cálculo y diseño de un sistema solar fotovoltaico autónomo que
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO, QUE GENERA 5KW. TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO GUILLERMO XAVIER GUZÑAY SÁNCHEZ [email protected] Director: Ing. José Luis Paladines 2013 DECLARACIÓN Yo, Tnlgo. Guillermo Xavier Guzñay Sánchez, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Universidad Católica de Cuenca puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y la normatividad institucional vigente. Tnlgo. Guillermo Xavier Guzñay Sánchez I CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Tnlgo. Guillermo Xavier Guzñay Sánchez bajo mi supervisión. Ing. José Luis Paladines DIRECTOR II AGRADECIMIENTOS Agradezco en primer lugar a Dios por haberme dado la fuerza y la sabiduría de tomar decisiones correctas para poder culminar esta etapa de mi vida, a mis padres que fueron en todo este tiempo mi pilar fundamental, mi apoyo y quienes siempre supieron guiarme y darme su confianza en todas las adversidades que se presentaron durante mi vida de estudiante, a mi hijo Nicolás que siempre ha sido mi inspiración para alcanzar este peldaño de mi vida profesional, de igual manera agradezco a todos mis amigos de la universidad y al Ing. José Luis Paladines quien fue la guía para la elaboración de este trabajo de investigación, gracias a todos. III DEDICATORIA Dedico este trabajo de investigación a mis padres Sergio Guzñay e Hilda Sánchez por darme la oportunidad de prepararme y ser profesional en esta vida, a mi hijo Nicolás ya que tú has sido mi fuerza y mi inspiración para alcanzar esta nueva etapa de mi vida y lograr todos mis propósitos, a mis hermanas que confiaron en mí y me brindaron su apoyo moral, este trabajo va para todos ustedes. IV ÍNDICE DE CONTENIDOS DECLARACIÓN ........................................................................................................................I CERTIFICACIÓN ..................................................................................................................... II AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ III DEDICATORIA ....................................................................................................................... IV ÍNDICE DE CONTENIDOS ..................................................................................................... V LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... X LISTA DE TABLAS ............................................................................................................. XIII LISTA DE ANEXOS ............................................................................................................ XIV RESUMEN ............................................................................................................................. XV ABSTRACT .......................................................................................................................... XVI I. ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL ECUADOR Y DEL MUNDO ...................................... - 1 1.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL SECTOR ENERGÉTICO MUNDIAL. .......................... - 1 1.2 PARTICIPACIÓN DE LA ENERGÍA RENOVABLE EN EL CONSUMO MUNDIAL DE ENERGÍA PRIMARIA. .................................................................................................. - 2 1.3 ENERGÍAS PRIMARIAS EN EL ECUADOR. ............................................................. - 3 1.4 ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL ECUADOR. ............................................................... - 4 1.5 ANÁLISIS DE LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL ECUADOR. ...................... - 5 1.6 LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL ECUADOR. .......................................... - 6 - 1.6.1 SITUACIÓN ACTUAL. .............................................................................................. - 6 - II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA. ............................................................................................................... - 9 2.1 RADIACIÓN SOLAR..................................................................................................... - 9 2.1.1 EL SOL. ........................................................................................................................ - 9 2.1.2 RADIACIÓN SOLAR................................................................................................ - 10 2.1.2.1 La radiación directa: ................................................................................................ - 10 2.1.2.2 La radiación difusa: ................................................................................................. - 11 2.1.2.3 La radiación reflejada: ............................................................................................. - 11 2.1.2.4 La radiación global: ................................................................................................. - 11 V 2.1.3 RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE. .......................................................... - 11 2.1.4 POSICIONAMIENTO SOLAR RELATIVO. ........................................................... - 12 2.1.5 IRRADIACIÓN EFICIENTE EN EL PANEL FOTOVOLTAICO. .................... - 13 2.1.6 MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR. ............................................................. - 14 2.1.6.1 Medida de la radiación directa. ............................................................................... - 14 2.1.6.2 Medida de la radiación global y difusa. ................................................................... - 14 2.1.6.3 Medida de la radiación infrarroja. ........................................................................... - 15 2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ....................................................................... - 15 2.2.1 ENERGÍA SOLAR. ................................................................................................... - 15 2.2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. .................................................................... - 16 2.2.3 EL EFECTO FOTOELÉCTRICO. ............................................................................. - 17 2.2.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS................................................................................... - 19 2.2.4.1 Proceso de fabricación. ............................................................................................ - 19 2.2.4.2 Partes de una celda fotovoltaica. ............................................................................. - 21 2.2.4.3 Principio de funcionamiento.................................................................................... - 21 2.3 PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO. ........................................................................... - 23 2.3.1 ESTRUCTURA. ......................................................................................................... - 24 2.3.2 TIPOS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. ............................................................. - 25 2.3.2.1 Tipos de paneles en función de los materiales. ....................................................... - 25 2.3.2.1.1 Panel solar de silicio puro monocristalino............................................................ - 25 2.3.2.1.2 Panel solar de silicio puro policristalino. ............................................................. - 25 2.3.2.2 Tipos de paneles en función de su forma. ............................................................... - 26 2.3.2.2.1 Paneles con sistemas de concentración. ............................................................... - 27 2.3.2.2.2 Paneles de formato teja o baldos. ......................................................................... - 27 2.3.2.2.3 Paneles bifaciales. ................................................................................................. - 28 2.4 TIPO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.................................................................. - 28 2.4.1 SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS AISLADOS O TIPO ISLA. .............. - 28 2.4.2 SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS O DE CONEXIÓN A RED PÚBLICA. .................................................................................................................. - 29 2.4.2.1 Centrales fotovoltaicas. ........................................................................................... - 29 2.4.2.2 Sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias. ..................................................... - 29 III. SELECCIÓN DE LOS COMPONENETES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. ............. - 30 3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. ................................ - 30 VI 3.1.1 GENERADOR FOTOVOLTAICO. ........................................................................... - 31 3.1.1.1 Protecciones en los generadores fotovoltaicos mediantes diodos. ......................... - 31 3.1.1.1.1 Diodos de paso. .................................................................................................... - 31 3.1.1.1.2 Diodos de paso en campos de módulos fotovoltaicos. ......................................... - 32 3.1.1.2 COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO. .................................... - 34 3.1.1.2.1 La intensidad aumenta con la radiación: .............................................................. - 34 3.1.1.2.2 La exposición al sol de las células provoca su calentamiento: ............................. - 34 3.1.1.2.3 El número de células por módulo afecta principalmente al voltaje:..................... - 34 3.1.1.3 HPS (HORAS SOLARES PICO). ........................................................................... - 35 - 3.1.2 REGULADOR DE CARGA. ..................................................................................... - 35 3.1.2.1 Regulación de la intensidad de carga. ..................................................................... - 37 3.1.2.2 Indicadores de estado, del sistema fotovoltaico. ..................................................... - 37 3.1.3 INVERSOR DE VOLTAJE. ...................................................................................... - 38 3.1.3.1 Características generales de inversores. .................................................................. - 38 3.1.3.2 Tipos de inversores. ................................................................................................. - 39 3.1.3.2.1 Inversores de onda cuadrada................................................................................. - 39 3.1.3.2.2 Inversores de onda sinusoidal modificada. ........................................................... - 40 3.1.3.2.3 Inversor de modulación de ancho de pulso (pwm). .............................................. - 41 3.1.4 ACUMULADORES DE ENERGÍA. ......................................................................... - 42 3.1.4.1 Tipos de acumuladores de energía........................................................................... - 42 3.1.4.1.1 Baterías OPzS. ...................................................................................................... - 42 3.1.4.1.2 Baterías de plomo-ácido. ...................................................................................... - 43 3.1.4.1.3 Baterías de níquel-cadmio. ................................................................................... - 44 3.1.4.1.4 Baterías de ión litio. .............................................................................................. - 45 3.1.4.2 Bancos de baterías. .................................................................................................. - 45 3.1.4.2.1 Conexión en serie. ................................................................................................ - 45 3.1.4.2.2 Conexión en paralelo. ........................................................................................... - 46 3.1.4.2.3 Conexión serie-paralelo. ....................................................................................... - 47 3.1.5 CARGAS ELÉCTRICAS. .......................................................................................... - 47 3.1.6 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN. ........................................................................... - 48 3.1.6.1 Interruptores automáticos magnetotérmicos. ........................................................... - 48 VII 3.1.6.2 Fusibles. ................................................................................................................... - 49 3.1.6.3 Puesta a tierra........................................................................................................... - 50 3.1.7. CABLES Y ACCESORIOS. ..................................................................................... - 51 3.1.7.1 Cables. ..................................................................................................................... - 51 3.1.7.2. Accesorios. ............................................................................................................. - 52 3.1.7.2.1 Cajetines de conexión. .......................................................................................... - 52 3.1.7.2.2 Tomacorrientes y enchufes. .................................................................................. - 52 3.1.7.2.3 Tableros de conexión. ........................................................................................... - 53 - IV. CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. ..................................................................................................... - 54 4.1 INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................ - 54 4.2 ASPECTOS QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA PARA REALIZAR EL DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO. ...................................................... - 54 4.2.1 EN REFERENCIA AL SISTEMA CAPTADOR: ..................................................... - 54 4.2.2 EN REFERENCIA A LA ESTRUCTURA:............................................................... - 54 4.2.3 EN REFERENCIA AL SISTEMA ACUMULADOR: .............................................. - 54 4.2.4 EN REFERENCIA AL SISTEMA REGULADOR: .................................................. - 55 4.3 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO. ................................ - 55 4.3.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA. .............................................................................. - 55 4.3.2 TENSIÓN DE TRABAJO DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA (Vtr). . - 57 4.3.3 HORA SOLAR PICO (HSP)...................................................................................... - 57 4.3.4 NÚMEROS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. ..................................................... - 58 4.3.4.1 Números de paneles en serie. .................................................................................. - 58 4.3.4.2 Números de paneles en paralelo. ............................................................................. - 58 4.3.5 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. ....... - 58 4.3.6 CAPACIDAD DEL BANCO DE BATERIAS (CB). ................................................ - 59 4.3.6.1 Número máximo de días de autonomía. .................................................................. - 59 4.3.6.2 Profundidad de descarga máxima. ........................................................................... - 59 4.3.7 NÚMERO DE BATERÍAS (Nb). ............................................................................. - 59 4.3.7.1 Número de baterías en serie..................................................................................... - 60 4.3.7.2 Número de baterías en paralelo. .............................................................................. - 61 4.3.8 DETERMINACIÓN DEL REGULADOR DE CARGA. .......................................... - 61 VIII 4.3.9 DETERMINACIÓN DEL INVERSOR. .................................................................... - 61 4.3.9.1 La tensión nominal de entrada. ................................................................................ - 61 4.3.9.2 El rango de tensión de entrada. ................................................................................ - 61 4.3.9.3 La potencia nominal. ............................................................................................... - 61 4.3.9.4 La potencia pico....................................................................................................... - 62 4.3.9.5 Eficiencia. ................................................................................................................ - 62 4.3.10 SECCIÓN DEL CONDUCTOR. ............................................................................. - 62 4.4 CÁLCULO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. .............................................................................................................. - 63 4.4.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA. .............................................................................. - 63 4.4.2 TENSIÓN DE TRABAJO DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA (Vtr). . - 64 4.4.3 HORA SOLAR PICO (HSP)...................................................................................... - 64 4.4.4 NÚMEROS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. ..................................................... - 65 4.4.4.1 Números de paneles en serie. .................................................................................. - 65 4.4.4.2 Números de paneles en paralelo. ............................................................................. - 66 4.4.5 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. ....... - 66 4.4.6 CAPACIDAD DEL BANCO DE BATERIAS (CB). ................................................ - 66 4.4.7 NÚMERO DE BATERÍAS (Nb). ............................................................................. - 67 4.4.7.1 Número de baterías en serie..................................................................................... - 67 4.4.7.2 Número de baterías en paralelo. .............................................................................. - 68 4.4.8 DETERMINACIÓN DEL REGULADOR DE CARGA. .......................................... - 68 4.4.9 DETERMINACIÓN DEL INVERSOR. .................................................................... - 70 4.3.10 SECCIÓN DEL CONDUCTOR. ............................................................................. - 71 - CONCLUSIONES ............................................................................................................... - 73 RECOMENDACIONES ..................................................................................................... - 75 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ - 76 - IX LISTA DE FIGURAS Fig. 1 Distribución de la demanda mundial de energía, 1990-2010……………………….. - 1 Fig. 2 Tasa de crecimiento global de producción de energía renovable, 2006-2011…….. - 2 Fig. 3 Matriz energética del Ecuador a partir de 2007 – 2020…………………………… - 3 Fig. 4 Generación eléctrica nacional por tipo de central……………………………………- 4 Fig. 5 Cobertura alcanzada en el sector rural………………………………………………. - 6 Fig. 6 Cobertura alcanzada en el sector urbano-marginal…………………………………. - 7 Fig. 7 Monto asignado por tipo de proyecto, periodo 1998-2009…………………………. - 7 Fig. 8 El Sol………………………………………………………………………………... - 9 Fig. 9 Radiación Directa, Difusa y Reflejada…………………………………………….. -10Fig. 10 Variación de la distancia entre la Tierra y el Sol…………………………………. -11Fig. 11 Posicionamiento solar relativo…………………………………………………….. -12Fig. 12 Ángulo de montaje óptimo de un panel fotovoltaico sin sistema de rastreo…….. -13Fig. 13 Pirheliómetro de primera clase Kipp-Zonen……………………………………… -14Fig. 14 Piranómetro Kipp-Zonen…………………………………………………………. -15Fig. 15 Pirgeómetro Eppley………………………………………………………………. -15Fig. 16 Energía Solar Fotovoltaica……………………………………………………….. -16Fig. 17 El efecto fotoeléctrico……………………………………………………………. -17Fig. 18 El efecto fotoeléctrico……………………………………………………………... -18Fig. 19 El efecto fotoeléctrico……………………………………………………………. -19Fig. 20 Oblea de silicio monocristalino…………………………………………………. -20Fig. 21 Partes de una celda fotovoltaica………………………………………………….. -21Fig. 22 Funcionamiento de una celda fotovoltaica………………………………………. -22Fig. 23 Panel solar fotovoltaico…………………………………………………………. -23Fig. 24 Partes de un panel solar fotovoltaico…………………………………………….. -24Fig. 25 Panel solar formado con células de silicio monocristalino………………………. -25X Fig. 26 Panel formado con células de silicio policristalino………………………………... -26Fig. 27 Panel formado con sistemas de concentración……………………………………. -27Fig. 28 Paneles de formato teja………………………………………………………….. -28Fig. 29 Paneles bifaciales……………………………………………………………….. -29- Fig. 30 Componentes de un sistema solar fotovoltaico…………………………………. -30Fig. 31 Generador fotovoltaico…………………………………………………………. -31Fig. 32 Esquema del modo de funcionamiento de un diodo de paso…………………… -32- Fig. 33 Diodos de paso en grupos conectados en paralelo……………………………… -32- Fig. 34 Diodos de paso en grupos conectados en serie…………………………………. -33- Fig. 35 Diagrama HPS (horas de pico solar)……………………………………………. -35Fig. 36 El regulador de carga…………………………………………………………….. -36Fig. 37 El inversor solar…………………………………………………………………… -38Fig. 38 Circuitos de conversión de señales DC a onda cuadrada……………………….. -39Fig. 39 Circuitos de conversión de señales DC a onda cuadrada………………………. -40- Fig. 40 Puente H multinivel para generación de ondas sinusoidales…………………….. -40Fig. 41 Onda sinusoidal modificada producida por un puente H…………………………. -41Fig. 42 Configuración de inversor PWM de tres niveles y su correspondiente onda en la salida……………………………………………………………………………………… -41Fig. 43 Batería OPz……………………………………………………………………….. -42Fig. 44 Componentes de una batería plomo-ácido abierta………………………………… -43Fig. 45 Partes de una batería de Niquel-Cadmio…………………………………………. -44Fig. 46 Batería de Ión Litio para sistemas fotovoltaicos………………………………… -45Fig. 47 Conexión de baterías en serie……………………………………………………. -46Fig. 48 Conexión de baterías en paralelo…………………………………………………. -46Fig. 49 Conexión de baterías en serie-paralelo…………………………………………… -47Fig. 50 Corte lateral de un interruptor automático magneto térmico……………………. -48Fig. 51 Fusible……………………………………………………………………………. -49XI Fig. 52 Partes de un fusible………………………………………………………………. -49Fig. 53 Puesta a tierra común…………………………………………………………… -50- Fig. 54 Tipos de cajetines para conexiones fotovoltaicas…………………………………. -52Fig. 55 Toma corriente y enchufe polarizados……………………………………………. -53Fig. 56 Tablero de conexión para sistemas fotovoltaicos………………………………… -53- XII LISTA DE TABLAS TABLA 1 Promedio de la radiación de la provincia del Azuay…………………………- 64TABLA 2 Características eléctricas del panel fotovoltaico ATERSA A-250P…………..