RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE PRODUCCIÒN Y SERVICIOS ESCUELA: Ingeniería Mecánica INGENIERO: Pedro Bertín Flores CURSO: Energías renovables GRUPO: A TEMA: Trabajo de responsabilidad social de consumo fotovoltaico INTEGRANTES: - APFATA LIMACHI BRAYAN ALEX CUENTAS CASTRO DOUGLAS ANDRE GORDILLO MONTALVO JULIÁN ALEJO RIVERA YARESI, YOSUE ROSALES ZAMBRANO FLORES ANDY ALDAHIR 2021 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO Índice 1. INTRODUCCION ......................................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 3 2.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 3 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .................................................................................................... 3 3. JUSTIFICACION .......................................................................................................................... 4 4. 4. NORMATIVA .......................................................................................................................... 4 5. MARCO TEORICO....................................................................................................................... 4 5.1. HORAS DE SOL PICO (H.S.P.) .............................................................................................. 4 5.2. PANEL FOTOVOLTAICO ...................................................................................................... 5 5.3. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ................................................................................................. 6 5.4. LA BATERÍA O ACUMULADOR ............................................................................................ 6 5.5. UNIDAD DE CONTROL O REGULADOR ............................................................................... 8 5.6. INVERSORES O CONVERTIDORES ....................................................................................... 8 5.7. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA ................................................................ 8 5.8. AMPERIO HORA (AH) ......................................................................................................... 8 5.9. WATT-HORA ...................................................................................................................... 8 5.10. SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTONOMO ......................................................................... 9 5.10.1. 6. PROCEDIMIENTO..................................................................................................................... 11 6.1. 7. Componentes fotovoltaicos en sistemas autónomos .............................................. 10 CÁLCULOS PARA CORRIENTE CONTINUA ......................................................................... 11 RESULTADOS ........................................................................................................................... 15 7.1. Para DC: ........................................................................................................................... 15 7.2. Para AC ............................................................................................................................ 16 8. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 16 9. REFERENCIAS........................................................................................................................... 17 2 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 1. INTRODUCCION La búsqueda de energía de fuentes alternativas se ha vuelto una solución viable y necesaria para evitar consecuencias ambientales negativas. Por ello es necesario desarrollar proyectos de generación de energía eléctrica a través de fuentes renovables teniendo como objetivo no solo la reducción de emisión de gases de efecto invernadero, sino también tener estos proyectos como base para la implementación de esto en zonas a donde no llega la energía eléctrica convencional. En el Perú se incentiva activamente la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, mediante una bonificación por tonelada de CO2 no emitida. Asimismo, el Decreto Legislativo N°1002 declara de interés nacional y necesidad pública el desarrollo de nueva generación eléctrica mediante el uso de Recursos Energéticos Renovables (RER), dentro de las cuales, destaca la energía fotovoltaica. 