capitulo 3. propuesta del laboratorio
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Capitulo 3. Propuesta del laboratorio
La universidad Católica de Cuenca ha iniciado una nueva era que apunta a la
sustentabilidad utilizando las energías verdes en sus diferentes instalaciones, en
este caso la facultad de Ingeniería Eléctrica ha puesto un pie adelante para
implementar distintos sistemas renovables enfocados en energía solar, eólica y
térmica (fase 1) principalmente, con la finalidad de capacitar al estudiante de la
carrera ya mencionada por medio de un laboratorio, el cual se tiene previsto que
sea uno de los más equipados en la ciudad de Cuenca Ecuador, y de esta manera
los jóvenes estudiantes obtengan los mejores conocimientos teóricos y prácticos
para lograr resultados que les sean de ayuda a corto plazo, pues en la actualidad
Ecuador es un país que comienza a explotar su potencial energético en lo que a
medios naturales se refiere. El laboratorio contara con equipos de las diferentes
energías verdes:
Fase 1: Sistemas solares, Eólicos y Térmicos
Fase 2: Biomasa, Geotérmica, Pilas de combustible
Fase 3: Sistemas de ciclo combinado, energía electromagnética
3.1 Equipos a implementar en la Fase 1 del laboratorio
Como ya se menciono anteriormente el laboratorio de energías renovables de la
facultad de Ingeniería eléctrica consta de tres fases, las cuales se irán
implementando en el transcurso del siguiente año y parte de este.
La fase 1 involucra a las energías verdes que en la actualidad son las más
utilizadas para generar energía eléctrica en distintos países y otros usos
domésticos que son vitales para el desarrollo de la sociedad. Para llevar a cabo el
laboratorio se observo y discutieron distintos aspectos los cuales nos ayudaron a
decidir y elegir qué tipo de sistemas son los que principalmente debería contar el
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espacio en el cual se llevaran a cabo las prácticas experimentales de los
estudiantes.
Actualmente las energías renovables se encuentran en desarrollo, pero existen
ya tecnologías probadas y con grandes avances tecnológicos, tal es el caso de
los paneles fotovoltaicos, los aerogeneradores y los calentadores solares que ya
forman parte de la sociedad y el medio ambiente, logrando reducir emisiones de
CO2 y costos en la energía requerida por empresas u cualquier lugar que cuente
con sistemas renovables autónomos o interconectados a la red de distribución
eléctrica.
Para esta primera fase, el laboratorio contara con los siguientes sistemas:
1. Sistema fotovoltaico autónomo de 300 W
2. Aerogenerador eólico de 2 KW
3. Colector solar de tubos al vacio con una capacidad de 300 litros de
almacenamiento
3.2 Sistema fotovoltaico autónomo de 300 W
Los sistemas fotovoltaicos autónomos son mecanismos de diseño pensados
principalmente para zonas en la cuales no exista la red pública y la demanda de
energía sea abastecida únicamente con la producción del sistema fotovoltaico y se
utilizan principalmente para iluminación u aparatos que su consumo de energía no
sea muy alto por ejemplo, una radio.
3.2.1 Características de los componentes del sistema
PLACA SOLAR MONOCRISTALINA ISOFOTÓN ISF-145 de 145w 12v
(figura 9)
En las tablas 2, 3 y 4 se muestran las características del panel propuesto, es
importante tomar en cuenta la información de la ficha técnica del producto ya que
al momento de adquirir otros equipos como el regulador, baterías e inversor nos
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podremos dar una idea de la capacidad que deben tener estos para un correcto
funcionamiento.
