UNAM Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico. EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco, Morelos Tel: (01-55) 5622 9716; e-mail: [email protected]Sandia National Laboratories
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UNAM Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico. EXPOSITOR Aarón Sánchez.
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Iluminación básica, Radio comunicación, señalización con Sistemas
Fotovoltaicos Consideraciones y Dimensionamiento Básico.
EXPOSITOR
Aarón Sánchez JuárezCentro de Investigación en Energía, UNAM
Un sistema de iluminación es aquel que tiene como finalidad el proporcionar luz artificial en zonas o habitaciones obscuras, o cuando no se disponga de luz natural.
Generalmente, los sistemas de iluminación estan formados por un conjunto de elementos que, para generar luz, necesitan consumir energía.
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Actualmente, los sistemas de iluminación urbana se basan en elementos que consumen electricidad.
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En el campo, lo común es encontrar elementos que, para generar luz, queman combustibles basados en hidrocarburos, desde la tradicional vela de parafina o el “quinque”, hasta las modernas láparas de gas.
Los elementos que generan luz son llamados fuentes luminosas. Las hay naturales y artificiales.
Las artificiales comunmente son conocidas como lámparas.
La fuente luminosa natural conocida por todos (los que pueden ver y/o sentir) es el SOL.
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La radiación electronmagnética solar tiene una porción entre los 0.38 m y los 0.76 m que es detectada por el ojo humano por lo que recibe el nombre del espectro visible.
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400 450 500 550 600 650 7000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0S
ensi
bili
dad
espe
ctra
l rel
ativ
a
Longitud de onda (nm)
La mayor sensibilidad del ojo humano al espectro del visible está en la longitud de onda de 550 nm
Una fuente luminosa con una emisión alrededor de ese valor será más eficiente que aquella que emita en otra longitud de onda.
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CONCEPTOS Y UNIDADES COMÚNES EN ILUMINACIÓN.
Irradiancia: Es la potencia lumínica por unidad de área recibida en una superficie.Unidades: Watt/m2
Flujo luminoso: Es el flujo radiante captado por el ojo humano.Unidad: lumen (lm)
Intensidad luminosa: Es el flujo luminoso emitido por una fuente por unidad de ángulo sólido.Unidad: Candela
Iluminancia: Es el flujo luminoso por unidad de área.Unidad: Lux (lx)1 lx= 1 lm/m2
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CLASIFICACIÓN: Incandescentes, halógenas, de descarga y fluorescentes.
LÁMPARAS
INCANDESCENTES: Generan luz debido al calentamiento que sufre un filamento por donde fluye una corriente eléctrica. El filamento debe estar contenido en un bulbo que en algunos casos contiene un gas para generar mayor cantidad de luz.
GAS HALÓGENO: Funcionan igual que las incandescentes. La incorporación del gas halógeno propicia el aumento del tiempo de vida de la lámpara.
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FLUORESCENTES: Son una combinación entre las de filamento y las de descarga. Su principio de operación está en la fluorescencia de rayos ultravioleta en un material depositado sobre las paredes internas del bulbo que contiene al gas.
RENDIMIENTO LUMINOSO: Se define como el cociente entre el flujo luminoso entregado por la lámpara (lm) y la potencia eléctrica (W) absorbida por ella. Unidad lm/W
DESCARGA: Estan formadas por un bulbo que contiene una mezcla de gases y substancias metálicas.
Al fluir corriente eléctrica a través del gas, se produce la emisión de luz debido a la excitación de los átomos del gas.