-65TABLA 3 Características de los acumuladores de marca SUMSOL de tipo MONOBLOCK AGM (Absorbent Glass Mat) y de modelo Victron AGM 12/220……………………….-66TABLA 4 Características del regulador de marca SUMSOL de tipo PHOCOS y de modelo SPS24D-300…………………………………………………………………………… -69TABLA 5 Características del inversor de marca OUTBACK de tipo VFX3024e……….-70- XIII LISTA DE ANEXOS ANEXO A ........................................................................................................................... - 78 GLOSARIO DE PALABRAS ............................................................................................. - 78 ANEXO B ........................................................................................................................... - 79 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO ....................................... - 79 ANEXO C ........................................................................................................................... - 80 PANEL FOTOVOLTAICO DE MARCA ATERSA MODELO A-250P. ......................... - 80 ANEXO C ........................................................................................................................... - 82 ACUMULADORES DE MARCA SUMSOL, TIPO MONOBLOCK AGM (ABSORBENT GLASS MAT), MODELO VICTRON AGM 12/220 ......................................................... - 82 ANEXO E ............................................................................................................................ - 83 REGULADOR DE CARGA DE MARCA SUMSOL TIPO PHOCOS SPS24D-300 ....... - 83 ANEXO F ............................................................................................................................ - 84 INVERSOR DE MARCA OUTBACK DE TIPO VFX3024E, ......................................... - 84 ANEXO G .......................................................................................................................... - 86 MAPAS CON LA INSOLACION GOBAL DEL ECUADOR .......................................... - 86 - XIV RESUMEN En este trabajo de investigación se realiza un cálculo de un sistema fotovoltaico autónomo que genera 5KW, en el mismo se establece una forma simplificada de cálculo para obtener todos los elementos necesarios con su rendimiento óptimo para la generación de la energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos autónomos están conformados por una serie de elementos, los mismos que se encuentran interconectados entre sí, para de esta manera poder proporcionar la energía eléctrica necesaria a una determinada carga. Uno de sus elementos más importantes son los módulos fotovoltaicos, ya que al momento de elegirlos debemos ser cuidadosos y elegir los de mayor rendimiento, ya que estos son la clave para que el sistema de generación eléctrica funcione correctamente y se pueda obtener la energía necesaria para el sistema. Algo que se debe tomar en cuenta también en un sistema fotovoltaico, es el número de baterías, las mismas que se determinarán dependiendo de la cantidad de energía que es consumida por la carga y de los días de autonomía que pueden afectar al sistema, días en los que el generador no pueda entregar su potencia máxima debido a la baja incidencia de los rayos solares. Por lo que, este tipo de batería deberá tener un rendimiento alto para su uso, por lo que se recomienda que este tipo de baterías sean AGM (Aggegated Glass Mat) o de tipo VRLA (Gel battery, Pb-ácido), ya que estas nos brindan alta confiabilidad para el sistema por ser de tecnología sellada. En nuestro país se trata de implementar los sistemas solares fotovoltaicos autónomos para brindar un servicio básico como es la energía eléctrica, a la población que no cuente con el mismo, ya sea porque la red pública se encuentra a grandes distancias del lugar o simplemente porque no existe energía eléctrica en el sector, y lo más adecuado es la utilización de este tipo de sistema. También este sistema de generación eléctrica ayuda a la conservación del medio ambiente, y así mismo produce energía eléctrica de una manera limpia, evitando de esta manera la contaminación del medio ambiente al momento de la generación, utilizando como único combustible para la producción de su energía, las radiaciones solares emitidas por el Sol, las cuales serán inagotables por muchos años más, y de las cuales goza todo el mundo. Palabras clave: Fotovoltaico, autónomo, sistema, generar, cálculo, energía renovable. XV ABSTRACT In this research work a calculation of a standalone photovoltaic system generates 5KW, in the same establishing a simplified form of calculation to obtain all the necessary elements at its optimum performance for generating electricity. Autonomous photovoltaic systems are formed by a series of elements, which are themselves interconnected, to thereby be able to provide the necessary electrical energy to a given load. One of its most important elements are the PV modules, and that when we choose them to be careful and choose the top performers, since these are the key to power generation system works properly and can get the energy needed to the system. Something that should be taken into account in a photovoltaic system, is the number of batteries, the same that will be determined depending on the amount of energy that is consumed by the load and the days of autonomy that can affect the system, days that the generator can not deliver full power due to the low incidence of sunlight. So this type of battery should have high throughput for use, so it is recommended that these batteries are AGM (Glass Mat Aggegated) or VRLA (Gel battery, Pb-acid), as these we provide high reliability for the system to be sealed technology . In our country it is to implement autonomous photovoltaic solar systems to provide basic services such as electricity, to the population that does not have it, either because the public is located at great distances from the place or simply because they power exists in the industry, and most optable is the use of this type of system. Also this power generation system helps to preserve the environment, and so it produces electricity in a clean, thus preventing contamination of the environment at the time of generation, using as the only fuel for the production of their energy , solar radiation emitted by the Sun, which will be inexhaustible for many years, and which enjoys worldwide. Keywords: Photovoltaic, autonomous, system, generate calculation photovoltaic, renewable energy. XVI I. ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL ECUADOR Y DEL MUNDO 1.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL SECTOR ENERGÉTICO MUNDIAL. El aumento de la población, ha generado un incremento en cuanto a la demanda energética mundial, y con ello el uso de energía eléctrica se ha incrementado exponencialmente, por lo que la disponibilidad de fuentes de energía en particular, en estado líquido se está agotando rápidamente. Para poder abastecer toda la demanda de energía eléctrica que se necesita en la actualidad para esta sociedad, se ha buscado nuevos procesos para generar energía eléctrica, uno de ellos es por medio de energía renovable, ya que con la ayuda de este tipo de generación se tratará de evitar una crisis energética y un deterioro ambiental irreversible. Al analizar la situación de las energías primarias a nivel mundial, regional y nacional, surge el concepto de la matriz energética. La matriz energética, nos muestra un balance energético mundial, el cual es un registro del flujo de energía (oferta y demanda) y sus procesos, en un periodo definido. La energía, a nivel mundial es obtenida de los recursos naturales; tales como el Sol, energía geotérmica, eólica, hidráulica, biomasa, combustibles fósiles, radioactivos, etc. Fig. 1 Distribución de la demanda mundial de energía, 1990-2010 [1] [1] International Energy Agency.2012.World Energy Balances. -1- Como se observa en la figura, la oferta total de energía primaria en el mundo (OTEP), en el año 2010, fue de 12,715 millones de toneladas de petróleo (Mtpe), de las cuales 13,3% (1,685.7 Mtpe) fueron producidas de las fuentes renovables de energía. Desde el año de 1990 hasta el 2010, las energías renovables se han ido incrementado en un promedio de 2,9%, aportando de esta manera en un 19.4% en la generación eléctrica mundial. En varios países del mundo, tales como es el caso de Alemania, España, Dinamarca, Estados Unidos, Brasil, India y China, desde hace dos épocas se ha ido incrementando el empleo de energía renovables, las cuales han sido impulsadas por una serie de factores, de los cuales los más destacados han sido las preocupaciones de soberanía y de seguridad en el abasto de energía en países importadores, la alta volatilidad de los precios de los combustibles de origen fósil, las preocupaciones por los impactos ambientales de los sistemas energéticos, en particular el cambio climático, y la caída en precio de las tecnologías renovables como resultado del desarrollo tecnológico. 1.2 PARTICIPACIÓN DE LA ENERGÍA RENOVABLE EN EL CONSUMO MUNDIAL DE ENERGÍA PRIMARIA. La producción mundial de energía renovable entre 2006 y 2011, se ha incrementado entre 17% y 58% paulatinamente. En este periodo, la energía solar fotovoltaica, creció de una manera acelera en un 58% en su capacidad instalada, ubicándose por primera vez en la unión Europea como la mayor cantidad de nueva capacidad eléctrica instalada, más que ninguna otra tecnología. Fig. 2 Tasa de crecimiento global de producción de energía renovable, 2006-2011 [2] [2] International Energy Agency.2012.World Energy Balances. -2- En la figura anterior se observa, otro tipo de energías, como la solar termoeléctrica que aumentó casi un 37%. Mientras la producción de biocombustibles fue variada, manteniéndose estable el etanol con un incremento no muy significativo con el biodiesel en el 2011. 1.3 ENERGÍAS PRIMARIAS EN EL ECUADOR. El Ecuador es un país altamente dependiente de combustibles fósiles, los mismos que son utilizados para la generación eléctrica, transporte y otros fines, también el contrabando de combustibles y la exportación casi nula de los derivados del petróleo, son algunos de los aspectos que hacen que nuestro país no tenga una adecuada matriz energética. Para rectificar la matriz energética que conllevaba nuestro país desde años atrás, el gobierno ecuatoriano ha puesto en marcha diferentes proyectos eléctricos. Estos proyectos eléctricos están enfocados a la construcción de proyectos hidroeléctricos y de energía renovable, de los cuales, algunos proyectos ya están en funcionamiento y aportando al país con la energía eléctrica que producen. Entre algunos de estos proyectos eléctricos podemos mencionar: Coca Codo Sinclair ubicado en las provincias de Napo (Cantón El Chaco) y Sucumbíos (Cantón Gonzalo Pizarro), Sopladora ubicado entre las provincias de Azuay y Morona Santiago, Villonaco ubicado en la provincia de Loja, Agoyán ubicado en la provincia de Tungurahua (Rio Pastaza), Mazar Dudas ubicado en la provincia del Cañar (cantón Azogues), Quijos ubicado en la provincia de Napo, Toachi Pilató ubicado en los límites de las provincias de Pichincha, Santo Domingo de los Tsáchilas y Cotopaxi, Apaquí ubicado en la provincia de Carchi, entre otros proyectos, muchos de ellos ya están en funcionamiento y otros se encuentran en su parte final. Fig. 3 Matriz energética del Ecuador a partir de 2007 - 2020 [3] [3] Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) -3- En la figura se muestra la matriz energética del Ecuador a partir del año 2007 con una proyección hasta el año 2020, en la cual la producción de energía eléctrica fue del 43% en el 2007, y se espera que con el implemento de los proyectos eléctricos mencionados anteriormente, la generación de energía eléctrica aumente hasta un 80% hasta el año 2020 y se pueda minimizar el impacto ambiental por el uso de combustibles fósiles. 1.4 ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL ECUADOR. Como se mencionó anteriormente, el Ecuador es uno de los países con más dependencia de hidroelectricidad en su matriz energética. La primera central hidroeléctrica que se construyó en el país es la represa Daniel Palacios, más conocida como la hidroeléctrica Paute en 1976, que hasta el presente constituye la más grande e importante del Ecuador. La central en operación se denomina Molino y se compone de dos fases (A-B y C). También en el año 2005, aparecieron otras fuentes de energía renovable, tales como los sistemas fotovoltaicos, los cuales eran apoyados por proyectos internacionales dedicados al desarrollo de localidades remotas, y la instalación de turbinas eólicas en San Cristóbal, Galápagos. Fig. 4 Generación eléctrica nacional por tipo de central. [4] Otros sistemas fotovoltaicos que se han instalado en estos tiempos especialmente en el Archipiélago de Galápagos tenemos: el proyecto fotovoltaico en la isla Floreana el cual se encuentra en operación desde el 2006 y genera 21kWp, el parque fotovoltaico Puerto Ayora en la isla Santa Cruz el cual también se encuentra en operación desde 2012 generando [4] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) -4- 1,5MWp, el Sistema Hibrido en la isla Isabela que también se encuentra en operación desde el 2013 generando 1MWp, y el parque fotovoltaico Baltra que se encuentra en operación desde el 2013 y genera 0,3MWp. Nuestro país, cuenta también con un sistema de generación termoeléctrica basada en la combustión de biomasa renovable, como es el caso de la azucarera San Carlos, la cual es uno de los proyectos emblemáticos del país, y su generación se realiza a base de bagazo. Dicho proyecto cuenta con una potencia de 28MW y puede generar 64,8GWh/año, aportando tan solo con 1,7% de energía eléctrica a la matriz energética del Ecuador en el año 2011. 1.5 ANÁLISIS DE LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL ECUADOR. Para incrementar la electrificación en las zonas rurales, se están empleando tecnologías renovables, las cuales nos permiten el suministro eléctrico a través de sistemas aislados o autónomos (sin conexión a red pública eléctrica) de una manera sencilla y menos costosa. Existen muchas circunstancias por lo que las zonas rurales no son abastecidas con energía eléctrica de la red pública, entre las cuales tenemos la lejanía y los bajos niveles de población, en los cuales resulta más viable colocar sistemas fotovoltaicos que son más sencillos de colocar y generar energía eléctrica y sobre todo son menos costosos, en lugar de hacer una extensión de red pública que nos resultaría con un precio sumamente alto. Por lo general, la electrificación rural descentralizada, es aquella que no se encuentra conectada a una red pública, por las circunstancias mencionadas en los artículos anteriores, por lo que se basa en la instalación de sistemas autónomos, los mismos que la mayoría de veces son ejecutados usando sistemas de energía fotovoltaica (FV), eólica, mini-hidráulica y biomasa en los hogares rurales. Existen una serie de características comunes que son muy importantes sobre la tecnología renovable basada en sistemas aislados o mini redes; entre las cuales tenemos: Flexibilidad para adaptarse a diversas zonas geográficas. Optimización de la utilización de los recursos naturales. Fácil instalación y mantenimiento. Costos mínimos de instalación y mantenimiento: combustible gratuito. Respetuosa con el medio ambiente (reducción efecto invernadero). Las comunidades rurales, utilizan la tecnología de energía renovable para diferentes aplicaciones, entre las cuales podemos mencionar: Uso domestico -5- Alumbrado público Señalización Telecomunicaciones Riego y purificación En el mercado europeo, podemos encontrar una diversa variedad de servicios y productos para sistemas de generación de energía renovable, los mismos que solo necesitan un mantenimiento mínimo y pueden funcionar a su máximo rendimiento sin ninguna dificultad por muchos años. Para nosotros como consumidores, existe una variedad de productos y sistemas de energía renovable, especialmente de sistemas fotovoltaicos, de los cuales podemos encontrar una amplia gama de marcas de todos los elementos que componen el sistema, ya sea módulos fotovoltaicos, acumuladores, inversores, etc. 1.6 LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL ECUADOR. 1.6.1 SITUACIÓN ACTUAL. En nuestro país la electrificación rural fue fomentada desde el año de 1973, año en el cual se crea el Fondo de Electrificación Rural. Posteriormente en el año de 1998, mediante la Ley de Régimen del Sector Eléctrico (LRSE), se llega a crear el Fondo de Electrificación Rural y Urbano-Marginal (FERUM). Las estadísticas nos indican que se ha conseguido un aumento del 6% en la cobertura de electricidad en las zonas rurales, desde la creación del FERUM. Para el año 2009 se alcanzó una cobertura de un 85,7% en el sector rural, 92,7% en el sector urbano y el 90,4% en la cobertura nacional. En las siguientes figuras se puede observar, la población con mayor y menor cobertura de energía eléctrica. Fig. 5 Cobertura alcanzada en el sector rural. [5] [5] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) -6- Fig. 6 Cobertura alcanzada en el sector urbano-marginal [6] Desde el año de 1998 al 2009, en todo nuestro país más de 9000 proyectos se ejecutaron, brindando el servicio de energía eléctrica a 4.8 millones de habitantes. En la siguiente figura se muestra la distribución de los fondos determinados para los proyectos que se ejecutaron en ese periodo. Fig. 7 Monto asignado por tipo de proyecto, periodo 1998-2009 [7] En el Ecuador, existen diferentes proyectos y actividades concernientes a la electrificación rural, entre ellos tenemos los convenios de colaboración que el CONELEC tiene puestos en marcha con diversas instituciones, tales como, el convenio de las Municipalidades Amazónicas y de la Confederación de juntas parroquiales para encontrar cuales son las poblaciones que tengan necesidad de servicio y así se recopilará datos para enviar a las empresas distribuidoras. [6],[7] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) -7- Nuestro país tiene muchos inconvenientes para poder ejecutar y poner en marcha de una manera satisfactoria proyectos enfocados a sistemas fotovoltaicos; entre algunos de estos inconvenientes podemos citar: Adecuación técnica de los equipos Falta de proyectistas, instaladores y mantenedores capacitados Falta de piezas para los repuestos Aspectos socioeconómicos Uso inadecuado o falta de aplicación de las normas o estándares internacionales Falta de concienciación e información acerca de tecnologías de energía renovable y sus beneficios Falta de infraestructuras físicas. Estos son algunos de los inconvenientes por los que pasa nuestra sociedad, ya sea por falta de información en casi la mayoría de la población sobre los conocimientos de energías renovables, es aquí en donde el gobierno debería poner mayor énfasis e informar a la población sobre los beneficios que brindan estos sistemas, y de esta manera poder ayudar y mejorar de cierta forma de vida de muchas personas que son privadas de este servicio básico. De igual manera el gobierno debería poner mayor interés en la especialización de profesionales dedicados a esta rama, ya que con la ayuda de ellos podría sobresalir de una mejor manera este proyecto, y de esta forma se podría instalar mayor número de sistemas fotovoltaicos y dar el adecuado mantenimiento preventivo y correctivo con personal capacitado. -8- II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA. 2.1 RADIACIÓN SOLAR. 2.1.1 EL SOL. La radiación de energía electromagnética que produce el Sol, aporta de manera directa o indirectamente la energía que sirve para mantener la vida en la Tierra. El Sol gira una vez cada 27 días cerca del Ecuador, pero una vez cada 31 días más cerca de los polos. La cantidad total de energía emitida por el Sol en forma de radiación es bastante constante y no varía más que unas pocas décimas de un 1% en varios días. Esta energía se genera en las profundidades del Sol. Al igual que la mayoría de las estrellas, el Sol se compone sobre todo de hidrógeno (71%); también contiene helio (27%) y otros elementos más pesados (2%). Cerca del centro del Sol, la temperatura es de casi 16.000.000k y la densidad es 150 veces la del agua. Bajo estas condiciones, los núcleos de los átomos de hidrógeno individuales actúan entre sí, experimentando la fusión nuclear. El resultado neto de estos procesos es que cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo de helio, y la energía surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme cantidad de núcleos reacciona cada segundo, generando una energía equivalente a la que se produciría por la explosión de 100.000 millones de bombas de hidrógeno de un megatón por segundo. La combustión nuclear del hidrógeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio solar. [8] Fig. 8 El Sol. [9] [8] http://www.monografias.com/trabajos12/sol/sol.shtml [9] http://www.monografias.com/trabajos65/radiacion-solar/radiacion-solar_image004.jpg -9- 2.1.2 RADIACIÓN SOLAR. Es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las ondas electromagnéticas que recibimos, están comprendidas entre 0,4µm y 0,7µm, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. De la otra mitad, la mayoría se sitúa en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta. La magnitud de radiación solar que llega a la Tierra puede ser medida con un instrumento llamado Piranómetro, y su unidad es el W/m2 (vatio por metro cuadrado). En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir estos tipos de radiación: Fig. 9 Radiación Directa, Difusa y Reflejada. [10] 2.1.2.1 La radiación directa: Como su nombre lo indica, es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan. [11] [10] http://www.monografias.com./trabajos61/sistema-hibrido-eolicofotovoltaico/Image28031.jpg - 10 - 2.1.2.2 La radiación difusa: Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, etc. Las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben menos porque sólo ven la mitad. 2.1.2.3 La radiación reflejada: Esta radiación es aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. En esta radiación las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven ninguna superficie terrestre y las superficies verticales son las que más radiación reflejada reciben. 2.1.2.4 La radiación global: Este tipo de radiación es conocida como radiación total. Esta consiste en la suma de las tres radiaciones mencionadas anteriormente. 