2. OBJETIVOS 2.1.OBJETIVO GENERAL - Evaluar la factibilidad de la implementación de un sistema fotovoltaico para generar energía eléctrica en casa considerando aspectos técnicos, económicos y climáticos. 2.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS - Estudiar un sistema fotovoltaico eficiente para suministrar energía eléctrica a una vivienda, según la energía de consumo en la vivienda, dada por los artefactos, aparatos que se posee y/o se utiliza. - Identificar los beneficios sociales y económicos la implementación de un sistema fotovoltaico en una vivienda. - Identificar y evaluar los equipos eléctricos y consumo de energía eléctrica en la plataforma de descarga. - Obtener los parámetros para dimensionar el sistema fotovoltaico autónomo. - Seleccionar los equipos óptimos para el sistema fotovoltaico autónomo. 3 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 3. JUSTIFICACION Con el presente trabajo se busca demostrar que la instalación de sistemas de generación eléctrica con fuentes renovables como la energía fotovoltaica es amigable para el medio ambiente y que además es altamente aprovechable en nuestra región. El avance de esta tecnología hace que cada vez sea un sistema de mayor demanda en ciudades desarrolladas, y que a su vez los costos de instalación disminuyan, solo hace falta demostrar a la sociedad las bondades y beneficios que esto trae consigo. 4. 4. NORMATIVA - Ley de la promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables. - Reglamento de la generación de electricidad con energías renovables, Decreto Supremo 050-2008 –EM. 5. MARCO TEORICO El Perú es uno de los países que cuenta con mayor radiación solar en el mundo, por ello cuenta con un gran potencial de desarrollo en el sector de energía fotovoltaica. 5.1.HORAS DE SOL PICO (H.S.P.) Las horas de sol pico son las horas se definen como el número de horas al día con una irradiación hipotética de 1000 W⁄m2 que sumen la misma irradiación total que la real ese día. Se puede notar que cuando la irradiancia se expresa en kw − m⁄m2 es numéricamente similar a las H.S.P. Este concepto es importante, ya que junto con un factor de pérdidas ayuda a estimar la potencia producida por los paneles fotovoltaicos. La distribución de la radiación a lo largo del día y el concepto de horas pico de sol se muestran en la figura 3. 4 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO Figure 1.Concepto de Horas Sol Pico 5.2.PANEL FOTOVOLTAICO Un panel fotovoltaico es la conexión de varias células en paralelo y/o en serie, se conectan en serie para aumentar la corriente y en paralelo para incrementar el voltaje. Para ensamblar un panel fotovoltaico, se cuentan con plantan que deben estar certificadas con altos estándares de calidad sobretodo en soldadura. Se utilizan principalmente, metales (buenos conductores) y vidrios. Figure 2.Fabricación de la célula y el panel fotovoltaico 5 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 5.3.CÉLULAS FOTOVOLTAICAS El componente principal de los paneles fotovoltaicos es la célula, su funcionamiento es el que hace posible la obtención de electricidad a partir de luz solar. Las células fotovoltaicas son sensibles a la luz, están hechas de un material semiconductor, silicio en la mayoría de los casos, el cual se excita ante la presencia de radiación (aumento de temperatura) y los electrones pueden fluir del tipo P (positivo) al tipo N (negativo), esto ocasiona un voltaje interno, el cual ante la presencia de una resistencia se produce una corriente Figure 3.Funcionamiento célula silicio 5.4.LA BATERÍA O ACUMULADOR La batería o acumulador es un dispositivo electroquímico capaz acumular energía en forma química y transformarla en energía eléctrica. La batería utilizada para aplicaciones fotovoltaicas es la recargable. 