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UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLÓGICA TECNOLÓGICA DE LIMA SUR - UNTELS
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTRÓNICA Y AMBIENTAL CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
PROYECTO DE TESIS
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAÍCO FOTOVOLTAÍCO DE 150KW PARA PARA EL “DISEÑO DE UN SISTEMA SUMINISTO DE ENERGIA ENERGIA ELÉCTRICA DEL DISTRITO DE COCHARCAS” COCHARCAS”
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO Y ELÉCTRICO YERBER ZEDANO QUISPE Lima, Diciembre de 2016 PERÚ
DEDICATORIA: Dedico este trabajo principalmente a Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos y a mi madre por haberme apoyado en todo momento motivación constante
que
me
ha
permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor.
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DEDICATORIA: Dedico este trabajo principalmente a Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos y a mi madre por haberme apoyado en todo momento motivación constante
que
me
ha
permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor.
1
ÍNDICE 1
PLANTIAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................. 8 1.1
IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ........................................................................... 8
1.2
FORMULACIÓ FORMULACIÓN N DEL PROBLEMA PROBLEMA .......................................... ................................................................. .................................. ........... 8
1.2.1 1.2.2 1.3
1.3.1 1.3.2 1.4
2
OBEJETIVO GENERAL ................................................. ............................................................. 9 OBJETIVO ESPECIFICO ................................................................................ ............................. 9 JUSTIFICACIÓ JUSTIFICACIÓN N .......................................... ................................................................. ............................................. ................................... ............. 10
2.1
ANTECEDENTE ANTECEDENTES S DEL ESTUDIO ESTUDIO......................................................... .............................................................................. .....................11
2.2
RADIACIÓN RADIACIÓN SOLAR ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 13
2.3
2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4
2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6
GEOMETRÍA SOLAR ....................................................................................................... ........ 15 HORA DEL SOL PICO .............................................................. ................................................ 16 PANEL FOTOVOLTAI FOTOVOLTAICO CO.......................................... ................................................................ ............................................ ........................ .. 17
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ......................................................................... ........................... 18 PARÁMETROS CARACTERISTICOS .............................................................. ........................... 20 CURVAS CARACTERISTICAS ................................................................................... ................ 21 EFECTO SOMBRA ....................................................... ........................................................... 22 COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO .................................. 23
LA BATERIA ........................................................................................................................... 23 UNIDAD DE CONTROL CON TROL ........................................................... ................................................ 25 INVERSOR ............................................................................................................................. 26 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN ......................................................... ...................................... 28 CABLES .................................................................................................................. ................ 28 ESTRUCTURA DE SOPORTE .................................................. ................................................. 29
VARIABLES Y HIPÓTESIS ................................................................................... 31 3.1
VARIABLE VARIABLE DE LA INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN N ................................................. ........................................................................ ......................... 31
3.2
OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES ........................................................... 31
3.3
HIPÓTESIS HIPÓTESIS.......................................... ................................................................ ............................................ ........................................... ..................... 32
3.3.1 3.3.2 4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ......................................................................... 9
MARCO TEÓRICO ............................................................................................. 11
2.2.1 2.2.2
3
PROBLEMA GENERAL .................................................................................................... .......... 8 PROBLEMA ESPECÍFICO .......................................................................................................... 9
HIPÓTESIS GENERAL ............................................................................................................. 32 HIPÓTESIS ESPECÍFICO ............................................................................... ........................... 32
METODOLOGÍA METODOLOGÍA......................... ....................................... ........................... ........................... ........................... .......................... ................. .... 32 4.1
TIPO DE LA INVESTIGACI INVESTIGACIÓN ÓN ................................... ......................................................... ............................................. ......................... 32
4.2
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓ INVESTIGACIÓN N ............................................ ................................................................... .................................. ...........0
4.3
POBLACION POBLACION Y MUESTRA MUESTRA........................................... ................................................................. ............................................ ........................1
4.4
TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS DATOS ................ ........ ................ ................ ............. ..... 1
2
5
4.5
PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ..................................................... 2
4.6
PROCESAMIENTO ESTATICO ESTATICO Y ANALISIS DE DATOS ............... ................ ........ ................ ................ ..........3
CÁLCULOS CÁLCULOS ........................... ........................................ ........................... ........................... .......................... .......................... .......................... ............. 4 5.1
DISEÑO FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 4
5.2
UBCACIÓN UBCACIÓN ............................................. ................................................................... ............................................ ......................................... ...................7
5.3
SEGUIDORES SEGUIDORES DEL SOL................................................... ......................................................................... ......................................... ...................8
5.4
INCLINACIÓN INCLINACIÓN DE LOS PANELES PANELES ............................................ ................................................................... .................................. ...........9
5.5
DETERMINACIÓ DETERMINACIÓN N DE LA CARGA ........................................ .............................................................. ................................... ............. 10
5.6
DIMENCIONAMIENTO FOTOVOLTAICO ................................................................ 11
5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5
INCLINACIÓN Y RADIACIÓN ............................ ................................................................. ..... 11 DIMENSIONAMIENTO DE LA BATERÍA .................................................................................. 12 DIMENSIONAMIENTO DE PANELES ................ .............................................................. ........ 14 DIMENSIONAMIENTO DEL CONTROLADOR .......................................................................... 17 DIMENSIONAMIENTO DE INVERSOR ......................... ........................................................... 18
5.7
SISTEMA SISTEMA DE PUESTA PUESTA A TIERRA................... TIERRA.......................................... .............................................. ................................... ............ 19
5.8
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA ESTRUCTURA ........................................................... ................................................................................ ..................... 20 20
5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.8.4 5.9
ESTRUCTURA DE SOPORTE .................................................. ................................................. 20 CONSIDERACIONES DE LA MATERIA SUMINISTRADA ........................................................... 20 DISEÑO ESTRUCTURAL......................................................... ................................................. 21 ESTIMACIÓN DE CARGAS ........................................................................... ........................... 22 CONSIDERACIONES PARA EL MONTAJE ................................................................ 23
3
LISTA DE FIGURAS: FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA
1: ESQUEMA DE LA RADIACIÓN SOLAR ................................................................... ......................................................................... ...... 13 2: MAPA IRRADIACIÓN HORIZONTAL DE LATINOAMÉRICA Y EL CARIBE ...................... ...................... 14 3: GEOMETRÍA SOLAR .......................................................................................... ................................................................................................... ......... 15 4: HORAS SOL PICO ....................................................................................................... ....................................................................................................... 16 5: CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ............................................................................... ........................................................................................ ......... 18 6: FUNCIONAMIENTO CÉLULA SILICIO .................................................................... .......................................................................... ...... 19 7: CURVA I VS V / P VS V ............................................................................................... ............................................................................................... 21 8: EFECTO DE RADIACIÓN EN PANEL 50 WP EVEREXCEED ........................................... 22 9: DISTANCIA ENTRE FILAS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS ........................................ 23 10: PARTES DE UNA BATERÍA ......................................................... ........................................................................................ ............................... 24 11: TENSIÓN EN LA BATERÍA 12V .............................................................. .................................................................................. .................... 26 12: CURVA TÍPICA DE EFICIENCIA DEL INVERSOR ......................................................... 28 13: ESTRUCTURA FIJA ......................................................... .................................................................................................... ........................................... 29 14: INSTALACIÓN DE SEGUIDORES DE SOL ................................................................... ................................................................... 30 15: MAPA DEL DISTRITO DE COCHARCAS ............................................................ ....................................................................... ........... 8 16: SEGUIDOR DEL SOL ................................................................................................... ................................................................................................... 9 17: DIMENSIONAMIENTO DE LA BATERÍA ........................................................... .................................................................... ......... 13 18: SISTEMA PUESTA A TIERRA ..................................................................................... ..................................................................................... 19 19: PROPIEDADES MECÁNICAS DE ACERO ASTM A500 ................................................ ................................................ 21
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LISTA DE TABLAS: TABLA TABLA TABLA TABLA
1: RADIACIÓN SOLAR POR ESTACIÓN Y PROMEDIO ...................................................... 20 2: DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................................................... 0 3: LISTA DE EXIGENCIAS .................................................................................................... 5 4: HORA SOL PICO INVIERNO ......................................................................................... 12
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RESUMEN Dentro del desarrollo del proyecto se emplea la Investigación histórica, ya que con base en acontecimientos y fuentes históricas sobre montajes de sistemas de energía fotovoltaicos en otros distritos, se puede emplear y describir este tipo de tecnologías, las cuales pueden ser aplicadas a cualquier entorno aislado del planeta, que cumpla con las condiciones básicas para emplear este método, mediante el aprovechamiento de la fuente calórica, natural y de irradiación del sol. Dicha información se emplea mediante las fórmulas, para hallar consumos medios diarios, consumo de energía medio en Ah/día, cálculo de paneles, conexión de paneles, capacidad de banco de baterías y conexión de paneles; los cuales, una vez empleados en la investigación arrojaron datos de entrega de energía en sitio que fueron expuestos. Dentro de los primeros resultados arrojaba que la capacidad entregada mediante la utilización de un número reducido de paneles, no iba alcanzar a suministrar la capacidad de almacenamiento de energía para el cargue de baterías en horas de la noche, por tanto, se debió aumentar la capacidad en Wattios de los paneles.
Palabras claves: generación de energía limpia,
montaje del sistema
fotovoltaico
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ASBTRACT In the development of the project historical research is used, since based on events and historical sources on the assemblies of photovoltaic energy systems in other districts, it is possible to use and describe this type of technologies, which can be applied to any isolated environment Of the planet, that fulfills the basic conditions to use this method, through the use of the heat source, natural and irradiation of the sun. This information is used by the formulas, to find average daily consumption, average energy consumption in Ah / day, calculation of panels, panel connection, battery bank capacity and panel connection; which, once employed in the research, provided on-site energy delivery data that were exposed. Within the first results showed that the capacity delivered through the use of a reduced number of panels, was not going to achieve to supply the energy storage capacity for the charge of batteries in hours of night, therefore, had to increase capacity In Watts of the panels.
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1 PLANTIAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
La
crisis energética
es un problema que a todos nos afecta, un
ejemplo de esto es el aumento de los costos de la energía eléctrica y falta de
abastecimiento en algunas comunidades. Por esta razón
desde años atrás se busca una alternativa que permita reducir estos costos, y para esto pueden existir dos vías. La primera es usar de forma consiente y eficiente la energía, esto atraves de dispositivos eléctricos eficientes, aplicando medios de ahorro por ejemplo apagando luces que no se utilizan. El segundo es utilizando algún tipo de energía alternativa como, solar, eólica, mareomotriz, etc. Y que pueda ser aprovechada para convertirla en energía eléctrica El problema que aquí se plantea esta dado
por la falta de
abastecimiento de energía eléctrica en las comunidades más lejanas en donde sus vías de acceso son difíciles, para lo cual es necesario buscar una forma alternativa
de abastecimiento
factible y
económicamente viable que permita energizar a las comunidades, específicamente al distrito de cocharcas.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1 PROBLEMA GENERAL ¿Cómo diseñar el sistema fotovoltaico para obtener mayor cantidad de potencia de energía eléctrica?
8
1.2.2 PROBLEMA ESPECÍFICO ¿Cuáles serán las características del sistema solar fotovoltaico para atender la demanda de la anergia eléctrica del distrito de cocharcas? ¿Cuáles serán las funciones de los comuneros en cuanto
en
cuanto a la instalación del sistema fotovoltaico? ¿Cuáles serán las características de los paneles solares?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 OBEJETIVO GENERAL Diseñar
el sistema solar fotovoltaico para el mejoramiento de
prestación de servicio de energía eléctrica en el distrito de Cocharcas..
1.3.2 OBJETIVO ESPECIFICO
Instalar paneles solares que estén adecuadamente normados de tensión,
potencia y frecuencia para abastecer a las cargas
del sistema.
Buscar un método de financiación hacia al gobierno provincial para facilitar la obtención de sistema fotovoltaico.
Utilizar energía renovable para conservar el medio ambiente
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1.4 JUSTIFICACIÓN Este proyecto se justifica en los siguientes ámbitos:
Social: Por medio de paneles solares se pretende solventar las necesidades principales como la iluminación de las viviendas. Y este proyecto podrá beneficiar a las a cada una de las familias del distrito de cocharcas, pues a causa de difícil geografía de nuestro territorio, la falta de inversión de las autoridades y sobre todo por la falta de la tecnología no ha sido posible abastecer energía eléctrica a este distrito, ya que hoy en día de él dependen otros servicios como educación, salud.
Tecnológico: El suministro de energía eléctrica a nivel familiar facilitará la posibilidad de activar microempresas, el uso de electrodomésticos para las actividades diarias y acceder a medios que permitan el desarrollo cultural y académico como la televisión y el internet; mejorando de esta forma la calidad de vida.
Ambiental: La energía fotovoltaica que se genera atreves de los paneles solares son las más limpias, si ruido ni polución química y es ideal para lugares rurales como el distrito de cocharcas.
Económico: Con la implementación de energía fotovoltaica las personas tendrán acceso a nuevas tecnologías y así podrán mejorar sus formas de vivir. Al implementar el sistema fotovoltaico las personas tendrán un ahorro económico ya que reducirá la compra de pilas , baterías, velas ,etc.
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2 MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO “PROYECTO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
GENERACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA PARA LA POBLACIÓN WAYUU EN
NAZARETH
CORREGIMIENTO
DEL
MUNICIPIO
DE
URIBIA,
DEPARTAMENTO DE LA GUAJIRA – COLOMBIA” por Jhon Sebastián Gálviz Garzón y Robinson Gutiérrez Gallego de la Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD , Bogotá, Colombia, trabajo para
la especialización de
proyectos (Bogotá, 6 de octubre de 2014) En el presente trabajo, se analiza una alternativa de solución para satisfacer las necesidades básicas de electricidad de los pobladores de wayuu mediante el
suministro energético con celdas solares, teniendo en cuenta distintos
factores técnicos y económicos. “ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA AISLADA PARA PEQUEÑAS COMUNIDADES EN PERÚ” por Imanol Yalli Piriz Sagahon y
Alejandro Josa García de la universidad agraria de la Molina, Lima, Perú, trabajo para obtener el grado de magister (Lima 22 de noviembre de 2013). Este trabajo buscar satisfacer las necesidades de los pobladores mas alejados del Perú, como sabemos el Perú tiene una
formación geográfica muy
complicada esto hacer que muchas de las comunidades no cuentes con acceso a la energía eléctrica, si la electricidad
el desarrollo de estas
comunidades es casi nulo. Mediante instalación
de celdas fotovoltaicas el poblador tendrá acceso a
maquinas eléctricas y así mejorar su condición de vida, los colegios mejoraran la calidad de enseñanza porque tendrán acceso al internet.