2.1.3 RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE. La radiación solar extraterrestre es la radiación solar diaria que se recibe sobre una superficie horizontal situada en el límite superior de la atmósfera. El valor se define a partir del valor de la constante solar. Fig. 10 Variación de la distancia entre la Tierra y el Sol. [12] [11] http://www.monografias.com/trabajos65/radiacion-solar/radiacion-solar2.shtml [12] http://u.jimdo.com/www32/o/s1e01b314a517c557/img/ifd629ec807eb595f/1300176112/std/image.jpg - 11 - A la constante solar se define como la cantidad de radiación que se recibe en la capa superior de la atmósfera, sobre una superficie unidad perpendicular a los rayos solares y a una distancia del Sol media. En consecuencia, para calcular la radiación solar extraterrestre se debe corregir la constante solar considerando que la distancia Sol-Tierra varía a lo largo del año, y pasando también de una superficie perpendicular a los rayos solares a una horizontal a la Tierra. [13] 2.1.4 POSICIONAMIENTO SOLAR RELATIVO. Para encontrar la inclinación más adecuada en la que se debe orientar los generadores fotovoltaicos, es necesario precisar la posición del Sol en cada instante para optimizar su rendimiento y para que su funcionamiento sea el más correcto. Para establecer alguna posición, se usa un sistema de coordenadas esféricas, en este sistema el origen está situado en la posición del receptor. Como se puede observar en la siguiente figura; el plano “x-y” es el horizontal, tangente a la superficie terrestre, el eje “x” corresponde al eje Norte-Sur y el “y” al Este-Oeste. La normal a este plano es el Cenit del observador o local “eje z”. La dirección opuesta se denomina Nadir, como se observa a continuación: [14] Fig. 11 Posicionamiento solar relativo. [15] [13] http://ocw.upm.es/ingenieria-agroforestal/climatologia-aplicada-a-la-ingenieria-y-medioambiente/contenidos/tema-3/RADIACIONSOLAR-EXTRATERRESTRE.pdf [14] http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/02_radiacion/01_basico/2_radiacion_07.htm [15] http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/02_radiacion/01_basico/images/posi_sol.gif - 12 - 2.1.5 IRRADIACIÓN EFICIENTE EN EL PANEL FOTOVOLTAICO. Al momento de realizar un diseño para un sistema de generación fotovoltaica, lo más importante que se debe tener en cuenta, es la es la orientación o el grado del ángulo al que se colocará los paneles solares, siendo la mejor opción de colocarlos horizontalmente, pero en esta posición los paneles solares no podrán captar los rayos solares en la mayoría de sus latitudes, ya que la componente de los mismos incide sobre el panel solar, la cual es proporcional al coseno del ángulo entre el rayo incidente y la normal del plano del colector, como se muestra en la siguiente figura: Fig. 12 Ángulo de montaje óptimo de un panel fotovoltaico sin sistema de rastreo. [16] Como se mencionó anteriormente, si se realizara el montaje de los paneles solares en posición horizontal(no es lo más recomendado), el colector fuera ubicado en esos momentos con su plano en posición perpendicular a θz al medio día solar, ya que en esos instantes el colector estuviera recibiendo la radiación solar lo más directamente posible, ya que en esos momentos el disco solar esta sobre el CENIT, resultando en un camino mínimo de aire a través de la atmósfera y la correspondiente menor masa de aire. Sabemos que en el Ecuador los días duran siempre 12,1 horas, donde el sol recorre el firmamento con una velocidad angular de 15 grados por hora, manteniéndose de esta manera cerca de la perpendicular al colector, durante dos horas. Culminando este periodo, la intensidad de la luz solar decrece, ya que la masa de aire se va incrementando, y de la misma manera el ángulo entre la normal al colector y los rayos solares se incrementa. Estos factores causan que la energía almacenada antes de las 10:00 y después de las 14:00 sea mucho menor que aquella colectada en el periodo alrededor del mediodía. Como resultado de esto los sistemas de rastreo del sistema fotovoltaico, aumentan la cantidad de radiación que puede recibir el panel fotovoltaico, los mismos que en climas extremadamente secos como desiertos pueden aumentar el rendimiento en un 35 a 50%, como también en climas más húmedos aumentan el mismo de 9 a 15%. [17] [16] Photovoltaic Systems Engineering (41) [17]bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2239/1/CD-2536.pdf (pag 42, 43, 44 ) - 13 - 2.1.6 MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR. 2.1.6.1 Medida de la radiación directa. La radiación directa se mide por medio de un aparato llamado pirheliómetros. Debido a que siempre necesita el empleo de obturadores (dispositivo que controla el tiempo de llegada de la luz hasta el dispositivo fotosensible), solamente se puede medir la radiación solar y de una región anular del cielo muy cerca al astro. En los instrumentos modernos, la región anular que abarca es de un semiángulo de 2.5º aproximadamente a partir del centro del Sol. El sensor está dotado de un visor en el que un pequeño punto luminoso coincide con una marca situada en el centro del mismo cuando la superficie receptora se halla en posición exactamente perpendicular al haz solar directo. Se recomienda que los pirheliómetros se los coloque sobre mecanismos que les permitan un seguimiento muy preciso del Sol. Fig. 13 Pirheliómetro de primera clase Kipp-Zonen. [18] 2.1.6.2 Medida de la radiación global y difusa. La radiación global se define como la radiación solar recibida de un ángulo sólido de 2π estereorradianes sobre una superficie horizontal. Para medir la radiación global se utiliza el instrumento denominado piranómetro, el cual se utiliza también para medir la radiación incidente sobre superficies inclinadas y se dispone en posición invertida para medir la radiación global reflejada (albedo). La radiación difusa se mide con el mismo instrumento, al cual la componente directa se la cubre por medio de un sistema de pantalla o sombreado. [19] [18] http://img.directindustry.es/images_di/photo-m2/0-2-000-w-m-dr01-88003-2315901.jpg [19] http://www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/observacion/radiacion/Radiacion_Solar.pdf - 14 - Fig. 14 Piranómetro Kipp-Zonen. [20] 2.1.6.3 Medida de la radiación infrarroja. Los instrumentos usados para medir radiaciones de onda larga son los pirgeómetros. La mayoría de éstos eliminan las longitudes de ondas cortas mediante filtros que presentan una transparencia constante a longitudes de onda largas mientras que son casi opacas a longitudes de ondas más cortas comprendidas entre 300 a 3000mm. [21] Fig. 15 Pirgeómetro Eppley [22] 2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. 2.2.1 ENERGÍA SOLAR. [20] http://agrys.cl/images/CMP3.jpg [21] http://www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/observacion/radiacion/Radiacion_Solar.pdf [22] http://www.eppleylab.com/images/PhoModelPSP.JPG - 15 - Es la energía adquirida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética generada por el Sol, con una velocidad de propagación de 3x108 m/s. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores, tales como las células fotovoltaicas, las mismas que pueden transformarla después de un proceso en energía eléctrica. A este tipo de generación se le conoce como energías renovables o energías limpias, las mismas que pueden hacer considerables contribuciones para resolver algunos de los más urgentes problemas que afronta la humanidad, como es el calentamiento global. Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas en función de la forma en que capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos; y las pasivas incluyen técnicas de la arquitectura bioclimática. La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización Greepeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios d la población mundial en 2030. [23] 2.2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. La energía solar fotovoltaica, genera energía eléctrica por medio de paneles solares fotovoltaicos, los mismos que son los encargados de captar las radiaciones luminosas del sol para luego transformarlas en corriente eléctrica. Fig. 16 Energía Solar Fotovoltaica. [24] Los paneles fotovoltaicos están formados por unas “células fotovoltaicas”, las mismas que son las encargadas de recibir la radiación solar y luego transformarlas en energía eléctrica. [23] http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar [24] http://www.antusolar.cl/solar-fotovoltaico/ - 16 - La transformación de la radiación solar en energía eléctrica, se produce debido a un fenómeno físico conocido como “efecto fotovoltaico”. El efecto fotovoltaico tiene algunas características peculiares, entre las cuales se destacan: Elevada calidad energética Pequeño o nulo impacto ecológico Inagotable a escala humana La cantidad de energía solar puede ser aprovechada de una mejor manera, si al momento de realizar el diseño e instalación del sistema, se realiza los cambios pertinentes de algunos factores como: su orientación, inclinación, ubicación de paneles, etc. Algunas zonas del planeta reciben más radiación solar que otras, como es el caso del Ecuador, en donde los sistemas fotovoltaicos son una alternativa muy interesante, desde las perspectivas técnicas y económicas ya que la región dispone durante todo el año de abundante radiación solar. [25] 2.2.3 EL EFECTO FOTOELÉCTRICO. El efecto fotoeléctrico se produce, cuando una radiación luminosa incide sobre un semiconductor, con una energía suficiente para romper los enlaces de los electrones de valencia y generar pares de electrón-hueco. La existencia de una unión “p-n” separa dichos pares, afluyendo electrones a la zona “n” y huecos a la zona “p”, creando en resumen una corriente eléctrica que atraviesa la unión desde la zona “n” a la “p”, y que puede ser entregada a un circuito exterior. Fig. 17 El efecto fotoeléctrico. [26] Como se puede observar en la figura anterior, en el momento en que se unen, un semiconductor tipo “p” con un tipo “n” aparece una zona de carga especial denominada “zona [25] http://www.portalenergia.es/que-es-y-para-que-sirve-la-energia-solar-fotovoltaica [26] http://www.blogdequk.com/2011_06_01_archive.html - 17 - de transición”. La misma que actúa como una barrera para el paso de los portadores mayoritarios de cada zona. En la siguiente figura se puede observar, un material semiconductor como es el silicio, que está expuesto a los rayos solares que contienen energía luminosa (fotones). Estos fotones aportan energía a los electrones de valencia de los átomos de silicio. Fig. 18 El efecto fotoeléctrico. [27] Hay dos factores que dependen para que un sistema fotovoltaico produzca energía eléctrica; los cuales son: La cantidad de luz solar incidente y La eficiencia del sistema fotovoltaico para convertir esa luz en electricidad. [28] [27] http://www.unesa.net/unesa/html/sabereinvestigar/largoviaje/fotovolcomofuncionan.html. [28] http://www.blogdequk.com/2011_06_01_archive.html - 18 - 2.2.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS. Las celdas fotovoltaicas son consideradas como la parte principal de los sistemas fotovoltaicos, ya que estas son las encargadas de convertir la luz solar en electricidad. El principal material con que son fabricadas las células fotovoltaicas es el “Silicio” (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre). Las células fotovoltaicas están compuestas por materiales que presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, dichos materiales se componen de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. En el momento que la luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. 2.2.4.1 Proceso de fabricación. Las células solares, pueden fabricarse de una serie de materiales semiconductores tales como: el germanio (Ge), Arsenio de galio (GaAs), teluro de cadmio (TeCd) y de silicio (Si), y otras aleaciones de diferentes elementos, pero las células solares se fabrican principalmente con silicio, como ya se mencionó anteriormente. La fabricación de células solares de silicio, tiene tres etapas; las cuales son: a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, (SiO2), básicamente cuarzo cuya abundancia en la naturaleza elimina los problemas que se pueda tener de abastecimiento. El silicio de este tipo tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. En la actualidad se está trabajando con Si de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y de menor costo. [29] Fig. 19 El efecto fotoeléctrico. [30] [29] http://celdasfotovoltaicas.blogspot.com/ [30] http://farm4.staticflickr.com/3404/3516934527_6df01e829c_m.jpg - 19 - b) Obtención de obleas. En este proceso se utiliza como materia prima el polvo de silicio de alta pureza, donde se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras. La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300µm, produciendo en esta etapa una pérdida del materia, aproximadamente del 60% en forma de serrín. Fig. 20 Oblea de silicio monocristalino. [31] c) Procesamiento de la oblea: Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos: Lapeado y pulido Formación de la unión p-n Decapado y limpieza Capa antirreflejante Fotoligrafía para formación de contactos Formación de contactos o electrodos Material para soldadura de electrodos Limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda. La formación de la unión p-n es la etapa más crítica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa anti reflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta. [32] [31] http://img.alibaba.com/photo/216091686/Silicon_Wafer_Wafer_Slicing_.jpg [32] http://celdasfotovoltaicas.blogspot.com/ - 20 - 2.2.4.2 Partes de una celda fotovoltaica. Una celda fotovoltaica, está conformada usualmente por los siguientes componentes: a) Placa de vidrio: que permite ingresar la luz, pero protege a los semiconductores en la celda de los elementos b) Plancha de semiconductores tipo n y tipo p: el tipo n tiene una concentración de electrones mucho más alta que la del tipo p. c) Trayectoria por donde pueden circular los electrones para ir del semiconductor tipo al tipo p: esto es usualmente dos capas que rodean a la plancha de semiconductores, que actúan como un conductor de electrones entre las dos capas de semiconductores. d) Capa anti reflectiva: esta placa se encuentra entre la placa de vidrio y el semiconductor, siendo su función principal de minimizar la pérdida de luz por reflejo. [33] Fig. 21 Partes de una celda fotovoltaica. [34] 2.2.4.3 Principio de funcionamiento. La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica Para inducir el campo eléctrico construido de una célula fotovoltaica, se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre sí. La primera es una capa semiconductora del tipo “n” con abundancia de electrones con carga negativa, la otra capa semiconductora es del tipo “p” con abundancia de “hoyos” que tienen una carga positiva. [35] [33] http://www.taringa.net/posts/info/2697436/Celdas-solares-que-son.html [34] http://mysave.in/v1/images/hdepynn5aqt9ldzwv0oy.png [35] http://mysave.in/v1/images/hdepynn5aqt9ldzwv0oy.png - 21 - Aunque ambos materiales son eléctricamente neutros, la silicona del tipo “n” tiene electrones de sobra y la silicona del tipo “p” tiene a su vez agujeros de sobra y al colocar estos como sándwich se crea entonces un punto de salida “p-n” en su fase intermedia creándose entonces ahí y por esta razón un campo de fuerza eléctrico. Cuando el silicón de tipo “n” entra en contacto con el silicón tipo “p”, los electrones del exceso se mueven del lado del tipo “n” al lado del tipo “p”. El resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del tipo “n” de la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del tipo “p”. Debido al flujo de electrones y de agujeros, los dos semiconductores se comportan como una batería, creando un campo eléctrico en la superficie dónde ellos se juntan en la unión “pn”. El campo eléctrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algún circuito eléctrico o acumulación. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en dirección contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en dirección contraria. [36] Fig. 22 Funcionamiento de una celda fotovoltaica. [37] [36] http://mysave.in/v1/images/hdepynn5aqt9ldzwv0oy.png [37] http://2.bp.blogspot.com/_aGnQ0gLw2L0/SRJlKIstBrI/AAAAAAAAADI/LJZEnLcViIU/s400/celda.jpg - 22 - 2.3 PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO. Los paneles solares fotovoltaicos, también son conocidos como módulos solares, los cuales contienen placas que están formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre sí, ya sea en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado y necesario para el sistema diseñado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero celdas en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones en serie de celdas para alcanzar el nivel de corriente deseado. El panel solar fotovoltaico es un dispositivo compuesto por materiales semiconductores que captan la energía contenida en la radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, mediante el efecto fotovoltaico que se explicó anteriormente. [38] Fig. 23 Panel solar fotovoltaico. [39] [38], [39] http://www.anes.org/anes/index.php?option=com_wrapper&Itemid=11 - 23 - 2.3.1 ESTRUCTURA. Un panel solar fotovoltaico está conformado por: Fig. 24 Partes de un panel solar fotovoltaico. [40] a) Cubierta exterior de cara al Sol: es de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia mecánica, alta transmisividad y bajo contenido en hierro. b) Encapsulante: de silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándome además un índice de refracción similar al del vidrio protector. c) Protección posterior: da rigidez y una gran protección frente a los agentes atmosféricos, usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas de materiales. d) Marco metálico: de aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanquiedad al conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que forman el módulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel. e) Cableado y bornas de conexión: habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas. f) Diodo de protección: su misión es proteger contra sobre-carga u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel. [41] [40], [41] http://www.electricasas.com/wp-content/uploads/2008/11/array_sp1.gif - 24 - 2.3.2 TIPOS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. Existen en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricante y modelos de módulos solares. Podemos clasificar a los paneles de acuerdo al material que son construidos y en función de su forma. 2.3.2.1 Tipos de paneles en función de los materiales. Los paneles fotovoltaicos se clasifican dependiendo del material de los semiconductores que los componen y tomando en cuenta también el método de fabricación que se utilice. En el mercado podemos encontrar los siguientes tipos de paneles fotovoltaicos: 2.3.2.1.1 Panel solar de silicio puro monocristalino. Este tipo de panel está conformado por secciones de una barra de silicio, que se han cristalizado perfectamente en una sola pieza. Se han alcanzado rendimientos máximos del 24.7% en laboratorio y en paneles comerciales rendimientos del 16%. [42] Fig. 25 Panel solar formado con células de silicio monocristalino. [43] 2.3.2.1.2 Panel solar de silicio puro policristalino. En estos paneles los materiales con los que están formados son semejantes a los paneles monocristalinos, pero el proceso de cristalización del silicio es diferente. Estos paneles tienen una superficie con un aspecto granulado debido a que está compuesto por secciones de una barra de silicio que se estructurado en forma de pequeños cristales. [44] [42], [43], [44] http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm - 25 - El rendimiento de estos paneles es inferior a los monocristalinos, obteniendo un rendimiento en laboratorio del 19% y en paneles comerciales un rendimiento del 14%, siendo su precio también más bajo. Fig. 26 Panel formado con células de silicio policristalino. [45] Por las características físicas que presenta este silicio cristalizado los paneles que se han fabricado con esta tecnología presentan un grosor considerable. Al mezclar este tipo de silicio cristalizado con otros materiales semiconductores es posible conseguir paneles más finos y versátiles, los mismos que pueden incluso en algún caso su adaptación a superficies irregulares. A este tipo de paneles se los denomina paneles de láminas delgadas. Así pues, los tipos de paneles de lámina delgada son: Silicio amorfo Teluro de cadmio Arseniuro de galio Diseleniuro de indio y cobre Paneles solares tándem. [46] 2.3.2.2 Tipos de paneles en función de su forma. Empleando cualquiera de los materiales antes mencionados se fabrican paneles en distintos formatos para adaptarse a una aplicación en concreto o bien para lograr un mayor rendimiento, algunos ejemplos de formas de paneles son: [47] [45], [46], [47] http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm - 26 - 2.3.2.2.1 Paneles con sistemas de concentración. Este tipo de paneles es el modelo desarrollado por una marca española, el cual consiste en una serie de superficies reflectantes concentrada la luz sobre los paneles fotovoltaicos. Por el momento se está investigando un tipo de paneles que concentran la radiación solar por medio de lentes. [48] Fig. 27 Panel formado con sistemas de concentración. [49] 2.3.2.2.2 Paneles de formato teja o baldos. Este tipo de paneles son de un tamaño pequeño, y han sido fabricados con la idea de poderlos combinar en gran número, para de esa manera poder cubrir las grandes superficies que pueden abarcar los tejados de las viviendas. [50] Fig. 28 Paneles de formato teja. [51] [48]. [49], [50], [51] http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm - 27 - 2.3.2.2.3 Paneles bifaciales. Este tipo de paneles tienen la característica de transformar las radiaciones solares que recibe por cualquiera de sus dos caras, en electricidad. Este panel es colocado sobre dos superficies blancas que reflejan la luz solar hacia el reverso del panel. [52] Fig. 29 Paneles bifaciales. [53] 2.4 TIPO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. A la energía solar fotovoltaica se la puede dividir en dos tipos de sistemas: Sistemas solares fotovoltaicos aislados o tipo isla Sistemas solares fotovoltaicos conectados o de conexión a red pública. 2.4.1 SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS AISLADOS O TIPO ISLA. Este tipo de sistemas son utilizados para poder generar energía eléctrica en lugares donde el acceso a la red pública es imposible llegar, ya sea por la inaccesibilidad por el terreno o en muchos casos por la distancia en la que se encuentra la red pública hasta el lugar en donde se necesite energía eléctrica, en donde resulta más optable emplear un sistema solar fotovoltaico aislado, ya que este sistema es económicamente viable y de un mantenimiento muy sencillo. Este tipo de sistemas solares fotovoltaicos se pueden emplear en: iluminación doméstica, para sistemas de telecomunicaciones, para iluminación exterior o pública, para refrigeración de medicamentos, para sistemas de bombeo de agua, etc. [54] [52] http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm [53] http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm [54] http://renova-energia.com/energia_renovable/energia_solar_fotovoltaica.html - 28 - 2.4.2 SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS CONECTADOS O DE CONEXIÓN A RED PÚBLICA. Con este tipo de sistemas solares fotovoltaicos podemos encontrar dos casos: 2.4.2.1 Centrales fotovoltaicas. Con este tipo de sistema, toda la energía eléctrica generada es entregada directamente a la red eléctrica pública 2.4.2.2 Sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias. Con este tipo de sistema, la energía generada se invierte en el mismo autoconsumo del edificio, mientras que la energía excedente se entrega a la red eléctrica. Este tipo de sistemas son empleados en: Generadores dispersos (sistemas de baja capacidad 1-10kw instalados en inmuebles). Estaciones centrales (plantas de gran capacidad MW operadas por la compañía suministradora). Estación de apoyo a la red (son similares a una estación central). [55] [55] http://www.monografias.com/trabajos61/energia-fotovoltaica/energia-fotovoltaica2.shtml - 29 - III. SELECCIÓN DE LOS COMPONENETES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. 