Celdas de combustible para sistemas de telecomunicaciones · Normalmente, los sistemas de telecomunicaciones se alimentan desde la red pública de CA por medio de un ... Algunas ventajas

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


�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


�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


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)


~

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


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

ire A

con

d.

Ba

liza

mie

nto

Re

se

rva

Red

Ilu

min

ació

n d

e

em

erg

en

ciaTablero

Distribución

~ ~

Sistema de energía ininterrumpida paratelecomunicaciones (con celda de combustible)


~

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


�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


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


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

Departamento de Ingeniería

Sistema de 10 Sistema de 10 KwKw

Primera línea automatizada en el mundo

para la producción de celdas PEM en serie


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


�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


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


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


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)


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


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


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




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


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


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


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


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


�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)


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.


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.


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.


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







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


Instalación de un sistema:

Reconocimiento inicial del sitio

Gabinete equipo

PCS - AFC 672


Instalación de un sistema:

Construcción de la platea

Platea propuesta 130 x 200cm.


Vista de frente del sistema instalado



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


litros a 150 bar

Autonomía de:

14+ horas a 5Kw

7+ horas a 10 Kw


Ingreso de cables

(parte posterior)


Configuración de un solo gabinete

Gabinete angosto para sitio celular


Para mayor información en Argentina:

[email protected]

[email protected]

¡¡¡Muchas gracias por su atención !!!!

Para mayor información en Brasil:


Para mayor información en Brasil:

[email protected]

[email protected]

Para mayor información en Chile:

[email protected]

[email protected]

Documents

Celdas de combustible para sistemas de telecomunicaciones · Normalmente, los sistemas de telecomunicaciones se alimentan desde la red pública de CA por medio de un ... Algunas ventajas