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“SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA A PARTIR DE LA ENERGÍA
SOLAR FOTOVOLTAICA PARA EL CENTRO DE PRODUCCIÓN E INVESTIGACIÓN ACRAQUIA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS DE INGENIERÍA DE LA UNH” por Ing. Carlos Abel Galván Maldonado, Ing. Raúl
Padilla Sánchez, Est. Jhon Alberto Matos Quispe de la universidad nacional de Huancavelica, Huancavelica, Perú,
trabajo de investigación tecnologías
limpias, (Huancavelica 2012 -2013) este trabajo busca suministrar energía eléctrica a la facultad de ingeniaría de la universidad nacional de Huancavelica fotovoltaico
y así satisface
haciendo uso de la energía
las necesidades
eléctricas de esa casa de
estudios, este trabajo estará financiado por los fondos externos del FOCAM “ESTUDIO, DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SITEMA DE ENERGIA
SOLAR EN LA COMUNA PUERTO ROMA DE LA ISLA MONDRAGON DE GOLFO DE GAYAQUIL, PROVINCIA DE GUAYAS”. Por Gustavo Guillermo
Gonzales, Juan Sambrano Monosalvas, Edison Estrada
Pulgar de la
universidad politécnica salesiana, ecuador, trabajo para obtener
el título de
ingeniero eléctrico (Guayaquil, abril 2014) El presente proyecto evidencia la falta de suministro eléctrico en algunos lugares de ecuador, es más evidente en la isla de Mondragón de golfo de Guayaquil pues las familias no cuentan con el suministro. Este proyecto busca satisfacer las necesidades básicas de la población generando electricidad aprovechando la alta radiación solar que hay en el lugar.
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2.2 RADIACIÓN SOLAR La radiación solar absorbida por la atmosfera no es aprovechado al 100%
según el instituto geofísico del Perú 1. Solo el 24%
radiación llega directamente y el 22%
de la
de la radiación no llega
directamente y el 29% se pierde en el espacio.
FI GURA 1: ESQUEMA DE LA RADI ACI ÓN SOLAR
FUE NTE: ENE RGÍ A SOLAR FOTOVOLTAI CA. AUTOR: JAVI E R MÉNDE Z MUÑIZ
Existen tres componentes de la radiación solar:
Difusa: es la que sufre cambios debido a la reflexión difusión en la atmosfera.
Directa: es la que proviene del sol si desviar su paso por la atmosfera.
1
Instituto Geofísico del Perú. Título: “Meteorología Descriptiva”. Autor: Juan Carlos Inzunza B.
13
Alberdo: es la que recibe por reflexión en el suelo y puede ser directa o difusa.
La radiación directa es la más importante en el diseño de un sistema fotovoltaico. El Perú es uno de los países que cuenta con la mayor radiación solar solar en el mundo, por ello cuenta con un gran potencial de desarrollo en el sector de energía fotovoltaica, y es solo superado por chile , esto se puede observar en el siguiente cuadro:
FI GURA 2: MAPA IR RADI ACIÓN HORIZONTAL DE LATINOAMÉRI CA Y EL CARI BE
F UENTE : TTP://GE OMODEL SOLAR .EU
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2.2.1
GEOMETRÍA SOLAR Conocer la geometría solar es fundamental para poder estimar la cantidad de energía que se pueda aprovechar por un panel fotovoltaico y la disposición óptima del mismo. La orientación se define mediante el ángulo Azimut ( Ψ), como se observa en la figura el Azimut se define como el ángulo que forma la dirección sur con el objeto. (Positivo hacia el oeste) La altura del sol (α) varía de acuerdo a las estaciones, este parámetro es
importante, ya que aporta en la creación de sombras y en la irradiación recibida por el módulo. Se mide apartir del horizonte, con un valor de 0° y es positivo en el cenit.
FI GURA 3: GEOMETRÍ A SOLAR
FUENTE: VALERIANO RUIZ HERNÁNDEZ,” RADIACIÓN SOLAR “
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2.2.2 HORA DEL SOL PICO Las horas de sol pico son las horas se definen como el número de horas al día con una irradiancia hipotética de 1000 que sumen la misma irradiación total que la real ese día. Se puede notar que cuando la irradiancia se expresa es numéricamente similar a las H.S.P. Este concepto es importante, ya que junto con un factor de pérdidas ayuda a estimar la potencia producida por los paneles fotovoltaicos. La distribución de la radiación a lo largo del día y el concepto de horas pico de sol y se muestran en la siguiente figura. FI GURA 4: HORAS SOL PICO
FUENTE: “SELECCIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS”. AUTOR: MIGUEL
ÁNGE L HAD ZI CH
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2.3 PANEL FOTOVOLTAICO Un panel fotovoltaico es la conexión de varias células en paralelo y/o en serie, se conectan en serie para aumentar la corriente y en paralelo para incrementar el voltaje. Para ensamblar un panel fotovoltaico, se cuentan con plantan que deben estar certificadas con altos estándares de calidad sobretodo en soldadura. Se utilizan principalmente, metales (buenos conductores) y vidrios. En la figura se muestra la composición de la célula fotovoltaica a la izquierda y el panel fotovoltaico a la derecha. Es un requisito que los módulos se fabriquen de acuerdo a la norma internacional IEC 61215 “Módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino para aplicación terrestre. Cualificación del diseño y aprobación de tipo” o
equivalente2
Dicha norma establece las pruebas necesarias para evaluar los siguientes aspectos: Diagnóstico
Requerimientos eléctricos
Parámetros de rendimiento
Requerimientos térmicos
Requerimientos de irradiación
Requerimientos de ambientales
Requerimientos de mecánicos
Protecciones
2
“Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp” Minem 2005
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FI GURA 5: CÉLULAS FOTOVOLTAI CAS
FUENTE: “PHOTOVOLTAIC TECHNOLOGIES” HTTP://WWW.ODEC.CA
2.3.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS El componente principal de los paneles fotovoltaicos es la célula, su funcionamiento es el que hace posible la obtención de electricidad a partir de luz solar. Las células fotovoltaicas son sensibles a la luz, están hechas de un material semiconductor, silicio en la mayoría de los casos, el cual se excita ante la presencia de radiación (aumento de temperatura) y los electrones pueden fluir del tipo P (positivo) al tipo N (negativo), esto ocasiona un voltaje interno, el cual ante la presencia de una resistencia se produce una corriente. 3
3
Phot ovoltaic Technologies”
http://www.odec.ca
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Debido a que la instalación se realizará en la costa, cada módulo debe contener un mínimo de 36 células fotovoltaicas.4 FI GURA 6: FUNCI ONAMIE NTO CÉLULA SI LI CIO
FUENTE: PHOTOVOLTAIC INDUSTRIAL SYSTEMS” AUTOR: PAPADOPOULOU. BERLIN 2011.
