La Asociación de Agencias Españolas de Gestión de la Energía en su quinta edición de los Premios Nacionales de Energía, EnerAgen, otorga el
PREMIO A LA MEJOR ACTUACIÓN EN MATERIA DE ENERGÍAS RENOVABLES al proyecto
4R de Estación universal fotovoltaica de bicicletas eléctricas promovido por el profesor
D. José Andrés Herrero Sánchez del
I.E.S. Torres Villaroel de Salamanca Valladolid, a 7 de noviembre de 2013
MEMORIA DE ACTUACIÓN: PROYECTO 4R DE ESTACIÓN UNIVERSAL FOTOVOLTAICA DE BICICLETAS ELÉCTRICAS
I.E.S. TORRES VILLARROEL (SALAMANCA)
1-.TÍTULO: Proyecto 4R de estación universal fotovoltaica de bicicletas eléctricas
2-.PRESENTACIÓN: El equipo humano que interviene en esta actuación está formado por profesores y alumnos del Instituto de Educación Secundaria Torres Villarroel (Salamanca). Es en el propio centro educativo, de titularidad pública, donde están localizadas las instalaciones.
3-. JUSTIFICACIÓN: La movilidad actual de los ciudadanos debe ser compatible con el medio ambiente y un futuro energético sostenible. El 25% de las emisiones de dióxido de carbono que se producen en nuestro planeta son debidas a los medios de transporte. Estas fueron las premisas que nos llevaron a evaluar la movilidad ciudadana urbana y a buscar soluciones concretas en un entorno educativo. La bicicleta es un medio de locomoción económico, energéticamente sostenible y saludable para sus usuarios. En áreas geográficas de topografía irregular, con fuertes pendientes, el esfuerzo físico que requiere disuade a la gran mayoría de los ciudadanos. Afortunadamente, el desarrollo de la técnica ha suavizado esta dificultad con la motorización eléctrica de la bicicleta.
En el análisis mediante un diagrama de Ishikawa del proceso de motorización de la bicicleta nos sirvió para evaluar los aspectos negativos a minimizar para su implantación: inversión económica, riesgo de robos, mantenimiento, aparcamiento, desconocimiento técnico, fiabilidad, etc. Los aspectos positivos son inherentes al propio sistema de movilidad y sólo es necesario explicitarlas.
El coste económico es uno de los aspectos negativos que contrarresta de manera más fuerte en la implementación de la bicicleta eléctrica. Los análisis de pay-back de la bicicleta eléctrica frente a otras soluciones de movilidad dan argumentos no inmediatos, con escaso poder de convicción para el gran público. Las posibles soluciones que reducen la inversión son adecuar el equipo a las necesidades de movilidad del usuario, ajustar prestaciones, agrupar compras conjuntas de posibles usuarios e instalar kit de motorización eléctrica a bicicletas convencionales frente a la compra de bicicletas eléctricas nuevas. El riesgo de robo se reduce si disponemos de espacios controlados en destinos y si se reducen las facilidades del equipo móvil susceptible de acciones vandálicas (tuercas mariposas, conectores rápidos). Actuar para disponer de aparcamientos idóneos favorece la implementación del sistema de movilidad. El mantenimiento es un factor desencadenante que no actúa de manera inmediata, pero actúa de forma determinante sobre la fiabilidad del sistema y la pérdida de confianza del usuario, que se traduce en una publicidad directa negativa en el mercado potencial.
El estado de la técnica actual (mecánico, electrónico, eléctrico) hace que la fiabilidad del sistema, en conjunto, sea muy alta. El punto crítico del sistema, en cuanto a fiabilidad, es la acumulación, con resultados catastróficos para el conjunto. La vida útil de los acumuladores se prolonga si se evitan descargas profundas, descargas rápidas, temperaturas extremas, que provoquen congelaciones o destrucción de los electrodos, respectivamente por exceso o por defecto, y las autodescargas por inactividad de la batería. El coste económico del acumulador puede representar entre el 50% y el 60% del coste total, por lo que para disminuir el impacto económico por disfunción son necesarias algunas normas organizativas, de buen uso y de mantenimiento. Todo lo expuesto se traduce en que es muy positivo disponer de estaciones de carga en los trayectos de destino, para que minimice la descarga del elemento acumulador y alargue su vida útil.