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PROPIEDADES COLORIMÉTRICASDENOMINACIÓN TEMPERATURA DE
COLORTIPO DE LÁMPARA
Luz de día o blanco frío 5400 K – 6000 K Fluorescente o descargaBlanco o natural 3800 K – 4000 K Fluorescente o descarga
Blanco cálido 3000 K Fluorescente o descargaInterna o luz hogar 2700 K Fluorescente o Incandescente
CARACTERÍSTICAS DE LAS DIFERENTES LÁMPARASINCANDESCENTE HALÓGENA SODIO BAJA
PRESIÓNFLUORESCENTE
RENDIMIENTO(lm/w)
10-15 15-27 72-169 40-80
DISMINUCIÓN delFLUJO LUMINOSO
MEDIA BAJA BAJA MEDIA
TEIMPO DE VIDA 1,000 hrs 2,000 hrs 8,000 a 10,000 8,000 a 10,000TEMPERATURA DE
COLOR2700 K 3000 K No definida 2700 K a 6500 K
INDICE DEREPRODUCCIÓN
CROMÁTRICA
85 100 Nulo 60-95
PRECIO Bajo Medio Alto Medio
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CLASIFICACIÓN DE LUMINARIASTIPO DE ILUMINACIÓN PORCIÓN DISPONIBLE del FLUJO LUMINOSO EN
LA SUPERFICE A ILUMINARDirecta 90%
Semidirecta 60% al 90%Difusa 30% al 60%
Semiindirecta 10% al 30%Indirecta Menor del 10%
LUMINARIAS:Carcasa o cavidad que contiene a una o varias lámparas.Su función primordial es el proporcionar un medio mecánico de soporte de la lámpara y direccionar el flujo luminoso.
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VALORES DE ILUMINANCIA RECOMENDADOSPARA CASA-HABITACIÓN
Cuartos de baño: Alumbrado general 50 100Cuartos de baño: Espejos (para el rostro) 200 500
Dormitorios: Alumbrado general 50 100Dormitorios: Camas y espejos 200 500
Cocinas 100 200Cuarto de niños 70 200
Cuarto de estar: Alumbrado general 70 200Cuarto de estar: Lectura intermitente 150 200Cuarto de estar: Lectura prolongada 300 500
Cuarto de costura 200 500Trabajo escolar 300 500
Banco de taller artesano 150 300
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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y DE FLUJO LUMINOSO DELÁMPARAS FLUORESCENTES
TIPO VOLTAJENOMINAL
(V)
POTENCIANOMINAL
(W)
POTENCIACONSUMO
FLUJOINICIAL
(lm)
EQUIVALENCIA(foco en W)
PL-9/1T 12 DC 9 1.0 A @ 12V 450 25PL-13/1T 12 DC 13 1.2 A @ 12V 750 60PL-18/1T 12 DC 18 1.8 @ 12v 1000 75PL-36/1T 12 DC 36 3.5 @ 12V 2300 100PL-9/2T 12 DC 9 12 W 500 40PL-10/4T 12 DC 10 13 W 550 40PL-13/4T 12 DC 13 16 W 800 60TUBO 15 12 DC 15 18 W 880 75TUBO 20 12 DC 20 1.6 @ 12V 1200 75TUBO 30 12 DC 30 35 W 2500 100
T CÍRCULO 12 DC 32 36 W 1900 100DL-11/4T 120 AC 11 12 600 40DL-20-4T 120 AC 20 23 1200 75
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PROBLEMA: Se tiene que iluminar una cas-habitación que tiene las
siguientes características:a) Dos recámaras de un área de 9 m2 cada una.b) Una sala de estar de 12 m2.c) Un comedor de 9 m2.d) Una cocina de 6 m2.e) Un baño de 3 m2.
Se pretende iluminar cada cuarto con luminarias semidirectas con una porción disponible del flujo luminoso del 80%. Determinar la (s) lámpara (s) adecuadas que proporcionen la iluminancia recomendada en cada cuarto-habitación.
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SOLUCIÓN:1. Multiplicar la iluminancia recomendada por el
área de la habitación. Esto proporciona el número de lúmenes requerido suponiendo flujo luminoso sin pérdidas.
2. Dado que las luminarias son semidirectas con una porción de flujo del 80% a la altura de la zona que es requerido, dividir el valor encontrado en paso 1 entre 0.8.
3. El valor encontrado en paso 2 proporciona el número de lúmenes que deberán de ser generados por la (s) lámpara (s).
4. Usando la Tabla de lámparas seleccionar aquella (s) cuyo flujo luminoso sea el requerido o cercano a éste.
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SISTEMAS FOTOVOLTAICO
Un sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos que permiten obtener electricidad a un voltaje específico a partir de la energía luminosa del Sol.
