Aprovechamiento de fuentes renovables de energa para potenciar los procesos del Castillo Eurolatino del

Parque Recreacional Jipiro de la ciudad de Loja #1Juan Maldonado, #2Jorge Luis Jaramillo

#1 Profesional en formacin IET, Universidad Tcnica Particular de Loja

#2 Docente investigador STE DCCE, Universidad Tcnica Particular de Loja Loja, Ecuador

1jfmaldonado2@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen Se describe el uso actual del castillo eurolatino del Parque Recreacional Jipiro de la ciudad de Loja, y, se describe una propuesta de aprovechamiento de fuentes renovables de energa para la potenciacin de los procesos propios de la edificacin.

Palabras claves energa, energa no convencional, aprovechamiento de fuentes renovables de energa en espacios pblicos.

I.INTRODUCCIN

En un trabajo anterior, se analiz la potencialidad

del aprovechamiento de fuentes renovables de energa para potenciar diversos procesos en el Parque Recreacional Jipiro (PRJ) de la ciudad de Loja, Ecuador. Como resultado se determin la posibilidad de aprovechar energa solar, energa humana, y, energa de biomasas, sin descartar el aprovechamiento elico.

Adems, se explic el inters especial que tiene el

denominado Castillo Eurolatino (CE), entre las estructuras existentes en parque. En los aos 90, en el CE funcion un centro de alfabetizacin informtica, uno de los primeros centros comunales polivalentes pblicos. Por esta razn, y, en el marco de este proyecto, se propuso recuperar el rol del CE y convertirlo en un centro de alfabetizacin tecnolgica y energtica.

En este documento se presentan los resultados de

describir el uso actual del CE, y, de esquematizar la arquitectura de las aplicaciones requeridas para aprovechar energa solar, elica, y, humana, tanto para iluminacin monumental como para alimentar dispositivos electrnicos de bajo consumo.

II.APROVECHAMIENTO DE FUENTES RENOVABLES DE ENERGA EN EL CASTILLO

EUROLATINO DEL PRJ

A. Generalidades y uso actual del CE

El CE se ubica al NE del Parque Recreacional Jipiro (PRJ) de la ciudad de Loja, junto a la avenida Salvador Bustamante Celi (ver Fig.1 y 2). Las instalaciones del CE estn abiertas al pblico, de lunes a sbado, entre las 8h00 y 18h00, y, los domingos entre las 8h30 y las 18h30.

Fig 1. Ubicacin del Castillo Eurolatino en el PRJ. Diseo de los

autores.

El CE cuenta con espacios aprovechables en 2 plantas. En la planta baja funciona una computeca (ver Fig.3) equipada para impartir cursos de formacin en TICs a escuelas y colegios de la ciudad (ver Tabla 1).

Fig 2. Panormica del CE del PRJ. Fotografa de los autores.

Fig 3. Panormica de la computeca del CE. Fotografa de los autores

Tabla 1. Equipamiento de la computeca del CE. Diseo de los autores.

Equipo Cant. Pizarrn 1 Mesa redonda 2 Computadora 17 Proyector 1 Silla 11 Silla doble 10 Pupitres 17 Escritorio 1 Armario de madera 3 Extintor 2 Basurero 1 Router 1 Hub 1 Impresora 1 Telfono 1

En la primera planta alta operan una videoteca,

una biblioteca, una sala de ajedrez, y una ludoteca (ver Fig. 4 a la 7). Los recursos disponibles son escasos.

Fig 4. Panormica de la videoteca del castillo. Fotografa de los autores.

Fig 5. Panormica de la biblioteca del castillo. Fotografa de los autores.

Fig 6. Panormica de la ludoteca del castillo. Fotografa de los autores.

Fig 7. Panormica de la sala de ajedrez del castillo. Fotografa de los autores.

B. Marco conceptual de la propuesta

En el marco de este proyecto, se propone recuperar el rol del CE y convertirlo en un centro de alfabetizacin tecnolgica y energtica con nfasis en el segmento K6 K12.