3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. A un sistema solar fotovoltaico podemos definirlo como: el conjunto de elementos que se encuentran conectados entre sí, siendo capaces de generar energía eléctrica a partir de la transformación directa de la energía solar. Fig. 30 Componentes de un sistema solar fotovoltaico. [56] Los sistemas solares fotovoltaicos están conformados por: Generador fotovoltaico Regulador o controlador de carga Acumulador Inversor Cargas eléctricas Elementos de protección Cables y accesorios [56] http://funcionamientodesistemasolar.blogspot.com/ - 30 - 3.1.1 GENERADOR FOTOVOLTAICO. Al generador fotovoltaico se lo considera como la parte principal del sistema fotovoltaico, ya que es el encargado de convertir la energía solar en energía eléctrica, como ya se vio anteriormente. El generador fotovoltaico está formado por un conjunto de módulos fotovoltaicos, conectados adecuadamente en serie y en paralelo, para poder obtener la corriente y el voltaje necesarios para una determinada aplicación. Fig. 31 Generador fotovoltaico. [57] Normalmente el fabricante proporciona los accesorios e instrucciones necesarios para lograr una interconexión fácil y segura. 3.1.1.1 Protecciones en los generadores fotovoltaicos mediantes diodos. 3.1.1.1.1 Diodos de paso. Para evitar que una parte del generador trabaje de manera incorrecta, ya sea por los problemas que puede ocasionar una iluminación no uniforme, la presencia de sombras o algunos otros factores, se acude al empleo de protecciones, como es el caso de los diodos de paso, los cuales se colocan en paralelo en asociaciones de células FV conectadas en serie, evitando de esta manera que todos los elementos de la serie se descarguen sobre una sola célula que resulte sombreada. En la siguiente figura se puede observar, que se han colocado diodos de paso sobre ramas de células conectadas en serie, el diodo está conectado con polaridad opuesta a las células, de manera que si las células trabajan correctamente, por el diodo no pasará corriente. En el caso de que una de las tiras en serie resulte severamente sombreada y que invierta su polaridad, la polaridad del diodo cambiará, y de esta manera el diodo ofrece un camino para seguir conduciendo la corriente producida por el resto de los grupos de células. [58] [57] http://www.cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/guia/solar.htm [58] http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45315/componente45313.pdf - 31 - Fig. 32 Esquema del modo de funcionamiento de un diodo de paso. [59] 3.1.1.1.2 Diodos de paso en campos de módulos fotovoltaicos. Los módulos fotovoltaicos se los puede conectar de dos maneras distintas; estas son: a) Grupos conectados en paralelo. Fig. 33 Diodos de paso en grupos conectados en paralelo. [60] [59],[60] http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45315/componente45313.pdf - 32 - En la figura anterior se observa un grupo de generadores fotovoltaicos conectados en paralelo, en donde si alguno de los módulos del grupo en paralelo es sombreado, entonces ese grupo no será capaz de producir voltaje de los otros grupos en serie con él. Los módulos no sombreados en el grupo intentaran compensar esto produciendo más corriente, para lo cual operan a menor voltaje, moviendo el punto de operación en la curva I-V hacia voltajes cada vez más pequeños. Si el sombreado es severo, es posible que el grupo pase por cero voltios y opere en la región de voltajes negativos para tratar de alcanzar el nivel de corriente de los otros grupos no sombreados en serie con él. Si esto ocurre, todos los diodos de paso de los módulos individuales comenzarán a conducir corriente, pero la corriente que conducirán en este caso ya no es la de un único módulo, sino que podría ser la del sistema entero. La solución que se puede tomar para este problema es únicamente colocando un diodo de paso externo, lo suficientemente grande como para que pueda soportar la corriente del sistema completo. b) Grupos conectados en serie. Fig. 34 Diodos de paso en grupos conectados en serie. [61] En la figura anterior se observa un grupo de generadores fotovoltaicos conectados en serie, en donde los diodos conectados en los módulos individuales son suficientes y no hacen falta diodos de protección extra. En este tipo de conexión la corriente que puede pasar a través del diodo es solamente la de un módulo, ya que la corriente que pasa por cada una de las ramas es únicamente la de un módulo. Entonces si un módulo es sombreado, este será puenteado pasando la corriente a través del diodo de paso y luego hacia los otros módulos. [62] [61],[62] http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45315/componente45313.pdf - 33 - c) Diodos de bloqueo. Todo sistema fotovoltaico aislado debe estar conformado con un sistema que controle el flujo de corriente para evitar de esta forma las llamadas corrientes inversas, que suelen producirse desde la batería hasta los paneles o también sirven para proteger las ramas débiles o deterioradas. Los diodos de bloqueo tienen dos funciones principales que son: 1) Prevenir que la batería se descargue sobre el módulo por la noche 2) Bloquear los flujos de corriente inversos de ramas en paralelo deterioradas-sombreadas durante el día. [63] 3.1.1.2 COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO. Los paneles fotovoltaicos tienen ciertos parámetros que afectan su normal funcionamiento, entre estos tenemos: 3.1.1.2.1 La intensidad aumenta con la radiación: Al mantener más o menos constante el voltaje, es necesario analizar dicho efecto debido a que la radiación solar varia durante todo el día según como este el ángulo del sol con el horizonte, razón por la cual es necesario colocar los paneles de cierta manera que con el tiempo nos permitan cambiar su posición, ya sea por causa de la hora del día o de la estación del año. La equivalencia de un mediodía a pleno sol es de 1000W/m2. 3.1.1.2.2 La exposición al sol de las células provoca su calentamiento: El momento en que la radiación solar es directa, produciendo 1000W/m2, la misma es capaz de calentar a la célula solar a unos 30ºC, esto es una temperatura superior de la normal. Por esta razón al momento de montar los paneles se recomienda colocarlos de una forma en que estén bien aireados, ya que si no es así la temperatura aumenta y la generación de la tensión disminuye. En el caso de que las altas temperaturas sean frecuentes, se recomienda la posibilidad de instalar paneles con mayor número de células. 3.1.1.2.3 El número de células por módulo afecta principalmente al voltaje: Cada célula solar puede producir 0.4V. Los paneles solares fotovoltaicos son diseñados para trabajar a una tensión nominal Vpn procurando que los valores de VPmax en las condiciones de iluminación y temperatura más frecuente coincidan con Vpn. Los paneles solares fotovoltaicos están regidos bajo unos determinados parámetros, que para una determinada localización, hacen que la característica de voltaje DC de salida varíe dentro de un margen considerable a lo largo de todo el año. También la radiación y la temperatura ambiente experimentan además otro tipo de variación debidos a factores diurnos y estacionarios. Por lo general los paneles solares tienen entre 28 y 40 células, aunque lo más típico es que cuenten con 36 células. Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterías de tensiones múltiplo de 12V. [64] [63] http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45315/componente45313.pdf [64] http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/04_componen/01_generador/01_basico/4_gene_03.htm - 34 - 3.1.1.3 HPS (HORAS SOLARES PICO). Lo primero que debemos conocer para poder realizar un diseño de un sistema fotovoltaico, es que con cuanta energía solar contamos en el lugar donde lo vamos a instalar, aunque en la mayor parte de lugares del mundo se conoce cuanta energía solar promedio está disponible. Este promedio se mide en horas de sol perfecto o HSP (Horas solares pico), en donde una hora perfecta de sol representa una hora de sol luminoso, sin nubes. Por lo tanto, si una región tiene un HSP de 4, significa que se puede contar con un promedio de 4 horas de sol radiante, sin nubes, por día. Una hora perfecta de sol equivale a una radiación de 1000w por m2 durante una hora. Fig. 35 Diagrama HPS (horas de pico solar). [65] Como se observa en la figura anterior, el área definida por el rectángulo es aproximadamente igual al área definida por la curva horaria de irradiancia real a lo largo de todo el día. Pero infortunadamente, no todos los días tienen la misma cantidad de luz solar, por lo que para obtener la HPS de una región específica, es necesario obtener las cifras de cada día durante un año y sacar el promedio. [66] 3.1.2 REGULADOR DE CARGA. El regulador de carga es el dispositivo que tiene como función principal de proteger a las baterías, de las sobrecargas y sobredescargas profundas que pueden afectar a la misma en ciertas ocasiones. Además, tiene la capacidad de ejecutar funciones de mantenimiento como ecualización de la carga o monitoreo de índices de gasificación y otros parámetros. [67] [65] http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/energia-solar-fotovoltaica#ancla [66] http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/energia-solar-fotovoltaica#ancla [67] http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/el-regulador-de-carga.html - 35 - Fig. 36 El regulador de carga. [68] El regulador de carga se encuentra en constante control sobre el estado de carga de las baterías y para alargar su vida útil trata de regular la intensidad de carga da las mismas. En la actualidad los reguladores van incorporados con microcontroladores, los mismos que le permiten controlar el perfecto funcionamiento de un sistema fotovoltaico. Mediante la programación que se puede realizar ahora dentro de ellos, les permiten que sean capaces de adaptarse a cualquier situación de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales. Otra características que tienen estos tipos de reguladores en la actualidad, es de que pueden memorizar datos, los mismos que le permiten conocer cuál ha sido la evolución de la instalación durante un tiempo determinado, considerando para ello valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga y capacidad del acumulador. El controlador de carga, al ser el enlace entre generador solar, la batería y la carga debe cumplir con algunos importantes requerimientos: Consumo interno reducido (menor a 5mA) Alta eficiencia (mayor a 95%) Desconexión de la carga en caso de descarga profunda (dependiente de corriente y/o voltaje de descarga) Recarga de las baterías a mayor voltaje para que ocurra una cierta cantidad de gasificación, impidiendo la estratificación del electrolito. Compensación por temperatura del voltaje de corte de carga (4 a 6mV/°K) Protección integrada de sobre voltaje (capacidad de conducción limitada por una norma d onda de impulso 8/20: 3kA por kWp instalado del generador solar) Temperatura ambiental de operación de 0 a 50°C [69] [68] http://bimg2.mlstatic.com/controlador-de-carga-lcd-de-12v24v-30a-para-paneles-solares_MLM-F-3139679122_092012.jpg [69] http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/el-regulador-de-carga.html - 36 - 3.1.2.1 Regulación de la intensidad de carga. El regulador puede controlar algunos tipos de descargas que regularmente son producidas en las baterías, entre las que tenemos: a) Igualación: cuando el regulador responde a esta acción, permite la realización automática de cargas de igualación de los acumuladores tras un periodo de tiempo en el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo el gaseo en caso contrario. b) Carga profunda: después del proceso de igualación, el sistema de regulación admite la entrada de corriente a los acumuladores sin interrumpirla, hasta alcanzar el punto de tensión final de carga, al momento en que se llega a dicho punto el sistema de regulación interrumpe la carga y el sistema de control pasa a la segunda fase, que es la flotación. Cuando se alcanza la tensión final de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se complementará la carga. Carga final y flotación: para finalizar la carga del acumulador se establece una zona de actuación del sistema de regulación, a la que denominamos “Banda de Flotación Dinámica” (BFD). La Banda de Flotación Dinámica es un rango de tensión, en la cual se establecen valores máximo y mínimo fijados entre la tensión final de carga y la tensión nominal +10% aproximadamente. La batería cuando llega a su plena carga, el regulador inyecta una corriente pequeña para mantenerle constante a la misma, esto es inyecta la llamada corriente de flotación. Esta corriente de flotación se encarga por tanto de mantener la batería a plena carga y cuando no se consuma la energía se emplea para compensar la autodescarga de las baterías. 3.1.2.2 Indicadores de estado, del sistema fotovoltaico. Con la ayuda de los reguladores podemos saber el estado en que se encuentren los componentes de un sistema fotovoltaico, entre los que podemos citar los siguientes: a) Desconexión del consumo por baja tensión de batería. La desconexión de la salida de consumo por baja tensión de batería indica una situación de descarga del acumulador próxima al 70% de su capacidad nominal. Al momento que la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de tensión de maniobra de desconexión de consumo durante más de un tiempo establecido, se desconecta el consumo. Esto es para evitar que una sobrecarga puntual de corta duración desactive el consumo. b) Alarma por baja tensión de batería. La alarma por baja tensión de batería nos indica una situación de descarga altamente considerable, ya que a partir de este nivel de descarga las condiciones del acumulador comienzan a ser comprometidas desde el punto de vista de la descarga y del mantenimiento de la tensión de salida frente a intensidades elevadas. Esta alarma está siempre en función del valor de la tensión de desconexión de consumo (siempre se encontrará 0,05 volt/elem por encima). [70] [70] http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/el-regulador-de-carga.html - 37 - 3.1.3 INVERSOR DE VOLTAJE. Los inversores son los encargados de convertir la corriente directa que producen los paneles fotovoltaicos en corriente alterna, ya que la mayoría de aparatos eléctricos domésticos están diseñados para operar con un voltaje de entrada de tipo (AC), y no se los pueden conectar directamente a un sistema fotovoltaico Fig. 37 El inversor solar. [71] 3.1.3.1 Características generales de inversores. La principal característica del inversor es el desempeño que va a tener bajo condiciones de carga plena y parcial, ya que en ocasiones la producción de la electricidad fotovoltaica resulta más cara que obtenerla de una fuente de energía convencional. En el mercado existen una gran variedad de tipos de inversores, ya que para elegir al correcto debemos tener en cuenta su eficiencia y los requerimientos de onda de la carga, también tomar en cuenta que tipo de sistema fotovoltaico va a implementarse, ya sea conectado o no a una red de distribución. El rendimiento del inversor está definido por la potencia nominal de salida del inversor, su potencia pico, la eficiencia en la conversión y la distorsión armónica que genera, ya que la eficiencia máxima se logra cerca de la potencia de salida nominal. Adicionalmente, es necesario que el inversor pueda proveer altas corrientes pico en caso que la carga las requiera. La distorsión armónica, es el otro factor a cuidar, porque puede causar ruido no deseado y sobrecalentamiento en la carga si no se la mantiene a bajo niveles. [72] [71] http://www.codesolar.com/Energia-Solar/Energias-Renovables/Samlex-America-Inversores-Potencia-Corriente-Continua-Alterna.html [72] http://bimg2.mlstatic.com/controlador-de-carga-lcd-de-12v24v-30a-para-paneles-solares_MLM-F-3139679122_092012.jpg - 38 - 3.1.3.2 Tipos de inversores. 3.1.3.2.1 Inversores de onda cuadrada. Los inversores de onda cuadrada son los más sencillos y disponibles, ya que este tipo de inversores utilizan interruptores de estado sólido, los mismos que son conectados como multivibradores astables o como interruptores controlados externamente. Cuando el inversor se conecta con los multivibradores astables, este se puede utilizar para un sistema fotovoltaico aislado, mientras que si se conecta con interruptores controlados externamente, sirve para que el inversor pueda ser sincronizado con una fuente externa de AC. La siguiente figura nos muestra dos tipos de inversores de onda cuadrada: el primero con una fuente DC sencilla que genera una onda cuadrada y el segundo mediante un circuito con tap central, el mismo que se puede activar y desactivar alternativamente para crear una onda cuadrada. Fig. 38 Circuitos de conversión de señales DC a onda cuadrada. [73] Para generar una onda eficiente, lo más importante es que el flujo de corriente se mantenga constante, desde el generador fotovoltaico hasta los terminales del elemento interruptor, al mismo tiempo que se mantiene 0 voltios a los terminales del elemento interruptor cuando pasa corriente y corriente nula cuando existe voltaje entre éstos. Utilizando transistores MOSFET de potencia, transistores bipolares de base aislada, se puede lograr este funcionamiento. Una vez que se obtiene la onda cuadrada, con ayuda de un transformador de elevación se puede aumentar la amplitud de la onda de 120 o 240V RMS, el mismo que debe de contar con un número de vueltas suficiente para que la constante de tiempo determinada por la inductancia de magnetización y la resistencia de la fuente sean lo suficientemente duraderas para no deformar la onda. [74] [73],[74] Photovoltaic Systems Engineering (41) - 39 - Fig. 39 Circuitos de conversión de señales DC a onda cuadrada. [75] 3.1.3.2.2 Inversores de onda sinusoidal modificada. En algunos tipos de cargas no se puede emplear los inversores con onda cuadrada, ya que estos tienen distorsión armónica, la cual produce la llamada perdida por histéresis, provocando con esto un sobrecalentamiento en los motores y balastros fluorescentes. Otro defecto que tiene este tipo de onda, es también la introducción de ruido en el sistema. Debido a los efectos que tienen los inversores de onda cuadrada se debe analizar primero si la carga puede operar o no con ese tipo de onda, o caso contrario se puede emplear otra clase de onda, la cual es la llamada onda sinusoidal modificada, la cual es obtenida mediante un puente H multinivel. En la siguiente figura se observa un circuito en el cual se emplea un puente H multinivel para obtener la onda sinusoidal. [76] Fig. 40 Puente H multinivel para generación de ondas sinusoidales. [77] [75], [76], [77] Photovoltaic Systems Engineering (41) - 40 - Este circuito es capaz de generar una onda aproximada a la sinusoidal calibrando los niveles de voltaje individuales para minimizar la distorsión armónica y haciendo que el voltaje de salida RMS se mantenga constante en caso que la entrada de voltaje lo necesite, como se muestra en la siguiente figura. Fig. 41 Onda sinusoidal modificada producida por un puente H. [78] 3.1.3.2.3 Inversor de modulación de ancho de pulso (pwm). El inversor de este tipo, puede generar cualquier tipo de onda con cualquier valor promedio, en cualquier instante. Un inversor PWM puede producir todo tipo de formas de onda regulando el ciclo de trabajo de pulsos sucesivos entre sí, mientras que la amplitud se controla con los valores máximos del ciclo de trabajo y la frecuencia es determinada por el tiempo de repetición de la secuencia de pulsos. [79] Fig. 42 Configuración de inversor PWM de tres niveles y su correspondiente onda en la salida. [80] [78], [79], [80] Photovoltaic Systems Engineering (41) - 41 - 3.1.4 ACUMULADORES DE ENERGÍA. Para la acumulación de energía en los sistemas fotovoltaicos, existen baterías diseñadas para realizar específicamente este trabajo, a las cuales se les conoce como baterías solares o de ciclo profundo. Se les llama de ciclo profundo porque pueden descargar una cantidad significativa de la energía cargada antes de que requieran recargarse y pueden seguir funcionando normalmente. Las baterías en un sistema fotovoltaico, tienen como función principal de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo. 3.1.4.1 Tipos de acumuladores de energía. Existen varios tipos de baterías que se pueden utilizar en los sistemas fotovoltaicos; entre las cuales podemos mencionar: 3.1.4.1.1 Baterías OPzS. Este tipo de baterías debido a su bajo nivel de autodescarga, son las más apropiadas para ser utilizadas en las instalaciones de energía solar. También las baterías OPzS pueden ser utilizadas para suministrar energía en estaciones de telecomunicaciones, luces de emergencia, sistemas de control, etc. Fig. 43 Batería OPz. [81] Dentro de las baterías de encuentran unos elementos individuales de 2V y bloques de 6V y 12V los cuales están contenidos en recipientes fabricados en estirenoacrilnitrilo, el cual es un material resistente a las influencias electroquímicas y a los daños mecánicos. [82] [81], [82] http://tab.com.es/opzs.aspx - 42 - Este tipo de baterías se diferencian de las demás por tener características como: alta capacidad de almacenamiento, larga vida media, mantenimiento reducido, bajo autodescarga, Su alta capacidad Larga vida media Mantenimiento reducido Baja autodescarga Control de nivel de ácido sencillo y rápido Bajo nivel de consumo de agua Dimensiones y pesos ajustados La más baja y constante corriente de flotación [83] 3.1.4.1.2 Baterías de plomo-ácido. Estas baterías son de las primeras que se fabricaron en nuestro medio. Son muy buenas para utilizarlas en los sistemas fotovoltaicos. Por lo general se fabrican con electrolito líquido, son recargables y fáciles de mantener, relativamente económicas y obtenibles en una variedad de tamaños y opciones. En la siguiente figura se muestra los componentes de una batería de plomo-ácido abierta. Fig. 44 Componentes de una batería plomo-ácido abierta. [84] Como estas baterías están fabricadas de plomo, el cual es un material blando, frecuentemente se agregan otros elementos, como antimonio o calcio, para reforzar las placas y poder cambiar las características de las baterías. [85] [83] http://tab.com.es/opzs.aspx [84] http://www.energiasrenovableshoy.net/2011/09/baterias-de-sistemas-fotovoltaicos.html [85] http://dspace.