CLASIFICACIÓN
Sistemas Autónomos
Sistemas de CD
Sistemas en CA
Acoplamiento DirectoA. c/Seguidor de potenciaA. c/IinversorA. c/Baterías/Controlador
Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD)
Banco de Bateríascomúnmente 12 V
Controladorde Carga
SISTEMAS DE ILUMINACIÓN FV
Sol
CARGAS EN CORRIENTE DIRECTA
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ArregloFotovoltaico
Sol
Generación de Electricidad en CD
Sistema de Acondicionamiento de Energía
Banco de Baterías(Vn depende del Inversor)
Controladorde Carga
Tableros de distribución de carga en CA
Tableros de distribución de carga en CD
CARGAS EN CD Y CA
InversorCD/CA
DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO
Procedimiento a través del cual se determina la potencia pico óptima del arreglo FV que generará la energía necesaria para una aplicación específica en cierta localidad.
Así mismo, determinar la capacidad del sistema de almacenamiento de energía en base a los requerimientos de autonomía requeridos.
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GEOGRÁFICOSLocalización del sitio,Clima,Conocimiento del sitio,RECURSO SOLAR del
sitio
CONOCIMIENTOS NECESARIOS:
ENERGÉTICOSTipo de CargasTiempo de usoPotencia totalEnergía total
TECNOLÓGICOSTipo de módulosTipo de controladoresTipo de estructurasTipo de bateríasTipo de inversor
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CRITERIOS FUNDAMENTALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO FV
ENERGÍA GENERADA AL DÍA
ENERGÍA ALMACENDADA
ENERGÍA TOTAL
CONSUMIDA POR DÍA
3 VECES LA ENERGÍA CONSUMIDA POR DÍA
CAÍDAS DE VOLTAJE EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
3% DEL VOLTAJE NOMINAL
SIMPLICIDAD EN EL DISEÑO
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DE DISEÑO...
BALANCE ENERGÉTICO
UNIDADES Y TÉRMINOS COMÚNES
POTENCIA ELÉCTRICA (P): Producto del voltaje con la corrienteUnidad: Watt; Símbolo: W; equivalencia 1 W= 1Vx 1A
POTENCIA PICO (Pp): En un módulo FV es la potencia máxima generada bajo condiciones estándares de medición.
VOLTAJE NOMINAL (Vn): Es el voltaje de especificación comercial de una carga eléctrica, generador, bateria, etc.
ENERGÍA ELÉCTRICA (E): Es la potencia eléctrica consumida, generada ó almacenada en un intervalo de tiempo dado. E=Pxt Si el tiempo se mide en horas (h), la unidad para E es Watt-hora (W-h) en el periodo considerado
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Watt-hora (W-h) es la cantidad de energía producida o consumida por un equipo eléctrico. 1 kW-h= 1,000 W-h
Amper-hora (A-h) es la cantidad de energía consumida o prioducida por un equipo eléectrico a un voltaje nominal dado. 1.2 kW-h = 1,200 W-h = 100 A-h @ 12V
La energía cosumida o producida en un día puede expresarse de manera indistinta mediante las siguientes unidades:
INSOLACIÓN: Irradiancia acumulada en un tiempo dadoUnidad: W-h/m2
IRRADIANCIA: Potencia luminosa incidente en una unidad de área.Unidad: W/m2 Máximo valor Irr directa= 1,000 W/m2
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6 8 10 12 14 16 18-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN
Global Directa Difusa
IRR
AD
IAN
CIA
(W
/m2 )
HORA DEL DÍA
ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL
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El concepto de horas-pico como una manera de trabajarla energía recibida en un captador
Horas de Sol Horas de Sol
8:00 12:00 16:00
1,000 W/ m 2
10:00 14:00
0.0 W/ m 2
HORAS-PICO
8 h-p 4 h-
p
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
IRR
AD
IAN
CIA
(
W/m
2 )
HORA DEL DÍA
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
IRR
AD
IAN
CIA
(
W/m
2 )
HORA DEL DÍA
Area bajo la curvaA= 8,000 W-h/m2
Area bajo la curvaA= 4,000 W-h/m2
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HORAS PICO HP: Energía disonible del Sol obtenidan por la integración de la irradiancia respecto del tiempo y expresado en horas de máxima irradiancia.