Para la operacin del CE como centro de

alfabetizacin energtica, se propone la consolidacin de una propuesta metodolgica de alfabetizacin, y, la implementacin de estaciones demostrativas del aprovechamiento de energa solar, elica, y humana.

En lo metodolgico, se adaptar la iniciativa

diseada en la Seccin de Electrnica y Telecomunicaciones del Departamento de Ciencias de la Computacin y Electrnica, de la Universidad Tcnica Particular de Loja, denominada taller de alfabetizacin energtica para el aprovechamiento de energa solar, diseado para nios con edades entre K6 y K12.

En lo tecnolgico, se disearan e instalarn un

sistema fotovoltaico, un sistema elico, y una banca cintica (ver Fig 8).

Fig 8. Panormica del CE con la implementacin de las estaciones

demostrativas. Diseo de autores.

C. Energa fotovoltaica para iluminacin monumental del CE

Para potenciar la iluminacin monumental del CE,

se plantea instalar un sistema fotovoltaico. Para optimizar la captura de energa solar, los mdulos solares se instalarn sobre un rbol falso, de aproximadamente 6 m de altura, ubicado en la zona de acceso al CE (ver Fig.9).

Fig 9. Panormica del rbol falso para la captura de energa solar, en las

inmediaciones del CE. Diseo de autores.

Sobre la arquitectura del sistema

El sistema fotovoltaico de provisin de energa propuesto, estar constituido por cuatro mdulos principales (ver Fig.10).

Fig 10. Diagrama de bloques del sistema fotovoltaico de provisin de energa. Diseo de los Autores.

Para iluminar el CE se plantea utilizar 3 reflectores LED de exterior (ver Fig.11 y Tabla 2), de 100 W cada uno. Se espera que la iluminacin monumental opere 6 h por da.

Fig. 11. Vista panormica de un reflector LED exterior de

100W [1].

MDULO FOTOVOLTAICO

BATERIAS INVERSOR MDULO DE ILUMINACIN

Tabla 2.

Caractersticas tcnicas de reflectores LED de exterior de 100W [1].

Potencia 100 W Alimentacin AC 85 -265V Flujo Luminoso 7500 Lm ngulo 120 Color de Luz Blanco Temperatura de Color 5500-6500 K Temperatura de Trabajo -40C/55C Proteccin IP 65 Dimensiones 225*183*115mm Peso 1.6 Kg Material Aluminio

Sobre los mdulos fotovoltaicos a utilizar El consumo diario de energa de los reflectores se

calcula a travs de la ecuacin (1) [2], obteniendo una valor de 1800 Wh/da.

= (1) En dnde, , es el consumo total de energa de los

reflectores, Wh/da U, Cantidad de reflectores a emplear, U D, es la potencia de consumo de los reflectores, W t, es el tiempo de funcionamiento de los

reflectores en un da, h/da

La carga en corriente directa ,se calcula multiplicando el consumo diario de energa por un coeficiente de reserva equivalente al 5%. Como resultado se estima en 1890 Wh/da.

La tensin Vcc del sistema, es la tensin nominal en la cual trabaja el sistema. Para este proyecto se decidi trabajar en 24V. Entonces, la carga diaria de corriente, se determina a travs de la ecuacin (2) [1], con una resultado de 78,75 Ah.

= (2) En dnde, ICD, es la carga diaria de corriente, Ah VCC, es la tensin de CC del sistema, V

La carga de corriente corregida, se calcula en 82,7 Ah, a travs de la expresin (3) [2], para un factor de seguridad del 5%. = (3) En dnde, ICC, es la carga de corriente corregida, Ah fs, es el factor de seguridad, %

Segn el Atlas Solar del Ecuador con fines de

generacin elctrica, la ciudad de Loja registra una radiacin solar promedio anual de 4,5 KWh/m2. Entonces, la corriente pico del sistema que ser provista por el bloque fotovoltaico, se determina en 17,23 A utilizando la ecuacin (4) [2]:

