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SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGIA SOLAR
LUIS ANGEL VARGAS MARTINEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGIA SOLAR
LUIS ANGEL VARGAS MARTINEZ
Proyecto para aplicar al título de ingeniero mecánico
Tutor
Ing. Camilo Arias Henao
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
RESUMEN
En el estudio que se realiza en este trabajo se plantea un diseño y se hace una
instalación de un sistema que funcione usando la radiación emitida por el sol, con
el fin de reducir el consumo de energía del intercambiador tierra aire “ICTA”,
teniendo en cuenta los requerimientos del sistema tales como el sistema de
acumulación, de regulación y de generación, además el diseño e instalación del
mismo permitirá a los estudiantes una herramienta para el análisis de sistema que
funciona con una energía alternativa.
ABSTRACT
I n the study performed in this paper presents a design and installation of a system
that works using the radiation emitted by the sun, in order to reduce energy
consumption exchanger ground air "ICTA" is made, taking into account the
requirements of the system such as the system of accumulation, regulation and
generation, besides the design and installation of the same allow students a tool
for analyzing system that works with an alternative energy.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 12
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................. 14
1.2 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................ 15
1.3 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 17
1.3.1 Objetivo general .............................................................................................................. 17
1.3. Objetivos específicos ......................................................................................................... 17
2. ESTADO DEL ARTE Y MARCO REFERENCIAL ............................................................. 18
2.1 Estado del arte ........................................................................................................................ 18
2.2 Marco teórico ................................................................................................................... 20
2.2.1 Manómetro de columna de líquido tubo en U ........................................................ 20
2.2.2 Módulos fotovoltaicos ............................................................................................. 21
2.2.3 Dimensionado de sistemas fotovoltaicos ....................................................................... 22
2.2.4 Ventiladores .................................................................................................................... 30
3. METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 36
4. RESULTADOS Y CÁLCULOS ............................................................................................. 38
4.1 Perdida de presión en la tubería del sistema ICTA. .............................................................. 38
4.2 Curva del sistema ................................................................................................................... 39
4.3 Selección del ventilador y estimación del consumo ............................................................. 41
4.3.1 Selección del ventilador .................................................................................................. 41
4.3.2 Estimación del consumo ................................................................................................. 44
4.4 Dimensionamiento Sub sistema de generación .................................................................... 47
4.5 Disposición de los módulos .................................................................................................... 48
4.6 Dimensionamiento del sub sistema de acumulación ........................................................... 48
4.7 Dimensionamiento del regulador – inversor ........................................................................ 49
4.8 Selección de componentes .................................................................................................... 51
5. ANÁLISIS DEL SISTEMA USANDO TRNSYS .................................................................. 51
5.1 Metodología ........................................................................................................................... 52
5.2 Matriz fotovoltaica ................................................................................................................. 53
5.3 Banco de baterías ................................................................................................................... 56
5.4 Carga (load) ............................................................................................................................ 58
5.5 Regulador – Inversor .............................................................................................................. 59
6. INSTALACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................ 60
7. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA ................................................................................ 64
8. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 67
9. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 69
INTRODUCCIÓN
Actualmente en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad
Tecnológica se encuentra instalado un intercambiador de calor tierra – aire “ICTA”
para acondicionamiento de aire, el cual se le instala una turbina, la cual es la
encargada de generar el desplazamiento volumétrico del aire. Esta instalación
tiene como finalidad mitigar la temperatura que se genera en las aulas de
computadores, por los equipos que se encuentran en funcionamiento y que están
ubicados en el bloque 4, segundo piso.
Debido a la forma de funcionamiento actual del sistema “ICTA” genera un
consumo elevado de energía, esto es debido a la potencia de la turbina que
actualmente está en funcionamiento con el sistema para poder desplazar el aire
por una tubería enterrada y de este modo aprovechar el potencial térmico del
suelo para acondicionar el aire que llega al salón y generar una sensación de
confort.
El objetivo principal del proyecto es diseñar un sistema que éste conectado en
paralelo con el actual, y además que éste funcione con energía solar, y de este
modo poder reducir el consumo que presenta el “ICTA”, ya que lo que se busca es
que el sistema automáticamente realice los cambios de conexiones entre la red
eléctrica y la energía suministrada por los paneles solares, dependiendo de la
capacidad del diseño del sistema que se busca implementar.
Se quiere implementar un sistema que funcione con energía solar, por medio de
un panel que transforma la energía solar en eléctrica y de este modo activar unos
ventiladores, cuya función es desplazar el aire que circula por el “ICTA”, y en el
momento que el sistema no pueda satisfacer la demanda de los elementos que se
le conecten, realice un cambio, y active la turbina que se encuentra conectada a la
red eléctrica, los cambios entre energía solar y energía de la red reducirán el
consumo de corriente, esto es debido a que la turbina no funcionaría con la misma
frecuencia con la que se encuentra actualmente, dado que este sistema se
encuentra activado en todo momento, y con el sistema que se desea emplear se
reducirá debido al tiempo al tiempo que se encuentre funcionando la turbina con la
energía solar.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, está
ubicado un intercambiador tierra aire “ICTA” para acondicionamiento de aire, el
cual es utilizado para satisfacer la demanda de ventilación del aula de
computación, además este funciona con una turbina que se encuentra acoplada a
un motor eléctrico, éste realiza un consumo elevado de energía debido a sus
características técnicas, ya que a la turbina actual no se le realizo un proceso de
selección solo se compró y se instaló sin realizar un proceso de selección. En
busca de aumentar el desempeño del sistema, se planea diseñar y construir, en
paralelo al sistema actual, un montaje de ventilación el cual sea alimentado por un
sistema de energía solar, y de este modo establecer un sistema que tenga un
dispositivo de acumulación para brindar un tiempo de autonomía al sistema que se
va a instalar, y que trabaje en paralelo con el sistema conectado a la red eléctrica.
1.2 JUSTIFICACIÓN
En la Universidad Distrital se encuentra instalado un intercambiador tierra aire
“ÏCTA” el cual es usado como medio de aire acondicionado para el salón de
informática. Este sistema tiene incorporada una turbina la cual se encuentra
sobredimensionada para la función que cumple el “ICTA”, este se realizó con el
objeto de poder realizar estudios relacionados con la tubería enterrada para
aprovechar el potencial térmico del suelo.
Este proyecto va a permitir una mejora al sistema que se encuentra funcionando
actualmente por medio de un sistema que aproveche la radiación solar, además
se va a realizar una contribución con la instalación de un sistema solar, con la
cual se pueden realizar estudios posteriores por docentes y estudiantes, además
las dos metas principales tanto del ejecutor como de la universidad:
Para la universidad:
Las grandes utilidades a nivel académico tanto de información como de
aplicaciones técnicas para futuros proyectos que son vitales para el desarrollo de
la Universidad ya que estas utilidades técnicas fomentan la investigación y futura
documentación para aplicaciones técnicas y profesionales cercanas.
Estos estudios fomentan a los estudiantes y a los mismos docentes a concentrar
una mayor parte de su tiempo a la investigación y desarrollo de las energías
renovables, esto con el fin de demostrar uno de los múltiples usos que se le
pueden dar a estas energías. La finalidad de este proyecto es brindar una
alternativa al sistema actual,
Para el ejecutor:
En este proceso de documentación, revisión y ejecución, las aplicaciones a las
cuales se puede dar una opinión profesional sobre análisis de aplicación de las
energías alternativas y su aplicación es muy amplia, es por eso que el impacto a
nivel profesional y a nivel técnico es bastante importarte para el ejecutor del
proyecto, dando como foco principal la aplicación de todos estos conocimientos en
el análisis de resultados y recomendaciones en el sistema desarrollado.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
Diseñar un sistema de impulsión de aire en paralelo al sistema actual, que
funcione con energía solar y energía de la red, para el intercambiador tierra – aire
“ICTA” instalado en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad
Tecnológica.