Mapa de Insolación Solar Global Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anualdiaria promedio anual
Captador HorizontalCaptador Horizontal
Unidades Horas-PicoUnidades Horas-Pico
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RS(I)= RS(H)/cos (0.87L)
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Sistemas FotovoltaicosMódulos de Silicio monocristalino
Potencia luminosa: 100% AM1
Vm = 17.4 V
Im = 3.15 A
Temperatura módulo: 25ºC
Largo: 129.3 cm
Ancho: 32.9 cm
Espesor: 3.4 cm
No. Celdas: 36
Peso 5.5 kg
CARACTERÍSTICAS
MÓDULO SIEMENS SM55
Vca = 21.7 V
Icc = 3.45 A
EL MÓDULO FOTOVOLTAICO
Características eléctricas bajo condiciones NTC
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MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO
AMPER-HORA: Método sencillo aplicable para sistemas FV’s con voltajes nominales iguales o menores de 48 VCD.
Características: El método asigna a los módulos de 33 y 36 celdas un voltaje nominal de 12 V CD.
El voltaje nominal requerido por las cargas es obtenido al configurar módulos en serie.
La energía generada por el módulo (o un arreglo en serie hasta 48 V CD se obtiene de multiplicar Im bajo NTC con el Recurso Solar.
No se consideran variaciones de voltaje debido a la temperatura y a la irradiancia.
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EFECTO DE LA TEMPERATURA
En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celdaEn la potencia: reducción del 0.35%/ºC
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ENERGÍA GENERADA POR MÓDULOSRECURSO SOLAR CONSIDERADO: Rs= 5 HORAS PICO = 5,000 W-h/m2
WATTS-HORA: Método que se aplica cuando el voltaje nominal del sistema FV es grande.
Características: Recomendado para voltajes mayores o iguales de 120 V
DC. Es necesario establecer el Voltaje de Operación Vop, o el
rango de voltajes que la carga en CD requiere. El método asigna para el cálculo del No. de módulos
conectados en serie para dar el Vop de la carga en CD, el Vm del módulo bajo condiciones normales de operación NOCT.
Para módulos de 36 celdas, Vop15 V @ Tm=50ºC. Las pérdidas de energía deben ser conocidas
explicitamente para el caso de sistemas autónomos y/o híbridos.
Recomendado para sistemas iteractivos con la red.
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MÉTODO DE DIMENSIONAMINETO....
U N A M
D I A G R A M A E S Q U E M A T I C O D E C O N E X I O N E N T R E M Ó D U L O S
E N S E R I E : L O S V O L T A J E S D E C A D A M O D U L O S E S U M A NE N P A R A L E L O : L A C O R R I E N T E D E C A D A M O D U L O S E S U M A N
+-
-
-
-
-
-
-
-
-
+ +
+++
+ + +
V = V 1 + V 2 + V 3 + V 4
I 1
I 2
I 3
D io d o s d e p a s o
-
-
-
+
+
+
V 1 V 2 V 3 V 4 I 1
I 1 + I 2
I 1 + I 2 + I 3
C O N E X I Ó N S E R I EC
ON
EX
ION
PA
RA
LE
LO
D io d o d e B lo q u e o
A R R E G L O : 4 M ó d u lo s e n S e r i e y 3 e s t r u c tu r a s d e é s t a s e n p a r a l e lo .N o m e n c la t u r a : 4 S x 3 P
RECOMENDACIONES:a) Cargas únicamente en CD: Se elige como voltaje nominal del
sitema Vn(S) al Vn máximo de cualquier carga R.
Por lo cual: VnAFV= VnB= Vn(máximo) = Vn(S)
b) Cargas en CA: Las cargas en corriente alterna requieren de un inversor CD/CA. De aquí que el voltaje nominal del sistema Vn(S) estará definido por el voltaje nominal del inversor seleccionado.
Por lo que: VnAFV= VnB = VnI= Vn(S)
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CÁLCULO DEL TAMAÑO DEL ARREGLOCriterio amper-hora
No. de paneles en paralelo NP:Se calcula considerando el balance de energía y considerando las pérdidas de energía por el manejo y almacenamiento de ésta.
No. de módulos en serie= un panel NS= Vn(S)/12siendo 12 V el voltaje nominal del módulo
cBIcwp
sCP η.η.η.η.Im.H
.FEN
Ec es la energía total a consumir por las cargas.FS es el factor de sobredimensionamiento (5% al 10%).