= (4) En dnde, Ipico, es la corriente pico del sistema, A RS, es la radiacin solar, KWh/m2

Para este proyecto, se decidi emplear paneles solares tipo GMA250 (ver Tabla 3), con una corriente pico de 8,2 A a 24V [3]. El nmero de mdulos solares requeridos, en un arreglo paralelo, se determin en 2, a travs de la expresin (5) [2]:

= !" (5) En dnde, Amod, es el arreglo de mdulos solares requeridos, unid Ipanel, es la corriente pico del mdulo, A

Tabla 3. Caractersticas tcnicas de los mdulos GMASOLAR [3].

Parmetro GMA 250-60 Nominal Peak Power (Wp) 250 W Nominal Voltage (Vmp) 30.5 V Nominal Current (Imp) 8.20 A Open Circuit Voltage (Voc) 37.6 V Short Circuit Current (Isc) 8.87 A Module Efficiency (%) 15.40% Maximum System Voltage 600 VDC (UL) 1000 VDC (IEC)

STC:1000W/m2, 25C, AM=1,5

La tensin de corriente continua nominal, se calcul en 1 V, con ayuda de la expresin (6) [2]:

= " (6) En dnde, Tccn, es la tensin de corriente continua nominal, V Tcci , es la tensin de corriente continua del panel solar, V

El nmero total de mdulos se calcul en 2, travs de

la expresin (7) [2]: % = (7) En dnde, Ntm, es el nmero total de mdulos, unid

Para proveer la energa requerida y alimentar al

sistema en 24V, se necesita de 2 paneles solares conectados en serie.

Sobre el storage de energa La energa proporcionada por el bloque

fotovoltaico, se almacenar en un banco de bateras, cuya capacidad de almacenamiento est dada por la ecuacin (8) [2]. Para una reserva de 2 das, la capacidad nominal de las bateras se estim en 165,4 Ah.

&'' = ( (8) En dnde, CNBB, es la capacidad nominal del banco de bateras,

Ah Dr, es el nmero de das de reserva, unidad

Para este proyecto, se preseleccion bateras tipo

Ritar RT12-120, de 12 Ah y 12 V, con una profundidad de descarga del 80% (ver Tabla 4). En estas condiciones, la capacidad corregida del banco de bateras se calcul en 206,75 Ah, a travs de la ecuacin (9) [2]:

'' = )**+, (9) En dnde, CCBB, es la capacidad corregida del banco de bateras, Ah Pd, es la profundidad de descarga, %

El nmero requerido de bateras, conectadas en paralelo, se determin en 2, a travs de las ecuacin (10) [2]:

'+ = **)* (10) En dnde, ABP, es el arreglo de bateras en paralelo, unid CNB, es la capacidad nominal de la batera, Ah

Considerando que la batera seleccionada opera en 24V, se utilizar 2 bateras en serie.

Tabla 4. Caractersticas tcnicas de las bateras AGM 24V 120Ah

VISION [4]. Nominal Volatge 24V Number of cell 6 Nominal Capacity 25C

10 hour rate (12.0A. 10.8V) 120Ah Internal Resistence

Fully Charged battery 25C 4.3mOhms Self-Discharge

3% of capacity declined per mount at 20C (overage)

Operating Temperature Range Discharge 20-60C Charge 10-60C Storage 20-60C

Max Discharge Current 25C 950A (5s) Short Circuit Current 2250A Charge Methods: Constant Voltage Charge 25C

Cycle use 14.4-14.7V Maximum charging current 36A Temperature compensation -30mV/C

Standby use 13.6-13.8V Temperature compensation -20mV/C

Sobre el inversor

La eleccin del inversor se basa en la carga pico y

en el voltaje del sistema. Para este proyecto se eligi el inversor Victron Energy Phoenix 24/350, que soporta una carga pico mayor a 300 W. y que opera en un voltaje de 24V.