Tabla 2. Características eléctricas
Tabla 3. Características mecánicas
Célula solar Silicio Monocristalino – 156 mm x 156 mm (6 pulgadas)
Número de células 36 células en configuración 4 x 9
Dimensiones 1515 x 662 x 39,5 mm
Peso 13,5 Kg
Vidrio Alta transmisividad, micro estructurado y templado de 3,2 mm (EN-12150)
Marco Aluminio anodizado y toma de tierra
Máxima carga admisible 2400 Pa
Caja de conexión IP 65 con 3 diodos de bypass Cables y Conector Cable solar de 1 m y sección 4 mm2. Conector MC4 o compatible
Tabla 4. Características de operación
Tensión máxima del sistema 1.000 V
Límite de corriente inversa 20 A
Temperatura de Operación Nominal de la Célula (TONC) 45 +/- 2º C
Coeficiente de temperatura de Pmax -0,464%/K
Coeficiente de temperatura de Voc -0,323%/K
Coeficiente de temperatura de Isc 0,042%/K
Figura 9. Panel propuesto
Potencia nominal (Pmax) 145 W Tensión en circuito abierto (Voc) 22,4 V Corriente de cortocircuito (Isc) 8,55 A Tensión en el punto de máxima potencia (Vmax) 18,1 V Corriente en el punto de máxima potencia (Imax) 8,00 A Eficiencia 14,5% Tolerancia de potencia (% Pmax) +/- 3%
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REGULADOR DE CARGA A 10A
Protecciones electrónicas: Cortocircuito y exceso de corriente; sistema de carga
solar y carga; Polaridad inversa; en sistema de carga solar, en la carga y en la
batería; Corriente inversa por la noche; Alto voltaje en la carga.
Tabla 5. Características eléctricas del regulador
Voltaje del sistema: 12/24 voltios DC reconocimiento automático
Max. Corriente de carga: 20 A
Desconexión por Bajo Voltaje: 10,5 V
Re conexión por bajo voltaje: 11.6 V Consumo propio 8 mA máximo Temperatura de funcionamiento: de -20 a +50 ° C Tipo de batería: plomo-acido (GEL, AGM, inundado) Dimensiones 15.1 x 6.6 x 3.6 cm Terminales Para tamaños de cable de hasta 4 mm
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Figura 10. Regulador de carga
BATERIA DE GEL 12V/100 A
Debido a que la instalación solar es de pequeña dimensión y no es necesario darle
mantenimiento de manera periódica, se eligieron las baterías de gel, se debe
tomar en cuenta que no se produzcan descargas profundas ya que si es así el
acumulador puede resultar dañado.
Tabla 6. Características generales de la batería
Tensión: 12V
Capacidad de batería (Ah): 100
Número de células: 6
Vida útil:12 años
Longitud: 306mm
Ancho: 168 mm
Altura: 229 mm
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Figura 11. Batería para el sistema
INVERSOR 300W-12VDC/120V
Parte fundamental en la instalación fotovoltaica, gracias a este componente
podremos suministrar corriente eléctrica a diferentes cargas conectadas en el
laboratorio.
Tabla 7. Características del inversor
Max. Potencia continua: 300 W
Potencia pico: 600 W
AC Tensión de salida: 110V,120V,220V,230V,240V AC
Frecuencia de salida: 50 o 60 Hz
Forma de onda de salida: Sinusoidal
Voltaje de entrada: 12V
Rango de tensión: 10.5-15.0 VDC
Eficiencia: 85%+
Corriente de salida: 5 A/2.5 A
Figura 12. Inversor de corriente
Todos los componentes anteriores puedes ser encontrados en empresas
locales de la ciudad de Cuenca Ecuador, en este caso la empresa JVCA se
encargo de brindar las características de cada equipo, de esta manera hace más
sencillo la adquisición de estos.
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3.3 Aerogenerador eólico de 2 KW
El generador de viento de 2 KW convierte la energía eólica en energía mecánica
primero y energía eléctrica después. Este equipo puede hacer plenamente uso de
la energía eólica para recargar una batería, para que pueda ser utilizada en forma
de corriente alterna y proveer de energía eléctrica al lugar para el cual fue
instalado, logrando un ahorro en la factura eléctrica. Este sistema es aplicable en
zonas alejadas de la red eléctrica y que cuenten con los parámetros necesarios
para su funcionamiento, por ejemplo la velocidad del viento. El sistema puede
suministrar fácilmente los servicios de iluminación, la televisión, equipos de
comunicación, y otros electrodomésticos.