1.3. Objetivos específicos
Calcular las pérdidas de presión de la línea de ventilación actual.
Determinar el número de unidades de ventilación necesaria por línea.
Definir el montaje para la adición de los nuevos movedores de aire.
Desarrollar el montaje eléctrico y mecánico del sistema.
Desarrollar una simulación en estado transitorio del sistema conectado
al espacio.
Desarrollar pruebas de funcionamiento.
Presentar un artículo a una revista indexada en función del aporte más
significativo del trabajo.
2. ESTADO DEL ARTE Y MARCO REFERENCIAL
2.1 Estado del arte
Como antecedente a este proyecto se revisó una tesis de grado de la universidad
libre titulado “Diseño, simulación y análisis de sistema solar fotovoltaico para
suministro eléctrico en zonas rurales” cuyos autores son Andrea Alvarado y
Hernán Carvajal el cual explica lo siguiente: Como un sistema solar fotovoltaico
autónomo puede aprovechar el recurso solar disponible en una zona de estudio,
sitio de la escuela rural El Cardonal en Tibaná-Boyacá, Colombia, para el
suministro de electricidad en atención a la necesidad especial de refrigeración de
alimentos en soporte a plan nutricional para escolares pobres. Tomando los datos
de radiación en el sitio, se diseñó el sistema y se modeló mediante el software
TRNSYS, demostrando su buen funcionamiento de acuerdo a las características
de operación de la carga, las condiciones climáticas y el recurso solar disponible
en el lugar.
Otro antecedente referenciado es la tesis de grado de la Universidad Francisco
José de Caldas en el año 2009 titulado “EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE
LAS VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO” cuyo autor es Jairo Salinas el cual
explica lo siguiente: este proyecto consiste en diseñar, construir e instalar un
sistema de acondicionamiento de aire, que pueda aprovechar el potencial
energético térmico que proviene del subsuelo, y de este modo calentar o refrigerar
un aula de clase en la que se presente picos de aumento o descenso de
temperatura con los cuales se ve afectado el confort de las personas que se
encuentren en él, además este proyecto realizo una evaluación de los
comportamientos de los diferenciales de temperatura en tres sistemas de
intercambiadores de calor enterrados en la facultad tecnológica los cuales se
diferencian por sus dimensiones (longitudes y diámetros).
Otro antecedente referenciado es el proyecto de grado de la Universidad Carlos III
de Madrid en el año 2009 titulado “DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR
TÉRMICA CON APLICACIONES PARA ACS Y CALEFACCIÓN EN UN BLOQUE
DE VIVIENDAS UBICADO EN PONTEVEDRA” cuyo autor es Eduardo Martínez el
cual explica lo siguiente: consiste en cuatro bloques de viviendas formados por
siete chalets cada bloque, haciendo un total de veintiocho chalets. Cada bloque de
viviendas está separado del que tiene a continuación por una calle y una carretera
de un carril, lo que hizo plantearnos la cuestión de si dar servicio a cada bloque de
forma independiente, es decir, cuatro instalaciones independientes, o plantear una
solución común produciendo la energía en un único lugar y distribuyéndola a todos
los bloques.
Esta segunda opción se basa en crear una red de calor que estaría constituida
principalmente por:
Una central térmica exterior en donde estaría la sala de calderas,
La red de tuberías de distribución para dar servicio a cada bloque de
viviendas mediante una subestación que conectase la red de distribución
general con la red de distribución propia de cada bloque de viviendas,
Una subestación en cada bloque de viviendas que consiste en un
intercambiador de calor.
La instalación solar de cada bloque de viviendas, con sus respectivos
componentes (paneles solares, intercambiador, tanque de almacenamiento,
etc.)
Esta solución conlleva un gran coste principalmente por la construcción de la red
general de distribución, y sólo sería viable económicamente si hubiese un mayor
número de viviendas a las que dar servicio para así poder amortizarla.
La principal ventaja que se obtendría si se realizase la red de calor para obtener
una distribución centralizada es la de obtener un rendimiento más elevado en la
producción de calor, ya que toda la demanda se cubriría con una sola caldera.
Por todo ello, la solución que se ha escogido es la de diseñar la instalación solar
de forma independiente para cada bloque. Al ser obra del mismo constructor las
características constructivas son iguales para cada bloque, pudiendo realizar el
proyecto para un solo bloque y aplicarlo exactamente igual al resto.
2.2 Marco teórico
2.2.1 Manómetro de columna de líquido tubo en U
Es usado para para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El
manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas
diferencias de presión.
Si cada rama del manómetro se conecta a distintas fuentes de presión, el nivel del
líquido aumentara en la rama a menor presión y disminuirá en la otra (figura 1). La
diferencia entre los niveles es función de las presiones aplicadas y del peso
específico del líquido del instrumento. El área de la sección de los tubos no influye
en la diferencia de niveles. Normalmente se fija entre las dos ramas una escala
graduada para facilitar las medidas.
Figura 1 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado.
https://juanfrancisco207.wordpress.com/tag/presion-estatica/
2.2.2 Módulos fotovoltaicos
Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por la interconexión de
células solares dispuestas en serie y/o en paralelo de manera que la tensión y
corriente que finalmente proporcione el panel se ajusta al valor requerido.
La conexión entre células puede ir en serie y/o en paralelo, para adaptar el panel
a los niveles de tensión y corriente requeridos. Cada célula de las que compone
un panel fotovoltaico es capaz de ofrecer una tensión del orden de 0,5 voltios y
una potencia eléctrica alrededor de los 3 vatios, aunque este valor dependerá de
la superficie que mida la célula. De esta manera la potencia que pueda ofrecer un
módulo dependerá del número de células que posea, estando diseñado para el
suministro eléctrico en corriente continua (directa, DC), a un determinado voltaje
(normalmente 12 ó 24 V).
2.2.3 Dimensionado de sistemas fotovoltaicos
Para realizar una selección correcta de los componentes a instalar se debe seguir
un proceso de diseño del dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Los pasos a
seguir en el dimensionado que se propone son las siguientes:
• Paso 1. Estimación del consumo
• Paso 2. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles
• Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico
• Paso 4. Dimensionado del sistema de acumulación
• Paso 5. Dimensionado del regulador
• Paso 6. Dimensionado del inversor
2.2.3.1 Estimación del consumo
La demanda de energía impone muchas de las 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 deberá calcular la energía que se necesita diariamente. Para ello se deberá
determinar la potencia de todos los aparatos que dependerán de la instalación,
individualmente, junto con el tiempo medio de uso de cada uno de ellos. En caso
de duda, tanto la potencia como el tiempo medio de uso se deberán redondear
hacia arriba.
Conocidos todos los aparatos, potencias y tiempos de uso la expresión para
calcular la energía de consumo, distinguiendo entre los aparatos de corriente
alterna y continua será:
* EAC Pi AC tdi
𝐸𝐷𝐶 = 𝛴 𝑃𝑖(𝐷𝐶) ∗ 𝑡𝑑𝑖
Siendo:
EAC: Energía consumida en AC (Wh)
EDC: Energía consumida en DC (Wh)
Pi: Potencia Nominal (W)
tdi: Tiempo diario de uso (h)
Para calcular el consumo total, se tendrán en cuenta los rendimientos de las
etapas existentes aplicando la siguiente expresión:
/ / *ET EDC BAT EAC BAT INV
Donde:
𝐸𝑇: Energía real requerida por el sistema (consumo) (Wh)
𝜂𝐵𝐴𝑇 : Rendimiento de la batería
𝜂𝐼𝑁𝑉 : Rendimiento del inversor
La energía real requerida ET, refleja la energía que el sistema demanda en su
conjunto en un día, y es un dato importante a la hora de dimensionar el generador
fotovoltaico.