Presupuesto tentativo La Tabla 5 resume el presupuesto tentativo para la

implementacin del sistema fotovoltaico para la iluminacin monumental del CE.

Tabla 5.

Presupuesto tentativo de inversin en el sistema fotovoltaico de iluminacin del CE. Diseo de autores.

Rubro

Cantidad

Costo unitario (dlares)

Precio total

rbol metalico 1 1220,00 1220,00 Anclaje del rbol

1 100,00 100,00

Panel solar 2 528,00 1056,00 Inversor 1 429,00 429,00 Batera 2 400,00 800,00 Reflector LED 100W

3 80,00 240,00

Instalacin 1 600,00 600,00 Caja de conexiones

1 50,00 50,00

Imprevistos 1 1029,37 1029,37 Total 5524,37

D. Energa elica para iluminacin monumental del CE

La provisin de energa para la iluminacin

monumental del CE se complementar con energa proveniente de un sistema elico, conformado por un mdulo elico, uno de storage y control, y uno de iluminacin (ver Fig.12).

Fig 12. Panormica del sistema elico en el CE. Diseo de

autores.

Un aerogenerador se ubicar en la torre ms alta del CE y entregar energa a un sistema, de manera tal que la energa generada por el aerogenerador aporte a reducir el consumo desde la red elctrica pblica.

Sobre la arquitectura del sistema

El sistema elico de provisin de energa propuesto, est constituido por cuatro mdulos principales (ver Fig.13).

Fig. 13. Diagrama de bloques del sistema elico de provisin de energa. Diseo de los Autores.

Sobre el dimensionamiento de la carga total requerida

La Tabla 6 muestra la informacin relevante para el

dimensionamiento de la carga total requerida para iluminar la parte superior de las torres del CE.

Tabla 6. Informacin para el dimensionamiento de la carga total

requerida para iluminacin de torres. Diseo de los autores Unidades Demanda, W Tiempo uso, h

3 focos ahorradores 20 6 Carga Pico 60

El consumo diario de energa de las lmparas en

formato CD, se calcula entonces en 360 Wh/da (ver expresin 1) [2]. El consumo diario en formato CA se establece en 378 Wh/da. La carga diaria de corriente se calcul en 15,75Ah (ver expresin 2), para un voltaje de 24 V. Por ltimo, la carga de corriente corregida, se calcul a travs de la expresin (3) en 16,54 Ah.

Sobre el viento disponible

La informacin sobre viento disponible en el PRJ se

obtuvo de una de las estaciones meteorolgicas de la red de UTPL, ubicada en Jipiro Alto, a 358'21'' S y 7911'24'' O (ver Tabla 7).

Tabla 7.

Promedio mensualizado de velocidad del viento en el sector de Jipiro, ao 2014. Diseo de los autores.

Mes de ao Velocidad promedio, m/s Enero 2,36 Febrero 2,00 Marzo 2,76 Abril 2,85 Mayo 3,17 Junio 4,31 Julio 5,87 Agosto 5,22 Septiembre 4,97 Octubre 2,81 Noviembre 2,15 Diciembre 2,36 Promedio global 3,40

En el marco de este proyecto, se decidi seleccionar

el aerogenerador Air 40, cuya velocidad de inicio es de 3,1 m/s, y, la velocidad promedia requerida del viento es de 6 m/s (ver Fig. 14 y Tabla 8).

ENERGA ELICA

BATERIAS

MDULO DE ILUMINACIN

RED PBLICA

MDULO DE CONMUTACIN

INVERSOR

Fig. 14. Vista panormica del aerogenerador Air 40 [5].

Tabla 8.

