alternativa de energía a la red pública para los casos en que esta se interrumpe.
�La diferencia es que su punto de conexión será directamente sobre las barras de tensión continua del sistema de energía
TDCA
~A
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Red
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en
ciaTablero
Distribución
~ ~
Sistema de energía ininterrumpida paratelecomunicaciones (con celda de combustible)
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
~
TDCC
Barra +
Barra -
Batería
24 o 48 VCC
Equipos detelecomunicaciones
Co
nsu
mos
au
xili
are
s
=~
=~
=
Celda decombustible.
H2
Algunas desventajas de los grupos
electrógenos
�Requieren mantenimiento a intervalos periódicos�Las partes mecánicas sufren desgaste y deben ser reemplazadas�Provocan vibraciones y pueden requerir
Departamento de IngenieríaDepartamento de Ingeniería
�Provocan vibraciones y pueden requerir un montaje especial para evitarlas
�Generan gases contaminantes�Producen ruidos molestos aún cuando se equipen con cabinas insonorizados�Requieren un tablero de transferencia
�Las horas totales de funcionamiento en experiencias de campo, sin detenciones
Algunas ventajas de las
celdas de combustible
�No requieren de ningún mantenimiento programado�Las únicas partes móviles son ventiladores
con MTBF > 40.000 horas
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experiencias de campo, sin detenciones ni fallas, ya pasan de 11.000�La eficiencia de conversión es de 50%, aproximadamente (el resto es calor)�El funcionamiento es silencioso y no generan gases de efecto invernadero ni contaminantes. Solo agua
�Se conectan directamente a las barras de CC
Componentes básicos del equipo
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Celda individual “Stack” de celdas
Datos preliminares
�Diseñada y fabricada en Folshom, California, por Altergy Inc.
�Tecnología “PEM” (Proton Exchange Membrane)
�Módulo básico de 5Kw , constituido por stack de celdas, convertidor DC/DC de 24 o stack de celdas, convertidor DC/DC de 24 o
48V y sistema de ventilación
�Posibilidad de conectar hasta 6 módulos en paralelo, con reparto de carga (Ptotal =
30 Kw)
�Fabricado en serie, en instalaciones diseñadas para este propósito, utilizando
herramientas robotizadas
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Sistema de 10 Sistema de 10 KwKw
Primera línea automatizada en el mundo
para la producción de celdas PEM en serie
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Línea de ensamble automatizada para
obtener altos volúmenes a bajo costo
�12 robots SCARA, 5 aparejos y estaciones de transferencia�4 mesas rotativas�60 m de cinta
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�60 m de cinta transportadora�Prueba automatizada de celdas en la línea�Capacidad de producción de 12.000 unidades/año de 5 Kw
El módulo FCE de 5 kW con BIRC(Built-In Re-Circulation “BIRC”)
Deflector de aire
Modulo electrónico de control
Conducto de salida de aire
Deflector de aire
Persianas modulantespara salida de aire
Conducto de aire
Bomba
Fuel Cell Stack
Control de flujo de hidrogeno
Ventilador
Departamento de Ingeniería
Módulo FCE de 5 Kw : dimensiones
61cm51cm
V = 180 litros; Peso = 86 Kg
Para permitir un adecuado flujo de aire se requieren 20 cm adicionales en el frente y 12 cm por encima del módulo . De esta manera el espacio total ocupado es de 63 cm del alto , 53 de ancho y 88 cm de profundidad.
53 cm 68cm
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Módulo de control y conexiones
Todas las conexiones eléctricas se realizan en el frente de la unidad; esto facilita el acceso para control y mantenimiento
Salida de potencia
Puertos de comunicaciónEncendido
Display LCD
Carga batería
auxiliar interna
Salida de potenciaEncendido
Conexión USB
LEDs de estado
Departamento de Ingeniería
Gabinetes para módulos ytanques de hidrógeno
Techo protector del solEntradas y
salidas de aire
Fuel Cell
Tanques de hidrogeno
Modulo de
baterías de
soporte
(TPM)
Puerta frontal
Dimensiones: (cm)66 (A) x 104 (P) x 183 (H)
Fuel Cell
Engine
(FCE)
Departamento de Ingeniería
Gabinete: entradas/salidas de aire
�El deflector de recirculación,
esta conectado con las
persianas de salida de aire, de
modo tal que solo requieren un
único servo mecanismo.
�La altura mínima requerida
sobre el modulo electrónico de
control para forzar la
Deflector de
recirculación
Puerta frontal
Persianas de
Salida de aireFuel Cell
Engine (FCE)
Modulo electrónico
de control
control para forzar la
recirculación es de 12cm.