2.2.3.2 Disposición de los módulos
La disposición de los módulos fotovoltaicos, definido por su orientación e
inclinación, repercute de manera decisiva en su rendimiento. Lo ideal es emplear
módulos con seguidor que permiten en todo momento orientar los paneles
fotovoltaicos hacia el sol lo que garantiza el máximo uso de la radiación solar. Se
estima en un 40% el incremento de la potencia entregada por aquellos módulos
que emplean un sistema de seguimiento respecto a los paneles instalados fijos.
La orientación de los paneles solares será tal que éstos se dispongan siempre
"mirando" hacia el ecuador terrestre. Esto supone orientación sur para aquellas
instalaciones situadas en el hemisferio norte terrestre, y orientadas hacia el norte
para las instalaciones situadas en el hemisferio sur. No obstante, son admisibles
unas desviaciones de hasta ±20º respecto del ecuador del observador sin que se
produzcan grandes pérdidas de rendimiento.
En concreto, para las instalaciones que se sitúen en el hemisferio norte, la
orientación se define por el ángulo llamado azimut (α), que es el ángulo que forma
la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el
meridiano (orientación sur) del lugar. Toma el valor 0º para módulos orientados al
sur, -90ºpara módulos orientados al este, +90º para módulos orientados al oeste.
Figura 2 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado
http://www.salvadorescoda.com/tecnico/VE/Manual-Ventilacion.pdf
Por otro lado, el ángulo de inclinación (β) es aquel que forma la superficie del
módulo con el plano horizontal (figura2). Su valor es 0º para módulos horizontales
y 90º si son verticales
El valor de la inclinación de los paneles solares con respecto a la horizontal,
cuando se pretende que la instalación se use todo el año con un rendimiento
aceptable, coincide aproximadamente con la latitud del lugar donde se instale. Si
la instalación se usa principalmente en invierno, entonces la inclinación óptima de
los módulos sería la obtenida de sumarle a la latitud 10º. Y por el contrario, si la
instalación va a usarse básicamente en verano, la inclinación que habría que
proporcionarle a los módulos sería el resultado de restar a la latitud del lugar 20º.
Por último, si se pretende un diseño óptimo que funcione para todo el año, la
inclinación que habrá que proporcionarle al panel solar será igual a la latitud del
lugar, como se ha dicho.
2.2.3.3 Dimensionado del Generador Fotovoltaico
Una vez que la demanda energética de la carga es conocida, está en condiciones
de dimensionar el generador fotovoltaico.
El número total de módulos fotovoltaicos que se deben instalar se puede calcular a
partir de la siguiente expresión:
𝑵𝑻 = 𝑬𝑻 /𝑰𝒔𝒄, 𝒓𝒆𝒇
Siendo:
𝑁𝑇: Número total de módulos.
𝐸𝑇: Energía total requerida
𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓: Corriente de corto circuito de referencia (A).
Conociendo el número de 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 así:
𝑁𝑠 = 𝑉𝐵𝑎𝑡 / 𝑉𝑚
Donde:
𝑁𝑠 : número de módulos en serie por rama
𝑉𝐵𝑎𝑡: tensión nominal de la batería (V)
𝑉𝑚: tensión nominal de los módulos (V)
Y el número de ramas en paralelo a conectar para suministra la potencia
necesaria, viene dado por:
𝑁𝑝 = 𝑁𝑇 / 𝑁𝑠
Siendo Np el número de módulos a conectar en paralelo. Los valores de NT, Ns y
Np 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.
El ángulo de inclinación de los paneles b se calculó anteriormente con el método
del mes crítico.
Tras estos cálculos estaría dimensionado el generador fotovoltaico tanto en
número de módulos como en la inclinación de los mismos.
2.2.3.4 Dimensionado del Sistema de Acumulación (Batería)
Para definir el tamaño del acumulador, se deberán 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 baterías estacionarias de plomo-ácido un valor
adecuado de este parámetro es de 0.7, sugerido por los fabricantes.
Días de Autonomía: es el número de días consecutivos que en ausencia de sol, el
sistema de acumulación es capaz de atender el consumo, sin sobrepasar la
profundidad máxima de descarga de la batería. Los días de autonomía posibles,
dependen entre otros factores del tipo de instalación y de las condiciones
climáticas del lugar.
La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe 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 (vatios hora) como en Ah
(amperios hora) son:
𝐶𝑛 (𝑊ℎ) = 𝐸𝑇 ∗ 𝑁 /𝑃𝑑
Siendo:
𝐶𝑛: capacidad nominal de la batería (Wh ó Ah)
ET: Energía real requerida (Wh)
N: Número de días de autonomía del sistema
Pd: Máxima Profundidad de descarga de la batería
VBat: tensión nominal de la batería (V)
Es importante señalar que los periodos de autonomía cortos como lo son el uso de
la batería por algunas horas, alargan la vida de las baterías ya que no se estarían
descargando hasta su punto máximo y dan al sistema mayor fiabilidad.
La batería se elegirá de forma que se aproxime al valor de capacidad nominal Cn
calculado. Igualmente se tenderá a elegir la batería redondeando el valor Cn por
exceso para obtener mejor margen de seguridad.
2.2.3.5 Dimensionado del 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.
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:
𝐼𝐺 = 𝐼𝑅 · 𝑁𝑅 𝐼𝑅 = 𝑃𝑝 · ℎ𝑚 / 𝑉𝑚
Siendo:
IG: Corriente producida por el generador (A)
IR: Corriente producida por cada rama en paralelo del generador (A)
NR: Número de ramas en paralelo del generador
Pp: Potencia Pico del módulo fotovoltaico (W)
hm: Rendimiento del módulo
Vm: Tensión nominal de los módulos (V)
La intensidad que consume la carga se determina teniendo en cuenta todos los
consumos al mismo tiempo:
𝐼𝐶 = 𝑃𝐷𝐶 / 𝑉𝑏𝑎𝑡 + 𝑃𝐴𝐶 /110V
Donde:
IC : Corriente que consume la carga (A)
PDC: Potencia de las cargas en DC (W)
Vbat: Tensión nominal de la batería (V)
PAC: Potencia de las cargas en AC (W)
De estas dos corrientes, la máxima será la que el regulador deberá soportar, y
será la que se utilice para su elección.
𝐼𝑅 = 𝑚𝑎𝑥 (𝐼𝐺, 𝐼𝐶)
2.2.3.6 Dimensionado del Inversor
Las características de funcionamiento que definen un inversor o convertidor DC –
AC son:
Potencia Nominal (kW)
Tensión Nominal de Entrada (V)
Tensión Nominal de Salida (V)
Frecuencia de operación (HZ)
Rendimiento (%)
La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será
siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas
tensiones continuas dentro de un determinado rango. Ese rango suele ser de un
15 %.
El valor de la tensión nominal es un dato de referencia dentro del intervalo de
actuación que sirve para identificar el tipo de convertidor.
A la hora de dimensionar el inversor se tendrá en cuenta la potencia que demanda
la carga AC, de forma que se elegirá un inversor cuya potencia nominal sea algo
superior a la máxima demandada por la carga. Sin embargo, se debe evitar el
sobredimensionamiento del inversor para tratar de hacerlo trabajar en la zona
donde presenta mejores eficiencias.
Se puede resumir la potencia del inversor con esta expresión
𝑃𝑖𝑛𝑣 » 𝑃𝐴𝐶
2.2.4 Ventiladores
Para mover el aire a través de una extracción localizada o un sistema de
ventilación general de un local es necesario aportar energía para vencer las
pérdidas de carga del sistema. En la gran mayoría de los casos el aporte de
energía proviene de máquinas denominadas ventiladores aunque, en algunos
casos, la ventilación se puede realizar por convección natural sin el uso de los
ventiladores.
Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del
aire en la industria. Su funcionamiento se basa en la entrega de energía mecánica
al aire a través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía
cinética del fluido, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Se
dividen en dos grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores
centrífugos.