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1383/IME_076.pdf?sequence=1 - 43 - La batería de plomo-antimonio se emplea por lo general en los sistemas fotovoltaicos independientes ya que estas baterías son de tipo abierto, ya que no requieren un alto consumo de agua. Las baterías de plomo-calcio se emplean en sistemas fotovoltaicos en donde no se requiera descargas profundas, pero a su vez la vida útil de estas baterías es más corta que las baterías de plomo-antimonio. En las baterías de plomo-acido también podemos encontrar baterías selladas, las cuales son las más óptimas para utilizarlas en instalaciones de sistemas fotovoltaicos en sectores rurales, ya que las mismas no requieren de mucho mantenimiento (reposición de electrolito). [86] 3.1.4.1.3 Baterías de níquel-cadmio. Las baterías de níquel-cadmio están formadas por un electrolito alcalino, este tipo de baterías permiten descargas profundas de hasta el 90% de su capacidad nominal. Se las puede adquirir comercialmente para emplearlas en sistemas fotovoltaicos, siendo su costo inicial más alto que el de las baterías de plomo-ácido, pero en ciertas aplicaciones, su costo por ciclo de vida útil puede resultar más bajo. Una de las ventajas de las baterías de níquel-cadmio, es de que pueden tener una larga vida, bajo requisitos de mantenimiento, durabilidad y capacidad de soportar condiciones externas. [87] En la siguiente figura se observa las partes de una batería de níquel-cadmio. Fig. 45 Partes de una batería de Niquel-Cadmio. [88] [86] http://dspace.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1383/IME_076.pdf?sequence=1 [87], [88] http://nife.mx/productos-baterias-alcalinas-niquel-cadmio.html - 44 - 3.1.4.1.4 Baterías de ión litio. Este tipo de baterías emplean como electrolito la sal de litio. Entre sus propiedades más importantes se puede mencionar: la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética, resistencias a la descarga, ausencia de efecto memoria, capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, lo que ha ayudado para el diseño de baterías más livianas, de menor tamaño con un elevado rendimiento para diversas aplicaciones, dentro de ellas los sistemas fotovoltaicos. Fig. 46 Batería de Ión Litio para sistemas fotovoltaicos. [89] La desventaja de las baterías de ión-litio, es que tienen degradación y sensibilidad a elevadas temperaturas, las cuales incluso pueden hacerles explotar, por lo cual requieren de sistemas de seguridad extras, dispositivos adicionales que conllevarían a la elevación del precio de las mismas. [90] 3.1.4.2 Bancos de baterías. Tenemos tres maneras de conectar a un banco de batería, y dependiendo como se realice la conexión podemos incrementar la tensión, la capacidad o las dos al mismo tiempo. Este tipo de conexiones las describimos a continuación: . 3.1.4.2.1 Conexión en serie. En este tipo de conexión, el banco de baterías posee la misma capacidad en Ah que una sola de las baterías que componen la conexión y un voltaje igual a la suma de los voltajes individuales. Si se realiza la conexión en serie, se debe tener en cuenta que las baterías sean de iguales características de diseño y capacidades, ya que caso contrario, durante la carga y [89] http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/12/consejos-de-uso-de-baterias-de-litio.html [90] http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/12/consejos-de-uso-de-baterias-de-litio.html - 45 - descarga, las baterías de menor capacidad llegarán a descargarse en modo profundo antes que las más grandes. [91] Fig. 47 Conexión de baterías en serie. [92] 3.1.4.2.2 Conexión en paralelo. En esta conexión el banco de baterías trabaja al mismo voltaje que cada una de ellas y dispone de una capacidad igual a la suma de sus capacidades individuales. De igual forma se debe conectar solamente baterías de características y voltaje similares, de lo contrario aquellas con mayor voltaje suministrarán energía a las de menor voltaje, produciendo una sobrecarga que puede causar desperfectos. [93] Fig. 48 Conexión de baterías en paralelo. [94] [91] http://eliseosebastian.com/diagramas-de-conexiones-de-bancos-de-baterias-solares/ [92],[93],[94] http://eliseosebastian.com/diagramas-de-conexiones-de-bancos-de-baterias-solares/ - 46 - 3.1.4.2.3 Conexión serie-paralelo. Esta conexión combina las dos mencionadas anteriormente, resultando en un incremento del voltaje y de la capacidad total. Frecuentemente se elige esta alternativa para construir un banco de mayor capacidad con baterías más compactas y de menores voltajes. [95] Fig. 49 Conexión de baterías en serie-paralelo. [96] 3.1.5 CARGAS ELÉCTRICAS. Analizando el mercado en nuestro medio podemos encontrar cargas eléctricas que pueden funcionar tanto en corriente continua DC como en corriente alterna AC. Como se sabe que los sistemas fotovoltaicos generan electricidad en corriente continua, no es necesario utilizar un inversor para poder encender ciertos aparatos, ya que alguno de ellos funcionan con este tipo de corriente, así como existen otros aparatos que casi son la mayoría que funcionan con corriente alterna y para los cuales, si vamos a tratar de encenderlos por medio de este sistema tendremos que conectarlos antes con un inversor, para poder transformar la energía que produce el sistema, de corriente continua a corriente alterna. La principal recomendación es siempre hacer uso racional y eficiente de la energía, dada su escasa disponibilidad. Esto significa instalar el equipo apropiado para cada necesidad y en su operación tener el equipo encendido sólo el tiempo requerido. Entre los aparatos o cargas eléctricas que podemos conectar por medio de este sistema tenemos: elementos de iluminación en DC y AC, refrigeradoras en DC y AC, televisores, radios, son los aparatos más comunes que se pueden encontrar en nuestro medio. [97] [95],[96]http://eliseosebastian.com/diagramas-de-conexiones-de-bancos-de-baterias-solares/ - 47 - 3.1.6 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN. Un sistema fotovoltaico al igual que una instalación eléctrica común, requiere de protecciones para sus equipos y para la instalación eléctrica en general, entre las protecciones más usuales tenemos: 3.1.6.1 Interruptores automáticos magnetotérmicos. Los interruptores automáticos magnetotérmicos, son conocidos como breakers. La función de estos interruptores es de servir de protección a los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas que pueden ocasionarse en algún momento. Cuando el interruptor se acciona, desconecta el circuito debido a una sobrecarga o un cortocircuito, pero el circuito puede ser restaurado a mano y sigue funcionando normalmente. Fig. 50 Corte lateral de un interruptor automático magneto térmico. [98] La funcion de este interruptor se basa en un elemento térmico, el cual esta formado por una lámina bimetalica que se deforma al pasar por la misma una corriente durante un tiempo, para cuyas magnitudes está dimensionado (sobrecarga) y un elemento magnético, el cual esta formado por una bobina cuyo núcleo atrae un elemento que abre el circuito al pasar por dicha bobina una corriente de valor determinado (cortocircuito). [99] [97] http://www.energiasrenovableshoy.net/2011/09/elementos-de-carga-en-un-sistema.html [98]http://bizkaitel112.wikispaces.com/%C2%BFQu%C3%A9+es+y+cu%C3%A1l+es+la+funci%C3%B3n+de+un+interruptor+magnetot %C3%A9rmico%3F [99] http://electricosonline.com/Privado/Electricidad/magnetotermico.htm - 48 - 3.1.6.2 Fusibles. El fusible es un dispositivo, que tiene la función de proteger una instalación eléctrica y a los elementos que la conforman contra sobrecargas de corriente. Fig. 51 Fusible. [100] El funcionamiento del fusible se basa en la sobrecarga, la cual se define como un valor de corriente excesivo en relación con la nominal especificada en la etiqueta. Esta corriente varía en un rango de unas 2 a 3 veces la corriente nominal. Son causadas por una sobrecarga producida por algún defecto en artefactos o cuando existen demasiadas cargas conectadas a un circuito. También el funcionamiento del fusible es causado por un cortocircuito, al cual se le define como la desaparición repentina de la aislación existente entre los conductores de tensión diferente. Fig. 52 Partes de un fusible. [101] Un fusible básicamente está formado por un recipiente tipo portalámparas, que generalmente esta echo de porcelana, los terminales están unidos por un hilo corto, el cual se [100], [101], [102] http://fisica.laguia2000.com/energia/electricidad-fusibles-y-disyuntores - 49 - derrite cuando la corriente que pasa por él alcanza determinada intensidad. el plomo y el estaño son utilizados para este trabajo. [102] Materiales como 3.1.6.3 Puesta a tierra. En cualquier instalación eléctrica al igual que en un sistema fotovoltaico es importante proteger a los equipos eléctricos y a los componentes del sistema de sobrecargas que pueden ocasionarse en algún momento. Fig. 53 Puesta a tierra común. [103] Para colocar los sistemas de puesta a tierra lo más importante es determinar el lugar donde se va a ubicar el electrodo, para ello hay que considerar primero la naturaleza del terreno (propiedades del suelo). Existen diferentes métodos de hacer una puesta a tierra, pero el método más común es utilizando un electrodo el cual es el elemento que está en contacto directo con la tierra. El material con el que esta echo este electrodo debe tener buena conductividad eléctrica y no deteriorarse dentro de un amplio rango de condiciones de suelo. Los materiales usados incluyen: cobre, acero galvanizado, acero inoxidable y hierro fundido. El cobre generalmente es el material preferido para elaborar estos electrodos. [103] http://fisica.laguia2000.com/energia/electricidad-fusibles-y-disyuntores - 50 - El electrodo puede tomar diversas formas: varillas verticales, placas y conductores horizontales, y pueden ser utilizados como electrodos individuales o utilizarse distintos electrodos eléctricamente conectados entre sí para la ejecución de una toma a tierra. [104] 3.1.7. CABLES Y ACCESORIOS. 3.1.7.1 Cables. Para seleccionar el tipo de cable correcto para un sistema fotovoltaico, se debe tener presente siempre lo siguiente: El nivel de la corriente de carga puede ser más elevado, en relación a su sección transversal, provocando sobrecalentamiento. Estos cables están expuestos a condiciones ambientales extremas (calor, frío, humedad, rayos ultra-violeta, etc) y en algunos casos, al ataque de roedores. La caída de voltaje entre la entrada y la salida debe mantenerse baja, entre un 3 y un 4% del valor nominal. Los conductores se encuentran recubiertos por un aislante, el cual no sirve solo de aislante eléctrico sino que también de protección ambiental y resistencia mecánica a la fricción. Cuando se requiere mejorar la protección mecánica en los conductores se coloca una capa adicional de este aislante y nada más. A este recubrimiento se lo conoce con el nombre de jacket, y el material que se utiliza para este trabajo es el nylon. En los sistemas fotovoltaicos, debido a que los cables van estar expuestos a condiciones ambientales extremas, se debe considerar como prioridad la protección ambiental de los mismos, para lo cual se debe tener en cuenta las siguientes condiciones: a) Máxima temperatura: dentro de los sistemas fotovoltaicos, la temperatura es lo más importante, ya que representa la máxima temperatura de trabajo que puede soportar el material aislante sin deteriorarse. Esta temperatura se mide en ºC. b) Material aislante: los compuestos sintéticos (plásticos), ofrecen características especiales, ya sea para resistir agentes corrosivos, altas temperaturas y humedad ambiente, o altos voltajes de aislación. [105] [104] http://www.infored.com.mx/a/tierra-f-sica-en-las-instalaciones-el-ctricas.htm [105] http://www.solartronic.com/Energia_Solar/Sistemas_Fotovoltaicos/Curso_Breve/7_Conexiones_y_Cableado/ - 51 - 3.1.7.2. Accesorios. En la instalación de un sistema fotovoltaico, se utiliza los mismos accesorios eléctricos que se requieren para una instalación eléctrica normal. Entre algunos de estos accesorios tenemos: cajetines de conexión, tomas corrientes, interruptores, conectores, borneras, tablero de conexión, etc. 3.1.7.2.1 Cajetines de conexión. Para realizar una instalación eléctrica se emplean cajetines rectangulares, hexagonales metálicos o plásticos, tanto para empotrarlos como para realizar una instalación sobrepuesta, en los cuales después de realizar el cableado de toda la instalación se colocan las placas y demás accesorios. Fig. 54 Tipos de cajetines para conexiones fotovoltaicas. [106] 3.1.7.2.2 Tomacorrientes y enchufes. En un sistema fotovoltaico existen dos tipos de cargas, cargas de corriente continua y cargas de corriente alterna, para lo cual existen tomacorrientes específicos para corriente continua ya que en este tipo de corriente se debe considerar siempre la polaridad, en cambio en corriente alterna no afecta mucho la polaridad ya que la mayoría de aparatos son diseñados para este tipo de corriente. En la siguiente figura se puede observar tomacorrientes y enchufes de corriente alterna polarizados, los cuales son los más usuales y más utilizados en la mayoría de aparatos eléctricos e instalaciones eléctricas. [106] http://www.elecsa.com.ve/img/grande/cajetines.jpg - 52 - Fig. 55 Toma corriente y enchufe polarizados. [107] 3.1.7.2.3 Tableros de conexión. Los tableros de conexión que se van a utilizar en sistemas fotovoltaicos, van a ser una parte muy importante, debido a que en su interior van a realizarse todas las conexiones: equipos (regulador, inversor, baterías), protecciones (fusibles, breakers) y cableado que va dentro del tablero, por lo cual es de vital importancia que tengan un alto índice de protección, para evitar el ingreso de partículas, insectos o humedad, que podrían dañar cualquiera de los elementos antes mencionados. Para considerar el índice de protección, se tiene que considerar el lugar, donde va a ser instalado el tablero, si es en el interior o en el exterior de la vivienda. En la figura se puede observar un tablero conectado en el exterior de una vivienda en la provincia de Napo, comunidad de kisacocha. [108] Fig. 56 Tablero de conexión para sistemas fotovoltaicos. [109] [107] http://pobrezapatologica.blogspot.com/2012/01/significante-n-1097.html [108], [109] bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/2252/1/CD-2992.pdf (pag 85, 86) - 53 - IV. CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. 4.1 INTRODUCCIÓN. El tema de las energías renovables en nuestro país, está siendo considerado seriamente en los planes de electrificación a nivel nacional, en particular la energía solar fotovoltaica, ya que este tipo de energía renovable desde el punto de vista social ofrece alternativas para llegar a los sectores en donde el servicio de energía eléctrica es aún restringido. Los sistemas fotovoltaicos autónomos, aplicados para la electrificación de viviendas, presentan un problema al momento de diseñar el dimensionado de la instalación, el mismo que debe cubrir la demanda de energía eléctrica, para evitar en la posterioridad daños del sistema por un mal dimensionamiento que en muchos de los casos puede producir la paralización total del sistema. 4.2 ASPECTOS QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA PARA REALIZAR EL DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO. 4.2.1 EN REFERENCIA AL SISTEMA CAPTADOR: - Se debe elaborar un estudio del entorno, para evitar de esta manera que se produzcan sombras en los módulos - Evitar realizar agujeros en los módulos. - Ubicar a los módulos en dirección al ecuador y colocarlos en una inclinación adecuada. - El momento de realizar las conexiones entre los elementos, el cableado debe ser lo más corto posible. - En el caso de que se necesite instalar varias filas de módulos, estos se los colocarán a una cierta distancia y posición que no se produzcan sombras entre ellos. 4.2.2 EN REFERENCIA A LA ESTRUCTURA: - La sujeción de la estructura por lo general se realiza utilizando bloques de hormigón y tornillos roscados. - El material de las estructuras y de los soportes deben ser de aluminio anodizado, acero inoxidable o hierro galvanizado. - La unión entre los módulos y la estructura se realizará con tornillos de acero inoxidable. 4.2.3 EN REFERENCIA AL SISTEMA ACUMULADOR: - El sistema de acumulación debe ser instalado en un lugar protegido de la intemperie, el mismo que debe ser seco y aireado, ya que el acumulador al momento que se encuentra trabajando eleva las concentraciones de hidrogeno y oxigeno del lugar en que se encuentre. - La temperatura del lugar debe ser entre los 15ºC y 30ºC. - 54 - - El sistema de acumulación debe tener un fácil acceso, ya sea para realizar su mantenimiento preventivo y correctivo si requiere el caso. - Los acumuladores deben ir colocados sobre bancadas, que les aísle del suelo y que sean resistentes a los ácidos. - Por lo general no deben emplearse acumuladores de distintos tipos, si estos no son fabricados para realizar ese tipo de trabajo. - Se debe respetar la polaridad de los acumuladores, con el fin de evitar cortocircuitos que se pueden producir por una mala conexión. - Seguir las instrucciones que vienen dadas por los fabricantes. - La distancia que debe haber entre el sistema captador y el acumulador debe ser mínima para evitar pérdidas de energía. - Por seguridad se debe colocar protectores y vaselina en los bornes al finalizar la conexión, para evitar un cortocircuito o algún otro imprevisto que pueda suceder en el caso de que cayera algún objeto encima de los acumuladores. 4.2.4 EN REFERENCIA AL SISTEMA REGULADOR: - El regulador por ningún motivo debe instalarse encima del sistema acumulador, ya que como se mencionó anteriormente los acumuladores emanan gases en el momento que se encuentran trabajando y pueden afectar el normal funcionamiento del regulador o algún otro aparato cercano a él. - Por lo general el regulador debe ser colocado en un lugar que sea de fácil acceso, ya que en él se encuentran los elementos de control del estado de la instalación, los cuales siempre deben estar en constante revisión. - Tanto en la conexión del regulador como de los otros elementos del sistema, se recomienda realizar el cableado lo más corto posible entre ellos. - Cuando los módulos son conectados en paralelo, se tenderán todos los cables de cada módulo hasta una caja común, desde la cual partirá el cableado hacia el regulador. - Los conductores que se empleen en la instalación del regulador deben ser aptos para la intemperie, y en lo posible se los podría instalar por medio de manguera o tubo para tener mejor protección de los mismos. - Nunca deben utilizarse cables con secciones menores a las calculadas. - Al culminar la instalación del regulador se debe realizar una medición de la tensión de salida, para comprobar si es la necesaria y adecuada para el sistema. 4.3 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO. Los factores que deben considerarse para el diseño de un sistema fotovoltaico autónomo son los siguientes: 4.3.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA. Lo primero que se necesita conocer para dimensionar un sistema fotovoltaico es la potencia consumida por las cargas que se encuentren conectadas al sistema en un determinado periodo de tiempo; es lo que comúnmente se denomina la energía consumida diariamente. - 55 - Para este trabajo de investigación, para calcular la energía consumida diariamente se empleará la siguiente fórmula: [Wh/día ] [1] Donde: - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -P es la potencia nominal instalada = 5KW. - Fs es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 -h es las horas diarias de funcionamiento. Por lo tanto el consumo diario (Cd) de toda la carga, calculado a partir de la ecuación [1], constituye el consumo energético teórico del sistema (Et), donde a partir de este valor se debe calcular el consumo energético real del sistema (Ed), que considera los diversos factores de pérdidas en la instalación del sistema de acuerdo a la siguiente ecuación: [Wh] [2] Donde: - Ed es el consumo energético real del sistema. - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica. Como ya conocemos la energía media diaria consumida (Cd), necesitamos obtener el rendimiento global (R) el mismo que podemos obtener con la siguiente ecuación: [3] Donde: - kb : Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador: - 0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas. - 0,1 en sistemas con descargas profundas. - kc : Coeficiente de pérdidas en el inversor: - 0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas. - 0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas. - kv : Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, caída de tensión): - 0,05 < kv < 0,15 - ka : Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías: - 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd). - 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales). - 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI). - 56 - - N días de autonomía de la instalación. (No excederse más de los tres días). - Pd profundidad de descarga diaria de la batería. (Entre los 50% y 80%). 4.3.2 TENSIÓN DE TRABAJO DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA (Vtr). Los equipos que funcionan con corriente continua pueden funcionar con una tensión ya sea de 12, 24 y 48V. 4.3.3 HORA SOLAR PICO (HSP). Es el número de horas efectivas que equivalen a la radiación total diaria captada en la zona del diseño. Para realizar el cálculo de la radiación solar diaria se utiliza los datos de insolación anual, cuyos valores se encuentran descritos en el Atlas Solar del Ecuador, los cuales se encuentran combinados con la insolación directa y difusa. Por lo general radiación solar suele estar expresada en kilojulios por metro cuadrado (kJ/m2), o en kilowatt hora por metro cuadrado (kW·h/m2). Para los cálculos se debe considerar los meses de peor radiación solar disponible, con el fin de determinar HSP (Horas Solar Pico). Sabemos que la irradiación H (Wh/m2) es igual al producto de la irradiancia de referencia I (1KW/m2) por las horas solar pico HPS (h). Por lo que tenemos: Por tanto: [4] Donde: - HPS es la hora solar pico. -H es la radiación solar promedio correspondiente a la zona de análisis.( Este valor puede ser el valor promedio, diario o mensual de la irradiación de la zona del diseño, el cual es el valor menos significativo correspondiente al mes del año con menor radiación solar captada). - 1KW es el valor de 1kw/m2. - 57 - 4.3.4 NÚMEROS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. El número de paneles necesarios (Np) para un sistema fotovoltaico se calcula empleando la siguiente formula: [5] Dónde: - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Ed es el consumo energético real del sistema [Wh]. - HPS es la hora solar pico. - Wp es la potencia pico de cada panel fotovoltaico. - 0,9 es una constante 4.3.4.1 Números de paneles en serie. El número de paneles en serie, se calcula dividiendo la tensión de trabajo del sistema para la tensión nominal de un módulo, como se muestra a continuación: [6] Donde: - Nps es el número de paneles en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema C.C. - Vm es el voltaje del módulo. 