En la actualidad, existen varios tipos de células fotovoltaicas con diversas tecnologías, cada una de ellas tiene diferentes propiedades y se debe escoger la más apropiada dependiendo de los siguientes factores:
Cristalinidad: Indica el grado de orden en la estructura cristalina de los átomos de silicio. Puede ser: monocristalino, policristalino o amorfo.
Coeficiente de absorción: Indica como la luz puede penetrar antes de ser absorbida por el material. Esto depende del material de la célula y de la longitud de onda de la luz.
4
“Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp”Minem 2005.
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Costo y complejidad de fabricación: Depende de un gran grupo de factores, número de pasos implicados, necesidad de ambiente especial, cantidad y tipo de material, necesidad de mover las células, entre otros.
2.3.2 PARÁMETROS CARACTERISTICOS En las fichas técnicas los paneles muestran datos de eficiencia, voltaje y amperaje bajo condiciones estándares, las cuales son llamadas STC (Standard Testing Condition). Estos parámetros son los siguientes:
Irradiación 1000
Temperatura del módulo 25°C
AM 1.5.
TABLA 1: RADI ACI ÓN SOLAR POR ESTACI ÓN Y PROMEDI O
FUENTE: SISTEMA I NTEGRAL DE MONITORI O AMBIE NTAL 20
El voltaje y la intensidad producida por los paneles fotovoltaicos depende de diversos factores, los más importantes son la irradiación y la temperatura a la cual se encuentre el módulo
2.3.3 CURVAS CARACTERISTICAS Los paneles fotovoltaicos tienen curvas características en las cuales se muestra el funcionamiento de los paneles y cuál es el efecto antes cambios en la temperatura o radiación.
CURVAS INTENSIDAD VS TENSIÓN Y POTENCIA VS TENSIÓN
La figura se muestra puntos característicos en los catálogos de paneles, usualmente se expresa la potencia del panel en el Punto de Máxima Potencia (PMP), aunque para el cálculo del cableado es recomendable utilizar el punto de corto circuito (Icc) F I GURA 7: CURVA I VS V / P VS V
FUENTE: PHOTOVOLTAIC INDUSTRIAL SYSTEMS” AUTOR: PAPADOPOULOU. BERLIN 2011 21
EFECTO DE LA RADIACIÓN
Es evidente que a mayor radiación, el panel produzca una potencia mayor. Este efecto se muestra en la siguiente figura.
FI GURA 8: EF ECTO DE RADI ACIÓN EN PANEL 50 WP EVER EXCEE D
F UENTE : HOJA DE DATOS TÉCNI COS E SM50-156. PANE L 50 WP MARCA E VE RE XCEE D
2.3.4 EFECTO SOMBRA Las sombras pueden ser muy perjudiciales tanto para la potencia entregada como para la vida útil de los paneles fotovoltaicos. Es siempre recomendable evitar sombras en los panel La distancia mínima que debe existir entre un muro, árbol o panel y un panel solar debe ser la siguiente:5
5
“Energía Solar Fotovoltaica” 4ta Edición. Autor: Javier Méndez Muñiz
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Donde; D: distancia ente panel fotovoltaico y cualquier objeto causante de sombra. H: altura de objeto de causante de sombra sobre el panel fotovoltaico.
FI GURA 9: DI STANCI A ENTRE F I LAS DE MÓDULOS FOTOVOLTAI COS
FUENTE: I NSTITUTO PARA LA DI VERSI FI CACIÓN Y AH ORR O DE LA E NE RGÍ A. MADRI D 2011
2.4 COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
2.4.1 LA BATERIA La batería es un dispositivo electroquímico capas de acumular energía en forma química y transformarla en energía eléctrica. La batería utilizada para la aplicación fotovoltaica es la recargable.
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FI GURA 10: PARTES DE UNA BATERÍ A
FUENTE: CATÁLOGO DE B ATERÍ AS HE LLAME X. MÉXI CO.
Las partes esenciales para explicar su funcionamiento son las siguientes:
Placas: Son conductores metálicos de diferente polarización, con lo cual permiten un flujo de electrones.
Electrólito: Puede ser líquido, sólido o en pasta, es un conductor iónico que se descompone al pasar la corriente eléctrica.
El voltaje o la tensión de la batería es función del número de celdas electroquímicas, siendo el voltaje de cada celda de 2V. Los principales parámetros que determinan el comportamiento de la batería son:
Capacidad de descarga (Ah): Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa. Se expresa en Amperios Hora.
si la temperatura es mayor a la indicada en el catálogo, la capacidad disminuye; si la temperatura es menor, puede afectar la vida útil de la batería.
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Profundidad de la descarga: Es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Para aplicaciones fotovoltaicas es común utilizar baterías de descarga profunda, es decir, descargas entre 75% - 80%.
Vida útil en ciclos: Se expresa en ciclos, es decir, la cantidad de cargas/descargas que llega a tener la batería. La vida útil depende del espesor de las placas, concentración del electrolito y principalmente de la profundidad de descarga.
2.4.2 UNIDAD DE CONTROL El regulador evita la descarga de las baterías sobre los paneles, para ello utiliza un diodo. Asimismo, cuida la vida útil de la batería, para ello monitorea la tensión de la batería, como se observa en figura 1.18, se desconecta al llegar a 14.8V y se debe recargar al llegar al valor de 10.8V. Se utilizará un regulador de dos etapas, es decir, controlará la carga y descarga de la batería. El regulador quedará definido conociendo la tensión del sistema y la corriente máxima que deberá manejar. La unidad de control puede estar equipada con un microprocesador que permite adaptar las características de producción del campo fotovoltaico a las exigencias de la carga, de tal manera que el panel trabaje siempre con la máxima potencia, es decir con un seguidor de máxima potencia (MPPT)
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FI GURA 11: TENSIÓN E N LA BATE RÍ A 12V
Si se utilizan relés electromecánicos, la reposición de la carga debe retardarse entre 1 y 5 minutos. Las tensiones de desconexión, reconexión y alarma deben tener una precisión de ± 0,5 % (± 10 mV/celda, o ± 60 mV/batería de 12 V). Las cajas de los reguladores de carga deben como mínimo proveer protección IP 32.
2.4.3 INVERSOR
Los inversores transforman la corriente continua en corriente al terna. Se basan en dispositivos electrónicos que permiten interrumpir y conmutar su polaridad. Para las aplicaciones de una instalación aislada, deben ser auto conmutados, es decir, no utilizan energía de una fuente exterior. 26
Debido a que se alimentarán cargas del tipo electrónico, es recomendable utilizar un inversor que genere una onda senoidal pura, es decir, muy similar a la de la red eléctrica. De acuerdo al Reglamento técnico “Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp”, se deb en cumplir
las siguientes condiciones:
La distorsión harmónica total en tensión del inversor debe ser inferior a 5 % en relación a la tensión fundamental RMS.