2.2.4.1 Ventiladores axiales
En los ventiladores axiales, el movimiento del flujo a través del rotor, con álabes o
palas de distintas formas, se realiza conservando la dirección del eje de éste.
Se usan para mover grandes cantidades de aire en espacios abiertos; como la
resistencia al flujo es muy baja, se requiere generar una presión estática pequeña,
del orden de los 5 a 25 milímetros de columna de agua (mmcda). Debido a esto, la
principal aplicación de los ventiladores axiales se encuentra en el campo de la
ventilación general y se los conoce con el nombre de extractores o inyectores de
aire. Sin embargo, este tipo de ventiladores, cuando se los construye con álabes
en forma de perfil de ala y de paso variable, llegan a generar alturas de presión
estáticas del orden de los 300 milímetros de columna de agua (mmcda) y se los
usa en aplicaciones diversas.
2.2.4.2 Ventiladores centrífugos
En estos ventiladores el aire ingresa en dirección paralela al eje del rotor, por la
boca de aspiración, y la descarga se realiza tangencialmente al rotor, es decir que
el aire cambia de dirección noventa grados (90 °).
Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los ventiladores
axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de columna de agua
(mmcda) y son los empleados, mayormente, en los sistemas de ventilación
localizada.
El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el mismo de las
bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que posee 3 una serie de
paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que giran aproximadamente
entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura.
2.2.4.3 Selección de ventiladores
La selección de un ventilador consiste en elegir aquel que satisfaga los requisitos
de caudal y presión con que debe circular el aire, para la temperatura de la
operación y la altitud de la instalación y además se debe determinar su tamaño, el
número de revoluciones a las que debe girar el rotor, la potencia que debe ser
entregada a su eje, el rendimiento con el que funciona, la disposición de la
transmisión, el ruido generado, etc. Los fabricantes de los ventiladores
proporcionan la información necesaria para realizar una correcta selección.
2.2.4.4 Punto de trabajo
La curva característica del ventilador depende solamente del ventilador, y puede
variar si el ventilador funciona a una velocidad de rotación distinta.
Sin embargo, hay que considerar que un ventilador puede funcionar moviendo
distintos caudales y comunicándoles distintas presiones, de tal forma que todos
los puntos posibles de funcionamiento se hallen representados sobre la curva. En
la figura 2 está representada la curva característica de un ventilador, en la figura 3
se pueden ver curvas diferentes. Cada una de ellas representa un valor distinto y
su lectura se realiza con las diferentes escalas que están a la izquierda, tres están
relacionadas con la presión que da el ventilador para distintos caudales (son las
denominadas Pt, Pe, Pd), se puede observar que a descarga libre, es decir
cuando la presión estática (Pe) es nula el ventilador suministra el máximo caudal.
Para saber exactamente en qué condiciones funcionará el ventilador, se debe
conocer la curva resistente de la instalación, es decir, la curva que relaciona la
pérdida de carga de la instalación con el caudal que pasa por ella.
Se puede encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador
simplemente superponiendo las curvas características del ventilador y resistente
del conducto según se indica en la figura 4.
Figura 3 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado
http://www.salvadorescoda.com/tecnico/VE/Manual-Ventilacion.pdf
Figura 3 Curva del ventilador y del sistema (2012). Recuperado de
http://www.salvadorescoda.com/tecnico/VE/Manual-Ventilacion.pdf
En la figura anterior se puede observar 3 gráficas, en los cuales se indica el
comportamiento del sistema, curva característica de un ventilador, y el resultado
de la unión de las dos gráficas.
Se puede comprobar que la pérdida de carga de una conducción varía
proporcionalmente con el cuadrado del caudal según la fórmula:
𝑃2 = 𝑃1 ∗ (𝑄2
𝑄1)
2
por lo que, para encontrar la característica resistente y una vez hallada la pérdida
de carga inicial (P1) a un determinado caudal (Q1), bastará con suponer un
segundo caudal (Q2), para hallar un segundo punto de la curva (P2). Si fuese
necesario se podrían suponer más caudales con los que se hallarían, siempre
para la misma instalación, nuevos puntos de pérdida de carga. Uniendo todos los
puntos encontrados se representará la característica resistente de la instalación
estudiada.
La intersección entre la curva del ventilador y la característica resistente de la
instalación nos dará el punto de trabajo.
2.2.4.5 Tablas con características de los ventiladores
Algunos fabricantes dan a conocer el funcionamiento de los ventiladores mediante
sus curvas características.
También los fabricantes suelen presentar la información referida a los
ventiladores, mediante una serie de tablas en las que se indican el tamaño de
éstos, el caudal y la presión requeridos por el sistema y a partir de estos datos de
obtienen la velocidad de giro y la potencia consumida. En las tablas se indican,
como ya se ha dicho, la caída de presión total o la caída de presión estática del
ventilador, expresadas en milímetros o pulgadas de columna de agua o también
se suelen expresar las presiones en pascales (N/m2).
Las tablas están definidas para el aire en condiciones estándares (21 °C y 1 atm)
que presenta una densidad de 1,2 kg/m^3. Si las condiciones reales son diferentes
a los estándares, se debe realizar una corrección.
En el caso de la altura de Bogotá se usan tablas de propiedades termodinámicas1,
en las cuales se puede aproximar el valor de la densidad del aire para una altura
de 2630 msnm2.
Es habitual que las tablas se presenten como tablas de múltiple entrada y en cada
una de ellas se indican las características de un ventilador de un tamaño
determinado.
3. METODOLOGÍA
Para realizar la evaluación del sistema de acondicionamiento del sistema de aire
en primera instancia se realizó una planeación de actividades a desarrollar para
alcanzar los objetivos propuestos.
Primero se realizó un estudio del sistema de aire acondicionado actual empleado
en la sala de computación “ICTA”, al revisar el sistema instalado se observa un
deterioro del equipo (figura 5), además no tenía un funcionamiento constante por
1 Yunus cengel. Termodinámica (séptima edición), tabla de propiedades A16 (propiedades de la atmosfera a gran altitud). 2 https://www.udistrital.edu.co/universidad/colombia/bogota/caracteristicas/
falta de mantenimiento, se enciende y se realiza seguimiento por 1 mes para
garantizar un funcionamiento adecuado y datos coherentes del sistema.
Cuando el intercambiador tierra aire (ICTA) se encuentra con un funcionamiento
constante, se procede a la toma de datos, como presión estática y caudal, para la
selección de la turbina que se conectara en paralelo con la existente.
Figura 5. Sistema ICTA instalado en la universidad distrital facultad tecnológica junio del
2012
El primer dato a conseguir es la perdida de presión en el interior de la tubería, la
cual se obtiene por medio de un manómetro de tubo en U, con el cual se mide la
presión estática a la entrada del sistema, y a la salida que se encuentra ubicada
en el aula de computación.
Cuando se obtuvieron los datos de la presión estática del sistema se procede a
calcular las pérdidas del sistema usando la diferencia de presión de la entrada y
salida, posterior mente con los datos obtenidos de la perdida de presión del
sistema se procede a calcular el ventilador centrifugo que se utilizaría, luego de
obtener estos datos se calcula el caudal necesario para que el sistema realice los
cambios de aire en el salón, enseguida se selecciona el motor que se encuentra
acoplado al ventilador, ya que este es elemento que coloca la restricción de la
carga para la selección de los elemento que componen el circuito fotovoltaico.
Luego de seleccionar el ventilador se calcula los elementos que componen el
circuito fotovoltaico, como panel solar, regulador de corriente, inversor de
corriente, sistema de almacenamiento (banco de baterías). Ya que se deducen los
datos se seleccionan los componentes, luego de tener los elementos
seleccionados se realiza una simulación usando el software trnsys, por medio de
este programa realizamos una simulación en estado transitorio para poder realizar
una evaluación del comportamiento del sistema que se quiere implementar.
Al finalizar la parte teórica, en la cual se calcula el sistema fotovoltaico, se procede
a realizar la compra de los componentes que se van a instalar (ventilador, paneles,
regulador, inversor, baterías, elementos estructurales, sistema eléctrico). En el
momento que estén comprados los elementos se instalan se conectan y se coloca
el sistema en funcionamiento.
4. RESULTADOS Y CÁLCULOS
4.1 Perdida de presión en la tubería del sistema ICTA.
Para iniciar se tomó la presión estática en la salida del ventilador y la presión en la
salida de los ductos del salón de computación, usando un montaje de tubo en U y
teniendo en cuenta la variación de altura del fluido en mmca (figura1):
𝑃𝐸𝑒 = 60𝑚𝑚𝑐𝑎 𝑃𝐸𝑠 = 11𝑚𝑚𝑐𝑎
∆𝑷𝑬 = 𝑷𝑬𝒆 − 𝑷𝑬𝒔 (𝟏)
∆𝑃𝐸 = (60 − 11)𝑚𝑚𝑐𝑎 = 49𝑚𝑚𝑐𝑎
El sistema actual se diseñó para que realizara 4 cambios hora3, y para que esto
fuera posible se instaló un motor el cual impulsa el aire con una velocidad
aproximada de 30 m/s, por una tubería de ∅ = 4” a la entrada de la tubería, con
estos datos obtenemos el caudal necesario para que se realicen los cambios de
aire en el salón de computación.
∅ = 4" = 0.1016𝑚; 𝑟 = 0.0508𝑚
𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑟2 = 𝜋 ∗ 0.05082 = 0.0081073196𝑚2
𝑉 = 30𝑚
𝑠: = 108000
m
h
𝑄1 = 𝐴 ∗ 𝑉 (2)
𝑄1 = 0.0081073196 ∗ 108000 = 875.6(𝑀3
𝐻)
4.2 Curva del sistema
Para poder seleccionar el ventilador que se va a instalar en el sistema primero se
debe saber cuál es el comportamiento del mismo, para esto se analiza la curva
característica del sistema, es decir la curva que relaciona la perdida de carga de la
instalación con el caudal que pasa por ella.
3 Dato obtenido: Moreno Ruiz Diego Fernando, Orta Orozco Luis Jorge. Evaluación del desempeño de
un sistema de acondicionamiento de aire mediante tubos enterrados horizontales en un recinto de la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. Universidad distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica. Tesis de grado 2012.
En el momento que se obtienen los datos se dibuja una grafica por medio de
ecuación 3, en la cual se usa el caudal que ya se conoce Q1, y se estima un Q2
para poder hallar P2.
𝑃2 = 𝑃1 (𝑄2
𝑄1)
2
(3)
Q1: Caudal de aire conocido.
P1: Variación de presión estática entre la entrada y salida del sistema.
Q2: Caudal de aire a suponer.
P2: Variación de presión estática con un Q2.
El punto de trabajo del ventilador se utiliza como datos iniciales para dibujar la
gráfica:
Q1=900m^3/H
P1=49 mmca
Q2
(M^3/H)
100
200 300 400 500 600 700 800 900 (Q1)
P2
(mmca)
0.605 2.420 5.444 9.679 15.123 21.778 29.642 38.716 49 (Pe)
En la figura 6 se observa el incremento de las pérdidas expresadas en presión
estática a medida que el caudal aumenta hasta llegar al punto de trabajo, por lo
que el ventilador que se seleccione debe tener la capacidad de cumplir con estos
requerimientos.
Figura 6. Curva del sistema
4.3 Selección del ventilador y estimación del consumo
4.3.1 Selección del ventilador
Para la selección del ventilador se coloca la gráfica de un ventilador que cumpla
los requerimientos de trabajo sobre la gráfica del sistema, luego se comparan para
saber si la gráfica del ventilador seleccionado pasa por el punto de trabajo que se
requiere (las gráficas son suministradas por el proveedor de los equipos).
Para la selección del equipo se usa un programa recomendado por el proveedor
en Colombia de la empresa Sodeca4, con el cual es posible realizar la
4 SODECA QuickFan Selector (versión 1.11.0.0) [software].(2014):http://www.sodeca.com/es/software Sodeca.
0.62.4
5.4
9.7
15.1
21.8
29.6
Punto de trabajo 49.0;900
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
100 200 300 400 500 600 700 800 900
Pre
sio
n e
stat
ica
P2
mm
ca
Caudal de aire M^3/H
Curva del sistema
comparación de los equipos, y el proveedor5 se encarga de homologar y
suministrar el equipo seleccionado.
Por medio de SODECA QuickFan Selector se puede identificar las curvas de los
mismos y compararlas con la curva de comportamiento del sistema. Para realizar
este proceso se necesita la presión estática del sistema y el caudal que debe
suministrar, usando estos valores en el programa se obtiene la siguiente gráfica:
Figura 7. Curva del sistema y de distintos ventiladores, proporcionadas por el proveedor
5 Tornado de Colombia (2016). Consultado http://www.tornadodecolombia.com/
En la figura anterior, se observa la gráfica de distintos ventiladores que trabajan
con los datos del punto de trabajo, cuando se tienen varios equipos que cumplan
con las condiciones dadas se tiene en cuenta otros factores para el momento de la
selección, como dimensiones, peso, y costo. Para este caso el valor del equipo fue
un factor decisivo para escoger el ventilador, por esta razón el equipo que mejor
cumple los requerimientos de diseño y costo es el número 3 y sus datos son los
siguientes:
Código
(# 3)
Ref. Caudal
(m^3/h)
Potencia
(Hp)
Rpm Costo
(Cop)
VCR-M-T7 T7 900 1/2 3600 873.132
Código
(# 2)
Ref. Caudal
(m^3/h)
Potencia
(Hp)
Rpm Costo
(Cop)
Código
(# 1)
Ref. Caudal
(m^3/h)
Potencia
(Hp)
Rpm Costo
(Cop)
4.3.2 Estimación del consumo
4.3.2.1 Radiación solar disponible
Para el diseño de instalaciones fotovoltaicas, y con el fin de poder evaluar la
energía que puede producir la instalación en cada mes de año, se define el
concepto de número de horas de sol pico (HSP) del lugar en cuestión, y que
representa las horas de sol disponibles a una hipotética irradiancia solar constante
de 1000 W/m2.
Para este caso en particular se va a emplear la base de datos de la “atmospheric
data center” para obtener los valores de irradiación diaria para la localización del
lugar elegido (universidad distrital facultad tecnológica Bogotá-Colombia), y se
obtienen los siguientes datos:
Datos suministrados por https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-
bin/sse/retscreen.cgi?email=rets%40nrcan.gc.ca&step=1&lat=4.580039711768288&lon=-
74.15731251239777&submit=Enviar
MES Radiación solar diaria
(kWh/m2/d)
Enero 4.86
Febrero 4.83
Marzo 4.91
Abril 4.65
Mayo 4.72
Junio 4.83
Julio 5.00
Agosto 5.07
Septiembre 5.03
Octubre 4.70
Noviembre 4.60
Diciembre 4.60
Promedio anual 4.82
La carga eléctrica definida para el sistema solar fotovoltaico, está compuesta por
el ventilador centrifugo, de 372.85 W (1/2 Hp), el cual va a impulsar aire por los
tubos del ICTA, por decisión del autor está destinado a usarse entre las 6 pm y
las 8 pm. El anterior valor no tiene en cuenta las pérdidas localizadas en los
componentes y equipos situados entre los generadores solares, el dispositivo
regulador, las baterías y el inversor o convertidor de corriente.
