La confusión entre Watts y Volt-Ampere (VA)

Los Watts, los VA y el Factor de Potencia

La potencia consumida por un equipo de computación es expresada en watios (W) ó Voltios-Amperios (VA). La potencia en watios es la potencia real consumida por el equipo. Se denomina Voltios-Amperios a la "potencia aparente" del equipo, y es el producto de la tensión aplicada y la corriente que por él circula.

Ambos valores tienen un uso y un propósito. Los watios determinan la potencia real consumida desde la compañía de energía eléctrica y la carga térmica generada por el equipo. El valor en VA es utilizado para dimensionar correctamente los cables y los circuitos de protección.

En algunos tipos de dispositivos eléctricos, como las lámparas incandescentes, los valores en watios y en VA son idénticos. Sin embargo, para equipos de computación, los watios y los VA pueden llegar a diferir significativamente, siendo el valor en VA siempre igual o mayor que el valor en watios. La relación entre los watios y los VA es denominada "factor de potencia" y es expresada por un número (ejemplo: 0.7) ó por un porcentaje (ejemplo: 70%).

El valor del consumo, en watios, para un ordenador, es típicamente 60 a 70% de su valor en VA

Virtualmente todas las computadoras modernas, utilizan una fuente de alimentación de tipo conmutada con un gran condensador de entrada. Debido a las características de éstos convertidores, éstas fuentes de alimentación presentan un factor de potencia de 0.6 a 0.7 , tendiendo las computadoras personales a 0.6. Esto significa que los watios consumidos por un ordenador típico son aproximadamente el 60% de su consumo medido en VA.

Recientemente fue introducida al mercado un nuevo tipo de fuente de alimentación, llamada fuente conmutada con factor de potencia corregido. Para éste tipo de fuente, el factor de potencia es igual a 1. Este tipo de fuente es utilizado en grandes servidores, usualmente con consumos sobre sobre los 500 watios. La mayoría de las veces, no será posible para el usuario determinar el factor de potencia de la carga, y por lo tanto deberá asumir el peor caso cuando calcule la potencia necesaria para un equipo de protección.

Los valores de potencia de un SAI

Un SAI (sistema de alimentación ininterrumpida) también tiene valores en watios y en VA y ninguno de ambos (ni watios, ni los VA) puede ser excedido.

En muchos casos, los fabricantes solamente publican la potencia en VA del SAI. Sin embargo, es un estándar en la industria, que su valor en watios es aproximadamente el 60% del valor en VA, ya que es éste el valor típico del factor de potencia de las cargas. Por lo tanto, como un factor de seguridad, se debe asumir que la potencia en watios del SAI es el 60% del valor publicado en VA.

Ejemplos de cómo puede ocurrir un error de cálculo

Ejemplo 1: Considere el caso de un SAI de 1000 VA. El usuario quiere alimentar 9 lámparas incandescentes de 100 watios (total 900 watios). Las lámparas tienen un consumo de 900 W ó 900 VA, ya que su factor de potencia es 1. Aunque el consumo en VA de la carga es de 900 VA, lo cual está dentro de las características del SAI, el equipo no podrá soportar esa carga. Esto se debe a que el consumo de 900 watios supera la potencia en watios del SAI, que es aproximadamente el 60% de los 1000 VA de la especificación, es decir 600 watios.

Ejemplo 2: Considere el caso de un SAI de 1000 VA. El usuario quiere alimentar un servidor de 900 VA con el SAI. El servidor tiene una fuente de alimentación con factor de potencia corregido, y por lo tanto tiene un consumo de 900 watios ó 900 VA. Aunque los VA consumidos por la carga son 900, lo cual está dentro de las especificaciones del SAI, no podrá soportar esa carga. Esto se debe a que los 900W de la carga superan la potencia en watios del SAI, que es aproximadamente el 60% de los 1000 VA de la especificación, es decir 600 watios.