La frecuencia nominal se debe mantener entre ± 5 % del valor nominal.
La caja del inversor debe cumplir con un índice de protección de IP 54.
Deben arrancar y operar todas las cargas especificadas en la instalación y entregar la potencia nominal de forma continua. El autoconsumo del inversor sin carga conectada no deberá ser mayor al 2% de la potencia nominal de salida; mientras que las pérdidas diarias por el inversor no deberán exceder el 5% del consumo total diario. El inversor se debe proteger antes las siguientes circunstancias:
Tensión de entrada fuera del rango de operación.
Desconexión de las baterías.
Cortocircuito en la salida de corriente alterna.
Sobrecargas que excedan la duración y límites permitidos.
La superficie del inversor debe ser de material inoxidable o, en su defecto, arenado y pintados al horno, con doble base anticorrosiva (epóxica) o similar.
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FI GURA 12: CURVA TÍPI CA DE E FI CIE NCI A DEL INVERSOR
FUENTE: PHOTOVOLTAIC INDUSTRIAL SYSTEMS” AUTOR: PAPADOPOULOU. BE RL I N 2011
2.4.4 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Además de los sistemas de protección inherentes a la unidad de control, se puede contar con sistemas de protección externos, los cuales pueden ser interruptores térmicos (fusibles o relés), protección contra altas tensiones tanto para corriente alterna como para corriente continua y diodos. Los fusibles deben elegirse de modo tal que la máxima corriente de operación esté en el rango del 50 al 80 % de la capacidad nominal del fusible (Inom).
2.4.5 CABLES Los cables para la instalación deben contar con el aislamiento adecuado, la selección de los mismos depende de la aplicación y del tipo de canales utilizados. Para realizar los cálculos se seguirán las indicaciones de la Norma Técnica Peruana (NTP) y del Código Nacional de Electricidad (CNE).
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Las secciones de los conductores deben ser tales que las caídas de tensión en ellos sean inferiores al 3 % entre el generador fotovoltaico y el regulador de carga, inferiores al 1 % entre la batería y el regulador de carga, e inferiores al 5 % entre el regulador de carga y las cargas. Todos estos valores corresponden a la condición de máxima corriente6
2.4.6 ESTRUCTURA DE SOPORTE Son de dos tipos:
SISTEMA FIJO
Este sistema está fijo y para ello se debe realizar un estudio de determinación de la inclinación adecuada. El mantenimiento es mínimo, es la estructura que genera menor eficiencia pero es la más económica. El sistema fijo tiene mayor duración y casi no requiere mantenimiento. Debido a que no puede variar la inclinación, se debe considerar la lluvia y efecto de sombras en la elección de la inclinación
FI GURA 13: ESTRUCTURA FI JA
FUE NTE: I NSTALACI ÓN RE ALI ZADA POR SUN-NEST.
6
“Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp”Minem 2005 .
29
SEGUIDORES SOLARES
Especialmente en cielos despejados, con alto efecto de radiación directa (nubosidad baja), se suele utilizar seguidores solares. Estos incrementan los costos iniciales, ya que se necesitan sistemas de control para modificar la inclinación (seguir al sol), un motor, engranajes y demás elementos mecánicos. Además, se necesitan realizar un mantenimiento a estos equipos mecánicos. Sin embargo, al seguir al sol en su trayectoria, suelen incrementan las potencias generadas. Existen diversos tipos de seguidores solares en la actualidad. FI GURA 14: INSTALACIÓN DE SEGUI DORE S DE SOL
FUENTE: WWW.LORE NTZ.DE I N STALACI ÓN EN I TALIA
30
3
VARIABLES E HIPÓTESIS
3.1 VARIABLE DE LA INVESTIGACIÓN Variable independiente
sistema que utiliza el central fotovoltaico para generar electricidad
Variable dependiente
Diseño de un central fotovoltaica
3.2 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES
VARIABLES
DIMENSIONES
Panel solar Conversor de utiliza el central corriente fotovoltaico para continúa Regulador de generar carga electricidad acomuladores Diseño de un Cantidad de sistema radiación solar fotovoltaico sistema
que
INDICADORES Transformación de energía Convertir energía de DC a AC Regular la descarga de las baterías.
Kw/m2
31
3.3 HIPÓTESIS 3.3.1 HIPÓTESIS GENERAL Si, instalamos los paneles solares seguidores del sol en un lugar despejado, entonces la captación de radiación solar será máxima y se generara varios watts de potencia eléctrica.
3.3.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICO
Las características normalizadas de tensión, potencia, corriente eléctrica y frecuencia adecuadas permiten abastecer electricidad a las cargas del sistema.
Las características del sistema de generación de energía eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos permiten abastecer la demanda del distrito de cocharcas
Electrificar este distrito ayudara a los poblares estar comunicados y informados
4 4.1
METODOLOGÍA
TIPO DE LA INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación es tecnológico porque busca resolver un problema práctico para satisfacer la necesidad de contar con energía eléctrica. El nivel de investigación
es experimental ya que se busca manipular
las variables
independientes para maximizar la captación de energía solar y producir varios KW de energía eléctrica.
32
4.2
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN TABLA 2: DISEÑO DE LA INVESTIG ACIÓN
PROBLEMA HIPÓTESIS TIPO DE INVESTIGACIÓN OBJETIVO DE INVESTIGACIÓN VARIABLES ESCALA DE MEDICIÓN
¿Cómo diseñar el sistema fotovoltaico para obtener mayor cantidad de potencia de energía eléctrica? Si, instalamos los paneles solares seguidores del sol en un lugar despejado, entonces la captación de radiación solar será máxima y se generara varios watts de potencia eléctrica. Investigación tecnológica
INDEPENDIENTE sistema que utiliza el central fotovoltaico para generar electricidad ESCALAS DE MEDICION Transformación de energía Convertir energía de DC a AC Regular la descarga de las baterías acomulador DISEÑO DE LA Diseño factorial 2x2x2x2 completamente al azar INVESTIGACIÓN A1 A2 B1 B2 B1 C1 C2 C1 C2 C1
TÉCNICAS DE LA RECOLLECCIÓN DE DATOS TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE DATOS
4.3
DEPENDIENTE Diseño de un sistema fotovoltaico Kw/m2
B2 C1
C2
C2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
D1
D2
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A B C D
A: p.solar B: DC a AC C:regulador D: acomulador Tratamientos( Convinacion de dimensiones)
Medición de la radiación solar utilizando pirómetro Estadística descriptiva y experimental
POBLACION Y MUESTRA Dentro del presente documento la cantidad de usuarios a beneficiar, son 42 viviendas las cuales tienen un promedio de 6 personas por vivienda para un total 252 personas. La muestra se establecerá aplicando la fórmula del muestreo aleatorio simple y esta fórmula solo se aplica siempre y cuando se conozca el tamaño de la población.
n= 32
4.3
POBLACION Y MUESTRA Dentro del presente documento la cantidad de usuarios a beneficiar, son 42 viviendas las cuales tienen un promedio de 6 personas por vivienda para un total 252 personas. La muestra se establecerá aplicando la fórmula del muestreo aleatorio simple y esta fórmula solo se aplica siempre y cuando se conozca el tamaño de la población.