A continuación se indica los rendimientos considerados para cada uno de los
dispositivos anteriores:
Rendimiento regulador ηREG; baterías ηBAT; inversor ηINV = 0.90;
El consumo estimado diario se determinó por la potencia del equipo durante las 2
horas de funcionamiento.
𝑪𝒆𝒅 = 𝑷𝒗 ∗ 𝒕/𝜼 = 𝟖𝟐𝟖. 𝟓𝟔 (𝑾𝒉) ⁄ 𝒅í𝒂 (𝟒)
La energía diaria DC equivalente fue dada por el factor de eficiencia en la
inversión y la carga estimada en AC.
Fac - dc = 1,2
𝐸𝑑𝑐 = 𝐶𝑒𝑑 ∗ 𝐹𝑎𝑐 − 𝑑𝑐 (5)
𝐸𝑑𝑐 = 828.56 ∗ 1.2 = 994.27𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎
Se considera un pico de carga del motor monofásico como máximo de un 300%, ya que el
motor debe vencer la inercia, y en esta fase el equipo puede consumir hasta un 3 veces el
valor de la potencia nominal, de esta forma el factor de arranque del motor seria:
𝐹𝑎 = 300% = 3
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑛𝑚 ∗ 𝐹𝑎 (5)
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 372.85 ∗ 3 = 1118.55 𝑊
La energía diaria (Ecuación 6) se determinó por la carga estimada en DC y el
voltaje del sistema establecido para todos los elementos en 12 V).
𝐸𝑑 = 𝐸𝑑𝑐/𝑉𝑜𝑝 (6)
𝐸𝑑 =924.27
12= 77.02
𝐴ℎ
𝑑𝑖𝑎
La carga total diaria, es la relación entre la energía diaria y el de seguridad por
pérdidas en todos los elementos.
FS = 1,2
𝐸𝑇 = 𝐸𝑑 ∗ 𝐹𝑠 (7)
𝐸𝑇 = 77.02 ∗ 1.2 = 92.42𝐴ℎ
𝑑𝑖𝑎
4.4 Dimensionamiento Sub sistema de generación
Para las características de los módulos fotovoltaicos, se determinó la corriente
máxima del sistema solar fotovoltaico (Ecuación 8), en relación a la carga total
diaria de corriente y a las horas de sol pico disponible.
HSP=4.6
𝐼𝑝 = 𝐸𝑡/𝐻𝑆𝑃 (8)
𝐼𝑝 =92.42
4.6= 20.1𝐴
Se consideraron paneles solares, de tipo mono cristalinos, debido a que este
material proporciona un rendimiento energético más alto y una mayor duración
respecto a los módulos que emplean otro tipo de materiales; adicionalmente las
celdas de silicio mono cristalino son las más usadas a nivel mundial.
De acuerdo a las especificaciones del fabricante poseen siguientes valores de
potencia, voltajes y corriente.
Pref = 150 W
Vref = 12 V
Isc,ref =9.59 A
Vmp,ref = 18 V
Imp,ref = 8.34 A
El número de módulos solares fotovoltaicos en paralelo necesarios para generar la
energía requerida se estableció como el valor entero más próximo al resultado de
la relación entre la corriente pico del sistema y la corriente de operación del panel.
𝑁𝑃 =𝐼𝑝
𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓 (9)
𝑁𝑃 =20.1
9.59= 2.12
4.5 Disposición de los módulos
La orientación correcta de los módulos para que obtengan un mayor rendimiento
seria mirando hacia el ecuador, en este caso mirando hacia el sur, debido al lugar
disponible para la instalación se van a dejar mirando hacia el norte, y con una
inclinación aproximada de 15 grados, esto se debe a la sombra que produce el
edificio del bloque 3-4 y que provocaría una pérdida de rendimiento del sistema.
4.6 Dimensionamiento del sub sistema de acumulación
Debido a que el sistema funciona actualmente con energía de la red y para efectos
de estudio se considera un tiempo de funcionamiento de 2 horas con una
autonomía de 1 día (ND=1), ya que la autonomía depende de la capacidad de
generación, y de las baterías, lo que incrementaría los costos al momento de
definir la cantidad y los requerimientos de los equipos.
Se determinó la capacidad del banco de baterías de acuerdo a la carga total diaria
de corriente y a los días de reserva (ecuación 10).
𝑄𝐵 = 𝐸𝑇 ∗ 𝑁𝐷 (10)
𝑄𝐵 = 92.42 ∗ 1 = 92.42 𝐴ℎ
Para evitar descargas profundas en el acumulador y que esto reduzca la vida útil
de las baterías, se estipuló una profundidad de descarga máxima del 50%.
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 0.5
Por lo tanto, la capacidad total del sistema de acumulación (Ecuación 11), fue
establecida por la capacidad del banco de baterías, considerando la profundidad
de descarga es
𝑄𝑇 =𝑄𝐵
𝑄𝑚𝑎𝑥 (11)
𝑄𝑇 =92.42
0.5= 184.84 𝐴ℎ
Para obtener dicha capacidad diseñada de acumulación se tuvo en cuenta que
cuando un sistema solar fotovoltaico requiere más de una batería, es necesario
realizar con estas una configuración serie y/o paralelo, en donde los acumuladores
deben ser del mismo tipo, con la misma capacidad e idéntico potencial eléctrico
(UPME, 2003). Por lo tanto se estimaron dos baterías, cada una con una
capacidad de 150 Ah a 12V
4.7 Dimensionamiento del regulador – inversor
Para que el Regulador-Inversor pueda manejar la potencia requerida por la carga
sin forzar el equipo, la capacidad de este, debe ser mayor que la potencia máxima
de la carga que produce el generador y la máxima carga de consumo, la mayor de
las dos es la potencia de referencia.
𝐼𝐺 = 𝐼𝑅 · 𝑁𝑅 𝐼𝑅 = 𝑃𝑝 · ℎ𝑚 / 𝑉𝑚 (12)
𝐼𝐺 =𝑃𝑝 ∗ ɳ𝑚
𝑉𝑚=
150 ∗ 0.15
12= 1.875𝐴
𝐼𝐶 = 𝑃𝐷𝐶 / 𝑉𝑏𝑎𝑡 + 𝑃𝐴𝐶 /110 (13)
𝐼𝐶 =0
12+
372.85
110= 3.4𝐴
𝑃𝑟𝑒𝑔 > 𝐼𝑐, 𝑚𝑎𝑥
Por lo tanto se estimó la potencia del Regulador- Inversor como:
𝑃𝑟𝑒𝑔 = 1000𝑊 𝑦 2000𝑊 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜
En la figura 6 se muestran las características de los elementos requeridos para el
sistema solar fotovoltaico de acuerdo al diseño calculado.
Figura 6. Diagrama de coneccion del sistema fotovoltaico (2016)
4.8 Selección de componentes
Para realizar la selección de los componentes se utilizan los datos que se obtienen
al momento de calcular el sistema fotovoltaico, para este diseño son los
siguientes:
Potencia pico del panel 150 W
Capacidad de las baterías 150 Ah (2 baterías)
Capacidad del regulador 3.4 A
Potencia del inversor 1 Kw
Al momento de cotizar los elementos a nivel comercial, disponibilidad los
elementos y costo, se obtienen los siguientes elementos:
2 paneles de 150W
2 Baterías de 150 Ah
1 Regulador de 20A
1 Inversor con capacidad de 1 KW (2 Kw potencia pico)
5. ANÁLISIS DEL SISTEMA USANDO TRNSYS
Se desarrolló un modelado mediante el software TRNSYS en el cual, se generó un
perfil de simulación que recreó las condiciones de funcionamiento del sistema y de
la carga eléctrica de acuerdo a la radiación solar incidente. Exhibió el
comportamiento que presentaría el modelo solar fotovoltaico proyectado,
demostrando la bondad del sistema para satisfacer las necesidades eléctricas
básicas del sistema “intercambiador tierra aire ICTA”.