�Este diseño utiliza la altura
disponible para minimizar la
profundidad de las entradas de
aire.
�De requerirse se puede
modificar el layout para
agregar otros componentes.
Modulo de baterías
de soporte (TPM)
Persianas de
entrada de
aire
* El modulo electrónico de control, el stack de celdas y el
ventilador son todos parte del modulo FCE.
Persianas de
salida de aireStack de celdas
de hidrogeno
Departamento de Ingeniería
TPM: Módulo de baterías de soporte
� Diseñado para entregar energía cuando se interrumpe la red y hasta que entra en funcionamiento el sistema de celdas de combustible
� Utiliza baterías de plomo-ácido tecnología VRLA y capacidad tecnología VRLA y capacidad adecuada al consumo
� Configuración para 24/48 VCC
� Vida Útil: 5 años (aprox.)
� Un solución en base a “ultra capacitores” también está disponible
Departamento de Ingeniería
Alternativas para almacenamiento de
hidrógeno y autonomía con 5Kw
� Tanques de aceroVarias dimensiones y hasta 9
tanques a 150 bar de presión
Los proveedores de gases
industriales los cambian en el sitio
� Tanques de materiales 94cm
6 tanques10+ horas
de autonomía
9 tanques16 horas de autonomía
� Tanques de materiales compuestos
El gabinete aloja 2 o 4 tanques a
250 bar de presión
Los tanques se pueden rellenar en
en el sitio en 15 minutos utilizando
el sistema utilizado en vehículos
con celdas de combustible (el
mismo pico de carga)
64cm
183cm
99cm
99cm
183cm
94cm
2 tanques16 horas de autonomía
4 tanques32 horas de autonomía
Departamento de Ingeniería
Contenido de H2 en un tanque
estándar, consumo y autonomía
• H2 en un tanque de acero de 50 litros
– 7,5 m3 a 150 bar (c.e.p.t.)
– 532 g de H2 (0,071 g/l)
• Consumo de la FCE (@ 5 Kw)
– 70 l/min = 4,2 m3/h, lo que equivale a
– 300 g/h
• Autonomía
– Con 1 tanque: 1h 40’
– Con 6 tanques: 10h 35’
– Con 9 tanques: 16 h
Departamento de Ingeniería
Contenido de H2 en un tanque de
materiales compuestos y autonomía
• Tanque Dynetek de 135 litros
– 33,8 m3 a 250 bar
– 2400 g de H2 (0,071 g/l)
– Peso total del tanque: 57 Kg– (en desarrollo un tanque para 350 – (en desarrollo un tanque para 350
bar)
• Autonomía @ 5 Kw
– Con 1 tanque: 8h
– Con 2 tanques: 16h
– Con 4 tanques: 32 h
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Válvulas de corte de hidrogeno
Cada gabinete posee 3 niveles de válvulas de seguridad en la línea de alimentación
Válvulas de esfera situadas en el exterior del gabinete
El gabinete incorpora ventilaciones
El sistema tiene válvulas de alivio de presión, las cuales se fijan en la parte superior, para permitir que el gas salga hacia arriba, alejado de cualquier fuente de ignición.
Válvula manual en cada armario contenedor
Válvula solenoide, normalmente cerrada, en el bloque regulador
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Costo del H2 y de operación(valores al mes de abril 2011)
• En nuestro país, por el momento solo están disponibles los tanques cilíndricos de acero (50 litros/7,5 m3)
• Los proveedores venden o alquilan los tanques: 1250 AR$/cil o 30 AR$/cil-mes
• El H2 (calidad 3.5 o 99,95%) vale 32,5 AR$/m3• El H2 (calidad 3.5 o 99,95%) vale 32,5 AR$/m3
• Además se cobra un valor por acarreo de 1,5 AR$/m3
• De esta manera el costo de H2 (sin el alquiler de los cilindros) por operar una celda de 5Kw es de $144/hora
• En USA (Florida) el valor es de $127/hora
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Características del H2
�Hidrógeno gaseoso, tipo I, grado B, según CGA (USA)�Denominado “calidad comercial 3.5”�Pureza mínima de H2: 99,95%�CO: 10 ppm
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�CO: 10 ppm�CO2: 10 ppm�N2: 400 ppm�O2: 10 ppm�Hidrocarburos totales: 10 ppm�Agua: 32 ppm
Arranque del sistema (- 40°C a +10°C)
1.El interior se calienta a +10°C mediante un calefactor conectado a la red. Las persianas de salida están cerradas y el deflector de recirculación, abierto.
2.Al cortarse la red, comienza el arranque de la celda de combustible. Las persianas de salida de aire siguen cerradas. salida de aire siguen cerradas.