n= 32 S: probabilidad de error N: tamaño de la población Z: nivel de confianza E: Estimación 0.05
4.4 TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Los datos se captaran de la encuesta que se va realizar a todas las personas del distrito de cocharcas. Esto permitirá tener datos con respecto a la implementación del sistema fotovoltaico y Se aplican métodos de investigación que a continuación se indican: Experimental: durante el proceso de investigación se realizan encuestas correspondientes. El método de investigación es cuantitativo, por la forma de investigación realizada. El procedimiento estadístico a ser aplicado en la investigación para explicar, demostrar, y verificar lo planteado en la hipótesis, consistirá 1
primeramente
en el desarrollo y estructuración del instrumento encuesta
a ser aplicado a los pobladores del distrito de cocharcas. A sí mismo en el instrumento encuesta
se formulan interrogantes
relacionados a la inclusión de la energía fotovoltaica y también la inclusión de la cultura electricidad básica en los usuarios.
4.5
PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Se recolectaran los datos mediante la encuesta. 1. ¿Qué opinión Tiene acerca de un servicio de energía solar? a) Muy interesante b) Interesante c) Neutro d) Poco interesante 2. ¿Cuál o cuáles de los siguientes aspectos le atraen del servicio de Energía fotovoltaica? a) Facilidad de uso b) Diseño c) Que es nuevo d) Precio 3. Por favor, díganos cuál o cuáles son sus razones por las que no le atrae el servicio a) Es desconocido b) Es complicado c) Es inseguro 4. ¿cree UD. Que el proyecto beneficiará a todo los pobladores? a) Si
b) no
c) desconoce
5. ¿estaría usted dispuesto a adquirir los paneles solares? a) Si
b) no
2
6. ¿ha escuchado hablar sobre los beneficios de la energía solar? a) Si
b) no
7. la vivienda donde usted vive es: a) propia b) alquilada 8. ¿cuenta usted con algún negocio? a) Si
4.6
b) no
PROCESAMIENTO ESTATICO Y ANALISIS DE DATOS Se utilizara la estadística descriptiva y cuantitativa sus indicadiores que analizaremos se mencionan a continuación:
Pruebas para la determinación de los parámetros eléctricos a tomar en cuenta.
Relación de equipos y materiales a utilizar para la implementación
y
materialización de la hipótesis.
Utilizar la estadística descriptiva por medio de susindicadores tales como:
Tipo de baterias
Tipo de panel fotovoltaico
Diseño del sistema
otros
3
5 CÁLCULOS 5.1 DISEÑO FOTOVOLTAICO Se muestran la lista de exigencias para el diseño del sistema fotovoltaico para el suministro de la energía eléctrica a 42 viviendas del distrito de cocharcas, Se mencionan las siguientes descripciones:
Función principal
Energía
Diseño
Seguridad
Materiales
Geometría
Costo
Ergonomía
Uso
Plazo de entrega
4
TABLA 3: LISTA DE EXI GENCI AS LISTA DE EXIGENCIAS
TESIS
DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA A 42 CASAS DEL DISTRITO DE COCHARCAS
FECHA: 21/02/2017
DISTRITO DE COCHARCAS
REVISADO: Yarin Achachagua Anwar
FECHA
Deseo o Exigencia
DESCRIPCIÓN
ELABORADO: Zedano Quispe Yerber RESPONSABLE:
21/02/2017
E
FUNCIÓN PRINCIPAL:
Zedano Quispe Yerber
CLIENTE:
Suministrar energía solar eléctrica a 42 viviendas del distrito de cocharcas
21/02/2017
E
ENERGIA:
Zedano Quispe Yerber
La energía proveniente de los Paneles fotovoltaicos debe ser la suficiente para 42 viviendas .
21/02/2017
E
DISEÑO:
Zedano Quispe Yerber
Se ubicará en un lugar con pocas sombras De acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones, el soporte deberá soportar vientos de hasta 120 km/h.
21/02/2017
E
SEGURIDAD:
Zedano Quispe Yerber
El diseño de la estación será de tal modo que no ponga en riesgo a los usuarios de la misma. Se debe ubicar en un lugar donde que no árboles o sombras para mejorar la vida del sistema.
5
LISTA DE EXIGENCIAS
TESIS
CLIENTE:
DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA A 42 CASAS DEL DISTRITO DE COCHARCAS
FECHA: 21/02/2017
DISTRITO DE COCHARCAS
ELABORADO: Zedano Quispe Yerber RESPONSABLE:
FECHA
Deseo o Exigencia
DESCRIPCIÓN
21/02/2017
E
MATERIALES:
REVISADO: Yarin Achachagua Anwar
Zedano Quispe Yerber
El soporte debe ser capaz de resistir 10 años como mínimo, a la exposición a la intemperie sin corrosión o fatiga apreciable, teniendo en cuenta las condiciones del sitio.
21/02/2017
D
GEOMETRIA:
Zedano Quispe Yerber
Se deberá instalar seguidores del sol para obtener la mayor radiación solar posible. Los componentes serán ubicados de tal manera que se pueda disminuir el cableado
21/02/2017
D
COSTO:
Zedano Quispe Yerber
El costo estimado de los componentes e instalación se encuentra detallado en el siguiente capitulo 21/02/2017
E
ERGONOMIA:
Zedano Quispe Yerber
Los toma corrientes deben ser de fácil acceso para los usuarios. La estructura no debe perjudicar de ninguna manera la movilización de los pobladores
6
LISTA DE EXIGENCIAS
TESIS
DISEÑO DE UN SISTEMA FECHA: 21/02/2017 FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGIA ELECTRICA A 42 CASAS DEL REVISADO: Yarin Achachagua Anwar DISTRITO DE COCHARCAS
CLIENTE:
DISTRITO DE COCHARCAS
ELABORADO: Zedano Quispe Yerber RESPONSABLE:
FECHA
Deseo o Exigencia
DESCRIPCIÓN
21/02/2017
E
USO:
Zedano Quispe Yerber
El uso no generará ningún costo adicional. La estación beneficiará los pobladores del distritos 21/02/2017
E
El proyecto será entregado el 2
Zedano Quispe Yerber
1/02/2017
5.2 UBCACIÓN
Cocharcas está ubicado en la provincia de chincheros departamento de Apurímac. Tiene un relieve accidentado; con pendientes bastantes inclinadas y partes planas; aptas para el desarrollo de agricultura y ganadería. 7 En ella se puede realizar turismo de aventura, cuenta con un imponente río Pampas, en que se puede practicar canotaje, realizar turismo, visitas a lugares turísticas, pues cuenta con importantes restos arqueológicos, y ni que hablar del turismo cultural religiosa, el Templo colonial más de cuatro siglos de existencia.
7
http://munichinchero.gob.pe/
7
La principal actividad económica de la población es la agricultura y en ella complementan con la producción de frutales sobre todo en valle de Pampas, destinados en gran parte para autoconsumo y un pequeño porcentaje para comercialización.