3.3.1 Características eléctricas y mecánicas
Tabla 8. Características eléctricas del aerogenerador
Potencia nominal 2000W
Potencia Máxima 3200W
Diámetro del rotor 3.2m ( 10.50ft )
Velocidad de giro 350 ( r / min)
Tipo de Generador PMG AC Direct Drive
Materiales del generador Cuerpo de aluminio + cable de cobre
+ Nd-Fe-B
Voltaje de salida 48V
Opcional Tensión de salida
(DC) 24-350V
Velocidad mínima del
viento 3 m / s (6.72 mph)
Velocidad máxima del
viento 3-25m / s (6,72 a 56 millas por hora)
Altura de la torre 6m (19.68ft) disponible a mayor
Pesa Superior 65kg
Método de protección Aleta de la cola Auto-lean
Tabla 9. Características del controlador de carga
Controlador Potencia de entrada del viento clasificada 1 KW
Tensión de la batería 48VDC
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Tabla 10. Propiedades de la batería y el inversor
Inversor
Potencia nominal de salida 2KVA
Calificación de la batería
Voltaje 48Vdc
Tensión nominal de salida 110/120/220/230/240
VAC
Frecuencia de salida 50/60 Hz ± 0,05 Hz
Eficiencia Inversor Max 90%
Forma de onda de salida De onda sinusoidal pura
Baterías Batería GEL strorage 12V 200AH ( 4pcs )
Una de las ventajas de este sistema es que ya cuenta con todo el equipo
necesario para un adecuado funcionamiento. Además cuenta con una estación de
monitoreo, la cual muestra la velocidad y dirección del viento.
3.4 Colector solar de tubos al vacio
Este equipo cuya función es captar la energía del sol con la finalidad de calentar el
agua de un tanque térmico para el consumo en el hogar o calentar el agua de su
piscina, etc. manteniéndola a una agradable temperatura de forma ecológica. La
empresa local Juan Álvarez cuenta con una experiencia ya de 25 años en energía
térmica y actualmente la compañía lanza al mercado su nuevo producto innovador
(figura 13), Paneles o colectores Solares Térmicos TERMOSOL, un producto que
a más de ser ecológico es sumamente durable y funcional.
Figura 13. Colector solar propuesto
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Características del colector:
Capacidad de tanque de almacenamiento: 300 litros
Temperatura de calentamiento: temperatura mínima mayor a 45°C,
temperatura media de 60°C a 80°C, y temperatura máxima 85°C.
Temperatura de entrada:15°C
Longitud del tubo al vacio: 2000mm
Diámetro del tubo al vacio: 58mm
Este equipo necesita además de otros componentes los cuales serán de
mera importancia en el funcionamiento del colector, se necesitara entonces de una
bomba de recirculación, sensores de temperatura y un tanque de almacenamiento
de agua fría.
3.4.1 Otros componentes
Sensor de temperatura: consiste en dos conductores metálicos diferentes,
unidos en un extremo, denominado junta caliente suministrando una señal
de tensión eléctrica que depende directamente de la temperatura.
Bomba de recirculación: crea un ciclo en el sistema, de tal manera el
fluido siempre estará circulando hasta lograr alcanzar una temperatura
determinada para su uso
Tanque de almacenamiento (300 litros): Es independiente del colector,
este tanque contendrá agua fría y gracias a la recirculación del fluido, en
este caso agua se podrá obtener una mayor cantidad de agua caliente.
3.5Diagramas para instalación de los sistemas
En una instalación fotovoltaica, los paneles pueden conectarse en serie o en
paralelo, tal sea el caso, por ejemplo si se ocupa una tensión mayor y contamos
con una instalación de 2 o más paneles, es necesario de hacer la conexión en
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serie, de forma contraria si se necesita una corriente más elevada, la conexión de
estos debe ser en paralelo como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Conexión en serie y paralelo de dos paneles fotovoltaicos [5]
De igual manera en el banco de baterías, si conectas en serie aumenta la
tensión mientras que la corriente se mantiene, y si conectas en paralelo la tensión
permanece estable y su corriente aumenta (figura 15 y 16). Como dato importante,
cuando se coloca un banco de baterías en paralelo, estas deben tener las mismas
especificaciones y constructivamente iguales, ya que si se tiene un batería de otro
proveedor u otras especificaciones, está se comporta como una resistencia y en
lugar de almacenar la energía, termina por consumirla.