5.1 Metodología
Usando la interfaz simulation estudio se puede realizar una gran variedad de
simulaciones de análisis energético, por medio de su biblioteca de componentes,
cada una de las cuales modela el rendimiento de una parte del sistema. La
biblioteca estándar incluye aproximadamente 150 modelos que van desde bombas
a edificios multizona, turbinas eólicas a electrolizadores, procesadores de datos
meteorológicos a rutinas económicas. Los modelos se construyen de tal manera
que los usuarios pueden modificar los componentes.
Figura 7. Modulo del sistema transitorio desarrollado en TRNSYS V17
Se generó una plataforma de simulación mediante el software TRNSYS 17, donde
para este modelado, se emplearon los types definidos como el archivo climático
TYPE 109, los paneles solares TYPE 94a, el regulador – inversor TYPE 48d, el
banco de baterías TYPE 47b, la carga TYPE 14h y módulos del TYPE 57,
necesarios para realizar acoples entre parámetros de diferentes modelos. (Figura
7).
5.2 Matriz fotovoltaica
El TYPE 94a, modeló los módulos solares fotovoltaicos de silicio mono cristalinos
mediante un seguimiento al punto de máxima potencia. Empleó ecuaciones para
un tipo de circuito equivalente empírico que predijo las características de corriente
y voltaje de un solo panel y luego las extrapoló para predecir el rendimiento de una
matriz multi-módulo (TRNSYS 17-Mathematical Reference, 2012).
Teniendo en cuenta la corriente de corto circuito entregada por el fabricante para
cada módulo fotovoltaico, se estableció la corriente de corto circuito del arreglo
fotovoltaico (ecuación 14).
𝐼𝑠𝑐𝑇 = 𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝑁𝑃 (14)
𝐼𝑠𝑐𝑇 = 9.59 ∗ 2 = 19.18𝐴
La corriente en el punto máxima potencia de la matriz fotovoltaica (ecuación 15),
está definida por la corriente en el punto de máxima potencia según las
condiciones de referencia y el número de paneles conectados en paralelo.
𝐼𝑚𝑝𝑇 = 𝐼𝑚𝑝, 𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝑁𝑃 (15)
𝐼𝑚𝑝𝑇 = 8.34 ∗ 2 = 16.68𝐴
El comportamiento de voltaje y corriente, a la salida del arreglo de módulos
fotovoltaicos, se presenta en la Figura 8.
El programa permite realizar el análisis en distintos periodos de tiempo (días,
semanas, meses), para este caso se decide tomar un periodo de una semana
(168 horas), ya que este rango de tiempo es suficiente para tener una idea clara
del comportamiento de los equipos.
Al analizar la información se observa que el día con mayor radiación solar fue el
quinto, donde el punto máximo de voltaje se encontró a las 9 horas. En este
instante, el voltaje de circuito abierto es 21.16 V, muy próximo al voltaje de circuito
abierto establecido por el fabricante.
Figura 8. Compotamiento voltaje y corriente
En este día, debido a que el sistema modelado efectúa un seguimiento al punto de
máxima potencia, el voltaje en el punto de máxima potencia se encontró a las 8
horas del quinto día (hora 104 de simulación) presenta un valor de 16.89V, el cual
corresponde al voltaje de en el punto de máxima potencia según las condiciones
de referencia . Y la corriente en el punto de máxima potencia para este instante de
tiempo equivale a 4.991A.
Teóricamente, la potencia de salida en la malla fotovoltaica (Ecuación16), está
dada por la potencia para un módulo solar (especificada por el fabricante) y el
número de paneles conectados en paralelo.
𝑃𝑟𝑒𝑓𝑇 = 𝑃𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝑁𝑃𝑃 (16)
𝑃𝑟𝑒𝑓𝑇 = 150 ∗ 2 = 300 𝑊
De acuerdo al resultado del modelado, la potencia generada por el arreglo de
módulos fotovoltaicos para las 168 horas que comprenden los días analizados, se
observa en la Figura 9, donde la variación de potencia tiene variaciones
dependiendo de la hora del día y es nula cuando no hay radiación solar (noches).
Teóricamente, la potencia máxima que se puede conseguir a la salida del arreglo
de paneles solares (Ecuación 17), es obtenida por los valores de voltaje y
corriente de máxima potencia del quinto día a las 14 horas (hora 110 de
simulación).
𝑃𝑚𝑎𝑥, 110ℎ = 𝐼𝑚𝑝, 110ℎ ∗ 𝑉𝑚𝑝, 110ℎ (17)
𝑃𝑚𝑎𝑥, 110ℎ = 15.39𝑉 ∗ 18.66𝐴 = 287.18𝑊
El comportamiento del arreglo de módulos fotovoltaicos es optimista ya que los
resultados arrojados concuerdan con los de diseño. La potencia máxima
entregada tiene una eficiencia del 95.73% en relación con el valor de la potencia
máxima teórica, determinada de acuerdo a los parámetros del fabricante.
Figura 9. Potencia generada por los paneles solares
5.3 Banco de baterías
El modelo matemático del acumulador describió la relación entre el voltaje, la
corriente y el estado de carga. El TYPE 47b es un modelo de una batería de
plomo-ácido, que operó conjuntamente con la malla fotovoltaica y con
componentes de acondicionamiento de potencia, los cuales funcionan con la
energía generada por los paneles solares y el sistema de acumulación (baterías)
El comportamiento de voltaje a la salida del banco de baterías durante el ciclo de
carga se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Comportamiento del sistema de acumulación (baterías)
El voltaje máximo de carga Charge., se mantuvo constante en 15 V, muy cercano
al valor estimado como voltaje máximo para cargar el acumulador VB. La tensión
mínima de descarga Discharge, también muestra un comportamiento permanente
en 10.8 V.
El voltaje de operación, presentó 3 estados de carga durante cada día. Durante la
primera etapa, el voltaje aumentó hasta alcanzar 13.02V el punto de saturación,
en este momento el acumulador llega al 100 % de carga, y es entonces cuando el
regulador reduce el paso de tensión a la batería.
Para el segundo periodo, el acumulador se mantuvo en estado de carga total, el
regulador de voltaje conservó este lapso de tiempo suministrando continuamente
13.1 V, hasta el momento en que fue necesario abastecer a la carga por parte de
la batería.
En la última fase, el regulador permitió la descarga del acumulador en un valor
levemente mayor a 11.83 V, este periodo se mantuvo hasta que la potencia
generada por los módulos solares pudo recargar nuevamente la batería.
5.4 Carga (load)
Para el modelo de la cargas se genera un perfil de encendido De acuerdo a los
requerimientos eléctricos del motor, teniendo en cuenta el tiempo en el cual va a estar
encendido.
Diariamente el tiempo en el cual la instalación esta Inactiva, desde las 0 horas hasta
las 16 y desde las 18 horas hasta 24 horas. El tiempo de actividad se genera desde
las 16 hasta las 18 horas, para realizar las actividades anteriores se generó un perfil
de tiempo en el cual el sistema se encuentra en funcionamiento cuando la gráfica
indica 1, cuando indica 0 el sistema no está activo o esta solo generando (figura 10).
Grafica 2. Función de tiempo en la cual enciende motor eléctrico
5.5 Regulador – Inversor
En esta subrutina se analizó en forma general el comportamiento de todo el
sistema, debido a que el Regulador-Inversor distribuye la energía a través de los
elementos que lo conforman.
La Figura 11 presenta la salida de potencia del Regulador- Inversor desde o hacia
la batería (cuando la potencia aumenta, indica el paso de energía en dirección al
acumulador y cuando esta disminuye el regulador controla la descarga de la
batería).
Durante las horas del día en que se presentó radiación solar, la potencia generada
por el arreglo fotovoltaico fue enviada desde el regulador para abastecer la carga.