EFECTO SKIN EN CONDUCTORES

El efecto pelicular es un efecto eléctrico muy curioso. Se da únicamente en corriente alterna, y consiste en que la densidad de corriente se da principalmente por el exterior del conductor.
En corriente continua, la densidad de corriente es similar en todo el conductor (figura a), pero en corriente alterna se observa que hay una mayor densidad de corriente en la superficie que en el centro (figura b). Este fenómeno se conoce como efecto pelicular, efecto skin o efecto Kelvin. Hace que la resistencia efectiva o de corriente alterna sea mayor que la resistencia óhmica o de corriente continua.

Este efecto es apreciable en conductores de grandes secciones, especialmente si son macizos. Aumenta con la frecuencia, en aquellos conductores con cubierta metálica o si están arrollados en un núcleo ferromagnético.

Una forma de mitigar este efecto es el empleo en las líneas y en los inductores del denominado hilo de Litz, consistente en un cable formado por muchos conductores de pequeña sección aislados unos de otros y unidos solo en los extremos. De esta forma se consigue un aumento de la zona de conducción efectiva.

Otra forma de reducir su efecto es fabricar los conductores huecos, las llamadas barras de las subestaciones que son conductores rígidos en vez de los conductores habituales.

El efecto piel es que en la transmisión de corriente alterna entre mas alta sea la tensión es mas visible este efecto lo que pasa es que la corriente no se transmite en toda el área de sección transversal del conductor, sino que la mayor parte se hace por la periferia, en los conductores de muy alta tensión para evitar la perdida del material conductor se hacen huecos, ya que por el centro no conduce corriente, o son muy bajas casi despreciables. Por eso el ACSR. El alma de acero no es para transmitir corriente, es para  mejorar las propiedades mecánicas del conductor al que esta expuesto.

Hay 4 palabras claves para entender este concepto:

Frecuencia, profundidad de piel, flujo de electrones e impedancia del conductor.

Como sabemos no es lo mismo la corriente que circula por un alambre recto que por uno enrollado. Concentrémonos en el alambre recto:

Su hay una corriente en este alambre recto y dicha corriente es alterna se produce en Campo magnético E, que se expande y contrae a lo largo del conductor, y provoca un voltaje el cual se opone al flujo de corriente, bueno esto se conoce como auto-inductancia.

Ahora Imaginemos que este voltaje que se opone a la corriente en el centro(ES UNA IMPEDANCIA) del conductor, se hace mas grande con la frecuencia, provocando que el flujo de electrones tome el camino mas fácil,(donde la impedancia es menor) que es cerca del exterior. Por otra parte, la profundidad de piel en el conductor en el cual la densidad corriente de la onda portadora cae (1/e) , o el 37% de su valor a lo largo de la superficie, es conocida como profundidad de piel y es función de la frecuencia, permeabilidad y conductividad del medio.

Así, diversos conductores, tales como plata, aluminio, y cobre, tienen diversas profundidades de piel. El resultado neto del efecto piel es una disminución eficaz en el área de la superficie transversal del conductor, y por lo tanto, un aumento neto en la resistencia de AC del alambre .Por ejemplo para el cobre, la profundidad de piel es aproximadamente 0. 85 cm en 60 Hz y 0. 007 cm a 1Mhz, el flujo de electrones pierde la profundidad en el centro y tiende a viajar por las orillas, se redujo completamente el área transversal de conducción. Observando este ejemplo de otra forma, el 63% del flujo de corriente de RF en el alambre de cobre fluirá a una distancia de 0. 007 cm del borde exterior del cable.

Cartas Solares - Sombras en paneles solares

Cuando se trata de evitar sombras sobre un conjunto de módulos fotovoltaicos: No existe aún en el mercado un programa que desarrolle curvas de nivel para diferentes iso-líneas (alturas) separadas cierta distancia según la disposición de los arreglos de módulos fotovoltaicos que se vayan a instalar. A excepción  del UO Solar Radiation Monitoring Laboratory (http://solardat.uoregon.edu./) que muestra las distancias para un solo obstáculo, las opciones son reducidas – El siguiente es un ejemplo.

Distancia Horizontal y Profundidad de la Sombra para todos los meses del año.