6 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO Figure 4.Partes de una batería Las partes esenciales para explicar su funcionamiento son las siguientes: - Placas: Son conductores metálicos de diferente polarización, con lo cual permiten un flujo de electrones. - Electrólito: Puede ser líquido, sólido o en pasta, es un conductor iónico que se descompone al pasar la corriente eléctrica. El voltaje o la tensión de la batería es función del número de celdas electroquímicas, siendo el voltaje de cada celda de 2V. Los principales parámetros que determinan el comportamiento de la batería son: - Capacidad de descarga (Ah): Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa. Se expresa en Amperios Hora. Si la temperatura es mayor a la indicada en el catálogo, la capacidad disminuye; si la temperatura es menor, puede afectar la vida útil de la batería. - Profundidad de la descarga: Es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Para aplicaciones fotovoltaicas es común utilizar baterías de descarga profunda, es decir, descargas entre 75% - 80%. - Vida útil en ciclos: Se expresa en ciclos, es decir, la cantidad de cargas/descargas que llega a tener la batería. La vida útil depende del espesor de las placas, concentración del electrolito y principalmente de la profundidad de descarga. La nomenclatura usual es XX Ah Cyy, donde XX es la capacidad de la batería e yy es el tiempo de descarga de la misma. Estos parámetros deben ser indicados por el fabricante. 7 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 5.5.UNIDAD DE CONTROL O REGULADOR El regulador evita la descarga de las baterías sobre los paneles, para ello utiliza un diodo. Asimismo, cuida la vida útil de la batería, para ello monitorea la tensión de la batería. . 5.6.INVERSORES O CONVERTIDORES Los inversores transforman la corriente continua en corriente alterna. Se basan en dispositivos electrónicos que permiten interrumpir y conmutar su polaridad. 5.7.CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA • Corriente continua: el flujo de la corriente eléctrica se da en un solo sentido. Desde un polo a otro. Generalmente se designa con las siglas DC, del inglés Direct Current. • Corriente alterna: el flujo eléctrico se da en dos sentidos, alternando uno y otro. Se suele designar con las siglas AC, del inglés Alternating Current. 5.8.AMPERIO HORA (AH) El amperio-hora indica la cantidad de carga eléctrica que pasa por los terminales de una batería (o de un conductor eléctrico) proporcionando una corriente eléctrica de 1 amperio (A) durante una hora (h) 5.9.WATT-HORA Un Watt-hora (Wh) es una unidad de energía; es una forma de medir la cantidad de trabajo generado o realizado. Los electrodomésticos y otros dispositivos eléctricos realizan "trabajo", lo que requiere energía en forma de electricidad. 8 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 5.10. SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTONOMO La energía eléctrica producida a partir de la conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir una determinada demanda eléctrica en lugares remotos aislados de la red eléctrica, donde resultan competitivos con los sistemas convencionales, tanto en términos económicos como de fiabilidad de suministro. Figure 5. Sistema fotovoltaico Las posibles configuraciones de los sistemas fotovoltaicos autónomos pueden abarcar desde sistemas simples hasta sistemas con almacenamiento y con consumos en DC o en DC+AC. La unión de un inversor en el sistema fotovoltaico para posibilitar la implementación de consumos en corriente alterna tiene como impacto una disminución del rendimiento de operación del sistema a potencias bastante inferiores a la potencia nominal del inversor, gracias a la curva de rendimiento clásica de inversores autónomos. Figure 6.Esquema básico de un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica 9 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 