Figuras 15 y 16. Muestran la conexión en paralelo y en serie de un banco de baterías y el
aumento de tensión y voltaje según sea la conexión. [5] [3]
De la misma forma la instalación de un aerogenerador consta de regulador
de carga, baterías y el inversor de corriente, en este caso el aerogenerador
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propuesto cuenta con un kit completo el cual ya viene con cada una de las partes
indicadas y bien dimensionadas para la función de este.
Si se quisiera hacer una instalación hibrida, es decir eólica y fotovoltaica se
tiene que tomar en cuenta la tensión de los equipos, y como ya se menciono antes
no es recomendable trabajar con diferentes tensiones. En el caso del
aerogenerador su voltaje de salida es de 48V y el del panel solar es de 12V, de
acuerdo a las especificaciones de los equipos propuestos, por lo tanto el banco de
baterías debe ser individual para cada sistema.
En la figura 17 se puede ver la instalación de un sistema fotovoltaico, en
este caso los paneles se encuentran conectados en paralelo, por lo que la
corriente se duplicara. De esta manera es como se debe hacer la instalación en el
laboratorio.
La instalación de estos equipos no es complicada, pero se tiene que tomar
en cuenta cada una de las especificaciones de los componentes, es decir, no
sobredimensionar el sistema, por ejemplo, si se tiene un panel de 145W a 12V
como el de la imagen, el regulador de carga también debe trabajar a 12V, de la
misma manera las baterías y el inversor.
Figura 17. Instalación fotovoltaica aislada (propuesta para el laboratorio)
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En la figura 18 se muestra la instalación del aerogenerador, cada
componente y las características ya mencionadas en la tabla 10, el banco de
baterías se encuentra conectado en serie, de esta manera se aumenta la tensión
de este a 48 VDC.
Figura 18. Conexión del aerogenerador
La inclinación de los paneles y el colector solar es importante, ya que esta
determina si estos captan la mayor cantidad de radiación solar, la estructura de
soporte de estos debe ser diseñada para darle el ángulo óptimo. La inclinación
puede determinarse por la latitud y altitud del lugar donde se realiza la instalación
del sistema, Ecuador recibe los rayos solares de forma vertical, por lo que la
radiación solar es mucho mayor que otros lugares. Teóricamente el panel debe ser
ubicado de forma horizontal, es decir, totalmente acostado, pero el ángulo que se
tomara de referencia para la inclinación de estos sistemas es de 15°, de tal
manera que pueda auto-limpiarse por sí solo.
En la figura 19 podemos ver la instalación completa del sistema térmico que
se ubicara en el laboratorio para sus respectivas pruebas, por ejemplo, la
temperatura de este respecto a la hora del día, etc.
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Figura 19. Instalación del sistema solar térmico propuesto
3.6 Ubicación del laboratorio
El espacio para realizar las instalaciones de los equipos o sistemas ya
mencionados está ubicado en el área de ingeniería eléctrica de la universidad, el
salón 106 (figura 20 y 21), en este caso fue el ideal para lograr una instalación que
facilite y más que nada, donde los parámetros de radiación solar, las horas solares
pico, la velocidad del viento, etc. son los indicados para lograr el mejor
funcionamiento de cada sistema implementado.
El problema del espacio es que no cuenta con una base fuerte el cual
pueda sostener los diferentes equipos, por lo que se tienen que reforzar las partes
del techo del laboratorio.
Figuras 20 y 21. Espacio para la implementación del laboratorio
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3.7 Cotización de la propuesta
Gracias a proveedores locales, nacionales e internacionales es un hecho que el
laboratorio se llevara a cabo, todos los componentes o elementos ya mencionados
han sido aprobados por parte del departamento de investigación de la Universidad
Católica de Cuenca. En la cotización (tabla 11) se tomaron en cuenta otros
elementos que son necesarios para la instalación de todos los equipos o sistemas
los cuales conforman la fase 1 del laboratorio.