4.3.4.2 Números de paneles en paralelo. El número de paneles en paralelo, se calcula dividiendo el número de paneles necesarios (Np) para el número de paneles en serie (Nps), como se observa en la siguiente ecuación: [7] Donde: - Npp es el número de paneles en paralelo. - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Nps es el número de paneles en serie. 4.3.5 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. Los captadores que se vayan a colocar en el hemisferio norte se los deben ubicar con su cara frontal en dirección al Sur, de igual manera los captadores que se coloquen en el hemisferio sur se los debe ubicar con su cara frontal en dirección al Norte. - 58 - El Ecuador es uno de los países privilegiados por su localización geográfica, ya que se encuentra ubicado en la mitad del mundo y por la misma razón nunca sufriremos de falta de radiación solar, en ninguna época del año. En cuanto a la inclinación de los captadores, se los puede colocar en un ángulo dependiendo del valor de la latitud geográfica a la que estén ubicados, recomendando la adición de unos 10º más para su inclinación, para de esta manera tener también la certeza de que aparte de que tengan buena captación solar puedan auto limpiarse. 4.3.6 CAPACIDAD DEL BANCO DE BATERIAS (CB). La capacidad del banco de baterías se la puede calcular mediante la siguiente formula: [Ah] [8] Donde: - CB es la capacidad del banco de baterías [Ah]. - Ed es el consumo energético real del sistema. -A son los días de autonomía. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema de C.C. - Pf es la profundidad de descarga máxima de la batería. 4.3.6.1 Número máximo de días de autonomía. Consisten en el número de días consecutivos que una instalación puede funcionar sin recibir radiación solar. Durante este periodo de tiempo, los módulos no recogen energía y toda la que se está consumiendo es absorbida del sistema acumulador. Mientras mayor sea la autonomía considerada en el diseño, mayor será el número de baterías a instalar. Se recomienda que para los cálculos no se exceda este valor a más de tres días. 4.3.6.2 Profundidad de descarga máxima. Por lo general una batería debe tener una profundidad de descarga de un 50%, si superan este valor llegando a un 80%, a este tipo de descarga se la denomina descarga profunda, la misma que afecta de tal manera al sistema acumulador, acortando con su vida útil. 4.3.7 NÚMERO DE BATERÍAS (Nb). Para calcular el número de baterías, lo primero que se necesita establecer es que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad útil de la batería (Cbat), debe permitir entre 3 y 5 días de autonomía. - 59 - La capacidad útil de la batería (Cbat) se la puede obtener al multiplicar la capacidad nominal de la batería por la máxima profundidad de descarga de la misma. Así tenemos que: [9] Donde: - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. - CnB es la capacidad nominal de la batería. - Pf es la máxima profundidad de descarga. El valor recomendado es de 70% de descarga. Al obtener este dato, puede calcularse el número de baterías (Nb) que se requieren en base a la capacidad de la batería elegida (Cbat) en kWh. [10] Donde: - Nb es el número de baterías. - CB es la capacidad del banco de baterías. - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. La capacidad de la batería debe definirse de tal forma que el número de baterías necesarias para el sistema sea un numero múltiplo de 4, en caso de no serlo se escoge el número superior a este múltiplo. 4.3.7.1 Número de baterías en serie. Se calcula de la siguiente manera: [12] Donde: - # baterías serie es el número de baterías en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema de C.C. - VB es el voltaje de trabajo de la batería. - 60 - 4.3.7.2 Número de baterías en paralelo. Se calcula de la siguiente manera: [12] Donde: - # baterías paralelo - CB - CnB es el número de baterías en paralelo. es la capacidad el banco de baterías. es la capacidad nominal de la batería. 4.3.8 DETERMINACIÓN DEL REGULADOR DE CARGA. Debido a que la corriente nominal del panel se mantiene constante en la conexión en serie, se usa el número de paneles de conexión en paralelo para incrementar la corriente, de esta manera se obtendrá la corriente máxima del sistema como se ve en la ecuación: [A] [13] Donde: - Ir es la corriente a soportar el regulador [A]. - Npp es el número de paneles en paralelo. - IPM es la corriente pico de cada módulo [A]. Al resultado obtenido anteriormente, se deberá sobredimensionar un 25% más de esa corriente, para seguridad del sistema. 4.3.9 DETERMINACIÓN DEL INVERSOR. Para determinar el inversor óptimo para el sistema fotovoltaico se debe tener en cuenta las siguientes características: 4.3.9.1 La tensión nominal de entrada. Esta tensión puede ser de 12, 24 V, etc., y sirve para determinar el tipo de inversor. 4.3.9.2 El rango de tensión de entrada. El inversor tiene un rango de tensión de entrada que varía debido a los distintos niveles por los que pasa el acumulador. La tensión nominal de entrada tiene un rango de mínima de (10%) y de máxima de (20%) entre los cuales dichas variaciones no se ven reflejadas en el voltaje de salida. 4.3.9.3 La potencia nominal. Es la potencia a la que el inversor puede estar sujeto por tiempo ininterrumpido. El inversor elegido deberá tener una potencia que se ajuste al número de aparatos eléctricos - 61 - conectados al mismo tiempo, por esta razón se recomiendo un factor de seguridad del 20% para evitar inconvenientes. 4.3.9.4 La potencia pico. El inversor va estar expuesto a sobrecargas, por ejemplo, cuando se pone en marcha a un motor, este tipo de sobrecarga va ser mayor mientras menos tiempo se demore la misma, de esta manera el inversor puede soportar hasta una sobrecarga del 200% durante un minuto, pero de tan solo de 110% durante diez minutos. 4.3.9.5 Eficiencia. La eficiencia del inversor consiste en la relación producida entre la potencia que entrega y la que absorbe en función de su carga. 4.3.10 SECCIÓN DEL CONDUCTOR. La sección de los conductores, se elegirán de manera que los mismos tengan una caída de tensión en un rango de 1 a 3% nada más. Para calcular la sección de un conductor de cobre entre dos puntos, se aplica la siguiente ecuación: [mm2] [14] Donde: - S es la sección del conductor. - I es la corriente máxima que puede circular por el conductor [A]. - L es la longitud del conductor [m]. - V es la caída de tensión aceptable en el conductor [de 1% a 3%]. Para calcular la corriente que circula por el tramo de los módulos-acumulador, y poder obtener la sección del conductor que se va a emplear en el mismo se empleará la siguiente formula: [15] Donde: -I es la corriente a obtener. - Isc es la corriente de cortocircuito del panel. - Npp es el número de paneles en paralelo por tramo. Para calcular la corriente que circula por el tramo del acumulador-inversor, y de esta manera poder obtener la sección del conductor que se va a emplear en el mismo se empleará la siguiente fórmula: [16] - 62 - Donde: - Imáx - Prcs - Fs -Ƞ - Vtramo es la corriente a obtener. es la potencia real de consumo simultáneo. es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 es el rendimiento del sistema. (se recomienda colocar el 80%). es el voltaje del tramo a calcular. 4.4 CÁLCULO DE UN SISTEMA AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. SOLAR FOTOVOLTAICO 4.4.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA. Para nuestro cálculo utilizaremos como potencia nominal a los 5KW. [1] [Wh/día] Donde: - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -P es la potencia nominal instalada = 5KW. - Fs es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 -h es las horas diarias de funcionamiento. [2] [Wh] Donde: - Ed es el consumo energético real del sistema. - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica. [3] - 63 - Donde: - kb : Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador: - 0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas. - 0,1 en sistemas con descargas profundas. - kc : Coeficiente de pérdidas en el inversor: - 0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas. - 0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas. - kv : Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, caída de tensión): - 0,05 < kv < 0,15 - ka : Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías: - 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd). - 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales). - 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI). - N días de autonomía de la instalación. (No excederse más de los tres días). - Pd profundidad de descarga diaria de la batería. (Entre los 50% y 80%). 4.4.2 TENSIÓN DE TRABAJO DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA (Vtr). La tensión de trabajo con la que se va a trabajar en este cálculo es de 24v. 4.4.3 HORA SOLAR PICO (HSP). Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio 4600 4450 4500 4100 4250 4350 Julio Agosto Septiembre Octubre 4950 5050 5400 5250 Noviembre Diciembre 5300 5250 TABLA I Promedio de la radiación solar de la provincia del Azuay. [4] Donde: - HPS es la hora solar pico. -H es la radiación solar promedio correspondiente a la zona de análisis.( Este valor puede ser el valor promedio, diario o mensual de la irradiación de la zona del diseño, el cual es el valor menos significativo correspondiente al mes del año con menor radiación solar captada). - 1KW es el valor de 1kw/m2. - 64 - 4.4.4 NÚMEROS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. Para este cálculo se ha seleccionado al panel fotovoltaico de marca ATERSA modelo A250P. Características eléctricas del panel fotovoltaico ATERSA MODELO A-250P Potencia Nominal (0/+5 W) 250W Eficiencia del módulo 15,35% Corriente Punto de Máxima Potencia (Imp) 8,45 A Tensión Punto De Máxima Potencia (Vmp) 29,53 V Corriente en Cortocircuito (Isc) 8,91 A Tensión de Circuito Abierto (Voc) 37,60 V TABLA 2. Características eléctricas del panel fotovoltaico ATERSA A-250P. [5] = Dónde: - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Ed es el consumo energético real del sistema [Wh]. - HPS es la hora solar pico. - Wp es la potencia pico de cada panel fotovoltaico. - 0,9 es una constante 4.4.4.1 Números de paneles en serie. [6] Donde: - Nps es el número de paneles en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema C.C. - Vm es el voltaje del módulo. - 65 - 4.4.4.2 Números de paneles en paralelo. [7] Donde: - Npp es el número de paneles en paralelo. - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Nps es el número de paneles en serie. 4.4.5 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. El Ecuador es uno de los países privilegiados por su localización geográfica, ya que se encuentra ubicado en la mitad del mundo y por la misma razón nunca sufriremos de falta de radiación solar, en ninguna época del año. Por lo que generalmente en nuestro país se colocan a los generadores fotovoltaicos a una inclinación de 10º a 15º , ya que los rayos solares son casi perpendiculares. 4.4.6 CAPACIDAD DEL BANCO DE BATERIAS (CB). Para este cálculo se ha seleccionado los acumuladores de marca SUMSOL de tipo MONOBLOCK AGM (Absorbent Glass Mat) y de modelo Victron AGM 12/220. CARACTERISTICAS DE ACUMULADOR MONOBLOCK VICTRON AGM Tensión Modelo Capacidad (Ah) Medidas (mm) Peso nominal ancho x fondo Vcc Ah/C10 Ah/C20 Ah/C100 kg x alto VICTRON AGM 522 x 238 x 12 200 220 240 65 12/220 240 TABLA 3. Características de los acumuladores de marca SUMSOL de tipo MONOBLOCK AGM (Absorbent Glass Mat) y de modelo Victron AGM 12/220. [8] [Ah] - 66 - Donde: - CB - Ed -A - Vtr - Pf es la capacidad del banco de baterías [Ah]. es el consumo energético real del sistema. son los días de autonomía. es la tensión de trabajo del sistema de C.C. es la profundidad de descarga máxima de la batería. 4.4.7 NÚMERO DE BATERÍAS (Nb). [9] = 44 Donde: - Nb es el número de baterías. - CB es la capacidad del banco de baterías. - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. En este caso se redondea a 44 baterías, ya que la capacidad de la batería debe definirse de tal forma que el número de baterías necesarias para el sistema sea un numero múltiplo de 4, en caso de no serlo se escoge el número superior a este múltiplo. [10] Donde: - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. - CnB es la capacidad nominal de la batería. - Pf es la máxima profundidad de descarga. El valor recomendado es de 70% de descarga. 4.4.7.1 Número de baterías en serie. [11] - 67 - Donde: - # baterías serie es el número de baterías en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema de C.C. - VB es el voltaje de trabajo de la batería. 4.4.7.2 Número de baterías en paralelo. [12] = 30 Donde: - # baterías paralelo es el número de baterías en paralelo. - CB es la capacidad el banco de baterías. - CnB es la capacidad nominal de la batería. 4.4.8 DETERMINACIÓN DEL REGULADOR DE CARGA. [13] [A] Donde: - Ir es la corriente a soportar el regulador [A]. - Npp es el número de paneles en paralelo. - IPM es la corriente pico de cada módulo [A]. Al resultado obtenido anteriormente, se deberá sobredimensionar un 25% más de esa corriente, para seguridad del sistema. - 68 - Por lo tanto tenemos: [A] Con el resultado obtenido anteriormente, para este cálculo se puede utilizar el regulador de carga de marca SUMSOL tipo Phocos SPS24D-300, el cual tiene las características necesarias para nuestro sistema. CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR SUMSOL SPS24D-300 -300 REGULADOR Voltaje nominal 24Vcc Máxima tensión entrada campo solar 54Vcc Máxima corriente entrada campo solar Rango de ajuste tensión ecualización Rango de ajuste tensión absorción 300ª De 27 a 34 Vcc De 24 a 27 Vcc Rango de ajuste tensión flotación Autoconsumo máximo De 24 a 30 Vcc 170 mA Autoconsumo típico Máxima sección de cable de campo solar CONTROL DE LA TENSIÓN DE SALIDA Máxima corriente de salida continua Límite de corriente de sobrecarga 60 Ma 70mm² 50 A 70ª Máxima sección de cable a consumos 50 mm² ALARMAS Corriente del relé Tensión máxima del relé Máxima sección de cable admitida 2ª 60 Vcc 1 mm² Corriente de entrada del sensor de alarma 0,5 Ma Tensión de entrada del sensor de alarma 5 Vcc TABLA 4. Característica del regulador de marca SUMSOL de tipo PHOCOS y de modelo SPS24D-300. - 69 - 4.4.9 DETERMINACIÓN DEL INVERSOR. Con los resultados obtenidos, se puede utilizar el siguiente inversor de marca OUTBACK de tipo VFX3024E, el cual cumple con los requerimientos y óptimos necesarios para este cálculo. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DEL INVERSOR OUTBACK MODELO VENTILADO VFX3024E Voltaje nominal entrada CC 24VCC Potencia nominal a 25°C 3000VA Voltaje CA/Frecuencia 230VCA 50Hz Corriente nominal salida CA Modo normal Consumo sin carga 13.0 amps CA ~20 Watts Modo Búsqueda ~6 Watts Eficiencia 92% Distorsión armónica Típica 2% Máxima 5% Regulación voltaje de salida Corriente máxima de Pico 35 amps CA salida Eficaz (RMS) 25 amps CA Pico arranque 5750 VA 5 segundos 4800 VA 30 minutos 3300 VA Capacidad de sobrecarga ±2% Corriente máxima de entrada CA 30 amps CA Rango de voltaje de entrada CA 160 a 300 VCA Rango de frecuencia CA de entrada 44 a 56 Hz Rango de voltaje de entrada CC 21.0 a 34.0 VCC Corriente continua de carga de batería 85 amps CC Garantía Peso Dimensiones 2 años a 5 años Equipo 27.7 kg Envío 29 kg Equipo 30x21x41 cm Envío 55x33x56 cm TABLA 5. Característica del inversor de marca OUTBACK de tipo VFX3024E. - 70 - 4.3.10 SECCIÓN DEL CONDUCTOR. [mm2] [14] Donde: - S es la sección del conductor. - I es la corriente máxima que puede circular por el conductor [A]. - L es la longitud del conductor [m]. - V es la caída de tensión aceptable en el conductor [de 1% a 3%]. Tramo entre los módulos-acumulador, para lo cual primero es necesario calcular la corriente que circula por dicho tramo: [15] 20 A Donde: -I es la corriente a obtener. - Isc es la corriente de cortocircuito del panel. - Npp es el número de paneles en paralelo por tramo. Como no conocemos exactamente la longitud de este tramo, para este cálculo nos vamos a imponer una longitud de 4m. Entonces: [mm2] Tramo entre el acumulador-inversor, corriente que circula por dicho tramo: para lo cual primero es necesario calcular la [16] A - 71 - Donde: - Imáx - Prcs - Fs -Ƞ - Vtramo es la corriente a obtener. es la potencia real de consumo simultáneo. es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 es el rendimiento del sistema. (se recomienda colocar el 80%). es el voltaje del tramo a calcular. Como no conocemos exactamente la longitud de este tramo, para este cálculo nos vamos a imponer una longitud de 2m. Entonces: [mm2] - 72 - CONCLUSIONES - La implementación de sistemas de generación de energía renovable y concretamente de sistemas solares fotovoltaicos en nuestro país es una opción eficaz y conveniente, pues este tipo de generación eléctrica a escala humana es inagotable y su utilización es prácticamente sin impacto ambiental, a diferencia de otros tipos de generación eléctrica que actualmente son utilizados en nuestro país. - Los sistemas fotovoltaicos son proyectos que se pueden implementar en lugares donde no llega la red de energía eléctrica convencional, por lo que este tipo de generación es una alternativa para la solución energética ante el incremento de la población en zonas rurales que sufre el país. - Mediante la implementación de este tipo de proyectos, se han obtenido resultados en los cuales la emisión del CO2 se ha reducido significativamente, pues la aplicación de éstos reduce aproximadamente 1kg de CO2/kwh que son ocasionados por la generación térmica y de otros métodos que utilizan combustibles fósiles para su generación. - Nuestro país tiene una posición geográfica privilegiada, debido a su ubicación en el centro del planeta, la misma que nos facilita la implementación de sistemas fotovoltaicos ya que las radiaciones solares son casi perpendiculares durante todo el año en nuestro territorio. - Debido a la posición geográfica en la que se encuentra nuestro país, se puede obviar diversos factores que afectan a los sistemas fotovoltaicos en otros sectores del mundo, tales como la orientación de los paneles o sistemas de seguimiento solar los cuales elevarían el costo del proyecto. - Nuestro país tiene un elevado nivel de desinformación con respecto a los sistemas solares fotovoltaicos y sus grandes beneficios energéticos y ecológicos, de igual forma son muy pocas las empresas que se dedican al diseño y elaboración de este tipo de sistemas y aún menos a la comercialización de sus componentes. - En este proyecto de investigación los datos utilizados para el cálculo de la radiación solar fueron tomados del Atlas Solar del Ecuador, ya que este documento tiene los datos más confiables de la radiación solar de nuestro territorio debido a que cuenta con la aprobación del organismo regulador del servicio eléctrico del país. - En la actualidad las celdas fotovoltaicas que están formadas por silicio en forma monocristalina o policristalina, son las más populares y más vendidas en todo el mundo, aun cuando su fabricación sea de una manera compleja y costosa, principalmente cuando a las mismas se las obtiene en láminas (obleas) de silicio en donde se producen pérdidas al momento de cortarlas. - Debido al diseño y a la fabricación que tienen los paneles solares, estos pueden trabajar con una radiación solar de hasta un 10% como mínima, sin embargo estos equipos pueden trabajar a su potencia máxima cuando la radiación solar es más abundante en el lugar, llegando a ser hasta 1000w/m2, de esta manera se compensa su rendimiento con el trabajo que deben realizar. - El tipo de acumuladores que se requieren para este tipo de sistemas solares fotovoltaicos deben de ser de ciclo profundo, ya que en ciertos casos se requerirá que el sistema de acumulación permanezca bajo largos periodos de descarga con amperaje bajo, razón por la cual no se debe emplear baterías de - 73 - vehículos en este tipo de sistemas, ya que estas producen altos niveles de amperaje en cortos periodos de tiempo y no están diseñadas para este tipo de trabajo. - Algo muy importante que se debe tener en cuenta dentro del sistema fotovoltaico son los conductores que deben ser dimensionados e instalados muy cuidadosamente, ya que este tipo de sistema funciona a bajo voltaje, y ocasionar una pérdida por un mal dimensionamiento del calibre provocaría una reducción en la producción de energía y también afectaría el abastecimiento de energía a las cargas. - 74 - RECOMENDACIONES - En los próximos años la implementación de sistemas fotovoltaicos en nuestro país aumentará, razón por la cual se recomienda impulsar el uso de estos sistemas con programas de exoneración de impuestos por parte del gobierno para abaratar los costos de inversión y de esta manera tratar de que este tipo de sistema sea acogido de mejor forma por la población. - Se recomienda promover la especialización de profesionales interesados en energías renovables no convencionales, ya que con la ayuda de ellos este proyecto sobresaliera de mejor manera, y de esta forma se podría instalar un mayor número de sistemas fotovoltaicos y dar el adecuado mantenimiento preventivo y correctivo con personal capacitado. - No se debe exceder de la demanda eléctrica obtenida en el cálculo, ya que puede producir una sobrecarga por consumo y ocasionar daños severos al sistema. - No se debe conectar al sistema aparatos que tengas potencias mayores a la del inversor. - Tener siempre presente que en los sistemas fotovoltaicos la energía es limitada, lo cual nos promueve a que debemos tratar de ahorrar en la mayor forma posible la energía producida y no desperdiciarla. - Por lo menos una vez al año se debe realizar un mantenimiento preventivo y correctivo del sistema, para de esta manera asegurar el buen funcionamiento del mismo y alargar su vida útil por mucho más tiempo. - Es recomendable que tanto el regulador como las baterías no se coloquen en lugares cerrados, debido a que estos elementos producen gases que pueden afectar en su correcto funcionamiento y de esta manera evitar posibles accidentes cuando sea necesario su manipulación. - Se recomienda la utilización de la nueva tecnología tipo LED, en el campo de la iluminación del sistema fotovoltaico, ya que estas son más eficientes y menos nocivas al medio ambiente que las bombillas incandescentes en el momento del deshecho y reciclaje. - 75 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BALSECA, M; Programa Ecuatoriano de ahorro de Energía; Ministerio de Energía y Minas; Quito, Ecuador; 2000. [2] BIOMASS USERS NETWORK; Manuales sobre Energía Renovable: Solar Fotovoltaica; I Edición; Fondo global del medio ambiente, San José, Costa Rica; 2002. [3] BRAVO, I, HASELHUHN, R, Y HEMMERLE, C; Instalaciones Fotovoltaicas; I Edición; Sociedad para el Desarrollo Energético de Andalucía (SSODEAN); Sevilla, España; 2004. [4] Castro, Miguel. Hacia una Matriz Energética Diversificada en Ecuador, Quito, CEDA, noviembre 