5.10.1. Componentes fotovoltaicos en sistemas autónomos - Paneles fotovoltaicos: se trata de grupos de celdas fotovoltaicas montadas entre capas de silicio que captan la radiación solar y transforman la luz (fotones) en energía eléctrica (electrones). - Inversores: convierten la corriente eléctrica continua que producen los paneles en corriente alterna, apta para el consumo. - Baterías: encargadas de almacenar la energía producida por los paneles y no demandada en ese instante para cuando sea necesario. - Reguladores: protegen la batería contra sobrecargas y previenen un uso ineficiente de la misma. Figure 7. Esquema de un SFV A partir de este diagrama se formulará un esquema de manera concisa, la cual será usada como plantilla de cálculo en las que se anotarán los valores de los parámetros que definirán al SFV y su funcionamiento. 10 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO Figure 8.Plantilla para dimensionamiento de un SFV GFV: Energía eléctrica diaria producida por el generador fotovoltaico (Ah) CN: Capacidad nominal de la batería (Ah). CD: Carga eléctrica total requerida diariamente (Ah) 6. PROCEDIMIENTO 6.1.CÁLCULOS PARA CORRIENTE CONTINUA N° 1 3 4 CARACTERISTICAS TENICAS DE LA CARGA DC Artefactos Cantidad Corriente Potencia (W) Uso diario (h) 12VDC Teléfono móvil 2 1.67 20.04 6 Televisor AOC 1 6.25 75 3 Laptop 1 1 3.5 39.96 8 11.42 Corriente total de consumo simultaneo (Ic) 11 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO Ahora construimos una tabla de consumos diarios. CONSUMO ELECTRICO DIARIO EN DC CONSUMO DIARIO Wh Teléfono móvil 240.48 Televisor AOC 225 Laptop 1 319.68 Artefactos N° 1 3 4 Ah 20.04 18.75 28 66.79 Corriente total de consumo simultaneo Calculando la capacidad de la batería que requerimos 𝐶𝑁𝑚 = (𝐶𝐷) ∗ 1+𝑑𝑎 𝑓𝑝𝑎 CNm = Capacidad nominal mínima de la batería, Ah CD = Carga eléctrica diaria Ah da = días de autonomía de la batería (3-5 dias recomendado) fpa = Factor de profundidad de descarga permitida en la batería. Reemplazando en la ecuación: 𝐶𝑁𝑚 = (𝐶𝐷) ∗ 1 + 𝑑𝑎 𝑓𝑝𝑎 𝐶𝑁𝑚 = (66.79) ∗ 1+3 0.6 𝐶𝑁𝑚 = 445.27𝐴ℎ CONSUMO ELECTRICO DIARIO EN DC PARA UNA CASA EN AREQUIPA RECURSO SOLAR ENERGIA RESULTANTE MODULO FOTOVOLTAICO Energía diaria (kWh/m^2) 7.094 Hora de "1sol al día" (h) 7.094 Wo (W) IM (A) VM (V) Enviada a la batería EEG (Ah) Acumulada en la batería (Wh) FACTOR A/G 256 Generada por el modulo fotovoltaico G (Wh) 362 51 3.01 16.90 21.353 60 3.50 17.10 24.829 298 426 0.70 75 4.45 17 31.568 379 532 0.71 0.71 Calculando el mínimo número de paneles fotovoltaicos: 12 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 𝑁𝐹𝑉 = 𝐼𝑀 − 𝐼𝑀 − 𝐺𝐹𝑉 = 𝐼𝑀 − 𝐺𝐹𝑉 = 𝑁𝐹𝑉 = 𝐺𝐹𝑉 𝐼𝑀 𝐶𝐷 # 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑒𝑠 66.79 = 9.42 7.09 9.42 = 3.13 ≅ 4 3.01 Usaríamos 4 paneles FV de 75 Wp c/u (17V, 4.45A) Calculo para AC - Relación de artefactos electrodomésticos en corriente alterna (AC) y corriente continua (DC) N° APARATOS ELECTRONICOS TIPO DE CORRIENTE CANTIDAD POTENCIA (W) 1 3 3 Televisor AOC Laptop (carga) Teléfono móvil (carga) Focos Licuadora DC DC DC 1 1 2 AC AC 4 1 4 5 - CORRIENTE 12V DC (A) 75 39.96 20.04 USO DIARIO (horas) 3 8 6 6.25 3.5 1.67 CORRIENTE 220V AC (A) ------------- 24 300 6 0.05 2 25 11.42 0.04 1.36 1.4 Relación de artefactos electrodomésticos en Corriente Alterna (AC) y Corriente Continua (DC) CONSUMO ELECTRICO DIARIO EN DC Artefactos Tipo de CONSUMO DIARIO N° corriente Wh Teléfono móvil DC 240.48 1 Focos DC 576 2 Televisor AOC AC 225 3 Laptop 1 DC 319.68 4 Licuadora AC 15 5 1376.16 Corriente total de consumo simultaneo Ah 20.04 48 18.75 28 1.25 116.04 13 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO De la tabla se puede observar que el consumo suministrado por estos componentes (en Wh) daría como resultado un consumo de 1376.16 el consumo al día, y para un mes se tendría un consumo aproximado de 41.28kW, lo cual guarda una gran semejanza con el consumo generado por la vivienda estudiada que consume en promedio 50kW El consumo eléctrico total diario es 116.04 Ah. La corriente de máxima potencia del generador FV se calcula