Especificaciones tcnicas del aerogenerador Air 40 [5]. Energy Approx. 40KWh a month at 6 m/s Swept Area 1.07m2 Rotor Area 1.17 m Weight 5.9kg Shipping Dimensions 686 x 318 x 229 mm Start Wind Speed 3.1 m/s Voltage 12,24,48 V

Turbine Control Microprocessor-based smart internal regulation

Body Permanent mold cast aluminum Blades (3) Injection-molded composite Alternator Permanent magnet brushless Overspeed Protection Electronic torque control Survival Wind Speed 49.2 m/s

Mount 1.5 in schedule 40 pipe 1.9 (48 mm) outer diameter

La densidad del aire en la ciudad de Loja, a una

temperatura promedio de 18 C y una altura de 2400 m

sobre el nivel del mar, se determina en 0.91 123 utilizando la ecuacin (11) [6]:

4 = 1.225 5 288 7 273: ;?@ABC11 En dnde, t, es el temperatura promedio, C h, es la altura sobre el nivel del mar, m

La potencia aerodinmica extrada por el rotor del viento, en condiciones ideales y con una aeroturbina tambin ideal, se determina por la ecuacin (12) [7]:

D 8274A12

En dnde, WR, es la potencia mxima del viento, W 4, es la densidad del aire, kg/m3 A, es la superficie barrida por las aspas de la hlice, m2 V, es la velocidad del viento, m/s

La potencia elica disponible por rea expuesta al viento, se determina por la ecuacin (13) [7]:

DE 12 4A13

En dnde, WV, es la potencia elica disponible, W 4, es la densidad del aire, kg/m3 A, es la superficie barrida por las aspas de la hlice, m2 V, es la velocidad del viento, m/s El rendimiento energtico de captacin, depende del rendimiento aerodinmico con el cual funciona el rotor de la aeroturbina, y expresa la cantidad de potencia que realmente es capturada por el rotor. Este valor se determina por la ecuacin (14) [7]:

DDE 14 En dnde, WR, es la potencia mxima del viento, W WV, es la potencia elica disponible, W

La Tabla 9 muestra los resultados obtenidos para las expresiones (12), (13) y (14), para cada mes del ao. Los resultados muestran que el aerogenerador seleccionado puede aportar, en promedio, 28.03W/m2 de potencia.

Tabla 14. Resultado del dimensionamiento elico

Mes

Velocidad promedio

(m/s)

Potencia elica

disponible (W/m2)

Potencia mxima

del viento (W/m2)

Cp (%)

Enero 2,36 6,40 3,79 59,26% Febrero 2,00 3,89 2,31 59,26% Marzo 2,76 10,24 6,07 59,26% Abril 2,85 11,30 6,70 59,26% Mayo 3,17 15,52 9,20 59,26% Junio 4,31 38,95 23,08 59,26% Julio 5,87 98,58 58,42 59,26% Agosto 5,22 69,60 41,24 59,26% Septiembre 4,97 59,80 35,44 59,26% Octubre 2,81 10,80 6,40 59,26% Noviembre 2,15 4,85 2,88 59,26% Diciembre 2,36 6,40 3,79 59,26% Promedio

global 3,40 28,03 16,61 59,26%

El rea barrida por las aspas del aerogenerador se calcul en 1,08 m2, utilizando la ecuacin (15):

= GHIJ(15) En dnde, r, es el radio del aerogenerador, m

La potencia total promedio aportada se determin en 30,3W, utilizando la ecuacin (16):

KL = HDM(19)

En dnde, PTp, es la potencia total, W A, es el rea del aerogenerador, m2 Wvp, es la potencia promedio elica disponible, W/m2

Los resultados muestran que el sistema elico podra aportar el 50.5% de la potencia total requerida para alimentar la iluminacin de las torres del CE.

Sobre el bloque de storage de energa

La energa proporcionada por el bloque elico, se

almacenar en un banco de bateras, cuyo diseo corresponde a lo detallado en el apartado correspondiente en el sistema fotovoltaico. Para este proyecto, se utilizar una nica batera Ritar RT12-120m de 12 Ah y 24 V, con una profundidad de descarga es del 80%.

Sobre el inversor

En este proyecto se utilizar el inversor Victron Energy Phoenix 24/180, con una carga pico mayor a los 60 W, y un voltaje de 24V.