Estas iso-líneas que representarían la altura dependen de la latitud geográfica del lugar, el área del arreglo, la altura del mismo, la inclinación, etc, permitirían el diseño y ejecución de trabajos complementarios al sistema de energía solar, evitando que nuestro arreglo se vea perjudicado por alguna sombra. El cálculo en si mismo es sencillo, sin embargo, las aplicaciones son muy variadas (en un siguiente post adjuntaré un hoja de cálculo con el resultado del proceso para obtención de estas alturas vs distancias  que puede ser modificado por cualquier usuario con nociones de geometría y trayectoria solar). En la práctica la fuente principal para tener distribuciones confiables al momento de calcular sombras debe ser dada por la carta solar. De los siguientes links se pueden descargar dos programas muy útiles para estimar las trayectorias del sol.

Descargar GEOSOL: http://www.unsa.edu.ar/%7Ealejo/geosol/geosol.zip

Descargar SunPath: http://www.labeee.ufsc.br/downloads/softwares/sunpath

La carta solar cilíndrica consiste en un diagrama en el que se representa la posición del Sol sobre un lugar determinado para fechas diferentes y a diferentes horas, en función de la altura del Sol y el acimut del punto (orientación con respecto al Sur). En el eje vertical se sitúa la altura solar en grados sexagesimales y en el eje horizontal el acimut medido desde el Sur. Una de las aplicaciones de la carta solar es conocer el número de horas de sol teóricas (con cielo despejado) que reciben las diferentes fachadas de un edificio (o laderas de una montaña) cuando no ocurre ninguna obstrucción (no hay sombras proyectadas, así servirán para fachadas de edificios o laderas de elevada pendiente). Para ello únicamente hay que considerar que el acimut en grados sexagesimales del eje X del diagrama expresa las diferentes orientaciones de la superficie:

Carta Solar Cilíndrica para la zona de Sandia en Puno-Perú (14ºS – 70ºW).

Así, en función de la orientación a la que esté expuesta una u otra ladera, se puede diferencia claramente el número de horas de sol a la que está expuesta.

La ladera norte apenas cuenta con algo de sol a primeras horas y al final del día. De septiembre a marzo no hay ninguna hora. En las laderas orientadas al nordeste y noroeste hay un mayor número de horas de sol, en la ladera noreste recibe el sol únicamente por la mañana mientras que la ladera noroeste recibe el sol únicamente por la tarde. En la ladera oeste el soleamiento alcanza la mitad de las horas de día, en la ladera este se tienen las mismas horas de sol que en el oeste pero todas por la mañana. La ladera este presenta unas adecuadas condiciones de insolación. En la ladera sudeste la mayor parte de las horas de sol se producen por la mañana (desde el punto de vista arquitectónico es una orientación recomendable). La ladera sur recibe la práctica totalidad del número de horas de sol. En la ladera sudoeste recibe el mismo número de horas de sol que en la ladera sudeste, pero en este caso la mayor parte de las horas de sol se producen por la tarde, se puede producir un calentamiento perjudicial desde el punto de vista del confort climático en el sudoeste.

Batería - Capacidad

Factores que afectan a la capacidad disponible en la batería

La capacidad C de un acumulador es la cantidad de electricidad que puede entregar y se expresa en Ampere-hora (Ah). Dicho valor depende de la intensidad, la duración y la tensión de descarga; de la densidad y temperatura del electrolito y del estado de envejecimiento en que se encuentre la batería.

La capacidad nominal es la indicada por el fabricante, y viene dada por la cantidad de electricidad que el acumulador puede entregar en un tiempo de descarga determinado a la intensidad nominal indicada por el fabricante. El símbolo C se completa con un subíndice que indica la duración de la descarga en horas. Por ejemplo si la descarga dura 10 horas, se denominará C10. La intensidad nominal correspondiente se designará con I10.

La reducción de la temperatura aumenta la vida útil, pero disminuye la capacidad del acumulador (ley de Nerst). Por ejemplo, si a 25 ºC se tiene una carga del 100 %, a 0 ºC la carga se puede reducir al 65 %. Además, a bajas temperaturas se dificulta el proceso de carga, al aumentar la tensión en las celdas.