2011. [5] CAZCO, E; Incentivos para la Inversión en Generación Eléctrica en el Ecuador, Encuentro Empresarial Franco- Ecuatoriano de Energía y Ambiente; Quito, Ecuador; 2007. [6] Celdas solares. Recuperado el 12 de marzo de 2013, www.taringa.net/posts/info/2697436/Celdas-solares-que-son.html [7] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC); Reglamento Sustitutivo de la Ley de Régimen del Sector Eléctrico; Quito, Ecuador; 1996. [8] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC); Ley de Régimen del Sector Eléctrico Reformada; Quito, Ecuador, 2006. [9] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC); Plan Maestro de Electrificación 20092020; Quito, Ecuador; 2009. [10] CUENCA, M; Instalación de equipos de generación eléctrica Solar y Eólica en la ciudad de Reus; Universitat Rovira y Virgili; Tarragona, España; 2003. [11] Curso de energía solar fotovoltaica. Recuperado 22 de mayo de 2013, de CUROLAR: http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/02_radiacion/01_ basico/2_radiacion_07.htm [12] DUNLOP, J; Batteries and Charge Control in Stand-Aione Photovoltaic SystemsFundamentals and Application; Sandia National Laboratories; Albuquerque, Estados Unidos; 1997. [13] Energía Solar Fotovoltaica, Manual del Proyectista, 1ra Edición, Junta de Castilla y León. [14] Energía Solar Fotovoltaica. Recuperado el 28 de julio del 2013, de Gas Natural Fenosa: www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/energia-solarfotovoltaica#ancla - 76 - de Taringa: [15] [16] El generador fotovoltaico. Recuperado el 29 de julio de 2013, de María del Carmen Alonso:http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45315/componente45313.pdf Fernandez J., Compendio de Energía Solar, 1ra Edición, MUNDI-PRENSA, Madrid, 2008. [17] Google Earth: www.earth.google.com [18] HERMANN, Wes; Energy Quality, Flow and Accumulation in the Natural World; Stanford University Global Climate and Energy Project; Palo Alto, CA, USA; 2006. [19] Jhon Alberto España Salazar y Edwin Fabián Villarruel Jácome, Diseño de un sistema de energía fotovoltaica de emergencia para la iluminación en laboratorios. [20] La electrificación rural en Ecuador. Recuperado el 28 de abril de 2013, de: www.tech4cdm.com/uploads/documentos/documentos_La_Electrificacion_Rural_en_ Ecuador_d6701fbe.pdf [21] Los paneles solares fotovoltaicos. Recuperado el 4 de marzo de 2013, de SITIOSOLAR: www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm [22] MOLINA, D., Diseño y Construcción de un Prototipo Experimental Didáctico para Controlar el Suministro Eficiente de Electricidad a partir de Sistemas No Convencionales de Energía, Tesis de Ingeniería eléctrica, Escuela Superior Politécnica del Litoral, 2000. [23] Prospectiva del sector eléctrico 2012-226. Recuperado el 15 de abril de 2013, de: www.sener.gob.mx/res/PE_y_DT/pub/2012/PSE_2012_2026.pdf [24] Radiación Solar. Recuperado 18 de abril de 2013, de Agencia Estatal de Meteorología: www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/observacion/.../Radiacion_Solar.pdf [25] Rodriguez H. y Suresh, Manual de sistemas fotovoltaicos para electrificación rural, PNUD, OLADE, JUNAC, Bogotá, 1995. [26] SÚAREZ, Luis, Ingeniería conceptual para la electrificación de viviendas en zonas alejadas de los puntos de distribución mediante el uso de energías alternativas, Tesis de Pregrado, Universidad de los Andes, Mérida, Febrero 2008. [27] Tipos de energías. Recuperado el 10 de mayo de 2013, de ElectriCasas : www.electricasas.com/wp-content/uploads/2008/11/array_sp1.gif - 77 - ANEXO A ANEXO A GLOSARIO DE PALABRAS CEI: Comisión Electrotécnica Internacional. CENELEC: Comité Europeo para la Normalización Electrotécnica. CONELEC: Consejo Nacional de Electricidad. FERUM: Fondo de Electrificación Rural y Urbano-Marginal. FMI: Fondo Monetario Internacional. LRSE: Ley de Régimen del Sector Eléctrico. MEER: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable. PROMEC: Proyecto de Modernización de los Sectores Eléctricos, de Telecomunicaciones y Servicios Rurales. Tm: Terámetro. WEO: World Economic Outlook. Albedo: Es la relación de la radiación solar que cualquier superficie refleja sobre la radiación que incide sobre la misma. Ánodo: es definido como el electrodo al cual los electrones llegan de la celda y ocurre la oxidación. Cuando la celda está siendo cargada, el ánodo se convierte en el electrodo positivo (+). Cátodo: es definido como el electrodo en el cual los electrones entran a la celda y ocurre la educción. El cátodo siempre es el electrodo negativo (-). Cuarzo: Mineral de dióxido de silicio muy abundante en la corteza terrestre, en la que entra a formar parte de gran número de rocas. Electrodo: es una placa de membrana rugusa de metal, un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito. Fotovoltaico: La palabra fotovoltaico está formada por la combinación de dos palabras, una de origen griego: foto, que significa luz, y otra voltaico que significa eléctrico. El nombre resume la acción de estas células: transforma directamente la energía luminosa, en energía eléctrica. Obturador: el obturador es el dispositivo que controla el tiempo durante el que llega la luz al dispositivo fotosensible (película en la Fotografía química o sensor en la fotografía digital). - 78 - ANEXO B ANEXO B DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO - 79 - ANEXO C ANEXO C PANEL FOTOVOLTAICO DE MARCA ATERSA MODELO A-250P. - 80 - - 81 - ANEXO D ANEXO C ACUMULADORES DE MARCA SUMSOL, TIPO MONOBLOCK AGM (ABSORBENT GLASS MAT), MODELO VICTRON AGM 12/220 - 82 - ANEXO E ANEXO E REGULADOR DE CARGA DE MARCA SUMSOL TIPO PHOCOS SPS24D-300 - 83 - ANEXO F ANEXO F INVERSOR DE MARCA OUTBACK DE TIPO VFX3024E, - 84 - - 85 - ANEXO G ANEXO G MAPAS CON LA INSOLACION GOBAL DEL ECUADOR - 86 - - 87 - - 88 - - 89 - - 90 - - 91 - - 92 - - 93 - - 94 - - 95 - - 96 - - 97 - PAPER CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. Xavier GUZÑAY Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, Universidad Católica de Cuenca Cuenca, Ecuador [email protected] ABSTRACT In this research work a calculation of a standalone photovoltaic system generates 5KW, in the same establishing a simplified form of calculation to obtain all the necessary elements at its optimum performance for generating electricity. Autonomous photovoltaic systems are formed by a series of elements, which are themselves interconnected, to thereby be able to provide the necessary electrical energy to a given load. One of its most important elements are the PV modules, and that when we choose them to be careful and choose the top performers, since these are the key to power generation system works properly and can get the energy needed to the system. Something that should be taken into account in a photovoltaic system, is the number of batteries, the same that will be determined depending on the amount of energy that is consumed by the load and the days of autonomy that can affect the system, days that the generator can not deliver full power due to the low incidence of sunlight. So this type of battery should have high throughput for use, so it is recommended that these batteries are AGM (Glass Mat Aggegated) or VRLA (Gel battery, Pb-acid), as these we provide high reliability for the system to be sealed technology . In our country it is to implement autonomous photovoltaic solar systems to provide basic services such as electricity, to the population that does not have it, either because the public is located at great distances from the place or simply because they power exists in the industry, and most optable is the use of this type of system. Also this power generation system helps to preserve the environment, and so it produces electricity in a clean, thus preventing contamination of the environment at the time of generation, using as the only fuel for the production of their energy , solar radiation emitted by the Sun, which will be inexhaustible for many years, and which enjoys worldwide. Keywords: Photovoltaic, autonomous , system, generate calculation photovoltaic, renewable energy. RESUMEN En este trabajo de investigación se realiza un cálculo de un sistema fotovoltaico autónomo que genera 5KW, en el mismo que se establece una forma simplificada de cálculo para obtener todos los elementos necesarios con su rendimiento óptimo para la generación de la energía eléctrica. Los sistemas fotovoltaicos autónomos están conformados por una serie de elementos, los mismos que se encuentran interconectados entre sí, para de esta manera poder proporcionar la energía eléctrica necesaria a una determinada carga. Uno de sus elementos más importantes son los módulos fotovoltaicos, ya que al momento de elegirlos debemos ser cuidadosos y elegir los de mayor rendimiento, ya que estos son la clave para que el sistema de generación eléctrica funcione correctamente y se pueda obtener la energía necesaria para el sistema. Algo que se debe tomar en cuenta también en un sistema fotovoltaico, es el número de baterías, las mismas que se determinaran dependiendo de la cantidad de energía que es consumida por la carga y de los días de autonomía que pueden afectar al sistema, días en los que el generador no pueda entregar su potencia máxima debido a la baja incidencia de los rayos solares. Por lo que este tipo de batería deberá tener un rendimiento alto para su uso, por lo que se recomienda que este tipo de baterías sean AGM (Aggegated Glass Mat) o de tipo VRLA (Gel battery, Pb-ácido), ya que estas nos brindan alta confiabilidad para el sistema por ser de tecnología sellada. En nuestro país se trata de implementar los sistemas solares fotovoltaicos autónomos para brindar un servicio básico como es la energía eléctrica, a la población que no cuente con el mismo, ya sea porque la red pública se encuentra a grandes distancias del lugar o simplemente porque no existe energía eléctrica en el sector, y lo más optable es la utilización de este tipo de sistema. - 98 - También este sistema de generación eléctrica ayuda a la conservación del medio ambiente, y así mismo produce energía eléctrica de una manera limpia, evitando de esta manera la contaminación del medio ambiente al momento de la generación, utilizando como único combustible para la producción de su energía, las radiaciones solares emitidas por el Sol, las cuales serán inagotables por muchos años más, y de las cuales goza todo el mundo. Palabras clave: Fotovoltaico, autónomo, sistema, generar, cálculo fotovoltaico, energía renovable. la generación eléctrica, transporte y otros fines, también el contrabando de combustibles y la exportación casi nula de los derivados del petróleo, son algunos de los aspectos que hacen que nuestro país no tenga una adecuada matriz energética. I. ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL ECUADOR Y DEL MUNDO 1.1 SITUACIÓN ACTUAL DEL SECTOR ENERGÉTICO MUNDIAL. El aumento de la población, ha generado un incremento en cuanto a la demanda energética mundial, y con ello el uso de energía eléctrica se ha incrementado exponencialmente, por lo que la disponibilidad de fuentes de energía en particular, en estado líquido se está agotando rápidamente. Para rectificar la matriz energética que conllevaba nuestro país desde años atrás, el gobierno ecuatoriano ha puesto en marcha diferentes proyectos eléctricos. Estos proyectos eléctricos están enfocados a la construcción de proyectos hidroeléctricos y de energía renovable, de los cuales, algunos proyectos ya están en funcionamiento y aportando al país con la energía eléctrica que producen. Para poder abastecer toda la demanda de energía eléctrica que se necesita en la actualidad para esta sociedad, se ha buscado nuevos procesos para generar energía eléctrica, uno de ellos es por medio de energía renovable, ya que con la ayuda de este tipo de generación se tratará de evitar una crisis energética y un deterioro ambiental irreversible. Entre algunos de estos proyectos eléctricos podemos mencionar: Coca Codo Sinclair ubicado en las provincias de Napo (Cantón El Chaco) y Sucumbíos (Cantón Gonzalo Pizarro), Sopladora ubicado entre las provincias de Azuay y Morona Santiago, Villonaco ubicado en la provincia de Loja, Agoyán ubicado en la provincia de Tungurahua (Rio Pastaza), Mazar Dudas ubicado en la provincia del Cañar (cantón Azogues), Quijos ubicado en la provincia de Napo, Toachi Pilató ubicado en los límites de las provincias de Pichincha, Santo Domingo de los Tsáchilas y Cotopaxi, Apaquí ubicado en la provincia de Carchi, entre otros proyectos, muchos de ellos ya están en funcionamiento y otros se encuentran en su parte final. Al analizar la situación de las energías primarias a nivel mundial, regional y nacional, surge el concepto de la matriz energética. La matriz energética, nos muestra un balance energético mundial, el cual es un registro del flujo de energía (oferta y demanda) y sus procesos, en un periodo definido. La energía, a nivel mundial es obtenida de los recursos naturales; tales como el Sol, energía geotérmica, eólica, hidráulica, biomasa, combustibles fósiles, radioactivos, etc. Fig.2MatrizenergéticadelEcuadorapartirde2007-2020 [111] En la figura se muestra la matriz energética del Ecuador a partir del año 2007 con una proyección hasta el año 2020, en la cual la producción de energía eléctrica fue del 43% en el 2007, y se espera que con el implemento de los proyectos eléctricos mencionados anteriormente, la generación de energía eléctrica aumente hasta un 80% hasta el año 2020 y se pueda minimizar el impacto ambiental por el uso de combustibles fósiles. Fig. 1 Distribución de la demanda mundial de energía, 19902010 [110] 1.2 ENERGÍAS ECUADOR. PRIMARIAS EN EL El Ecuador es un país altamente dependiente de combustibles fósiles, los mismos que son utilizados para [110] International Balances. Energy Agency.2012.World Energy [111] Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER) - 99 - que la mayoría de las estrellas, el Sol se compone sobre todo de hidrógeno (71%); también contiene helio (27%) y otros elementos más pesados (2%). 1.3 LA ELECTRIFICACIÓN RURAL EN EL ECUADOR. 1.3.1 SITUACIÓN ACTUAL. El resultado neto de estos procesos es que cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo de helio, y la energía surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme cantidad de núcleos reacciona cada segundo, generando una energía equivalente a la que se produciría por la explosión de 100.000 millones de bombas de hidrógeno de un megatón por segundo. La combustión nuclear del hidrógeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio solar. [114] En nuestro país la electrificación rural fue fomentada desde el año de 1973, año en el cual se crea el Fondo de Electrificación Rural. Posteriormente en el año de 1998, mediante la Ley de Régimen del Sector Eléctrico (LRSE), se llega a crear el Fondo de Electrificación Rural y Urbano-Marginal (FERUM). Las estadísticas nos indican que se ha conseguido un aumento del 6% en la cobertura de electricidad en las zonas rurales, desde la creación del FERUM. Para el año 2009 se alcanzó una cobertura de un 85,7% en el sector rural, 92,7% en el sector urbano y el 90,4% en la cobertura nacional. En las siguientes figuras se puede observar, la población con mayor y menor cobertura de energía eléctrica. Fig. 5 El Sol. [115] 2.1.2 LA RADIACIÓN SOLAR. Es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Fig. 3 Cobertura alcanzada en el sector rural. [112] Aproximadamente la mitad de las ondas electromagnéticas que recibimos, están comprendidas entre 0,4µm y 0,7µm, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. En función de cómo reciben la radiación solar los objetos situados en la superficie terrestre, se pueden distinguir estos tipos de radiación: Fig. 4 Cobertura alcanzada en el sector urbano-marginal [113] II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. 2.1 RADIACIÓN SOLAR. 2.1.1 EL SOL. El Sol gira una vez cada 27 días cerca del Ecuador, pero una vez cada 31 días más cerca de los polos. Fig. 6 Radiación Directa, Difusa y Reflejada. [116] La cantidad total de energía emitida por el Sol en forma de radiación es bastante constante y no varía más que unas pocas décimas de un 1% en varios días. Esta energía se genera en las profundidades del Sol. Al igual [114] http://www.monografias.com/trabajos12/sol/sol.shtml [115] http://www.monografias.com/trabajos65/radiacionsolar/radiacion-solar_image004.jpg [116] http://www.monografias.com./trabajos61/sistema-hibridoeolicofotovoltaico/Image28031.jpg [112] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) [113] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC) - 100 - 2.1.2.1 La radiación directa: 2.1.3.2 Medida de la radiación global y difusa. Como su nombre lo indica, es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los objetos opacos que la interceptan. [117] Para medir la radiación global y difusa se utiliza el instrumento denominado piranómetro, el cual se utiliza también para medir la radiación incidente sobre superficies inclinadas y se dispone en posición invertida para medir la radiación global reflejada (albedo). [119] 2.1.2.2 La radiación difusa: Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las partículas de polvo atmosférico, montañas, etc. 2.1.2.3 La radiación reflejada: Esta radiación es aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. 2.1.2.4 La radiación global: Fig. 8 Piranómetro Kipp-Zonen. [120] Este tipo de radiación es conocida como radiación total. Esta consiste en la suma de las tres radiaciones mencionadas anteriormente. 2.1.3 MEDICIÓN SOLAR. DE LA 2.1.3.3 Medida de la radiación infrarroja. Los instrumentos usados para medir radiaciones de onda larga son los pirgeómetros. La mayoría de éstos eliminan las longitudes de ondas cortas mediante filtros que presentan una transparencia constante a longitudes de onda largas mientras que son casi opacas a longitudes de ondas más cortas comprendidas entre 300 a 3000mm. RADIACIÓN 2.1.3.1 Medida de la radiación directa. [121] La radiación directa se mide por medio de un aparato llamado pirheliómetros. Debido a que siempre necesita el empleo de obturadores (dispositivo que controla el tiempo de llegada de la luz hasta el dispositivo fotosensible), solamente se puede medir la radiación solar y de una región anular del cielo muy cerca al astro. Se recomienda que los pirheliómetros se los coloque sobre mecanismos que les permitan un seguimiento muy preciso del Sol. Fig. 9 Pirgeómetro Eppley [122] 2.2 PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO. Los paneles solares fotovoltaicos, también son conocidos como módulos solares, los cuales contienen placas que están formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas eléctricamente entre sí, ya sea en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado y necesario para el sistema fotovoltaico diseñado. [123] Fig. 7 Pirheliómetro de primera clase Kipp-Zonen. [118] [119]http://www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/observacion/ radiacion/Radiacion_Solar.pdf [120] http://agrys.cl/images/CMP3.jpg [121]http://www.aemet.es/documentos/es/eltiempo/observacion/ radiacion/Radiacion_Solar.pdf [122]http://www.eppleylab.com/images/PhoModelPSP.JPG [123]http://www.anes.org/anes/index.php?option=com_wrapper &Itemid=11 [117] http://www.monografias.com/trabajos65/radiacionsolar/radiacion-solar2.shtml [118] http://img.directindustry.es/images_di/photo-m2/0-2-000w-m-dr01-88003-2315901.jpg - 101 - 2.2.2.1.1 Panel solar de silicio puro monocristalino. 2.2.1 ESTRUCTURA. Un panel solar fotovoltaico está conformado por: Este tipo de panel está conformado por secciones de una barra de silicio, que se han cristalizado perfectamente en una sola pieza. Se han alcanzado rendimientos máximos del 24.7% en laboratorio y en paneles comerciales rendimientos del 16%. [126] Fig. 10 Partes de un panel solar fotovoltaico. [124] a) Cubierta exterior de cara al Sol: es de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Fig. 11 Panel solar formado con células de silicio monocristalino. [127] b) Encapsulante: de silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándome además un índice de refracción similar al del vidrio protector. 2.2.2.1.2 Panel solar de silicio puro policristalino. En estos paneles los materiales con los que están formados son semejantes a los paneles monocristalinos, pero el proceso de cristalización del silicio es diferente. Estos paneles tienen una superficie con un aspecto granulado debido a que está compuesto por secciones de una barra de silicio que se estructurado en forma de pequeños cristales. [128] c) Protección posterior: da rigidez y una gran protección frente a los agentes atmosféricos, usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas de materiales. d) Marco metálico: de aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanquiedad al conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que forman el módulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel. e) Cableado y bornas de conexión: habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas. f) Diodo de protección: su misión es proteger contra sobre-carga u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel. [125] Fig. 12 Panel formado con células de silicio policristalino. [129] 2.2.2TIPOS DE PANELES FOTOVOLTAICOS. 2.2.2.1 Tipos de paneles en función de los materiales. Por las características físicas que presenta este silicio cristalizado los paneles que se han fabricado con esta tecnología presentan un grosor considerable, al mezclarlo con otros materiales semiconductores es posible conseguir paneles más finos y versátiles. Los paneles fotovoltaicos se clasifican dependiendo del material de los semiconductores que los componen y tomando en cuenta también el método de fabricación que se utilice. Así pues, los tipos de paneles de lámina delgada son: Silicio amorfo Teluro de cadmio En el mercado podemos encontrar los siguientes tipos de paneles fotovoltaicos: [125].[126],[127]http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovolt aicas.htm [128],[129]http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas. htm [124]http://www.electricasas.com/wpcontent/uploads/2008/11/a rray_sp1.gif - 102 - Diseleniuro de indio y cobre Paneles solares tándem. [130] 2.2.2.2 Tipos de paneles en función de su forma. Empleando cualquiera de los materiales antes mencionados se fabrican paneles en distintos formatos para adaptarse a una aplicación en concreto o bien para lograr un mayor rendimiento, algunos ejemplos de formas de paneles son: [131] 2.2.2.2.1 Paneles con sistemas de concentración. Este tipo de paneles es el modelo desarrollado por una marca española, el cual consiste en una serie de superficies reflectantes concentrada la luz sobre los paneles fotovoltaicos. [132] Fig. 15 Paneles bifaciales .[135] III. SELECCIÓN DE LOS COMPONENETES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. 