con: 𝐼𝑀𝐺𝐹𝑉 = 𝐶𝐷 # 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑒𝑠 𝐼𝑀𝐺𝐹𝑉 = 116.04 7.094 = 16.36 El mínimo número de módulos FV que conformarán el generador FV se calcula con: 𝑁𝐹𝑉 = 𝐶𝐷/ 𝐸𝐸𝐺 𝐸𝐸𝐺 = (#𝑑𝑒_ 𝑠𝑜𝑙𝑒𝑠) ∗ 𝐼𝑀 𝐸𝐸𝐺 = 7.09 ∗ 4.45 = 31.55 𝑁𝐹𝑉 = 𝐶𝐷/𝐸𝐸𝐺 𝑁𝐹𝑉 = 116.04/31.55 𝑁𝐹𝑉 = 3.68 𝑁𝐹𝑉 = 4 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜𝑠 𝑑𝑒 75𝑊𝑝 𝑐/𝑢 La energía generada diariamente por este panel FOTOVOLTAICO de 4 módulos será: GFV = NFV *I panel *#de_ soles GFV=4*4.45*7.074 𝐺𝐹𝑉 = 125.92𝐴ℎ 14 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO La capacidad nominal de batería se calcula con: 𝐶𝑁𝑚 = 𝐶𝑁𝑚 = 𝐶𝐷 ∗ (1 + 𝑑𝑎) 𝑓𝑝𝑎 116.04 ∗ (1 + 3) = 773.6𝐴ℎ 0.6 Para 773.6 Ah con 12V para las baterías. Se tendrá una cantidad de 8 baterías de 100Ah o 5 baterías de 150Ah conectadas en paralelo. CONSUMO ELECTRICO DIARIO # SOLES 7.094 LUGAR Arequipa IM_GFV 16.36 IM 3.01 3.5 4.45 # MODULOS 18.61 16 12.59 7. RESULTADOS A continuación, se presenta un resumen de los resultados anteriormente calculados 7.1.Para DC: • Se recomienda utilizar 4 paneles 75Wp c/u (17V, 4.45A) • Con la potencia y las características descritas anteriormente se puede seleccionar un panel fotovoltaico de marca FEMA del modelo PLM-075-P36, de dimensiones 712x676x35mm, el cual se puede apreciar en los anexos 15 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO • Además de 1 regulador de carga que resista por lo menos 8.9A para la entrada, y 11.5A para la salida, son estos datos se selecciona el controlador blue solar PWM que puede llegar a resistir una corriente de 20A • Batería de una capacidad de 445.27Ah o considerando un voltaje de 12V, se necesitaría 5 baterías de 100Ah, de la cual se puede considerar una batería de la marca ROLLS SOLAR que nos brinda 106Ah 7.2.Para AC • Se recomienda 4 paneles fotovoltaicos de 75Wp c/u (17V, 4.45A), de marca FEMA del modelo PLM-075-P-36, de dimensiones 712x676x35mm • Para 773.6 Ah con 24V para las baterías. Se tendrá una cantidad de 8 baterías de 100Ah o 3 baterías de 250Ah conectadas en paralelo, y podría considerarse un modelo de T12 250 ROLLS SOLAR 8. CONCLUSIONES - Se pudo determinar el número de módulos necesarios junto con la potencia requerida de cada uno tanto en corriente continua (DC) como en corriente alterna (AC) los cuales fueron 4 módulos de 75W (17 V – 4.45 A) c/u y 4 módulos de 75 W (17 V – 4.45 A) c/u, respectivamente - La conexión de electrodomésticos que se utilicen solo durante un periodo de tiempo limitado, como licuadoras, etc.; no presentará problemas en el inversor siempre y cuando la batería tenga capacidad suficiente 16 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 9. REFERENCIAS EMPHASE. (2021). ¿Cuál es la diferencia entre un Watt y un Watt-hora? Comprender términos de energía solar como Watt y Watt-hora https://enphase.com/es-lac/soporte/cuales-la-diferencia-entre-un-watt-y-un-watt-hora Alonso, M. (s.f.). Sistemas Fotovoltaicos. España: Centro de Investigaciones Energeticas, Medioambientales y Tecnologicas. Copovi, I. (s.f.). Instalación solar fotovoltaica para vivienda unifamiliar. Grado de Ingenieria Electronica. Universidad Politecnica de Valencia, España. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. (2018). Diseño y evaluación de un panel solar fotovoltaico y térmico para poblaciones dispersas. IngenIería InvestIgacIón y tecnología, 209-221. Lopez, P. (s.f.). Diseño de una Instalacion Fotovoltaica para el suministro de energia electrica de una vivienda aislada. Titulacion. Universidad Rovira i Virgili, España. Pons, R. (s.f.). Proyecto de Instalación Solar Fotovoltaica Para Bloque de Viviendas. Grado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática. Universidad Politecnica de Valencia, España. Salamanca, S. (2017). Propuesta de diseño de un sistema de energía solar fotovoltaica. Caso. Revista Cientifica, 263-277. 17 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO ANEXOS 18 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 19 RESPONSABILIDAD SOCIAL-AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 20