Figura 12. Comportamiento a la salida del regulador
Cada mañana de acuerdo a la potencia excedente generada por los paneles
solares, el acumulador comenzó a ser recargado (figura 12). A las 16 horas,
cuando aumenta el requerimiento de potencia durante periodo de actividad del
sistema se genera el consumo desde las baterías, en este momento la potencia
del sistema fotovoltaico es muy bajo el acumulador se convierte en la única fuente
de alimentación para la carga, este proceso se repite cada vez que se genera la
demanda de energía.
6. INSTALACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
El lugar que se definió para la instalación del sistema es sobre el lugar donde ya
se encuentra instalado el “ICTA”, por facilidad para la instalación y por disposición
de espacio.
Lo primero es realizar una limpieza de la caseta para poder disponer de espacio
para la instalación de los componentes (figura 13)
Figura 13. Limpieza a caseta del ICTA.
Antes Ahora
En el momento que el espacio se encuentra en óptimas condiciones se procede a
realizar la instalación, esta consiste en colocar una estructura sobre la caseta
actual que sea capaz de soportar el peso de los paneles y además que oriente los
paneles al lugar deseado (figura 14).
Cuando la estructura ya está lista se procede a realizar el montaje del ventilador
que va a funcionar en paralelo con el sistema que ya se encuentra instalado
(figura 15).
Figura 14. Estructura para soportar los paneles universidad distrital facultad tecnológica
(2016)
Figura 15. Instalación ventilador que funciona con paneles solares
Antes
Después
Cuando se tiene lista la estructura y acoplado el ventilador con el sistema se
instala el circuito eléctrico, el cual es el encargado de realizar los cambios entre el
ventilador actual y el que se instala con los paneles por medio de un temporizador,
y de este modo manejar los tiempos de funcionamiento que se acordaron (figura
16).
Figura 16. Tablero eléctrico de control del ICTA
Antes
Despues
Para finalizar se colocan los paneles fotovoltaicos en la estructura, además se
aprovecha para aplicar pintura a la caseta del sistema, ya que la que tenia se
encontraba en pésimas condiciones, en las figura 17-18 se puede observar el
sistema que se encontraba instalado y el sistema actual.
Figura 17. Estado inicial de la caseta del ICTA.
Figura 18. Estado actual de la caseta del ICTA
7. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA
Usando un piranómetro (instrumento meteorológico utilizado para medir la
radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra) se mide la radiación sobre
el sistema ya instalado durante 1 día en intervalos de tiempo, en la figura 19 se
observan los datos obtenidos.
La cantidad de energía disponible se obtiene por medio de la ecuación 18
. . * . 18P disponible V disponible V C disponible A .
Figura 19. Datos del sistema instalado duran un periodo de 9 horas
Hora del día
Radiación
(W/m2)
Voltaje
generado
(V)
Corriente
generada
(A DC)
Potencia
generada
(W)
Voltaje
disponibl
e (V)
Corriente
disponible
(A)
Potencia
disponible
(W)
9:00 a.m. 904 19.7 7.5 147.75 13.6 2.5 34
9:30 a.m. 900 18.6 4.3 79.98 14 3.1 43.4
10:00 a.m. 1004 13.6 1.3 17.68 13.1 1 13.1
10:30 a.m. 1097 20.3 10.4 211.12 13.9 6.3 87.57
11:00 a.m. 1218 17.4 4.3 74.82 13.4 3.8 50.92
11:30 a.m. 1224 18.3 10.9 199.47 13.4 4.7 62.98
12:00 p.m. 1440 19.6 12.2 239.12 14 9.9 138.6
12:30p.m. 427 13.6 7.2 97.92 13.6 6.8 92.48
1:00 p.m. 1251 17.1 12.3 210.33 14 10.5 147
1:30 p.m. 1266 17.3 12.8 221.44 13.7 10.7 146.59
2:00 p.m. 1326 17.4 8.6 149.64 14 8.2 114.8
2:30 p.m. 842 15.4 9.3 143.22 13.9 8.8 122.32
3:00 p.m. 877 14.5 6.3 91.35 13.2 6 79.2
3:30 p.m. 624 14.1 59.22 13.4 3.6 48.24
4:00 p.m. 451 13.9 2.6 36.14 13.1 1.9 24.89
4:30 p.m. 265 13.7 2.4 32.88 13.6 2.3 31.28
5:00 p.m. 50.9 13.1 0.8 10.48 13 0.6 7.8
5:30 p.m. 23.8 12.6 0.4 5.04 12.9 0.2 2.58
6:00 p.m. 23.4 12.5 0.1 1.25 12.1 0.1 1.21
Al comparar los datos de la figura 19 y figura 20 con los obtenidos por medio del
software en la figura 8 (en un periodo de 24 horas), se observar que las
variaciones no son significativas. Respecto al voltaje el comportamiento depende
de la capacidad de generación de los paneles, y de la radiación, el voltaje que
está suministrando los módulos es muy parecido al que arroja el software.
Figura 20. Radiación disponible y voltaje generado en un periodo de 9 horas. Fuente del autor.
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V
Rad
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on
en
W/m
^2
Hora del dia
Radiación (W/m2) Voltaje generado (V)
Como se puede observar en la tabla anterior el rendimiento del sistema instalado
varía en cada intervalo de tiempo, debido a distintos factores como la radiación,
debido a que dependiendo de la época del año la posición del sol varia y la
radiación directa hacia los paneles no es la misma afectado la cantidad de energía
estos proveen, perdidas del sistema, estas se deben a la eficiencia de los equipos
instalados, y sombra generada por edificios.
8. CONCLUSIONES
Una vez completado el desarrollo del proyecto, en este capítulo se expondrán las
conclusiones generales que se obtuvieron a lo largo de la investigación en la cual
se calcula y se instala un sistema fotovoltaico, el cual sirve para disminuir la
demanda eléctrica del “ICTA”.
Debido al sistema actual instalado, se decide optar por 1 ventilador que
impulsara el aire desde la entrada, hasta el salón de computación, ya que
instalar más de 1 por tramos necesitaría una adecuación extra al sistema
donde se instalen, además de la acometida necesaria para su conexión y
de mantenimiento a más equipos.
La turbina del sistema ICTA tiene un ventilador centrifugo que se encuentra
conectado a la red eléctrica, y tiene un consumo de 1.5 Hp, para mejorar
estas condiciones se realizó un proceso de selección del ventilador, por
medio un punto de trabajo y teniendo en cuenta criterios como costos,
dimensiones, punto de trabajo, se encuentra un equipo con un consumo de
0.5 HP, que se encuentra en funcionamiento por un periodo de 2 horas y de
este modo se aprovechar la energía solar emitida por los paneles.
La autonomía del sistema depende de la cantidad de paneles solares y la
capacidad de almacenamiento del sistema de acumulación, en el desarrollo
del proyecto se evidencio que para un tiempo de 2 horas para la carga
estipulada (1/2 Hp), se requieren 2 baterías de 150 Ah, las cuales tienen un
costo promedio de 600 000 COP, dependiendo del proveedor, además los
paneles solares deben tener la capacidad de generación para proveer al
sistema de acumulación la cantidad de energía necesaria en el menor
tiempo posible.
El análisis en estado transitorio realizado en el módulo de TRNSYS
SIMULATION STUDIO de TRNSYS V17, permitió determinar el
comportamiento del sistema fotovoltaico, durante un periodo de tiempo
seleccionado de 1 semana (168 horas), los resultados obtenidos
permitieron evidenciar el comportamiento del sistema con los elementos
escogidos, en las figuras 8, figura 9, figura 10 y figura 12.
Durante las pruebas de funcionamiento (9 horas) en las cuales había
radiación disponible se observa un comportamiento similar a los resultados
observados en el análisis de estado transitorio que se obtuvieron por medio
del programa TRNSYS y se pueden evidenciar en la figura 20.
9. BIBLIOGRAFIA
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