FI GURA 15: MAPA DEL DI STRITO DE COCHARCAS
FUENTE: MUNICI PALIDAD DE COCHARCAS.
5.3 SEGUIDORES DEL SOL Es un seguidor activo que está controlado por un programa de la computadora (vía un Arduino). Usamos sensores que buscan la luz más brillante todo el tiempo8.
8
http://www.instructables.com
8
FI GURA 16: SEGUI DOR DE L SOL
F UENTE : WWW.I NSTRUCTABLE S.COM/I D/UN-RASTRE ADOR-SOLAR -SIMPLE .
5.4 INCLINACIÓN DE LOS PANELES Definir la inclinación es vital para optimizar la generación de energía de los paneles solares y por lo tanto, del sistema fotovoltaico en general. Este parámetro está altamente influenciado por la latitud del sitio.9
La inclinación de los paneles solares para una instalación independiente, teniendo en cuenta que la latitud del distrito de cocharcas es de 13º , puede estimarse utilizando las siguientes expresiones
9
Inclinación verano: L+15 = 28º
Inclinación invierno: L-20 = -7
Inclinación óptima: 3.7 + (L*0.69) = 12.67= 13º
“Radiación Solar: medidas y cálculos”. Autor: Valeriano Ruiz Hernández y Manuel A. Silva Pérez.
Universidad de Sevilla 2005
9
5.5
DETERMINACIÓN DE LA CARGA La
carga total será los 42 viviendas como sabemos la intensidad y la
tensión son 16 y 220v respectivamente para cada casa:
V casa x I
casa
= W casa = 3520W
W casa x Nº casa= W demanda = 147.84KW Dónde:
V casa = es la tensión de cada vivienda y es igual 220v I
casa
= es la corriente promedio de cada vivienda es 16A
Nº casa= es el número de casa a electrificar Debido a que se instalara en un área rural el consumo de energía será 5 horas al día 2 por la mañana y 3 por la tarde Entonces el consumo total diario (Qm) en Ah/dia se expresa con la siguiente ecuación:
Q(m)=
=27670.59 Ah/día
Donde: C
diario
: Es la cantidad de horas utilizado al día, es decir, 5 h/día.
C s emanal : Es la cantidad de días utilizado a la semana, es decir 7 días/semana. F
: Es el factor para convertir DC/AC, el mínimo es 0.85.
conversión
V s is tema : Es la tensión del sistema, para el proyecto será de 220 V
10
Como cálculo inicial, el consumo corregido, en base a factores de rendimiento de Cableado y de batería comunes en la industria:
Qm corregido =
F
cableado:
= 31372.55 Ah/día
Es el factor de rendimiento debido al cableado, no debe ser menor a
0.98.
F
batería:
Es el factor de rendimiento debido a las baterías, no debe ser menor a
0.9.
5.6 DIMENCIONAMIENTO FOTOVOLTAICO Se dimensionara los equipos principales:
5.6.1 INCLINACIÓN Y RADIACIÓN La radiación varía a lo largo de los días, así como la altura (α) y orientación (Ψ) del sol, de acuerdo a la latitud del punto ubicado. Se estimará la radiación global sobre superficies inclinadas en base al conocimiento de la radiación global sobre superficies planas. 10
En la tabla 5.2 se muestran los resultados de los cálculos de las horas sol pico para la inclinación óptima de invierno, de verano y la seleccionada.
10
Radiación Solar, medidas y cálculos. Autor: Valeriano Ruiz Hernández y Manuel A. Silva Pérez. Universidad de Sevilla 2005
11
TABLA 4: HORA SOL PI CO I NVI E RNO
Ángulo Óptimo Invierno
-7º
Horas de sol pico
Intensidad de
Mes de
(hrs/día)
diseño (A)
Diseño
3.492
40.83
Enero febreo
TABL A 5: HORA SOL PI CO V E RANO
28º
Ángulo Óptimo verano Horas de sol pico
Intensidad de
Mes de
(hrs/día)
diseño (A)
Diseño
1.021
139.57
Julio
TABLA 6: CÁLCULO DEL ÁNGULO 13º
Ángulo Seleccionado
13º
Horas de sol pico
Intensidad de
Mes de
(hrs/día)
diseño (A)
Diseño
1.048
136.05
Agosto
5.6.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA BATERÍA Se debe tener especial cuidado con el dimensionamiento de las baterías, ya que si se sub-dimensiona, los ciclos de vida se pueden reducir drásticamente. Debido a una profundidad de descarga mayor a la máxima, lo cual se observa en la siguiente Figura:
12
FI GURA 17: DIME NSI ONAMI ENTO DE LA BATERÍ A
FUENTE: CATÁLOGO DE BATERÍ A DE GEL EVE RE XCEED.
La profundidad de descarga máxima será de 80%, con lo cual se cumplirán 1000 ciclos Para dimensionar el banco de baterías se debe conocer la capacidad necesaria
): del banco (C capacidad
= 7034.3 Ah C banco= .
Dónde:
DOA : Son los días de autonomía, es recomendable mayor a 3 días 11 PD Max : Es la profundidad máxima de descarga, es decir, 80%. F seguridad : Es un factor de seguridad, normalmente 1.5 – 2. Se escogerá 1.6 F
temp
: Es el factor de temperatura es de 0.9
11
Este valor se encuentra dentro del rango recomendado por “E specificaciones técnicas y ensayos de
loscomponentes de sistemas fotovoltaicos domécticos hasta 500 Wp”, Minem Febrero 2005.
13
El número de baterías debe poder satisfacer la capacidad necesaria, es por ello, que se calcula de la siguiente manera:
Nbp =
= 15
Nbs = =2 Dónde:
Nºbp : Es la cantidad de baterías en paralelo. Nºbs : Es la cantidad de baterías en serie C batería : Es la capacidad de la batería, en este caso, es de 500 Ah. V batería : Es el voltaje de operación nominal de la batería, en este caso, 12 V.
El número de baterías en paralelo define el nuevo valor de la capacidad del banco:
C banco = Nºbp x C batería = 7500 Ah
C útil = C banco (1- PD max ) = 6000Ah
5.6.3 DIMENSIONAMIENTO DE PANELES Los paneles serán del tipo policristalino, esto se debe a que está comprobado que actualmente son los más económicos, es decir, su relación Wp/$ es la mayor. Un panel disponible comercialmente y de alta relación Wp/$ es el panel de 150 Wp, policristalino.
14
Cuyos datos más relevantes son los siguientes:
V mp : Es el voltaje máximo pico, es la tensión a la cual opera en su punto de máxima potencia, cuyo valor es 17,4 V.
V oc : Es la tensión de circuito abierto, la máxima tensión alcanzada por el panel, cuyo valor es 21.6 V.
I mp : Es la corriente máxima pico, el valor para el panel seleccionado es de 8.62 A.
I sc : Es la corriente de corto-circuito, cuyo valor es 9.48 A.
Los paneles no son los únicos elementos que entregan potencia a las cargas, también lo harán las baterías. Es por ello, que para obtener la intensidad requerida de los paneles, es necesario restarle una intensidad proveniente de las baterías.
I
baterías=
...