Sobre el mdulo de conmutacin

La Fig. 15 muestra el flujograma de la lgica de operacin propuesta para el mdulo de conmutacin, que operar en rgimen automtico.

En una primera etapa, se monitorea el nivel de

voltaje en los bornes de las bateras del mdulo de storage. Un descenso en el nivel ms all de lo permitido, emite una seal que activa la segunda etapa.

En la segunda etapa, un temporizador crea un delay

en la activacin de un rel, que redirecciona la alimentacin del mdulo de iluminacin, hacia la red pblica elctrica [8].

La Fig. 16, muestra el esquema del circuito detector

de nivel de carga en las bateras. A un determinado nivel de voltaje en los bornes de las bateras (umbral), el mdulo de storage pasa del rgimen descarga al de standby, o, viceversa, en funcin de la direccin del paso.

Fig. 15. Flujograma de la lgica de operacin propuesta para el mdulo de conmutacin del sistema hbrido [8].

si

si

no

Batera

Circuito detector de nivel

Activa temporizador

Relay

Tablero de distribucin

Sistema elico

Controlador de carga

Inversor

Otro sistema de abastecimiento de energa

Activado

Seal activa no

Mdulo de iluminacin

si

Fig. 16. Esquema del circuito detector de nivel en las bateras [8].

En el esquema, el integrado LM339 compara la

tensin en la entrada directa Vi, con la tensin de referencia del diodo Zener Vz., y, su salida se activa de acuerdo a la lgica descrita en la expresin (20) [8]:

N VP Q VR = STSTUSVC sealactivaVP a VR = STSTUSVC sealdesactiva(20)

A partir de una resistencia de 10K en el resistor R1, la expresin (20) determin que para el resistor R2 se requerira de una resistencia mayor a 34. Considerando la disponibilidad, se decidi emplear un potencimetro de 5K, an a riesgo de sacrificar el ajuste de la resistencia [8].

Presupuesto tentativo La Tabla 15 resume el presupuesto tentativo para la

implementacin del sistema elico para la iluminacin monumental de las torres del CE.

Tabla 15.

Presupuesto tentativo de inversin en el sistema elico de iluminacin del CE. Diseo de autores.

Rubro Cantidad CU, USD Total Aerogenerador 1 1554,56 1554,56 Estructura de soporte 1 450,00 450,00 Inversor 1 429,00 233,46 Batera 1 280,00 280,00 Foco ahorrador 20W 3 02,00 6,00 Instalacin 1 400,00 400,00 Caja de conexiones 1 50,00 50,00 Imprevistos 1 773,42 773,42 TOTAL 3747,44

III.CONCLUSIONES

Los resultados muestran la factibilidad tcnica y

econmica de potenciar el sistema de iluminacin monumental del CE, utilizando una arquitectura hibrida que conjugue energa solar, energa elica, y, energa de la red elctrica pblica.

IV.REFERENCIAS

[1] Corporacin LedMX. Reflector de 100W. Solucin en

iluminacin. [Online]: Disponible en: [Consulta Julio 2013].

[2] CONECEL. Atlas Solar del Ecuador. Corporacin para la

investigacin energtica. [Online]: Disponible en: [Consulta Julio 2013].

[3] GMA Solar GMA 60-M Series 180-200W. [Online]:

Disponible en: [Consulta Julio 2013].

[4] AutoSolar. Batera AGM 24V 120Ah VISION. [Online]:

Disponible en: [Consulta Julio 2013].

[6] Universidad de Cuenca Anlisis Energtico de Centrales

Elicas. [Online]: Disponible en: http://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/699/1/te330.pdf [Consulta Enero 2015]. .

[7] AEE. La Energa Producida por un Aerogenerador. [Online]: Disponible en: [Consulta Enero 2015].

[8] UTPL Implementacin de un sistema hbrido de provisin

de energa para iluminacin de una isla experimental en el campus UTPL. [Online]: Disponible en: [Consulta Enero 2015].