Tabla11. Presupuesto para laboratorio de energía renovable
ITEM DESCRIPCIÓN CANTIDAD PRECIO UNITARIO
PRECIO TOTAL
1 Panel Solar 145W-12VDC 1 315,78 315,78
2 Control de carga 10A 1 48,60 48,60
3 Bateria 12V/100A 1 243,94 243,94
4 Inversor 300W-12VDC/120V 1 49,50 49,50
5 Estructura de Soporte Panel Solar 1 180,00 180,00
6 Estructura de Soporte para captador solar térmico 1 800,00 800,00
7 Captador Solar Térmico de 300 litros con equipo de control electrónico
1 1.280,00 1.280,00
8 Sensor de Flujo Digital 1 600,00 600,00
9 Sensor de Temperatura Digital 2 105,00 210,00
10 Instalación de sistema Solar térmico 1 400,00 400,00
11 Instalación de sistema Solar fotovoltaico 1 150,00 150,00
12 Cableado para instalación solar 1 120,00 120,00
13 Accesorios de instalación térmica 1 200,00 200,00
14 Generador Eólico de 1KW 1 2.000,00 2.000,00
15 Bomba para recirculación de agua caliente 1 260,70 260,70
16 Electroválvula de 1/2" x 60psi 2 101,85 203,70
17 Estructura de Soporte eólica 1 200,00 200,00
18 Sistema de Adquisición de Datos OME-PCI-1002-L 1 419,00 419,00
19 imprevistos 1 1.200,00 1.200,00
20 Sensor de dirección y velocidad del viento 1 690,00 690,00
Total 9.571,22
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En la tabla también se muestran equipos de medición que actualmente la
universidad no cuenta con ellos, esto con la finalidad que una vez ya instalados se
puedan hacer las pruebas necesarias en los diferentes sistemas.
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Capítulo IV. Análisis teórico
4.1 Como dimensionar una instalación fotovoltaica
Existen diversos métodos de dimensionado de sistemas fotovoltaicos, de entre los
cuales, el que se expone a continuación es el que mejores resultados ofrece. Los
pasos a seguir en el dimensionado que se propone son los siguientes:
1. Estimación del consumo
La demanda de energía impone muchas características de la instalación, por lo
que en la planificación de las necesidades se debe anotar todo lo relacionado con
los diferentes aparatos eléctricos que serán la carga del sistema. Se tiene que
calcular la energía que se utiliza al día, y las horas de uso de los aparatos que
serán abastecidos por el generador.
Conocidos todos los aparatos, potencias y tiempos de uso se calculara la
energía de consumo, distinguiendo los aparatos de corriente alterna y continúa, la
expresión es:
(1)
(2)
Donde:
= Energía consumida en AC (Wh)
=Energía consumida en DC (Wh)
Pi= Potencia Nominal (W)
T= Tiempo diario de uso (h)
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Para calcular el consumo total, se tendrá en cuenta el rendimiento de las
etapas existentes aplicando la siguiente ecuación:
(3)
Donde:
= Energía real requerida por el sistema consumo (Wh)
= Rendimiento de la batería
= Rendimiento del inversor
La energía real requerida, refleja la energía que el sistema demanda en su
conjunto en un día, este es un dato importante para a la hora de dimensionar el
generador fotovoltaico.
2. Inclinación de los paneles solares
Para determinar la inclinación de un sistema fotovoltaico fijo es necesario conocer
la latitud del lugar donde se instalara, como se muestra en la tabla 12.
Tabla 12. Inclinación óptima para sistema fijo
Latitud del lugar (en grados) Ángulo de inclinación fijo
0° a 15° 15°
16° a 25° La misma latitud
26° a 30° Latitud más 5°
31° a 35° Latitud más 10°
36° a 40° Latitud más 15°
41° o más Latitud más 20°
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3. Generador fotovoltaico
Una vez que la demanda energética de la carga es conocida, se puede
dimensionar el generador fotovoltaico.