Hp recurso solar disponible en horas-pico.
Im corriente del módulo en el punto máximo bajo NTC. es la eficiencia en el manejo de energía: cables (97%), controlador
(97%), inversor (95%), coulómbica en batería ( 95%).
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EJEMPLO: Consideremos el cuadro de cargas anterior, y se desea calcular cuantos módulos en serie y en paralelo se requieren para generar la energía requerida en una localidad que tiene:a) Un recurso solar promedio diario anual de 6,000 W-h/m2 al día.b) Un recurso solar mínimo promedio diario mensual de 3.5 HP
SoluciónDatos: Ec= 109.2 A-h @ 12VCD;
¿Cual es el Vn(S)?
¿Cual es el voltaje del banco de baterías?
Seleccionen módulo. ¿Cual es el voltaje nominal del módulo a usar?
¿Cuantos módulos se requieren en serie para dar Vn(S)?
¿Cual es el recurso de la localidad en HP
Calculen NP para (a) y para (b)
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CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO
La capacidad de un banco de baterías, CB, se dimensiona en función de la energía consumida diariamente por las cargas eléctricas y la autonomía requerida en el sistema.
En un sistema FV la autonomía del banco de baterías se define como el número de días que funcionarán las cargas eléctricas con cero insolación.
Unidad de medición: amper-hora @ Vn
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Baterias comerciales para sistemas FV
6 V
12 V
2 V
6 V
Características eléctricas de un acumulador Pb-ácido
Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar Horizontal
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Sistemas FotovoltaicosEstructuras para Paneles FV
Sistemas Fotovoltaicos con seguidor solar
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Sistemas FotovoltaicosEstructuras para Paneles FV
CONTROLADORES
Dispositivo electrónico cuya función es el de mantener el estado de carga adecuado en el banco de baterías.
Características:1. Evitar la sobrecarga.2. Evitar la descarga fuera de los rangos establecidos.
Puntos de Control:1. Desconexión de módulos FV: de 14.0 a 15.5 V.2. Voltaje de flotación: de 13.5 a 14.0 V3. Reconexión de módulos FV: de 12.8 a 13.4 V4. Desconexión de cargas por bajo voltaje: de 11.4 a 11.8 V5. Reconexión de cargas: de 13.2 a 13.8 V
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Sistemas FotovoltaicosControlador de carga
Controlador de carga - Medidor
para sistemas fotovoltaicos Modelo CMCX - 12/15/20
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Sistemas FotovoltaicosControladores de Carga Comerciales
INVERSORES
Dispositivo electrónico que transforma la electricidad en Corriente Directa a Corriente Alterna.
La entrada de alimentación es con voltajes nominales desde 12, 24, 36, 48 hasta 120, 240 VCD.
La salida de la electricidad es de 120/240 VAC nominales con ondas tipo cuadrada, semisenoidal y senoidal pura con frecuencias de 50 o 60 Hz.
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Se especifican por la potencia nominal dada por el fabricante (desde 100 W hasta ...) y se seleccionan por la potencia necesaria para satisfacer la potencia de un conjunto de cargas.
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Sistemas FotovoltaicosInversores
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Sistemas FotovoltaicosCaracterísticas Fundamentales de un Inversor
1500 watts de potencia continua Señal de salida de onda modificada 94% de eficiencia pico Construido para cargar, 120 amperes, para baterías Capacida de 3500 watts en un instante User programmable setpoints Protección, automatica para bajo estado de carga de
baterias.
4000 watts de potencia continua baja distorción, Señal de salida de onda perfecta 94% de eficiencia pico Construido para cargar, 120 amperes, para baterías Conección automatica del generador User programmable setpoints Large, LCD digital meter
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
1. Lasneir F. And Ang T.G., “Photovoltaic Engineering Handbook”, IOP Publishing Ltd 1990, Edit by Adam Hilger, New York.
2. Strong S.T. and Scheller W.G., “The Solar Electric House”, Edit by Sustainability Press, 1993, Massachusetts.
3. Markvart T., “Solar Electricity”, second edition, Edit by John Wiley and Sons, 2000, New York.
4. New England Solar Electric Inc., “The Solar Electric Independent Home”, 4th Editio, 1998, Worthington, Ma.