4-. DESARROLLO: Es un proyecto 4R: Recupera, Recicla, Reutiliza y Reinventa. La innovación del proyecto va ligada al “querer hacer”, y al cómo, para fabricar aplicaciones y modelos de utilidad que habilitan un espacio destinado a aparcar las bicicletas eléctricas y recargar sus baterías desde un campo generador fotovoltaico. La reutilización, recuperación y el reciclado es la forma que ha hecho posible, en una parte muy importante, la realización de la estación universal fotovoltaica de bicicletas eléctricas en un centro educativo sin capacidad económica para hacer inversiones de cierta entidad. Por tanto, la ejecución del proyecto es de bajo desembolso económico (<1.000 €), con la participación económica de terceros y no ha sido
susceptible para la entidad de acogerse a ninguna subvención. El bajo presupuesto es compensado con una mayor carga de trabajo de los participantes que hace factible la realización de las soluciones tecnológicas ideadas como alternativas. La estación de carga se plantea eléctricamente como un punto que evite la descarga profunda y sería complementaria a la que el usuario de bicicleta eléctrica dispone en su domicilio. La naturaleza de las baterías (Pb, NiCd, iones Li..) tienen distinto voltaje de celda individual. Por otra parte, la corriente de carga de una batería no debe sobrepasar más del 10% de su corriente máxima y ésta va ligada a la capacidad de la batería. Además, los cargadores comerciales realizan tareas muy específicas sobre las celdas de las baterías (ecualificación, sulfatación….). Estos requisitos eléctricos implican que la estación de carga universal disponga de tantos tipos de cargadores como variedad de baterías utilicemos. En un principio nos planteamos rediseñar y adaptar circuitos electrónicos cargadores de baterías, pero al ser excesivamente singulares los equipos electrónicos a fabricar para el elemento acumulador móvil específico, junto con un precio bajo de los cargadores comerciales a partir de la red eléctrica, nos hizo modificar nuestro objetivo inicial. En consecuencia, asumimos la pérdida energética de la conversión DC/AC y AC/DC en beneficio de desarrollar una estación de carga de tipo universal, limitada sólo por la potencia del cargador y número de cargas diarias a efectuar.
a) Campo generador fotovoltaico: Los paneles fotovoltaicos utilizados han sido cedidos gentilmente por la Dirección Provincial de Tráfico de Salamanca, a los que agradecemos su colaboración y comprensión con este proyecto. En la carretera nacional N-620, en el lado derecho de la carretera en sentido Portugal, existían islas S,O,S. que con la construcción de la autovía paralela dejaron de cumplir su cometido, razón por la cual solicitamos su reutilización. Los postes de socorro no disponían de ningún circuito de regulación, ni comunicación, así como de batería, que imaginamos se había ya retirado para evitar cualquier impacto negativo al medio ambiente. En algunos puntos kilométricos habían desaparecido los propios postes y en otros faltaban las placas fotovoltaicas o sólo quedaba el marco exterior, por efecto del vandalismo. La retirada de los paneles fotovoltaicos fue efectuada directamente por profesores del instituto. Durante el trabajo, en días autorizados de baja densidad de tráfico, se evitó la invasión de la calzada y se señalizó convenientemente para
prevenir accidentes de circulación. Así mismo, se observaron las normas seguridad y utilizaron elementos de seguridad como arneses, cascos, botas y guantes. El tiempo se prorrogó durante aproximadamente 20 días, no por la duración de las tareas sino por la falta de disponibilidad de tiempo de los profesores del instituto. En concreto, se realizaron 3 salidas con una duración media de 3 horas, contando desplazamientos, aprovechando para asegurar las tuercas de fijación de todos los mástiles sobre los que trabajamos. Se descolgaron 10 placas fotovoltaicas, de marca BP Solar, cuyo año de fabricación serigrafiado era 1988. El modelo había sido borrado de forma intencionada para reducir su robo. La retirada del panel fotovoltaico se realizó con manguera eléctrica incluida para su reutilización posterior en nuestro cableado, aunque en algunas zonas el aislamiento presentaba deterioros por efecto del roce en el orificio del poste. Por las dimensiones mecánicas de la placa (83,9 cm x 53,7cm) estimamos que se trataba del modelo BP Solar Panel 50Watt 12Volt (Polycrystalline), con intensidad de cortocircuito 3,17 A y una tensión en circuito abierto de 21,8 V. Los valores medidos en los extremos de los cables de la intensidad de cortocircuito (2,18 A) y de tensión en circuito abierto (20 V) nos da una potencia ponderada de 31,54 W. Su rendimiento no alcanza el dato del fabricante del 85% mínimo de la potencia nominal al cabo de 25 años de funcionamiento. Lo cual no es de extrañar pues los paneles han estado expuestos a situaciones extremas de cortocircuitos y que nosotros reutilizamos las mangueras eléctricas, por necesidad, con claros signos de sobrecalentamientos. Para nuestra aplicación estimamos una potencia nominal de 30 W por cada panel, dado que restan unos 7 años de vida media residual aprovechable, con una disminución de su rendimiento en los últimos