La temperatura es un factor que afecta la capacidad disponible en la batería. El siguiente gráfico es una curva de Sonnenschein (Exide) para los modelos A400, A500, Solar y Solar Block.

Por otra parte, si se aumenta la cantidad de ácido sulfúrico que se diluye en el agua, se logra un electrolito de mayor densidad con el consiguiente aumento de la capacidad de descarga de la batería y un mejor mantenimiento de la tensión. Sin embargo se disminuye la vida útil, al crearse un ámbito más agresivo para las placas y los separadores. Esto también ocurre cuando la batería se carga excesivamente y aumenta la concentración de ácido.
Cabe aclarar que un mismo acumulador puede tener distintos valores de capacidad, según el tiempo de descarga especificado. Por ejemplo, para un acumulador determinado se puede tener: C5 = 0,8 C10. Esto se debe a que durante una descarga rápida solo interviene la superficie externa del electrodo, pues no hay tiempo para que llegue a intervenir todo el material activo de la placa. Este fenómeno hace que para regímenes de descarga rápida se construyan acumuladores con muchas placas finas y para descargas lentas se utilicen pocas placas de mayor espesor.

Baterías Con Carga Seca - Dry Charge Battery Procces

Para la manufactura de baterías, existe un proceso llamado: Carga Seca o en inglés: Dry Charge.

Toda batería de plomo-ácido está ensamblada con placas tanto positivas como negativas. También, en una batería cargada y lista para el uso, las placas positivas son de color café y las placas negativas son de color gris.

Una placa está compuesta por una rejilla fabricada de plomo metálico. Sobre la rejilla está impregnada una pasta, que es un compuesto de plomo. Para la placa positiva este es óxido de plomo. Para la placa negativa el compuesto es plomo esponjoso.

La manufactura de una placa, exige dos procesos:

1)Empaste de la rejilla y fraguado. Las placas son positivas y negativas, pero aun no tienen carga eléctrica.
2)Formación eléctrica: consiste en convertir el material impregnado en óxido de plomo (placa positiva) y plomo esponjoso (placa negativa).

La Formación Eléctrica, consiste en hacer circular por las placas una corriente del tipo continuo CC o llamada también corriente directa. Las placas a formar, se sumergen en tanques, que se llenan con un electrolito (mezcla de ácido y agua), generalmente de 1100 de densidad.

El proceso de formación, dependiendo del tamaño del tanque, de la cantidad de corriente que circula y también del tipo de óxido empleado en la manufactura, puede llevar de unas 24 a 36 horas.

Terminado el proceso de formación, lo que se obtiene es una placa cargada eléctricamente, pero húmeda (recordemos, que las placas estaban sumergidas en electrolito). De aquí hay dos opciones para ensamblar la batería como producto final:

a) Retirar las placas, tanto positivas como negativas. Colocarlas sobre caballetes, para que escurran su humedad y dejarlas secar al ambiente. Por este proceso las placas perderán su carga, ya que el oxígeno presente en el aire reaccionará con el material de las mismas. Al ensamblar la batería con estas placas secadas al ambiente, será necesario darle al producto final (batería acabada) una carga inicial, que será de unas 24 horas.

b) Retirar las placas negativas de los tanques e inmediatamente introducirlas en un tanque de secado. Este tanque es sellado y no hay contacto con el aire ambiente. Las placas al secarse, no pierden su carga eléctrica. Este es el proceso que se llama Carga Seca. Las placas positivas, se pueden secar al ambiente o en hornos, que no requieren ser sellados o herméticos.

A la batería ensamblada con las placas negativas secadas en un horno hermético, se le llama Batería de Carga Seca.

Recordemos que las baterías de tapones, llevan un tapón en cada celda. Bien, en las baterías de Carga Seca, antes de su despacho se procede al sellado de los agujeros de ventilación (donde van los tapones) con una tira auto adhesiva. Esta tira, solo debe ser removida, cuando la batería se vaya a activar.

(Batería ensamblada en caja de material transparente)


Cuando la batería se activa, o sea se le llena con electrolito de 1250 a 1280 de densidad, queda ya lista para el uso. Es siempre conveniente aplicar una pequeña carga de refresco...digamos de una a tres horas.