= 439.56 A
Dónde:
H.S.P. : Son las horas sol pico, para el mes crítico (agosto) son 1.05h. Fd : Es el factor de diseño recomendado, el recomendado por el fabricante es 13. De esta manera, la intensidad requerida por el generador fotovoltaico está dada por la siguiente ecuación:
I generador = I
mes – I batería =
288.4 A
Dónde:
I
mes: Es
la corriente de diseño para el mes crítico (enero febreo marzo), cuyo
valor es 151.16 A.
15
Es una buena práctica, utilizar factores de diseño para paneles cristalinos y para paneles poli cristalinos o amorfos.
I generador = = 412A F d : Es el factor de diseño recomendado para paneles, en el caso de poli cristalinos es 0.7 Finalmente, el número de paneles puede estimarse con l a siguiente expresión:
Nºpp =
= 50
Nºps = = 2
Dónde:
Nºpp : Es la cantidad de paneles en paralelo. Nºps : Es la cantidad de paneles en serie.
Finalmente, el número total es de 48 x 2 = 86 paneles. Formando así, un generador de una potencia de 150 x 100 = 15000 Wp.
16
5.6.4
DIMENSIONAMIENTO DEL CONTROLADOR
Por el controlador debe pasar la energía generada por los paneles, se debe considerar el peor escenario, y este es el de la intensidad de corto circuito para todos los paneles.
I
controlador = I
sc x Nºpp x 1.25 = 592.5 A
El controlador seleccionado es de 50 A. Se requieren 12 controladores de 50 A y 24 V. Para ello se requieren 12 ramales de paneles solares y baterías. Debido a la gran cantidad de controladores y a la obligación de utilizar cantidades múltiplos de 4 (ramales) y colocar mínimo un 2 unidades por ramal (alcanzar 24 V), es conveniente realizar un cálculo iterativo para alcanzar la propuesta más eficiente y económica. Luego de analizar técnica y económicamente diversas opciones, se llegó a una solución que optimiza el diseño, los elementos de este arreglo se muestran a continuación:
24 baterías 500 Ah / 12V (6 ramales de 2 paralelo y 2 en serie).
72 paneles de 150 Wp. (3 ramales de 6paralelo y 4 en serie)
12 controladores de 50A y 24V.
17
5.6.5 DIMENSIONAMIENTO DE INVERSOR El inversor se encarga de transformar la corriente DC en AC, es por ello que el parámetro que define a este equipo es la potencia mínima a convertir. Es muy poco probable que todas las cargas funcionen al mismo tiempo. Sin embargo, asumiendo el caso crítico, es prudente colocar un coeficiente de simultaneidad de 100%.
W min inversor = W max inversor x CS = 147.8 KW
El inversor escogido es:
ZIGOR SOLAR
24 V (DC) – 220 V (AC).
Frecuencia: 60 Hz.
Potencia: nominal 20kw
Se instalara 1 inversores de este tipo.
18
5.7 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Por razones de seguridad para el usuario, debemos evitar que el cuerpo humano sea conductor y pueda sufrir algún daño fatal. Se debe conocer el tipo de la puesta a tierra, la sección del Cu en los equipos y en el sistema en general. La sección mínima de la línea principal de tierra es de 10mm2 según el CNE, y esta será utilizada. El tipo de sistema de puesta a tierra será el de varilla, esto es debido a la baja potencia y, por ende, bajo amperaje. Las dimensiones serán como se muestra en la siguiente figura. FI GURA 18: SI STEMA PUESTA A TI E RRA
. FUE NTE: AUTOR 19
5.8 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Se seguirán las recomendaciones indicadas en las normas aplicables. Las cuales son:
RNE: Reglamento Nacional de Edificaciones
AISC: American Institute of Steel Construction
5.8.1 ESTRUCTURA DE SOPORTE Definir si la estructura será fija o incluirá seguidores depende directamente de la proporción de radiación directa frente a la radiación total. Asimismo, la radiación directamente es indirectamente proporcional al índice de nubosidad. La nubosidad debe ser menor a 5 octas para considerar el uso de seguidores en la estructura. Según los datos climatológicos la nubosidad es de 6.8 octas, la provincia de chincheros con lo cual es recomendable utilizar un seguidor del sol 12.
5.8.2 CONSIDERACIONES DE LA MATERIA SUMINISTRADA Las tolerancias de fabricación de elementos de acero estructural, deberán seguir las indicaciones establecidas en ASTM A6. Los tubos de acero estructural (HSS) deberán ajustarse a los requerimientos ASTM A500,grado B (42ksi). Las conexiones se realizarán mediante pernos inoxidables ASTM A304. Los electrodos de soldadura deberán ajustarse a los requisitos de la AWS D 1.1 y será como sigue:
12
“Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp”
Minem 2005.
20
Arco sumergido (SAW): AWS A5.17 F7XX-EXXX
Las tolerancias en la fabricación en el taller, de los componentes de las estructuras de acero, deberán satisfacer los requerimientos estipulados en el AISC 303, Sección 6. A los elementos galvanizados, se les aplicará una capa de zinc tras su fabricación, conforme a ASTM A123 y ASTM A153, según corresponda. Se deberán preparar de acuerdo a SSPC-SP 8. Además, el peso mínimo de la capa de zinc será de 600 gramos por metro cuadrado de superficie.
5.8.3 DISEÑO ESTRUCTURAL La inclinación de la estructura será de 13°, y se definió en el capítulo anterior. Los paneles solares se conectarán a la estructura por medio de pernos: Estructura Soporte. Las conexiones fueron diseñadas de acuerdo a las definiciones contenidas en AISC 303. Es preferible utilizar pedestales, asimismo, las estructuras de soporte deben soportar vientos de 120 km/h, como mínimo.13 La separación mínima entre los paneles fotovoltaicos deberá ser de 5 cm. Las propiedades mecánicas del ASTM A500 se muestran en la siguiente f igura:
FI GURA 19: PROPI ED ADES ME CÁNI CAS DE ACER O ASTM A500
F UENTE = CATÁLOGO DE PRODUCTOS: ACE ROS ARE QUI P 13
“Especificaciones técnicas y ensayos de los componentes de sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp”
Minem 2005.
21
5.8.4 ESTIMACIÓN DE CARGAS La estimación de cargas de realizará mediante el método AISC-LRFD. Materiales:
Planchas ASTM A36
Perfiles tubulares ASTM A 500 Gr.B
Módulo de elasticidad:
Peso unitario del acero:
Soldadura empleada AWS-E70XX
Cargas muertas: El peso propio de los elementos estructurales será considerado de forma intrínseca en el modelo, además de ello se adicionarán las siguientes cargas muertas: Paneles: 13.6 kg/m 2 y su dimensionamiento 1.48 m x 0.67 m. Cargas vivas: Asumiendo que 2 obreros puedan apoyarse en los paneles durante la instalación o mantenimiento. Obreros: 2 obreros X 70 kg x i.25 = 175 kg como las dimensiones es 2.48 m x 2.88m el peso unitario es 25kg/m2
Carga de viento: La velocidad del viento de diseño es de 120 km/h. La presión que ejerce el viento es de: P = 0.005x C x V 2 = 50.4 kg /m 2
22