años. Para reducir costes, fijamos los paneles a la pared mediante perfiles en “L” de 4 mm de espesor de hierro con tratamiento de intemperie, que mecanizamos en el aula-taller de Tecnología. La orientación de uno de los muros exteriores es exactamente sur, por lo que sobreponemos el campo generador fotovoltaico. Hemos optado por una inclinación correspondiente a un periodo de diseño de diciembre, latitud + 10º, que se acerca más al uso asociado durante el calendario escolar. Destinamos 7 placas fotovoltaicas, todas en paralelo, con una potencia pico generadora estimada de 210W. El envejecimiento eléctrico de dichos paneles hace previsible la aparición de averías por lo que colocamos un diodo de bloqueo sobre cada panel, que evita la inhibición del conjunto en caso de cortocircuito del panel individual, asumiendo la pérdida energética asociada a la caída de voltaje frente a garantizar la fiabilidad de funcionamiento. b) Circuitos de regulación, almacenamiento y conversión: Partimos de la potencia del campo generador fotovoltaico disponible para dimensionar la instalación restante, y no, como habitualmente, de estudiada la necesidad energética (w.hora) calcular el campo energético generador necesario. En nuestro caso, vista la disponibilidad generadora fotovoltaica supeditamos la prestación posible de necesidades. La instalación se completa con equipos completamente nuevos, adecuados a los parámetros eléctricos del campo fotovoltaivo: un regulador Solener Display 30A/12/24V con diodo anti-retorno incorporado, una batería estanca de 12 VDC de gel, 100Ah-145 C100, y un inversor de onda senoidal constante de 400 W/12 V. El consumo diario que es capaz de suministrar es de 360 w.h, con 3 días de autonomía, suficiente para efectuar diariamente 2 cargas completas de baterías de trabajo de equipos móviles o mantener en un estado óptimo de carga a varias baterías de trabajo con una exigencia baja en su ciclo de descarga. c) Motorización de bicicletas: En el diagrama de espina de pez ya observamos que el factor económico es determinante para la implementación de la bicicleta eléctrica. El precio de un kit eléctrico para motorizar una bicicleta convencional es entre la mitad y la tercera parte del coste de una bicicleta eléctrica comercial, de iguales prestaciones. Esta proporción disminuye si considerásemos la mano de obra que
requiere la instalación del kit eléctrico de motorización y si necesitáramos adquirir también la bicicleta convencional. Nosotros partimos de la situación “querer hacer”, por lo que el ahorro económico es fundamental. Realizamos de forma desinteresada la actividad “Taller E-bici” para instalar las motorizaciones eléctricas en bicicletas convencionales para los usuarios de la comunidad educativa que hayan adquirido uno de esos equipos. El instituto no tiene ninguna participación comercial en su desarrollo, aunque si asesoramos respecto de las posibles prestaciones de los diferentes equipos. Por una parte, los alumnos adquieren este “saber hacer”; por otra, los usuarios revalorizan su antigua bicicleta, consiguiendo un ahorro importante y nuestro centro educativo no precisa realizar una inversión económica. De esta manera, en el último trimestre del año, instalamos 3 kits de tracción delantera y uno de tracción trasera; 2 con la batería en el transportín y 2 sustituyendo al bidón del agua. El reutilizar las bicicletas convencionales y la adquisición de los kits de motorización por parte de los profesores y padres de alumnos ha sido determinante para hacer posible este proyecto como de bajo coste económico. d) Adecuación del espacio de la estación de carga: El poder realizar una recarga eléctrica en la estación de bicicletas es lo importante, pero también lo es el ser un lugar controlado que evite los robos y las inclemencias atmosféricas. La zona que disponíamos es un espacio interior, muy oscuro, y permanentemente iluminado con luz artificial. Otra de las actuaciones es mejorar las condiciones de iluminación con una segunda instalación fotovoltaica de consumo directo, totalmente independiente de la anterior, sin ninguna batería de almacenamiento energético. La octava placa, ésta monocristalina, alimenta exclusivamente las luminarias de leds. Así, los alumnos de Tecnología de 1º de ESO, han construido mediante el método de proyectos 8 lámparas de madera de pared. Los requisitos que les impusimos eran que la fijación fuera de pared, los cables deberían quedar ocultos así como la placa del circuito regulador. Su trabajo era idear y construir el objeto exclusivamente en madera.
Los alumnos Tecnología de 4º de ESO se ocuparon de la parte eléctrica, fabricando los reguladores electrónicos individuales, a partir del típico circuito 7812, fijando la tensión variable 12-20 VDC de los paneles solares a una tensión regulada de trabajo de 12 VDC a lo largo del recorrido de la manguera de alimentación de las lámparas de leds. También realizan un interruptor solar que corta la alimentación de red eléctrica al fluorescente, existente anteriormente a la intervención. Al salir el sol, la placa fotovoltaica suministra directamente la energía necesaria a cada regulador instalado en cada una de las lámparas de leds, iluminando este espacio interior. En situaciones de baja intensidad luminosa exterior, sólo actúa el fluorescente. Por último, hicimos la instalación interior con la manguera de alimentación AC, procedente del inversor, para los cargadores. Aprovechamos un viejo buzón, al que empotramos en la pared, para alojar, y proteger, los cargadores de las bicicletas eléctricas. Sólo resta, para finalizar, construir un sistema de anclaje, donde las bicicletas queden sujetas de forma segura.
5-. CONCLUSIÓN: El conjunto de acciones emprendidas configuran una experiencia educativa participativa que mejora la movilidad urbana mediante el uso de energías renovables, desde un compromiso con el medio ambiente. Tanto las actuaciones como el proceso de búsqueda de soluciones es un proyecto 4R: Recupera, Recicla, Reutiliza y Reinventa.