3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO. A un sistema solar fotovoltaico podemos definirlo como: el conjunto de elementos que se encuentran conectados entre sí, siendo capaces de generar energía eléctrica a partir de la transformación directa de la energía solar. Fig. 13 Panel formado con sistemas de concentración. [133] 2.2.2.2.2 Paneles de formato teja o baldos. Este tipo de paneles son de un tamaño pequeño, y han sido fabricados con la idea de poderlos combinar en gran número, para de esa manera poder cubrir las grandes superficies que pueden abarcar los tejados de las viviendas. Fig. 16 Componentes de un sistema solar fotovoltaico.[136] Los sistemas solares fotovoltaicos están conformados por: Generador fotovoltaico Regulador o controlador de carga Acumulador Inversor Cargas eléctricas Elementos de protección Cables y accesorios Fig. 14 Paneles de formato teja. [134] 2.2.2.2.3 Paneles bifaciales. Este tipo de paneles tienen la característica de transformar las radiaciones solares que recibe por cualquiera de sus dos caras, en electricidad. Este panel es colocado sobre dos superficies blancas que reflejan la luz solar hacia el reverso del panel. [130],[131],[132],[133],[134],[135]http://www.sitiosolar.com/p aneles%20fotovoltaicas.htm [136] http://funcionamientodesistemasolar.blogspot.com/ - 103 - voltaje de entrada de tipo (AC), y no se los pueden conectar directamente a un sistema fotovoltaico. 3.1.1 GENERADOR FOTOVOLTAICO. Fig. 17 Generador fotovoltaico. [137] Fig. 19 El inversor solar. [140] Al generador fotovoltaico se lo considera como la parte principal del sistema fotovoltaico, ya que es el encargado de convertir la energía solar en energía eléctrica. 3.1.3.1 Tipos de inversores. 3.1.3.1.1 Inversores de onda cuadrada. Los inversores de onda cuadrada son los más sencillos y disponibles, ya que este tipo de inversores utilizan interruptores de estado sólido. El generador fotovoltaico está formado por un conjunto de módulos fotovoltaicos, conectados adecuadamente en serie y en paralelo, para poder obtener la corriente y el voltaje necesarios para una determinada aplicación. Normalmente el fabricante proporciona los accesorios e instrucciones necesarios para lograr una interconexión fácil y segura. 3.1.2 REGULADOR DE CARGA. El regulador de carga es el dispositivo que tiene como función principal de proteger a las baterías, de las sobrecargas profundas que pueden afectar a la misma en ciertas ocasiones. Además, tiene la capacidad de ejecutar funciones de mantenimiento como ecualización de la carga o monitoreo de índices de gasificación y otros parámetros. [138] Fig. 20 Circuitos de conversión de señales DC a onda cuadrada. [141] 3.1.3.1.2 Inversores de onda sinusoidal modificada. Debido a los efectos que tienen los inversores de onda cuadrada se debe analizar primero si la carga puede operar o no con ese tipo de onda, o caso contrario se puede emplear otra clase de onda, la cual es la llamada onda sinusoidal modificada, la cual es obtenida mediante un puente H multinivel. [142] Fig. 18 El regulador de carga. [139] Fig.21OndasinusoidalmodificadaproducidaporunpuenteH. [143] 3.1.3 INVERSOR DE VOLTAJE. 3.1.3.1.3 Inversor de modulación de ancho de pulso (pwm). Los inversores son los encargados de convertir la corriente directa que producen los paneles fotovoltaicos en corriente alterna, ya que la mayoría de aparatos eléctricos domésticos están diseñados para operar con un El inversor de este tipo, puede generar cualquier tipo de onda con cualquier valor promedio, en cualquier instante. Un inversor PWM puede producir todo tipo de [137]http://www.cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue /htm/guia/solar.htm [138] http://energiasolarfotovoltaica.blogspot.com/2006/01/elregulador-de-carga.html [139] http://bimg2.mlstatic.com/controlador-de-carga-lcd-de12v24v-30a-para-paneles-solares_MLM-F3139679122_092012.jpg [140] http://www.codesolar.com/Energia-Solar/EnergiasRenovables/Samlex-America-Inversores-Potencia-CorrienteContinua-Alterna.html [141], [142], [143] Photovoltaic Systems Engineering (41) - 104 - formas de onda regulando el ciclo de trabajo de pulsos sucesivos entre sí, mientras que la amplitud se controla con los valores máximos del ciclo de trabajo y la frecuencia es determinada por el tiempo de repetición de la secuencia de pulsos. [144] Baterías opzs. Baterías de plomo-ácido. Baterías de níquel-cadmio. Baterías de ión litio. 3.1.5 CARGAS ELÉCTRICAS. Analizando el mercado en nuestro medio podemos encontrar cargas eléctricas que pueden funcionar tanto en corriente continua DC como en corriente alterna AC. Como se sabe que los sistemas fotovoltaicos generan electricidad en corriente continua, no es necesario utilizar un inversor para poder encender ciertos aparatos, ya que alguno de ellos funcionan con este tipo de corriente, así como existen otros aparatos que casi son la mayoría que funcionan con corriente alterna y para los cuales, si vamos a tratar de encenderlos por medio de este sistema tendremos que conectarlos antes con un inversor, para poder transformar la energía que produce el sistema, de corriente continua a corriente alterna. Fig. 22 Configuración de inversor PWM de tres niveles y su correspondiente onda en la salida. [145] 3.1.4 ACUMULADORES DE ENERGÍA. Para la acumulación de energía en los sistemas fotovoltaicos, existen baterías diseñadas para realizar específicamente este trabajo, a las cuales se les conoce como baterías solares o de ciclo profundo. Se les llama de ciclo profundo porque pueden descargar una cantidad significativa de la energía cargada antes de que requieran recargarse y pueden seguir funcionando normalmente. La principal recomendación es siempre hacer uso racional y eficiente de la energía, dada su escasa disponibilidad. Esto significa instalar el equipo apropiado para cada necesidad y en su operación tener el equipo encendido sólo el tiempo requerido. Entre los aparatos o cargas eléctricas que podemos conectar por medio de este sistema tenemos: elementos de iluminación en DC y AC, refrigeradoras en DC y AC, televisores, radios, son los aparatos más comunes que se pueden encontrar en nuestro medio. [147] Las baterías en un sistema fotovoltaico, tienen como función principal de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo. 3.1.6 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN. Un sistema fotovoltaico al igual que una instalación eléctrica común, requiere de protecciones para sus equipos y para la instalación eléctrica en general, entre las protecciones más usuales tenemos: Interruptores automáticos magnetotérmicos. Fusibles. Puesta a tierra. 3.1.7. CABLES Y ACCESORIOS. 3.1.7.1 Cables. Para seleccionar el tipo de cable correcto para un sistema fotovoltaico, se debe tener presente siempre lo siguiente: Fig. 23 Batería de Ión Litio para sistemas fotovoltaicos. [146] 3.1.4.1 Tipos de acumuladores de energía. Existen varios tipos de baterías que se pueden utilizar en los sistemas fotovoltaicos; entre las cuales podemos mencionar: [144].[145] Photovoltaic Systems Engineering (41) [146] http://energias-renovables-ylimpias.blogspot.com/2012/12/consejos-de-uso-de-baterias-delitio.html El nivel de la corriente de carga puede ser más elevado, en relación a su sección transversal, provocando sobrecalentamiento. Estos cables están expuestos a condiciones ambientales extremas (calor, frío, humedad, rayos ultra-violeta, etc) y en algunos casos, al ataque de roedores. La caída de voltaje entre la entrada y la salida debe mantenerse baja, entre un 3 y un 4% del valor nominal. [147] http://www.energiasrenovableshoy.net/2011/09/elementosde-carga-en-un-sistema.html - 105 - - 0,05 en sistemas que no se producen descargas intensas. - 0,1 en sistemas con descargas profundas. - kc : Coeficiente de pérdidas en el inversor: - 0,005 para inversores de salida senoidal pura, en condiciones óptimas. - 0,1 para condiciones de trabajo lejos de las óptimas. - kv : Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, caída de tensión): - 0,05 < kv < 0,15 - ka : Coeficiente de autodescarga diaria de las baterías: - 0,002 para baterías de baja autodescarga (Ni-Cd). - 0,005 para baterías estacionarias de plomo ácido (las más usuales). - 0,012 para baterías de alta autodescarga (SLI). - N días de autonomía de la instalación. (No excederse más de los tres días). - Pd profundidad de descarga diaria de la batería. (Entre los 50% y 80%). 3.1.7.2. Accesorios. En la instalación de un sistema fotovoltaico, se utiliza los mismos accesorios eléctricos que se requieren para una instalación eléctrica normal. Entre algunos de estos accesorios tenemos: cajetines de conexión, tomas corrientes, interruptores, conectores, borneras, tablero de conexión, etc. IV. CÁLCULO Y DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO QUE GENERA 5KW/H. 4.1 DISEÑO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO. Los factores que deben considerarse para el diseño de un sistema fotovoltaico autónomo son los siguientes: 4.1.1 CÁLCULO DE LA DEMANDA. Lo primero que se necesita conocer para dimensionar un sistema fotovoltaico es la potencia consumida por las cargas que se encuentren conectadas al sistema en un determinado periodo de tiempo; es lo que comúnmente se denomina la energía consumida diariamente. Para este trabajo de investigación, para calcular la energía consumida diariamente se empleará la siguiente fórmula: [Wh/día] 4.1.2 TENSIÓN DE TRABAJO DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA (Vtr). Los equipos que funcionan con corriente continua pueden funcionar con una tensión ya sea de 12, 24 y 48V. [1] Donde: - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -P es la potencia nominal instalada = 5KW. - Fs es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 -h es las horas diarias de funcionamiento. 4.1.3 HORA SOLAR PICO (HSP). Para los cálculos se debe considerar los meses de peor radiación solar disponible, con el fin de determinar HSP (Horas Solar Pico). Por lo tanto el consumo diario (Cd) de toda la carga, calculado a partir de la ecuación [1], constituye el consumo energético teórico del sistema (Et), donde a partir de este valor se debe calcular el consumo energético real del sistema (Ed), que considera los diversos factores de pérdidas en la instalación del sistema de acuerdo a la siguiente ecuación: [Wh] Por tanto: [2] [4] Donde: - Ed es el consumo energético real del sistema. - Cd es la energía media diaria consumida [Wh/día]. -R es el rendimiento global de la instalación fotovoltaica. Donde: -HPS es la hora solar pico. -H es la radiación solar promedio correspondiente a la zona de análisis.( Este valor puede ser el valor promedio, diario o mensual de la irradiación de la zona del diseño, el cual es el valor menos significativo correspondiente al mes del año con menor radiación solar captada). - 1KW es el valor de 1kw/m2. Como ya conocemos la energía media diaria consumida (Cd), necesitamos obtener el rendimiento global (R) el mismo que podemos obtener con la siguiente ecuación: 4.1.4 NÚMEROS FOTOVOLTAICOS. [3] DE PANELES Se calcula empleando la siguiente formula: Donde: - kb : Coeficiente de pérdidas debidas al rendimiento del acumulador: [5] - 106 - [Ah] Dónde: - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Ed es el consumo energético real del sistema [Wh]. - HPS es la hora solar pico. - Wp es la potencia pico de cada panel fotovoltaico. - 0,9 es una constante [8] Donde: - CB es la capacidad del banco de baterías [Ah]. - Ed es el consumo energético real del sistema. -A son los días de autonomía. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema de C.C. - Pf es la profundidad de descarga máxima de la batería. 4.1.4.1 Números de paneles en serie. Se calcula de la siguiente manera: 4.1.6.1 Número máximo de días de autonomía. Consisten en el número de días consecutivos que una instalación puede funcionar sin recibir radiación solar. Durante este periodo de tiempo, los módulos no recogen energía y toda la que se está consumiendo es absorbida del sistema acumulador. [6] Donde: - Nps es el número de paneles en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema C.C. - Vm es el voltaje del módulo. Mientras mayor sea la autonomía considerada en el diseño, mayor será el número de baterías a instalar. Se recomienda que para los cálculos no se exceda este valor a más de tres días. 4.1.4.2 Números de paneles en paralelo. Se calcula de la siguiente manera: 4.1.6.2 Profundidad de descarga máxima. Por lo general una batería debe tener una profundidad de descarga de un 50%, si superan este valor llegando a un 80%, a este tipo de descarga se la denomina descarga profunda, la misma que afecta de tal manera al sistema acumulador, acortando con su vida útil. [7] Donde: - Npp es el número de paneles en paralelo. - Np es el número de paneles fotovoltaicos. - Nps es el número de paneles en serie. 4.1.7 NÚMERO DE BATERÍAS (Nb). Para calcular el número de baterías, lo primero que se necesita establecer es que la producción de energía excederá la demanda durante el peor mes. Para lograr esto, la capacidad útil de la batería (Cbat), debe permitir entre 3 y 5 días de autonomía. 4.1.5 ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. Los captadores que se vayan a colocar en el hemisferio norte se los deben ubicar con su cara frontal en dirección al Sur, de igual manera los captadores que se coloquen en el hemisferio sur se los debe ubicar con su cara frontal en dirección al Norte. La capacidad útil de la batería (Cbat) se la puede obtener al multiplicar la capacidad nominal de la batería por la máxima profundidad de descarga de la misma. Así tenemos que: El Ecuador es uno de los países privilegiados por su localización geográfica, ya que se encuentra ubicado en la mitad del mundo y por la misma razón nunca sufriremos de falta de radiación solar, en ninguna época del año. [9] Donde: - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. - CnB es la capacidad nominal de la batería. - Pf es la máxima profundidad de descarga. El valor recomendado es de 70% de descarga. En cuanto a la inclinación de los captadores, se los puede colocar en un ángulo dependiendo del valor de la latitud geográfica a la que estén ubicados, recomendando la adición de unos 10º más para su inclinación, para de esta manera tener también la certeza de que aparte de que tengan buena captación solar puedan auto limpiarse. 4.1.6 CAPACIDAD BATERIAS (CB). DEL BANCO Al obtener este dato, puede calcularse el número de baterías (Nb) que se requieren en base a la capacidad de la batería elegida (Cbat) en kWh. [10] DE Donde: - Nb es el número de baterías. - CB es la capacidad del banco de baterías. - Cbat es la capacidad útil de la batería elegida. La capacidad del banco de baterías se la puede calcular mediante la siguiente formula: - 107 - conductor de cobre entre dos puntos, se aplica la siguiente ecuación: 4.1.7.1 Número de baterías en serie. Se calcula de la siguiente manera: [mm2] [14] [12] Donde: - S es la sección del conductor. -I es la corriente máxima que puede circular por el conductor [A]. - L es la longitud del conductor [m]. - V es la caída de tensión aceptable en el conductor [de 1% a 3%]. Para calcular la corriente que circula por el tramo de los módulos-acumulador, y poder obtener la sección del conductor que se va a emplear en el mismo se empleará la siguiente formula: Donde: - # baterías serie es el número de baterías en serie. - Vtr es la tensión de trabajo del sistema de C.C. - VB es el voltaje de trabajo de la batería. 4.1.7.2 Número de baterías en paralelo. Se calcula de la siguiente manera: [15] [12] Donde: -I es la corriente a obtener. - Isc es la corriente de cortocircuito del panel. - Npp es el número de paneles en paralelo por tramo. Donde: - # baterías paralelo es el número de baterías en paralelo. - CB es la capacidad el banco de baterías. - CnB es la capacidad nominal de la batería. Para calcular la corriente que circula por el tramo del acumulador-inversor, y de esta manera poder obtener la sección del conductor que se va a emplear en el mismo se empleará la siguiente fórmula: 4.1.8 DETERMINACIÓN DEL REGULADOR DE CARGA. [16] Debido a que la corriente nominal del panel se mantiene constante en la conexión en serie, se usa el número de paneles de conexión en paralelo para incrementar la corriente, de esta manera se obtendrá la corriente máxima del sistema como se ve en la ecuación: [A] Donde: - Imáx es la corriente a obtener. - Prcs es la potencia real de consumo simultáneo. - Fs es el factor de crecimiento de la demanda y autoconsumo de los equipos = 1.2 - Ƞ es el rendimiento del sistema. (se recomienda colocar el 80%). - Vtramo es el voltaje del tramo a calcular. [13] Donde: - Ir es la corriente a soportar el regulador [A]. - Npp es el número de paneles en paralelo. - IPM es la corriente pico de cada módulo [A]. V CONCLUSIONES Al resultado obtenido anteriormente, se deberá sobredimensionar un 25% más de esa corriente, para seguridad del sistema. 4.1.10 SECCIÓN DEL CONDUCTOR. - La implementación de sistemas de generación de energía renovable y concretamente de sistemas solares fotovoltaicos en nuestro país es una opción eficaz y conveniente, pues este tipo de generación eléctrica a escala humana es inagotable y su utilización es prácticamente sin impacto ambiental, a diferencia de otros tipos de generación eléctrica que actualmente son utilizados en nuestro país. - Los sistemas fotovoltaicos son proyectos que se pueden implementar en lugares donde no llega la red de energía eléctrica convencional, por lo que este tipo de generación es una alternativa para la solución energética ante el incremento de la población en zonas rurales que sufre el país. La sección de los conductores, se elegirán de manera que los mismos tengan una caída de tensión en un rango de 1 a 3% nada más. Para calcular la sección de un - Nuestro país tiene una posición geográfica privilegiada, debido a su ubicación en el centro del 4.1.9 DETERMINACIÓN DEL INVERSOR. Para determinar el inversor óptimo para el sistema fotovoltaico se debe tener en cuenta las siguientes características: La tensión nominal de entrada. El rango de tensión de entrada. La potencia nominal. La potencia pico. Eficiencia. - 108 - planeta, la misma que nos facilita la implementación de sistemas fotovoltaicos ya que las radiaciones solares son casi perpendiculares durante todo el año en nuestro territorio. [1] BALSECA, M; Programa Ecuatoriano de ahorro de Energía; Ministerio de Energía y Minas; Quito, Ecuador; 2000. [2] BIOMASS USERS NETWORK; Manuales sobre Energía Renovable: Solar Fotovoltaica; I Edición; Fondo global del medio ambiente, San José, Costa Rica; 2002. - Debido a la posición geográfica en la que se encuentra nuestro país, se puede obviar diversos factores que afectan a los sistemas fotovoltaicos en otros sectores del mundo, tales como la orientación de los paneles o sistemas de seguimiento solar los cuales elevarían el costo del proyecto. [3] BRAVO, I, HASELHUHN, R, Y HEMMERLE, C; Instalaciones Fotovoltaicas; I Edición; Sociedad para el Desarrollo Energético de Andalucía (SSODEAN); Sevilla, España; 2004. - En este proyecto de investigación los datos utilizados para el cálculo de la radiación solar fueron tomados del Atlas Solar del Ecuador, ya que este documento tiene los datos más confiables de la radiación solar de nuestro territorio debido a que cuenta con la aprobación del organismo regulador del servicio eléctrico del país. [4] Castro, Miguel. Hacia una Matriz Energética Diversificada en Ecuador, Quito, CEDA, noviembre 2011. [5] CAZCO, E; Incentivos para la Inversión en Generación Eléctrica en el Ecuador, Encuentro Empresarial Franco- Ecuatoriano de Energía y Ambiente; Quito, Ecuador; 2007. - En la actualidad las celdas fotovoltaicas que están formadas por silicio en forma monocristalina o policristalina, son las más populares y más vendidas en todo el mundo, aun cuando su fabricación sea de una manera compleja y costosa, principalmente cuando a las mismas se las obtiene en láminas (obleas) de silicio en donde se producen pérdidas al momento de cortarlas. [6] Celdas solares. Recuperado el 12 de marzo de 2013, de Taringa: www.taringa.net/posts/info/2697436/Celdassolares-que-son.html [7] Consejo Nacional de Electricidad (CONELEC); Plan Maestro de Electrificación 2009-2020; Quito, Ecuador; 2009. - Debido al diseño y a la fabricación que tienen los paneles solares, estos pueden trabajar con una radiación solar de hasta un 10% como mínima, sin embargo estos equipos pueden trabajar a su potencia máxima cuando la radiación solar es más abundante en el lugar, llegando a ser hasta 1000w/m2, de esta manera se compensa su rendimiento con el trabajo que deben realizar. [8] CUENCA, M; Instalación de equipos de generación eléctrica Solar y Eólica en la ciudad de Reus; Universitat Rovira y Virgili; Tarragona, España; 2003. [9] Curso de energía solar fotovoltaica. Recuperado 22 de mayo de 2013, de CUROLAR: http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosola r/home_main_frame/02_radiacion/01_basico/2 _radiacion_07.htm - El tipo de acumuladores que se requieren para este tipo de sistemas solares fotovoltaicos deben de ser de ciclo profundo, ya que en ciertos casos se requerirá que el sistema de acumulación permanezca bajo largos periodos de descarga con amperaje bajo, razón por la cual no se debe emplear baterías de vehículos en este tipo de sistemas, ya que estas producen altos niveles de amperaje en cortos periodos de tiempo y no están diseñadas para este tipo de trabajo. [10] DUNLOP, J; Batteries and Charge Control in Stand-Aione Photovoltaic SystemsFundamentals and Application; Sandia National Laboratories; Albuquerque, Estados Unidos; 1997. [11] Energía Solar Fotovoltaica, Manual del Proyectista, 1ra Edición, Junta de Castilla y León. - Algo muy importante que se debe tener en cuenta dentro del sistema fotovoltaico son los conductores que deben ser dimensionados e instalados muy cuidadosamente, ya que este tipo de sistema funciona a bajo voltaje, y ocasionar una pérdida por un mal dimensionamiento del calibre provocaría una reducción en la producción de energía y también afectaría el abastecimiento de energía a las cargas. [12] Fernandez J., Compendio de Energía Solar, 1ra Edición, MUNDI-PRENSA, Madrid, 2008. [13] HERMANN, Wes; Energy Quality, Flow and Accumulation in the Natural World; Stanford University Global Climate and Energy Project; Palo Alto, CA, USA; 2006. [14] Jhon Alberto España Salazar y Edwin Fabián Villarruel Jácome, Diseño de un sistema de VI REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS - 109 - energía fotovoltaica de emergencia para la iluminación en laboratorios. [15] La electrificación rural en Ecuador. Recuperado el 28 de abril de 2013, de: www.tech4cdm.com/uploads/documentos/docu mentos_La_Electrificacion_Rural_en_Ecuador _d6701fbe.pdf [16] MOLINA, D., Diseño y Construcción de un Prototipo Experimental Didáctico para Controlar el Suministro Eficiente de Electricidad a partir de Sistemas No Convencionales de Energía, Tesis de Ingeniería eléctrica, Escuela Superior Politécnica del Litoral, 2000. [17] Rodriguez H. y Suresh, Manual de sistemas fotovoltaicos para electrificación rural, PNUD, OLADE, JUNAC, Bogotá, 1995. [18] SÚAREZ, Luis, Ingeniería conceptual para la electrificación de viviendas en zonas alejadas de los puntos de distribución mediante el uso de energías alternativas, Tesis de Pregrado, Universidad de los Andes, Mérida, Febrero 2008. - 110 -