El número total de módulos fotovoltaicos que se deben instalar se puede
calcular a partir de la siguiente expresión:
(4)
Siendo:
= Energía real requerida (Wh)
= Potencia pico del módulo (W/kW/m2)
=Radiación global sobre una superficie inclinada a un ángulo (kWh/m2)
= Factor global de pérdidas (suele variar entre 0.65 y 0.9)
Conociendo el número total de paneles que forman el generador
fotovoltaico y la tensión nominal de la batería, que coincide con la tensión nominal
de la instalación, se puede determinar si es necesario agrupar los módulos en
serie y en paralelo. El número de módulos que habrá que conectar en serie se
calcula de la siguiente forma:
(5)
Donde:
= Número de módulos en serie por rama
= Tensión nominal de la batería (V)
= Tensión nominal de los módulos (V)
Y el número de ramas en paralelo a conectar para suministrar la potencia
necesaria viene dado por:
50
(6)
Siendo el número de módulos a conectar en ramas paralelo.
Los valores de , y se redondean por exceso, excepto si se
aproximan mucho a las cifras por defecto, de manera que se asegure el suministro
de potencia que demanda la instalación.
Tras estos cálculos estaría dimensionado el generador fotovoltaico tanto en
número de módulos como en la inclinación de los mismos.
4. Sistema de acumulación
Para definir el tamaño de la batería, se deberá tener en cuenta los siguientes
parámetros:
Máxima profundidad de descarga: es el nivel máximo de descarga que se
le permite a la batería antes de la desconexión del regulador para proteger
la duración de la misma. En batería estacionarias de plomo-acido un valor
adecuado de este parámetro es de 0.7.
Días de Autonomía: Es el número de días consecutivos que en ausencia
de sol, sistema de acumulación es capaz de abastecer el consumo, sin
sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la arteria. Los días de
autonomía dependen del tipo de instalación y de las condiciones climáticas
del lugar.
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La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe de ser
capaz de almacenar, para asegurar los días de autonomía. Las expresiones que
se utilizan para hallar la capacidad de la misma, tanto en Wh (Watt hora) como en
Ah (Amper hora) son:
(7)
(8)
Siendo:
= Capacidad nominal de la batería (Wh o Ah)
= Energía real requerida (Wh)
= Máxima profundidad de descarga de la batería
= tensión nominal de la batería (V)
Los periodos de autonomía cortos, alargan la vida de las baterías y dan al
sistema mayor eficiencia. La betería se eligiera de forma que aproxime al valor de
capacidad nominal calculado. Igualmente se tenderá a elegir la batería
redondeando el valor por exceso para obtener un margen de seguridad.
5. Regulador
El regulador es el elemento que controla las cargas y descargas de la batería,
permitiendo el proceso de carga de la misma desde el generador fotovoltaico y el
proceso de descarga a través de los elementos de consumo eléctrico del sistema
global.
A la hora de dimensionar un regulador, el objetivo principal es obtener la
corriente máxima que va a circular por la instalación. Por lo tanto, se habrá de
calcular la corriente que produce el generador, la corriente que consume la carga y
la máxima de estas dos corrientes será la que deba soportar el regulador en
funcionamiento.
52
La corriente de corte a la que debe actuar el regulador será fijada en el
propio dispositivo, pero ha de soportar la máxima posible que la instalación pueda
producir. La intensidad de corriente que produce el generador es la suma de las
intensidades que producen los módulos funcionando a pleno rendimiento:
; (9)
Siendo:
= Corriente producida por el generador (A)
= Corriente producida por cada rama en paralelo del generador (A)
= Número de ramas en paralelo del generador
= Potencia pico del módulo fotovoltaico (W)
= Rendimiento del módulo
= Tensión nominal de los módulos (V)
La intensidad que consume la carga se determina teniendo en cuenta todos los
consumos al mismo tiempo:
(10)
Donde:
= Corriente que consume la carga (A)
= Potencia de las cargas en DC (W)
= Tensión nominal de la batería
= Potencia de las cargas en AC (W)
De estas dos corrientes, la máxima de ambas será la que el regulador
deberá soportar, y será la que utilice para su elección.
(11)