3.El ventilador fuerza el aire a través del grupo, el cual sale a 60/65°C.
4.El 100% del aire se recircula mediante el deflector y se manda al frente nuevamente.
5.A medida que la temperatura de entrada se aproxima a 30°C, las persianas comienzan a abrirse (ver próxima diapositiva)
Departamento de Ingeniería
Funcionamiento estable (- 40°C a +10°C)
1.Las persianas de salida comienzan a abrirse, causando una presión negativa en el flujo de recirculación y permitiendo que aire nuevo entre en el sistema.
2.El aire frío nuevo se mezcla con el aire a 60/65°C llegando a una temperatura estable antes de entrar nuevamente al grupo.
3.El ventilador fuerza el aire a través del grupo, que sale a 60/65°C
4.En base a la información del módulo de control, parte del aire a 60°/65°C se deja salir por las persianas mientras que el resto se recircula.
5.Las persianas siguen actuando hasta que se alcanza un flujo constante de aire a 30°C en la entrada del grupo.
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Funcionamiento entre 10°C/30°C
1.Cuando se corta la red eléctrica, arranca la celda de combustible. Las persianas de salida de aire están cerradas.
2.Las persianas de salida de aire comienzan a abrirse, causando una presión negativa en el flujo de recirculación, y permitiendo que aire nuevo entre en el sistema.
3.El ventilador fuerza el aire por el grupo, el cual sale a 60/65°C. el cual sale a 60/65°C.
4.El aire frio nuevo se mezcla con el aire a 60/65°C llegando a una temperatura
estable antes de entrar nuevamente al grupo.
5.Algo del aire a 60/65°C sale por las
persianas mientras que el resto se recircula, basado en la información del circuito electrónico de control.
6.Las persianas siguen actuando, hasta alcanzar un flujo constante a 30°C en la
entrada del grupo.
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1.El sistema tiene las persianas de salida de aire abiertas, para permitir el paso de aire.
2.Al caer la red eléctrica, arranca la celda de combustible. La persiana de salida de aire se abre completamente, y el deflector de recirculación se cierra por
Funcionamiento a T > 30°C
recirculación se cierra por completo.
3.El aire fresco del exterior entra directamente al grupo.
4.El ventilador fuerza el aire a través del grupo, y el mismo sale por las persianas a 60/65°C .
5.El 100% del aire a 60/65°C sale por las persianas de salida.
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Interface gráfica del usuario (IGU)
�Laptop con IGU y cable de red
Qué permite hacer?
�Comunicación con cada módulo y visualización completa de parámetros de funcionamiento (incluso stack)
�Identificación del sitio
�Set up del modo de funcionamiento�Set up del modo de funcionamiento
�Set up de tensiones de salida
�Arranque/parada manual
�Set up de los umbrales de alarma
�Set up del sistema de combustible
�Set up de niveles de alarma y relés
�Reset de alarmas
�Log de alarmas
Departamento de Ingeniería
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Ejemplo de extensión de autonomía
� Potencia de salida – 25A 48VDC
� Dos bancos SBS190 / una celda 5KW de hidrogeno
� Nueve Botellones HP350 K
� Las baterías proveen 25A por 15 horas, luego la celda de hidrógeno entra en funcionamiento
Autonomía sin red: > 80 h (> 4 días)
entra en funcionamiento
� Por cada Kwh de carga se requieren 60g de hidrógeno, por lo tanto para 25A de carga (1.2Kw) necesitamos 72g/h de hidrogeno
� Un tanque HP350 guarda 660g
� Nueve botellones (5940g) soportan
1.2Kw durante 82,5 horas
� Autonomía total: 15+82,5 = 97,5 > 4 d
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Instalación de un sistema:
Reconocimiento inicial del sitio
Gabinete equipo
PCS - AFC 672
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Instalación de un sistema:
Construcción de la platea
Platea propuesta 130 x 200cm.
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Vista de frente del sistema instalado
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Sistema de 10 Kw en la planta de Sistema de 10 Kw en la planta de
EnersystemEnersystem ArgentinaArgentina
Armario para 8
tanques de 50
litros a 150 bar
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litros a 150 bar
Autonomía de:
14+ horas a 5Kw
7+ horas a 10 Kw
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Ingreso de cables
(parte posterior)
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Configuración de un solo gabinete
Gabinete angosto para sitio celular
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Para mayor información en Argentina:
¡¡¡Muchas gracias por su atención !!!!
Para mayor información en Brasil:
Departamento de Ingeniería
Para mayor información en Brasil:
Para mayor información en Chile: