DIFERENTES APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR...
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Página 1 de 62 Universidad Politécnica de Sinaloa y Universidad de Medellín Programa académico Ingeniería en Energía DIFERENTES APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA FIDEL JOULIANO GÓMEZ CORDOVA Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de: Licenciatura en ingeniería en energía Asesor interno: Dr. Eber Enrique Orozco Gillen Asesores Externos: Dr. Carlos Andrés Arredondo Orozco Dr. Mario Alberto Luna del Risco Dr. Rubén Darío Montoya Ramírez Msc. Sebastián Villegas Moncada Mazatlán Sinaloa, Enero de 2015
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Universidad Politécnica de
Sinaloa y Universidad de
Medellín
Programa académico Ingeniería en Energía
DIFERENTES APLICACIONES DE LA
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
FIDEL JOULIANO GÓMEZ CORDOVA
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título
de: Licenciatura en ingeniería en energía
Asesor interno:
Dr. Eber Enrique Orozco Gillen
Asesores Externos:
Dr. Carlos Andrés Arredondo Orozco
Dr. Mario Alberto Luna del Risco
Dr. Rubén Darío Montoya Ramírez
Msc. Sebastián Villegas Moncada
Mazatlán Sinaloa, Enero de 2015
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Dictamen de aprobación
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Dedicatoria
Le dedico este trabajo a mis Padres que siempre me
tuvieron que enseñar y recordar lo siguiente:
“Si te acostumbras a poner límites a lo que haces
físicamente o a cualquier otro nivel, se proyectará al
resto de tu vida. Se propagara en tu trabajo, en tu
moral, en tu ser en general. No hay límites. Hay fases,
pero no debes quedarte estancado en ellas, hay que
sobrepasarlas. El hombre debe constantemente
superar sus niveles.”
Bruce Lee
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Agradecimientos
Agradezco a la UPSIN por el apoyo económico y académico en mi estancia en la
Universidad de Medellín, Antioquia, Colombia, la cual fue una experiencia única,
especialmente agradezco al Dr. Eber Enrique Orozco Gillen y al rector Dr. Leonardo
Germán Gandarilla ya que sin su apoyo nunca se hubiese logrado.
A la Universidad de Medellín por su caluroso recibimiento, al equipo de investigadores y
al personal administrativo que siempre me trataron como mucha amabilidad y estuvieron
pendientes de mi bienestar y el de mis compañeros, especialmente a Diana Yuranny
Amaya Bermúdez y Liliana Bermúdez Correa del departamento de relaciones
internacionales.
Al Dr. Carlos Arredondo, Mc. Sebastián Villegas, Dr. Mario Luna y Dr. Rubén Montoya
del grupo de investigación por todo su tiempo, paciencia y apoyo en la elaboración de mi
tesina.
A mi Familia y amigos que siempre me dieron su apoyo confianza incondicional en todo
mi camino académico, sin ellos no hubiera logrado nada.
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Resumen
Al inicio del proyecto se planteó como objetivo primordial el desarrollar un
software para el dimensionamiento de sistemas solares fotovoltaicos autónomos e
interconectados a la red eléctrica de distribución en Colombia. Para concretar
dicho objetivo se concibieron distintas metodologías en que se desarrolló el
proyecto; fue en cinco etapas, la primera etapa consistió hacer un manual para
ello se realizó una investigación en libros documentos en línea y manuales
especializados en cálculos para el dimensionamiento el cual sirvió para hacer la
base del software. La segunda etapa consistió en crear una base de datos de
radiación de Colombia en LabVIEW. La tercera etapa consistía en hacer la
programación del software.
Al finalizar la creación del software se puso a revisión tanto la estética como
la programación con los maestros asesores Dr. Carlos, Dr. Mario y Mc. Sevastian,
los cuales realizaron las posteriores observaciones. La quinta etapa consistió en
realizar una comparación entre el software y los cálculos manuales para observar
las discrepancias, las cuales en todo ensayo eran mínimas o inexistentes.
Al finalizar el proyecto por los tiempos se analizó que los alcances del
mismo no se lograron debido a que un punto primordial era crear una base de
datos de radiación con alcance a México, pero debido a la gran cantidad de datos
que eran se desistió.
Palabras clave
Energía solar fotovoltaica: se realiza a través de la trasformación directa de
la energía solar en energía eléctrica mediante el llamado efecto
fotoeléctrico, es una fuente de origen renovable. [1]
Panel solar fotovoltaico: elemento conformado por celdas solares
conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre una estructura
de soporte, las cuales están compuestas por materiales semiconductores
que convierten la energía solar (radiación solar) en la energía eléctrica. [2]
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Instalación fotovoltaica: es aquella que utiliza paneles solares fotovoltaicos
para la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica. Las
partes que conforman una instalación son: Panel solar fotovoltaico, Inversor
(AD, CD), Regulador de carga, Baterías /Acumuladores.
Irradiancia solar: es la potencia de radiación solar por unidad de área
incidente en una superficie W/m2.
Irradiación solar: es el valor de Irradiancia recibida durante un periodo de
tiempo por cada unidad de área Wh/m2. [3]
Abstract.
At the beginning of the project was considered as basic aim to develop a
software for the dimentioning of solar photovoltaic systems autonomous and
interconnected to the electrical distribution network in Colombia. To concrete the
mentioned objectives above there were conceived different methodologies in which
the project developed; it was in five stages, the first stage consisted into do a
manual, for it an investigation was realized in books, online documents and
specialized manuals in calculations for the dimentioning which served to do the
base of the software. The second stage consisted of creating a database of
radiation of Colombia in LabVIEW, the third stage was consisting of doing the
programming of the software. Once having finished the creation of the software it
was put to review on both the aesthetics and the programming with the main
advisers Dr .Carlos, Dr. Mario and Mc. Sevastian, which realized the later
observations. The fifth stage consisted of realizing a comparison between the
software and the manual calculations to observe the discrepancies, which in any
test were minimal or non-existent.
On having finished the project in the times there was analyzed that the objectives
of the same one were not achieved due to the fact that a basic point was to create
a database of radiation with scope to Mexico, but due to the great quantity of
information that were desisted.
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Key words.
Photovoltaic solar power: it is realized across the direct transformation of the solar
power into electric power by means of the so called photoelectric effect, is a source
of renewable origin.
Solar photovoltaic panel: element shaped by solar cells connected electrically,
encased, and mountings on a structure of support, which are composed by
semiconductors materials that turn the solar power (solar radiation) into the electric
power.
Photovoltaic installation: it is that one that uses solar photovoltaic panels for the
direct conversion of the solar radiation in electric power. The parts that shape an
installation are: solar photovoltaic, Investing Panel (AD, CD), Regulator of load,
Batteries / accumulators.
Solar Irradiance: it is the power of solar radiation for unit of incidental area in a
surface W/m2.
Solar irradiation: it is Irradianciance value received during a period of time for
every unit of area Wh/m2.
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Índice
Resumen ................................................................................................................. 5
Palabras clave ................................................................................... 5
Abstract. ............................................................................................................... 6
Key words. ......................................................................................... 7
Lista de figuras/ ilustración .................................................................................... 10
Lista de tablas ....................................................................................................... 10
Lista de Cuadros ................................................................................................... 10
Introducción ........................................................................................................... 11
Capítulo 1: Marco contextual ................................................................................. 12
Universidad de Medellín. .................................................................................... 12
Historia. ............................................................................................ 12
Espacio asignado ............................................................................. 12
Estructura Organizacional ................................................................ 13
Planteamiento del problema. ............................................................................. 14
Justificación. ...................................................................................................... 16
Objetivos. ........................................................................................................... 17
Objetivos Generales. ....................................................................... 17
Objetivos específicos ....................................................................... 17
Capítulo 2: Marco Teórico ..................................................................................... 18
Geometría y radiación solar. ............................................................ 20
Cálculos de un sistema Fotovoltaico autónomo ............................... 21
Cálculo de un sistema Fotovoltaico conectado a red. ...................... 27
Capítulo 3: Metodología o propuesta a implementar. ............................................ 30
Primera etapa. ................................................................................................... 30
Segunda etapa. .................................................................................................. 31
Tercera etapa. .................................................................................................... 31
Cuarta etapa. ..................................................................................................... 32
Quinta etapa. ..................................................................................................... 32
Capítulo 4: Resultados y discusión. ...................................................................... 32
Resultados. ........................................................................................................ 32
Manual de usuario “ePV Trainer” ..................................................... 32
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Objetivo de la aplicación .............................................................. 33
Instalación. ................................................................................... 33
Interface. ...................................................................................... 34
Descripción de la interface ........................................................... 35
Sistema fotovoltaico ........................................................................................... 41
Ejemplo ........................................................................................ 51
Discusiones ........................................................................................................ 58
Capítulo 5: Conclusión(es) y Recomendaciones ................................................... 58
Conclusiones ..................................................................................................... 58
Recomendaciones ............................................................................................. 58
Bibliografía ............................................................................................................ 59
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Lista de figuras/ ilustración
Capítulo 1
Figura 1;Cubículo 13 "Área de trabajo" ................................................................. 13
Figura 2; Área de cubículos "Punto del Investigador" ........................................... 13
Figura 3; Organigrama de UdeM [6] ...................................................................... 13
Capítulo 2
Figura 4; Esquema de un sistema solar fotovoltaico aislado. [24] ......................... 22
Capítulo 4
Figura 5: Página de inicio del Software ”ePV Trainer” ........................................... 35
Figura 6; Pestaña "Consumo". .............................................................................. 37
Figura 7; Radiación promedio diaria mensual antes y después de especificar. .... 39
Lista de tablas
Capítulo 1
Tabla 1; Formato de estimación de carga a suministrar. ....................................... 23
Tabla 2; Formato de estimación de carga a suministrar. ....................................... 27
Capítulo 4
Tabla 3; Radiación promedio diaria mensual sobre la superficie horizontal y en el
ángulo optimo (kWh/m2 día) ................................................................................. 51
Tabla 4; Datos resumidos de la auditoria energética ............................................ 52
Tabla 5; Costos promedios anuales de Energia electrica en Colombia ............... 55
Tabla 6; Análisis Económico ................................................................................. 57
Lista de Cuadros
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Introducción
La presente tesina establece el desarrollo de actividades de investigación
con diferentes aplicaciones que incluyen el desarrollo de un software. Se escogió
la energía solar fotovoltaica debido a que en los últimos años se ha incrementado
el número de investigaciones y el desarrollo de la tecnología para esta temática.
Las investigaciones actuales en energía solar fotovoltaica buscan desarrollar
conceptos y prototipos industriales que permitan disminuir el consumo de
combustibles fósiles como vector energético principal. Debido a que el uso masivo
de combustibles fósiles ha provocado una crisis medioambiental la
implementación de energía renovables como la solar fotovoltaica permite el
aprovechamiento de la energía que el sol suministraría para el abastecimiento de
los necesidades energéticas en el mundo; cabe resaltar que la superficie terrestre
recibe un estimado de 152.424 X 1016 kWh [4] y el consumo mundial para el año
2010 fue de aproximadamente 17.87 X 1012 kWh [5]. Es evidente el potencial que
se puede aprovechar del complejo solar, teniendo en cuenta que la vida útil de
este es de aproximadamente 5,000 millones de años [3].
El proyecto consistió en desarrollar una manual para el cálculo y
dimensionamiento de sistemas fotovoltáicos y elaboración de un manual que
explique, de forma sencilla, los tipos de instalaciones solares fotovoltaicas, así
como también los cálculos necesarios para el dimensionamiento de sistemas
fotovoltaicos autónomos e interconectados a la red eléctrica de distribución.
Cabe resaltar que las ecuaciones utilizadas en el manual son las mismas que se
implementan para la estructura del software. La plataforma para la elaboración del
software lleva como nombre LabVIEW, sin embargo, el software desarrollado
tiene solamente fines académicos.
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Capítulo 1: Marco contextual
Universidad de Medellín.
Historia.
La Universidad de Medellín nació el 1 de febrero de 1950, cuando un grupo
de destacados Jóvenes Intelectuales de la ciudad de Medellín, haciéndose
voceros de importantes sectores de la comunidad antioqueña, se apersonó de la
necesidad de construir un centro de estudios superiores en donde la enseñanza
pudiera impartirse libremente y del mismo modo pudiera asumirse el aprendizaje.
La idea rectora de la Universidad, desde su fundación, ha sido siempre
ofrecer educación libre y sin limitaciones por razones políticas, raciales, sociales,
religiosas o de otro orden cualquiera y fomentar la investigación científica
orientada a buscar solución a los problemas colombianos.
En 1961, la Universidad se trasladó a la ciudadela universitaria de Belén los
Alpes, asiento hoy de la infraestructura que le permite desarrollar sus programas
de pregrado y de posgrado. Además de varios servicios para el bienestar de la
comunidad universitaria.
La Universidad de Medellín es una institución no oficial de educación
superior, organizada como corporación de utilidad común que ofrece programas
de formación universitaria mediante un currículo integrado o por ciclos, de
formación avanzada, educación no formal y educación continuada. [6]
Espacio asignado
El área de trabajo que se asignó se compone principalmente por dos
cubículos (Ilustración 1 y 2).
El cubículo cinco y trece de la biblioteca que se encuentran en el tercer
piso, específicamente el área de los cubículos se le denomina “El Punto del
Investigador”, debido a que solamente pueden hacer uso de los cubículos los
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profesores que se dediquen a la investigación o alumnos que tengan proyectos de
investigación con los mismos.
Figura 1;Cubículo 13 "Área de trabajo"
Figura 2; Área de cubículos "Punto del Investigador"
Estructura Organizacional
Figura 3; Organigrama de UdeM [6]
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El decano de la facultad de ingenierías es el Dr. Carlos Eduardo López
Bermeo, resaltado en un recuadro rojo representa su puesto en el organigrama,
debajo de él están los profesores de tiempo completo: el Dr. Carlos Andrés
Arredondo Orozco, Dr. Mario Alberto Luna del Risco, Dr. Rubén Darío Montoya
Ramírez y Mc. Sebastián Villegas Moncada, siendo los anteriormente
mencionados los que se desarrollaron como asesores de proyecto, y de tesina.
Planteamiento del problema.
En la actualidad el mundo está enfrentando serios problemas debido al
cambio climático; este se debe a la contaminación vinculada con la quema de
combustibles tales como carbón, gas, petróleo y sus derivados, utilizados
principalmente para la generación de energía y el transporte.
La generación de energía y el trasporte ocupó el 47.3% del total de la
contaminación mundial en el año 2006 [7]. Esta creciente problemática ha
ocasionado dificultades muy graves tanto para el planeta como para la salud
humana.
Por ello se han buscado soluciones alternas. La comunidad científica ha
incentivado el desarrollo de tecnologías para la generación de energía de forma
limpia; en el sector social se realizan campañas de concientización en todos los
sectores de la población, en el sector político en los últimos años se han creado
nuevas reformas tanto en Colombia como en México. En México el 20 de
diciembre de 2013 fue promulgada la reforma energética [8]. En Colombia en el
año 2003 se consolidó la reforma energética con la creación de la Agencia
Nacional de Hidrocarburos (ANH) la cual administra y regula los recursos. Tras la
consolidación la producción de hidrocarburos ha ido a la alza. En el año 2003 se
produjeron 541 mil barriles diarios, incrementando hasta 990 mil barriles diarios
reflejados en el cierre del 2013, teniendo ganancias de 2 mil 100 millones de
dólares debido a que las empresas del sector exploraron diversos territorios para
identificar las áreas potenciales de explotación [9]; por tal motivo en el 2014 se
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promulgo la ley 1715 que incentiva el uso de energías renovables; fomentando la
inversión, la investigación y el desarrollo de las mismas. [10].
Debido a tal desarrollo, en el sector educativo se impulsaron carreras como
ingeniería ambiental, ingeniería en energía, etc. que ayudan al desarrollo de estas
disciplinas.
En estas carreras el tema de las energías renovables es muy importante,
una de las ramas con mayor desarrollo en investigación es la energía solar
fotovoltaica, es por eso que es muy importante un claro y amplio entendimiento de
estos temas. Uno de los temas a investigar es el dimensionamiento de sistemas
solares fotovoltaicos tanto aislados como interconectados a una red de
distribución. Relacionadas a las cuestiones de la enseñanza son: ¿Cómo facilitar
el aprendizaje del dimensionamiento de sistemas solares fotovoltaicos?, ¿Cómo
realizar rápidamente dimensionamientos?
Una forma fácil y rápida de realizar los dimensionamientos es con softwares
especializados que realizan este trabajo, pero los que se encuentran en el
mercado son complejos en su uso, caros o necesitan conexión a internet, tales
softwares como PV-Sol [11] o PV-Syst tienen un costo entre 600 a 1200 euros, los
gratuitos como el Photovoltaic GeographicaI System (PVGIS) no permiten
introducir datos de módulos o inversores, no son útiles por lo tanto para calcular
instalaciones, solo para ver el potencial de una cubierta [12], Dynamically
Expandable Simulation Environment of Renewable Energy Systems (DESIRE)
solo contienen datos meteorológicos para 10 ubicaciones en Europa, no toman en
cuenta los cálculos de consumo propio de la instalación [13], Censolar este
programa solo cuenta con datos meteorológicos de las principales ciudades los
datos generales en la página son muy escasos, no permite incluir tipo de inversor
[14] y RETScreen es complejo de utilizar, no es muy intuitivo y no simula ningún
tipo de sombreado [15].
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Justificación.
Debido a las reformas energéticas tanto en Colombia como en México ha
surgido la necesidad de tener profesionales altamente calificados en esta área,
siendo una de las medidas implementar una carrera como ingeniería en energía.
Para preparar personas altamente capacitadas es primordial un buen
entendimiento de las áreas base de la carrera, entre las más importantes se
encuentra la energía solar fotovoltaica y uno de los temas de esta área que causa
problemas al momento de que el estudiante adquiera el conocimiento es el
dimensionamiento de instalaciones solares fotovoltaicas aisladas e
interconectadas a la red de distribución.
La solución que se plantea es el uso de un software que ayude al
aprendizaje del dicho tema, debido a que los programas ya existentes solo están
dirigidos a empresas, son caros o complicados de usar, por lo cual si se usaran en
lugar de ayudar al aprendizaje solo lo dificultarían.
Debido a esto se vio la necesidad de crear un software sencillo e intuitivo de
usar, que a la vez sea explicativo al momento de un fallo por parte del operador.
Además considerando que el uso del programa sea meramente educativo se
pretende que el software no necesite conexión a internet en ningún momento, ya
que se considera que el alumno por situaciones económicas pueda no tener
acceso a internet dentro de su hogar; por tal razón el software debe ser funcional
en todo momento.
Se espera generar un software que sea fácil de usar, a su vez que sea
explicativo para que no solo los estudiantes de ingeniería puedan usarlo para
aprender de manera más práctica y sencilla sino también cualquier persona que
esté interesada en el tema.
Además de lograr impactar de forma positiva a la creciente comunidad de
profesionales en la materia, preparándolos y a su vez potenciando su
conocimiento en energía solar fotovoltaica se pretende de igual manera ayudar a
las personas que deseen tener una instalación solar fotovoltaica en sus hogares al
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no ser estafados por gente mal preparada y poco profesional al agregar al
software un apartado de análisis económico.
Objetivos.
Objetivos Generales.
Desarrollar un software y su respectivo manual con fines educativos mediante
el diseño de un algoritmo en LabVIEW para el dimensionamiento de sistemas
solares fotovoltaicos autónomos e interconectados a la red eléctrica de distribución
en Colombia.
Objetivos específicos
Elaborar un manual de instalación que contenga los cálculos de
dimensionamientos solares fotovoltaicos que sirva como base para el
algoritmo de LabVIEW.
Crear una base de datos de radiación en Colombia para que el software no
necesite estar conectado a internet al momento de usarlo.
Diseñar el algoritmo para el instrumento virtual en LabVIEW.
Hacer un manual de usuario del software con el propósito de utilizarlo
correctamente.
Calcular los requerimientos energéticos de la vivienda patentada por la
UdeM para posteriormente realizar los cálculos de dimensionamiento de
sistemas FV autónomos e interconectados de forma manual y empleando el
software desarrollado
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Capítulo 2: Marco Teórico
El sol es una estrella que está compuesta de hidrogeno y de helio, en la
cual suceden reacciones de fusión donde cuatro átomos de hidrogeno se
combinan para convertirse en un átomo de helio. La masa del átomo de helio es
0.7% menor a la masa de los átomos de hidrógeno por lo que hay una pérdida de
masa. Esa diferencia de masa se transforma en energía.
La energía del sol se emite en forma de radiación; la radiación son ondas
electromagnéticas que se desplazan en todas las direcciones en el espacio a una
velocidad de 300,000 km/s, tardando 8.3 minutos en llegar a la superficie terrestre,
la cual recibe un estimado de 152.424 X 1016 kWh [4].
El sol le queda 5 mil millones de años antes de convertirse en enana
blanca, comparado este tiempo con el lapso de la historia humana es 2500 veces
mayor, es un potencial energético prácticamente inagotable.
Una forma de aprovechar su energía es por medio de los paneles solares
para la generación de electricidad. Los paneles solares fotovoltaico son elementos
conformados por celdas solares conectadas eléctricamente, encapsuladas, y
montadas sobre una estructura de soporte. [2] Las celdas solares están
compuestas por materiales semiconductores que convierten la energía solar
(radiación solar) en| energía eléctrica. [2]
Una de las primeras personas en empezar a investigar sobre el celdas
solares fue el científico francés Alexandre Edmond Becquerel que experimentando
con una pila electrolítica sumergida en una sustancia de las mismas propiedades,
observó que después al exponerla a la luz generaba más electricidad, así fue que
en 1839 descubrió el "efecto fotovoltaico" [16] [17].
En 1870 el profesor W. Grylls Adams y su estudiante R. Evans
experimentaron con el selenio al reaccionar con la luz y descubrieron que se
generaba un flujo de electricidad que denominaron "fotoeléctrica" [18]. Charles
Fritts en 1883, fue quien inventó la primera célula solar conformada de láminas de
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revestimiento de selenio con una fina capa de oro. [16] Albert Einstein investigó
más a fondo sobre el efecto fotoeléctrico y descubrió que al iluminar con luz, los
fotones pueden arrancar los electrones de un metal y producir corriente eléctrica.
Con esta investigación gana el Premio Nobel de Física en 1921. [19]
En la actualidad los expertos hablan de cuatro generaciones para referirse a
la evolución de los paneles solares fotovoltaicos.
La primera generación se basa en dos obleas de materiales
semiconductores, ambas dopadas, una teniendo exceso de electrones tipo N y la
otra una falta de estos tipo P, la unión P-N.
La segunda generación de células solares son las que se denominan como
de lámina delgada, su eficiencia esta entre el 28% al 30%, pero su costo es
elevado. Diversas empresas en el mundo trabajan para reducir su costo
empleando materiales distintos al silicio tales como microestructuras de CIGS
(cobre, indio, galio, selenio) otras tecnologías son la de células orgánicas
fotovoltaicas (OPV) y la de polímeros orgánicos capaces de reaccionar con la luz
solar.
La tercera generación trata de mejorar los paneles de láminas delgadas
utilizando tecnologías como las de huecos cuánticos, nanotubos de carbono o
nanoestructuras de óxido de titanio con colorante (DSSC), con ellas se pretende
crear pintura que sea capaz de generar energía con una eficiencia provista de
entre el 30% al 60%.
La cuarta generación uniría la tecnología de nanoparticulas con polímeros
para conseguir paneles más eficientes y baratos, la NASA ha utilizado esta
tecnología multi-union en sus misiones a Marte. [20]
Se estima que estas mejoras en la tecnología de paneles solares
fotovoltaicos salgan al mercado en los próximos años, pero aun hoy en día los
más utilizados son los de primera generación. Uno de los aspectos más
importantes es cómo determinar la energía que llega a los paneles por medio de
cálculos que incluyen geometría solar:
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Geometría y radiación solar.
La radiación solar global en el panel inclinado, es el dato que se requiere
para determinar la energía que le llega al panel, se necesita analizar un historial
de mediciones de radiación global, difusa y directa promedio, mensual en el plano
horizontal; estos datos pueden ser obtenidos de diversas fuentes tales como la
NOAA [21] de la NASA, el atlas de radiación solar [22] o de diferentes aplicaciones
que se pueden encontrar en línea, entre otros.
Al obtener los datos mensuales del lugar para el cual se va a dimensionar el
SFV, se selecciona el mes con menor radiación global promedio mensual
horizontal con el propósito de asegurar que el dimensionamiento de la instalación
suministre la energía deseada durante todos los meses del año.
Al tener el dato del mes con menor irradiación, se tiene que hacer la
consideración de que si el sistema que se planea instalar tendrá un sistema de
seguimiento solar o no; en el caso que no se emplee sistema de seguidor solar se
debe realizar el cálculo de cuál es el ángulo óptimo para la ubicación de los
paneles solares.
La ecuación (1) [3] de ángulo óptimo ayuda a determinar la inclinación que
deben tener los paneles en todo el año, de tal forma que se pueda tener mayor
incidencia en la radiación (mejor aprovechamiento de energía solar) y menores
pérdidas a lo largo del año.
(1)
Dónde:
= Latitud del lugar
3.7 y 0.69= Son constantes que se determinaron con base en un análisis
sustentado en cálculos de la irradiación global incidente con diversas inclinaciones
correlacionando la latitud con el ángulo de inclinación que maximiza la producción.
A partir de la irradiación horizontal obtenida de diferentes fuentes, más el
ángulo óptimo calculado con la ecuación (1) se puede calcular la Irradiancia global
en el generador con la ecuación (2). [3]
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( ) ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )) ( ) (
( )
)
( ) ( ( )
) (2)
Dónde:
( ) = Irradiación solar global en el generador
= Inclinación del generador
= Índice de reflexión del medio.
ϑ= declinación (se puede encontrar empleando la ecuación 3)
( ( )
) (3)
Dónde:
dn = día del año.
ws= hora solar (en grados ).
wsr= Hora solar (en radianes) (ecuaciones 4 y 5) [23]
( ( )) (4)
(
) (5)
Al determinar la Irradiancia global en el generador, se tiene la energía que
le llega a una superficie inclinada, con ella se calcula HSP que ayuda a determinar
la energía que dará el sistema seleccionado.
Cálculos de un sistema Fotovoltaico autónomo
Un sistema SFV autónomo es un sistema que produce energía eléctrica de
forma independiente para el consumo personal, comúnmente este sistema se
utiliza en zonas rurales aisladas, en alumbrado público, entre otros, este sistema
se caracteriza por el uso de baterías o al mismo tiempo que se va generando la
energía se va consumiendo los instrumento que se utilizan son, panel solar,
controlador de carga, baterías e inversor (figura 1) y se describen posteriormente.
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Figura 4; Esquema de un sistema solar fotovoltaico aislado. [24]
Paneles solares: son los encargados de captar la radiación solar y
transformarla en electricidad. Pueden ser de silicio, telurio de cadmio,
seleniuro de cobre e indio entre otros pero su componente principal
comúnmente es el silicio, por ende su fabricación exige procesos
bastantes complicado, debido a que la obtención de silicio requiere altas
temperaturas y en el encapsulamiento se utilizan materiales especiales.
[25], [26]
Regulador o controlador de carga: son equipos que controlan el voltaje y
la corriente de un panel solar o generador eólico, encargados de
controlar la carga y descarga de las baterías. También es el encargado
de monitorear constantemente el estado del banco de baterías, no
permite que se sobrecarguen o descarguen las mismas. [26], [27]
Acumuladores o banco de baterías: permite el almacenamiento de la
energía que se produce durante el día a partir de la radiación solar
incidente en el generador FV. La energía almacenada puede ser
utilizada en la noche o durante periodos prolongados donde la
generación de energía es poca debida al mal tiempo o con poca
radiación solar. [26]
Inversor o convertidor DC/AC: dispositivo que permite la conversión de la
corriente continua (DC), generada por los paneles fotovoltaicos, en
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corriente alterna (AC) pues no toda la carga eléctrica (dispositivos o
electrodomésticos funcionan en DC). [26]
Para el dimensionamiento del generador FV es necesario estimar la carga
eléctrica a suplir y cálcular el consumo diario de energía, para ello se requiere
clasificar el tipo de carga (carga AC y carga DC). Para dicha clasificación es
posible emplear el formato presentado en la tabla 1 (Formato de estimación de
carga a suministrar).
Tabla 1; Formato de estimación de carga a suministrar.
Equipo Elemento Carga Potencia
Unitaria (Watt)
Horas de
uso al día
Energía total
consumida
DC
AC
Al tener el promedio del consumo en DC y AC, se calculará el consumo
promedio diario a suministrar empleando la ecuación (6). [26]
(6)
Donde
Lmd = Consumo a suministrar promedio diario
LmdDC =Consumo a suministrar en DC
LmdAC =Consumo a suministrar en AC
ηinv= Eficiencia del inversor
ηbat= eficiencia de la batería o banco de baterías
ηcon = Eficiencia del controlador
Es muy importante por factores climáticos inesperados, en otras palabras
ya que es el sistema depende del sol para su funcionamiento en caso de que un
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periodo prolongado de tiempo este nublado se necesita asegurar que a pesar de
eso se suministre la energía requerida, se da un margen de seguridad de
seguridad de un 20% de la Consumo a suministrar medio diario o también
conocido como carga a suministrar. A partir de este paso se tienen que tener
seleccionado un panel en específico y tener a la mano su ficha técnica.
Con los datos de radiación solar global incidente en el lugar donde se ha de
instalar el generador FV y los datos de la carga a suministrar, se procede a
calcular la potencia del generador y el número de paneles que lo conformaran,
este cálculo se realiza con la ecuación 7. [26]
(7)
Donde
= Número de paneles totales a utilizar
= Potencia pico de cada uno de los módulos (hoja técnica del panel)
= Consumo promedio diario a suministrar
HSP= Horas de sol estándar
Las horas de sol estándar se definen como la cantidad de horas al día que
se tiene una radiación de 1000 W/m2, se calcula con la radiación solar global en el
generador dividiéndolo entre los 1000 W/m2. [23]
( )
(8)
Después de haber calculado el número de paneles del generador, se debe
determinar la cantidad que van a estar conectados en serie y en paralelo. Primero
se debe determinar cuántos paneles se conectaran en serie procurando tener la
menor corriente posible que circule por el calibre del cable conector, pues entre
mayor sea la corriente, mayor será el calibre del conductor y esto hace que el
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costo del mismo también sea mayor. Para calcular el número de paneles
conectados en serie se emplea la ecuación (9).
(9)
De dónde:
Vocr = Tensión de circuito abierto del regulador.
Vocp = Tensión de circuito abierto del panel.
N serie = Números de paneles conectados en serie.
Para determinar el número de paneles en paralelo se divide el número total
de paneles entre el número de paneles en serie, en este punto se tiene que
verificar que la corriente que entrará al regulador sea menor que la que este
permite y así evitar daños o averías en su funcionamiento. Para el cálculo del
número de paneles en paralelo, se utilizará la ecuación (11), el resultado que se
obtenga debe ser menor que el resultado de la ecuación (10).
(10)
(11)
Donde:
N par = Número de paneles en paralelo
= Número de paneles totales a utilizar
Iscr= Corriente de cortocircuito del regulador
ISCP = Corriente de cortocircuito del panel.
En caso de que el resultado de la ecuación (10) sea mayor que el de la
ecuación (11), se hace necesario buscar otro regulador con mayor capacidad.
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Para el dimensionamiento del regulador, se elige en función de la máxima
corriente que puede controlar o corriente de entrada, la se determina con la
ecuación (12). [28]
(12)
Donde
= Corriente de cortocircuito del panel.
1.25 = Porcentaje de protección.
= Número de paneles conectados en paralelo.
Para elegir los acumuladores (o banco de baterías) que se emplearán en la
instalación, se debe tener en cuenta el consumo previo calculado, los días de
autonomía que se desea proporcione el banco de baterias y la profundidad de
descarga de las mismas. El tamaño del banco de baterías depende de la
magnitud del sistema fotovoltaico, el tamaño de este se calcula usando la
ecuación (13):
(13)
Donde
= Capacidad de la batería o banco de baterías
= Consumo a suministrar medio diario (obtenido de la ecuación 6)
= Días de autonomía del banco de baterías
= Profundidad máxima de descarga
Para conocer la capacidad del acumulador en amperios hora se divide la
capacidad del banco de baterias entre la tensión nominal de la bateria. [29]
(14)
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Por último se realiza el cálculo del inversor. En el mercado se encuentran
disponibles dos tipos de inversores el de onda sinoidal pura y el de onda sinoidal
modificada es recomendable para un mejor cuidado de los aparatos o
electrodomésticos el inversor de onda sinoidal pura Para el cálculo del inversor
(ecuación 15), se utilizará la suma de la potencia de las cargas de alterna de la
tabla 1. [28]
(15)
Dónde:
Pac = Potencia de las cargas alternas calculadas en la tabla 1
Cálculo de un sistema Fotovoltaico conectado a red.
En un sistema fotovoltáico interconectado a red eléctrica de distribución
(SFVIR), la energía generada se inyecta a la red, en algunos países existe
normatividad que reglamenta que los excedentes de energía que se entreguen a
la red son pagados por la empresa de energía a una tarifa diferencial.
Inicialmente se debe determinar el consumo, en este caso es irrelevante si
es corriente directa y corriente alterna, solo importa el consumo total diario, este
cálculo se puede hacer con el formato de la tabla 2 “Formato de estimación de
carga a suministrar”.
Tabla 2; Formato de estimación de carga a suministrar.
Equipo Elementos Carga Potencia
Unitaria (Watt)
Horas de
uso al día
Total de
energía
Teniendo el consumo promedio diaria a suministrar se tiene que calcular la
energía a suministrar cada hora al día “ES”. Este dato representa un promedio
general de la energía que se necesita generar cada hora a lo largo del año.
(16)
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Donde:
ES= Energía a suministrar. (kW)
HSP= Horas solares pico
= Consumo promedio diario a suministrar
Al conocer ES, se aproxima este a la potencia del inversor más cercano, de
esta forma se selecciona el inversor. Para determinar la corriente máxima
permitida por el inversor, se determina la potencia pico que es aproximadamente
10 o 15% superior de la potencia nominal (ecuación 17).
(17)
Dónde:
= Potencia nominal del inversor. (Watts)
= Potencia pico permitida por el inversor. (Watts)
Con la potencia pico permitida por el inversor se puede determinar el
número de módulos (paneles) que se utilizaran en el SFVIR a partir de la ecuación
(18).
(18)
Después se calcula el número de módulos que se emplear en la
instalación. Se debe tener en cuenta dos aspectos, con los que se podrá obtener
el número mínimo y máximo de paneles necesarios para un arreglo en serie.
(Ecuación 19, 20)
1. La tensión máxima de un arreglo en serie no puede superar la tensión
máxima del seguidor de MPP (punto de máxima potencia) del inversor, esta
tensión máxima es la tensión de circuito abierto (Voc) a la mínima
temperatura de operación. (Ecuacion19)
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2. La tensión mínima de un arreglo en serie no puede ser inferior a la tensión
máxima del seguidor MPP del inversor. Esa tensión mínima será la tensión
en el punto máximo potencia (VMpp). Ecuación (20)
( ) (
)( ) (19)
( ) (
)( ) (20)
a) Por una parte, la tensión máxima no debería sobrepasar ( ), con lo
que el número de módulos deberá ser inferior a este número se
determina con la ecuación (21)
( )
( ) (21)
Dónde:
= Máxima cantidad de paneles conectados en serie.
b) Por otra, la tensión mínima no puede ser inferior a ( ), con lo que el
número de módulos deberá ser superior a ;
( )
( ) (22)
= Mínima cantidad de paneles en serie.
Por lo tanto, los cálculos indican que cada arreglo está conformado por un
número determinado de módulos, el valor obtenido a partir de las ecuaciones (21)
y (22) limitan dicho número, cualquier número entero que se encuentre entre ellos
o ellos mismos si son enteros puede ser el número de paneles que se pondrán en
serie.
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Para el número de paneles en paralelo se utiliza la ecuación (10) descrita
en una sección anterior.
(10)
Por último, se determinará la potencia pico instalada, esto se hace con la
potencia pico del panel multiplicada por el número total de paneles empleados,
esto se realiza con el propósito de calcular capacidad máxima de generación de la
instalación. [28]
Capítulo 3: Metodología o propuesta a
implementar.
El grupo de investigadores denominado GRINER de la Universidad de
Medellín en el cual estuve colaborando tiene como propósito fortalecer, orientar y
capacitar a sus integrantes en el desarrollo de proyectos encaminados a la
solución de problemas en temas de energías renovables, alternativas, Smart Grid,
eficiencia energética y mercados energéticos, en el contexto nacional e
internacional.
Debido a la orientación del grupo de desarrollar proyectos que solucionen
problemáticas se planteó como objetivo primordial el desarrollar un software para
el dimensionamiento de sistemas solares fotovoltaicos autónomos e
interconectados a la red eléctrica de distribución en Colombia,
Para lograr dicho objetivo se concibieron distintas metodologías en el cual
se desarrolló el proyecto; dividiéndolo en cinco etapas.
Primera etapa.
Al realizar las consideraciones necesarias se determinó que se tenía que
hacer una recopilación de las diferentes metodologías sobre dimensionamientos
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de instalaciones solares fotovoltaicas al analizarlas se concluyó el crear un propio
manual que contuviera la metodología más completa, entendible y accesible con el
propósito de ser un documento de consulta para técnicos e ingenieros que
realicen instalaciones solares fotovoltaicas y como base del algoritmo del software.
La investigación consistió en un análisis libros tales como Solar Energy
Renewable Energy and Enviroment [23], Instalaciones Solar Fotovoltaica [29] [28],
entre otros además de documentos y manuales en línea especializados como
Boletín Solar Fotovoltaico Autónoma [26], Componentes de una instalación solar
fotovoltaica [2], etc.
Al finalizado el manual de dimensionamiento se puso a revisión de expertos
en la materia de la Universidad de Medellin el Dr. Carlos Andres Arredondo, Dr.
Mario Luna y el Mc. Sevastian Villegas, revisaran no solo la información si no
también la redacción, dando sus observaciones. Se repitió este procedimiento
hasta que se consideró apropiado.
Segunda etapa. Esta etapa la llevo a cabo José Odilón González Arellano y David Lizárraga
Osuna compañeros de carrera de la Universidad Politécnica de Sinaloa a la pae
que se realizaba la etapa uno. Consistió en crear una base de datos de radiación
solar de Colombia en LabVIEW.
Los datos fueron obtenidos de la página de la NASA “Meteorología de la
superficie y Energía Solar” [21], estos datos fueron verificados en los datos
arrojados en las estaciones meteorológicas y del atrás de radiación solar de
Colombia [22]. La forma de hacer una base de datos en LabVIEW son bariaradas
se pueden ver esplicadas en el video
Tercera etapa.
Esta etapa la llevo a cabo David Lizárraga Osuna consistía en hacer la
programación del algoritmo en LabVIEW.
Al finalizar la programación del software tubo un periodo de prueba en el
cual se puso a revisión tanto la estética como de programación en el cual permito
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percatarse de fallas en el algoritmo, descubrir se tenía que agregar alertas que
explicaran por que no daba resultado o no les dejaba continuar por que tenían un
dato erróneo, sufriendo aproximadamente 8 modificaciones completas.
Cuarta etapa. Cuando se terminó la primera versión del software se empezó a trabajar en
el manual de usuario
Quinta etapa. consistió en realizar una comparación entre el software y los cálculos
manuales para observar las discrepancias, las cuales en todo ensayo eran
mínimas o inexistentes.
Capítulo 4: Resultados y discusión.
Resultados.
Esta investigación tuvo como propósito el desarrollar un software para
dimensionar instalaciones solares fotovoltaicas y su respectivo manual de usuario.
Como resultado secundario fue un manual, el cual explica la forma de dimensionar
las ecuaciones necesarias, siendo éste parte primordial del marco teórico.
Un resultado inesperado fue que el software se inició un proceso de registro por
parte de la Universidad de Medellín; debido a esto se le tuvo que asignar un
nombre, el cual s la postre ePV Trainer.
A continuación se presenta el manual de usuario de software.
Manual de usuario “ePV Trainer”
En este manual se presenta la forma en la cual se emplea el software ePV
Trainer, desarrollado por estudiantes de la Universidad Politécnica de Sinaloa -
UPSIN y docentes del programa de Ingeniería en Energía de la Universidad de
Medellín- UdeM. El software ePV Trainer es para propósitos netamente
educativos, no está permitida su comercialización venta o distribución sin previa
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autorización de los desarrolladores o de la UdeM; está prohibido su uso con fines
técnicos o comerciales no autorizados. Los autores no se responsabilizan por los
errores o daños que se puedan derivar o causar a partir de su uso para el
dimensionamiento de SFV.
Objetivo de la aplicación
Esta aplicación fue desarrollada con el fin de apoyar procesos de formación
en el tema de energía solar fotovoltaica e incentivar su uso. Está totalmente
prohibido su uso con fines comerciales, tampoco reemplaza o sustituye el trabajo
que realizan ingenieros, técnicos o especialistas en el tema. El software ePV
Trainer y este manual también pueden ser empleados para comparar y/o
correlacionar los datos obtenidos de los cálculos realizados manualmente por
ingenieros y técnicos para el dimensionamiento de una instalación solar
fotovoltaica (SFV) autónoma o interconectada a la red eléctrica de distribución.
También se puede emplear para que personas no relacionadas con el tema
puedan tener una base o aproximación al diseño de una instalación SFV de
acuerdo a los requerimientos particulares (como la carga eléctrica asociada, el
número de horas que estará funcionando, etc.) Asimismo, el software también
permitirá realizar una valoración económica del costo de la instalación diseñada y
un estimativo del tiempo en el cual se podrá recuperar la inversión.
Instalación.
Requerimiento del sistema para la instalación de ePV Trainer.
Sistema operativo “Windows xp sp2 o superior”. Procesador (intel), RAM 1
GB y 500 Mb de espacio libre.
Instalación en PC a. Iniciar sesión como administrado en el equipo donde se desea instalarlo.
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b. Abrir el instalador e instalar el programa
c. Descomprimir carpeta llamada “Dimensionador Fotovoltaico”.
d. Instalar el software.
Interface.
A continuación se presentan los módulos / pestañas generales que
componen el software ePV Trainer, estos módulos están conformados por
submódulos o subclases que tienen un uso específico, se dirige la información de
manera consecutiva, desde el módulo 1 hasta el 6. El software se compone de las
siguientes pestañas:
g Datos generales. s Consumo.
J Radiación solar del lugar. h Radiación en el plano.
j Sistema fotovoltaico. i Análisis económico.
1 2
3 4
6 5
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Figura 5: Página de inicio del Software ”ePV Trainer”
Descripción de la interface
Datos generales.
En la pestaña de inicio “Datos generales”, determinará departamento del
país, la población o ciudad para la cual se desea dimensionar el SFV, también se
debe seleccionar el tipo de sistema fotovoltaico a dimensionar: autónomo o
interconectado a la red eléctrica de distribución. (Figura 1).
. Departamento .B Población o ciudad
.C Tipo de sistema fotovoltaico a dimensionar .e Siguiente
.e Borrar
1
D
E
C
B A
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Las opciones A, B y C ya se explicaron previamente.
e Siguiente; tiene la función de cambiar un módulo a otro, se puede
encontrar en cada uno de los módulos en la parte superior izquierda
excepto en el módulo “Datos Generales” que se haya debajo de la opción
“seleccione el sistema fotovoltaico” y en el módulo “Análisis económico”, ya
que es el último modulo y no tiene siguiente es innecesaria esta opción.
E, Borrar: esta opcion tiene como finalidad reiniciar todo los parametros
incertados del sofware a su estado original.
Consumo.
La pestaña “Consumo” permite realizar una auditoria energética que
consiste en el estudio o evaluación que permite determinar el consumo energético
de la vivienda a abastecer de electricidad, en el lugar donde se desea instalar el
SFV, esta sección se divide en (Figura 2):
h Cantidad F Dispositivo 3- Potencia (W)
H Horas de uso
diarias
5 Estándar 6- Agregar
7- Eliminar 8- Energía extra consumidas 9- Energía total
2
D
E
1
4
7
2
5
8
3
6
9
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Figura 6; Pestaña "Consumo".
El módulo de consumo (2) se compone por una barra principal de opciones
las cuales a su vez se dividen por las opciones 1(Cantidad), al 7(Eliminar), esta
barra principal tiene como propósito facilitar la elaboración de la auditoria
energética, cada uno de los ítems de la pestaña o sección se describen a
continuación:
1. Cantidad: Determina el número exacto de aparatos eléctricos del mismo
tipo (como bombillos, radios, televisores, etc.) en el hogar de la instalación
del SFV.
2. Dispositivo: En este apéndice es desplegada una sub- barra con diferentes
opciones donde es posible seleccionar de una lista algunos de los
electrodomésticos más comunes en un hogar.
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3. Potencia: Determina la energía consumida por el dispositivo para su
correcto funcionamiento.
4. Horas de uso diario: Es el número de horas promedio diarias en las que se
usa el aparato.
5. Estándar: Establece los valores promedio de los apéndices “Potencia” y
“Horas de uso diarias” del aparato seleccionado, es decir, asigna por
defecto la potencia típica del aparato eléctrico y el promedio de horas
diarias de uso.
6. Agregar; Permite agregar más dispositivos, así como la cantidad de estos.
El número máximo de barras es 11.
7. Eliminar: Permite eliminar la barra de dispositivos agregados, el número
mínimo de dispositivos será de 1
8. Energía extra consumida: Permite agregar cargas adicionales que no están
incluidas en la pestaña descrita en el numeral 1 de esta sección.
8.1 La primera si tiene el consumo promedio de otra carga que no
está especificada en los otros electrodomésticos, no es necesario
especificar el tipo de dispositivo, esta carga puede ser un motor,
un horno, etc.
8.2 Esta pestaña puede emplearse cuando se han empleado las 11
pestañas en la sección de consumo, cuando ya no se tienen más
espacios disponibles.
9. Energía total a suministrar en kWh al día: Es el resultado del cálculo de la
carga o consumo total a partir de la información ingresada de la carga a
alimentar por el SFV. Este resultado se dá kWh al día.
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Radiación del lugar.
En esta pestaña se presentan los datos de radiación solar promedio diaria
mensual (kWh/m2-día) sobre la superficie horizontal del lugar en el cual se va a
instalar el SFV, en otras palabras, es la cantidad de energía suministrada por el
sol sobre en una superficie de un metro cuadrado al día.
La figura 3a ilustra cuando no se ha determinado el lugar donde se va
realizar la instalación (en la pestaña 1 de “Datos generales”), en la figura 3b se
observa el cambio cuando se han introducido los datos del lugar en el que se
realizara la instalación (Departamento, población o ciudad y tipo de SFV a instalar,
para el caso de este ejemplo los datos son de la ciudad de Medellín).
Figura 7; Radiación promedio diaria mensual antes y después de especificar.
Este módulo está conformado por los siguientes elementos:
E Presenta una gráfica que muestra la variación de la radiación mes a mes.
w Ilustra el mapa de radiación solar en Colombia, en escalas de colores. El
mapa fue obtenido del atlas de radiación solar de Colombia. [22]
el t Muestra la latitud y longitud del lugar seleccionado para la instalación del
SFV.
3
2
3
1
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E Tabla que indica numéricamente los datos mensuales de radiación solar en
el lugar en el que se desea instalar el SFV.
Radiación en el panel.
En esta pestaña de radiación en el panel se determina la radiación
promedio diaria mensual sobre los paneles fotovoltaicos en (kWh/m2-día), es decir,
la energía promedio diaria que recibe la superficie del panel solar fotovoltaico
cuando se encuentra en forma horizontal (ángulo de 0º).
Aunque pueda parecerse mucho a la información que presenta la pestaña 3
“Radiación del lugar”, la información es diferente debido al ángulo de la superficie
que recibe la radiación solar. Entre más perpendicular este la superficie con
respecto a la radiación solar más óptimo será el ángulo mayor será la energía
recibida. En esta parte, el usuario tiene la posibilidad de seleccionar el ángulo que
considere adecuado (como se muestra en el recuadro rojo con el numeral 3) o se
puede presionar el botón ok de ángulo optimo que calculará cual es el ángulo más
adecuado para que el panel o generador FV reciba la mayor cantidad de radiación
solar a lo largo del año, respecto a su ubicación. En esta pestaña también se
puede observar el valor de radiación solar en kWh/dia para los 12 meses del año.
4
4
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Figura 5; Radiación en el panel
En esta pestaña hay una Grafica donde se puede observar la radiación
solar promedio diaria y los datos exactos de radiación mensual y el ángulo óptimo
de inclinación del panel o generador fotovoltaico.
Sistema fotovoltaico.
En la sección de sistema fotovoltaico se establecen los parámetros técnicos
(potencia, voltaje y corriente) de los dispositivos (paneles FV, inversor, regulador
de carga, banco de baterías, etc) empleados en la instalación que se está
diseñando. Si falta algún dato primordial en otro modulo este lo muestra a manera
de alerta e indica en que parte no se ha incluido el dato necesario para el cálculo.
El software no permite realizar ningún procedimiento al menos que todos los
datos necesarios estén completos en los módulos anteriores (Figura 6), las
posibles alertas son.
- Seleccione el tipo de sistema fotovoltaico en la pestaña “Datos generales”.
5
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- Favor determinar el departamento y la población del lugar de la instalación
en la pestaña “Datos generales”.
- Favor determinar el consumo del lugar de la instalación en la pestaña
“Consumo”.
- La inclinación del panel fotovoltaico está en 0°, puede cambiar este
parámetro en la pestaña “Radiación en el panel”
Figura 6; Modulo 5 sistema fotovoltaico
Si los datos de las pestañas o módulos anteriores son correctos, se
mostraran los datos según el tipo de SFV seleccionado (autónomo o
interconectado). La figura 5 muestra la pestaña cuando se ha seleccionado un
sistema aislado. Hay que aclarar que todos los datos requeridos en la sección de
sistema fotovoltáico se encuentra en las fichas técnicas de los aparatos
correspondientes, los datos son:
. Panel: los datos requeridos del panel son la potencia de salida el
voltaje, la corriente y el porcentaje de pérdidas por temperatura y suciedad
en el panel.
1
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. Inversor: se tiene que estimar la cantidad de inversores que tendrá el
sistema, los datos requeridos para el inversor son potencia unitaria del
inversor, voltaje nómina del inversor.
. Regulador de carga: los datos requeridos para este son voltaje de
operación y corriente de operación.
. Baterías: los datos requeridos de la batería o banco de baterías son
voltaje, amperios hora, eficiencia de batería, profundidad de descarga. En el caso
que la eficiencia y la profundidad de descarga no se encuentren, es posible
seleccionar la opción estándar, “el dato estándar de ambas opciones se generaron
a base de un promedio general”
Al procesar los datos estos arrojan como resultado la información del arreglo
tales como:
- Número total de paneles necesarios para el SFV; Es el número exacto de
paneles solares necesarios para suministrar en cualquier día del año la
carga requerida
- Arreglo de los paneles (en serie y en paralelo); Del “Número total de
paneles Necesarios para el SFV” se determinan cuántos en paralelo para
aumentar el amperaje de entrada y cuántos de ellos tienen que ir
conectados en serie para aumentar el voltaje total de entrada al inversor o
controlador de carga según sea el caso.
- Arreglo de las baterías (en serie y en paralelo); en el caso de un sistema
aislado es lo más importante, ya que nos dependemos de estas para el
suministro eléctrico, el número de baterías totales, cuantas irán conectadas
en serie y en paralelo.
2
4
3
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Figura7; Modulo 5 Sistema fotovoltaico "Aislado"
Si se comete un error al momento de ingresar los datos que se requieren,
el programa muestra una advertencia, las posibles advertencias son.
- La potencia del panel fotovoltaico no concuerda con el voltaje y corriente,
favor de revisar ficha técnica del proveedor.
- Valor invalido para perdidas por temperatura y suciedad de paneles.
- El regulador de carga seleccionado no soporta la potencia del sistema
fotovoltaico.
- Valores inválidos para voltaje y corriente de las baterías.
- Valor invalido para eficiencia de la batería.
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- Valor invalido para profundidad de descarga.
- Valor invalido para días de respaldo.
- La inclinación del panel fotovoltaico está en 0°, puede cambiar este
parámetro en la pestaña “Radiación en el panel”.
- El voltaje de la batería no es compatible con el regulador de carga.
- El voltaje del panel no es compatible con el regulador de carga.
- El voltaje del inversor no es compatible con el del sistema fotovoltaico.
Figura 8; Modulo 6 Sistema fotovoltaico "interconectado"
En un sistema interconectado, a diferencia del sistema aislado no se utilizan
la misma cantidad de dispositivos, ya que no se tiene que almacenar la energía,
solo se utilizan los paneles solares y el inversor, lo cual disminuye el costo el
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tiempo de instalación. Para este caso se debe ingresar los datos técnicos de los
paneles y del inversor, dichos datos se describen a continuación:
Panel; los datos requeridos del panel son la potencia de salida el
voltaje, la corriente y el porcentaje de pérdidas por temperatura y suciedad
en el panel.
Inversor; se debe determinar si se va a emplear un solo inversor para
todo el generador fotovoltaico o si se va a emplear uno por panel o modulo,
los datos requeridos del inversor son potencia unitaria del inversor, voltaje
máximo de operación del inversor y voltaje mínimo de operación del
inverso.
En caso de que se ingresen los datos de forma errónea al software, se
activaran una serie de alarmas que recordaran al usuario del software su error y
donde se encuentra este:
- La cantidad de inversores no puede ser mayor al número de paneles
fotovoltaicos disminuya esta cantidad.
- La corriente nominal de entrada del inversor no soporta la corriente de los
paneles fotovoltaicos, ajuste el voltaje del inversor.
- El voltaje máximo de operación del inversor debe ser mayor al voltaje
mínimo de operación del inversor.
- Los inversores seleccionados no soportan la potencia necesaria.
- El inversor seleccionado no soporta la potencia necesaria.
- Valor inválido par potencia del panel.
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- Voltajes de inversor no válidos, favor revisar la ficha técnica de su
proveedor.
Análisis económico
En la última sección del software se realiza un análisis económico del costo de
la instalación, las ganancias anuales por ahorro de energía, el tiempo de retorno
de la inversión y en el caso que para hacer la instalación se haya pedido un
crédito viene una pestaña que contiene las posibles formas de pago de crédito y
una pequeña explicación de cada una de las opciones las cuales son:
- Se pide un préstamo, pagando la deuda (Capital e interés) hasta el final del
plazo.
- Se pide un préstamo, pagando solo los intereses al final de cada año y al
término el plazo se paga el total de la deuda (Capital e interés anual).
- Se pide un préstamo, pagando la deuda (Capital e interés anuales) en
cantidades iguales cada año, pero que finalizando el plazo, la deuda queda
saldada.
- Se paga todo el sistema fotovoltaico un solo pago inicial sin pedir
préstamos.
Cuando en alguna de las otras secciones falta algún dato la pestaña te
presente aun aviso, principalmente en el módulo “Sistema fotovoltaico” (figura 9)
6
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Figura 9; Análisis económico sin datos
Esta sección, además de realizar un análisis económico, existe la opción de
crear reporte en una hoja de cálculo con los datos del dimensionamiento.
En el caso de que todos los datos de las secciones anteriores tengan todos
los datos correctos la pestaña (figura 10).
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Figura 10; Modulo “Análisis económico” e información requerida.
1- Seleccione un método de pago: Las posibles formas de pago del sistema
en crédito y al contado
2- Costo del kWh: Es el valor de una unidad de energía
3- Costo por panel fotovoltaico: Es el valor monetario del panel que se utilizara
en la instalación
4- Costo por inversor; el valor monetario del inversor seleccionado para el
posible sistema.
5- Costo por mano de obra: Es el salario de todos los trabajadores que
instalan el sistema SFV.
6- Otros gastos: En estos gastos se considera cualquier pieza extras tanto
como piezas, herramientas, cables entre otras.
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7- Crear reporte: es una opción que permite crear un reporte en una hoja de
cálculo. Para realizar esto, primero se debe crear una hoja de Excel y
guardarla con el nombre deseado. Después, para crear el reporte se hace
clic en el botón con este mismo nombre en el software y se abre la
ubicación de la hoja de cálculo previamente creada para almacenar el
reporte.
8- Calcular: este botón es para calcular.
8.1 Costo del sistema fotovoltaico.
8.2 Producción anual de energía.
8.3 Ahorro monetario anual de electricidad:
8.4 Retorno de inversión (años).
8.5 Total a pagar del sistema.
9- Cuadro explicativo: en este cuadro se despega una explicación breve de
cada una delas opciones de financiamiento.
En el caso que un dato ingresado en este módulo este erróneo o le falte no
lo dejara calcular y le marcara la una de las siguientes advertencias según sea el
caso
Advertencias
- Debe seleccionar un método de pago
- El plazo para pagar la deuda debe ser de un año o más
- La tasa de interés anual debe ser mayor al 0%
- El costo por kWh debe ser mayor a 0
- El costo por mano de obra debe ser mayor a 0
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- El costo por mano de obra debe ser mayor a 0
- Otros gastos deben ser mayor a 0
- El costo por regulador de carga debe ser mayor a 0
- El costo por batería debe ser mayor a 0
Ejemplo
En esta parte se calcula una instalación solar fotovoltaica aislada y otra
interconectada con el propósito de probar la certeza y confiabilidad del programa
desarrollado para calcular contra los cálculos de libros especializados en la
materia. Resaltando la estimación se concentra en un sistema interconectada a la
red
Desarrollo Para tener mayor confiabilidad en los datos obtenidos en ambos cálculos se
tomaran de base los mismos datos de radiación solar. El lugar donde se encuentra
dicha casa de prueba es la ciudad de Medellín Antioquia
Tabla 3; Radiación promedio diaria mensual sobre la superficie horizontal y en el
ángulo optimo (kWh/m2 día)
Mes Sobre la superficie Inclinación ángulo optimo (7.63°)
Enero 4.73 5.03
Febrero 4.83 4.97
Marzo 4.86 4.90
Abril 4.77 4.72
Mayo 4.92 4.77
Junio 5.17 4.96
Julio 5.64 5.42
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Agosto 5.66 5.53
Septiembre 4.57 5.22
Octubre 4.78 4.87
Noviembre 4.57 4.76
Diciembre 4.44 4.67
Promedio 4.97 4.98
Además también se tomara como estándar el consumo energético de la
casa y la energía total a suministras diaria
Tabla 4; Datos resumidos de la auditoria energética
Cantidad Dispositivo Potencia Hr de uso diaria Energía
13 Foco fluorescente 20 4 1040
1 Nevera 160 24 3840
14 contacto 200 6 16800
Energía total a suministrar al día 21.44 Kwh al día 5682.26kwh
También se utilizaran el mismo equipo en ambas determinaciones poder
determinar la verdadera diferencia entre ambos opciones.
Interconectado
Panel solar RENESOLAR 250W $535, 000.00 C/U
Inversor SUNNYBOY 7000W $6, 970, 000.00 C/U
Aislado
Panel solar RENESOLAR 250W $535, 000.00 C/U
Los precios dados son de la página web de la empresa webosolar.com [2],
Las fichas técnicas se encuentran en la misma página Web.
Software 1.1 Interconectado: A continuación se ilustra de manera gráfica el
procedimiento para el dimensionamiento de un SFV interconectado usando el
software ePV Trainer (figuras 11 a la 14).
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En el módulo “Datos generales”, (figura 11) es donde se inda el lugar y el tipo de
instalación, en este caso el departamento es Antioquia población Medellín un
sistema interconectado.
Figura 11; Página principal del software
En el módulo “Consumo” se hizo una aproximación del consumo de una
casa de bajos recursos suponiendo un uso razonable de energía dando como
resultado un consumo de 21.44 kWh al día (Figura 12).
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Figura 12; Apartado para determinar el consumo
En este módulo se ingresó los datos de plata de cada uno de los
instrumentos requeridos en una instalación SFV interconectada a la red de
suministro eléctrico. (Figura 13).
Figura 13; Datos de placa de Instrumentos de una instalación Aislada
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En el módulo “Análisis económico”, se especificaron los costos de los
instrumentos requeridos (Panel solar, Inversor), además la mano de obra y se
consideran otros costos que podrían ser tanto cableado como la herramienta
necesaria entre otros. (Figura 14) En la parte final nos indica el tiempo de retorno
de la inversión de la instalación como la energía que se generara y el costo del
sistema.
Figura 14; Apartado análisis económico del Software
El dato resaltado en rojo del costo del kWh se obtuvo a partir de determinar el
costo promedio anual de energía para los años 2013 y 2014 [1].
Tabla 5; Costos promedios anuales de Energia electrica en Colombia
Año Precio
2013 178.86
2014 196.88
promedio 187.87
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Cálculos clásicos Debido a que la carga a suministrar es de 21.44 kWh al día esta cantidad se
divide entre las HSP y se multiplica por 1.2 (margen de seguridad del 20%) para
tener la aproximación de lo que se va a suministrar por hora al día.
( )
(
)
Donde:
ES= Energía a suministrar en kWh al día
HSP= Horas solares pico
Se debe escoger el inversor más cercano a esta cantidad en este caso
serán un inversores de 7kW, con la potencia pico admitida por el inversor
podemos determinar el número de módulos que utilizara cada inversor, para
determinar los que utilizaran en el sistema esa cantidad se multiplicara por el
número de inversores.
=
= Potencia pico admitida por el inversor
Posteriormente se calcula el número de módulos que se conectarán en
serie o en paralelo que podemos emplear en nuestra configuración de la
instalación.
( ) (
) ( ) (
) (
)
( ) (
) ( ) (
) ( )
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( )
( )
( )
( )
Debido a que la conexión muestra que el mínimo de módulos que se deben
conectar a un inversor es de 11.55 y el número máximo es de 13.42 la conexión
que tendrá la instalación son 12 en serie y 2 en paralelo.
Con respecto al análisis económico suponiendo que el pago será al contado
el retorno de la inversión se da en 15 años.
Tabla 6; Análisis Económico
Cantidad Precio Costo total
Modulo 24 535, 000.00 12, 840, 000.00
inversor 1 6, 970, 000.00 6, 970, 000.00
Otros costos 1 1, 000, 000.00 1, 000, 000.00
Mano de obra 1 1, 000, 000.00 2, 000, 000.00
costo total 21, 810, 000.00
tiempo de retorno 14 años
Autores
Fidel Jouliano Gómez Cordova email: [email protected]
José Odilón González Arellano email: [email protected]
David Lizárraga Osuna email: [email protected]
Dr. Carlos Andrés Arredondo Orozco email: [email protected]
Dr. Mario Alberto Luna del Risco email: [email protected]
Mc. Sebastián Villegas Moncada email: [email protected]
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Discusiones Las experiencias en mi estancia práctica en general fueron muy buenas,
tanto escolares como personales. En el ámbito académico todas las personas
fueron muy amables, siempre estuvieron a la disposición de lo que
necesitábamos, los investigadores estuvieron pendientes de que aprendiéramos
cosas nuevas y mejoráramos nuestras habilidades, a pesar de que son maestros
de tiempo completo y siempre están ocupados.
Personalmente la experiencia fue única, conocer un país, cultura,
tradiciones nuevas, es una vivencia indescriptible que solo las personas que lo
han hecho sabrían cómo es, por casualidad conocí a personas de todo el mundo
Alemanes, Ingleses, Argentinos Españoles, Peruanos etc. convivir con ellos te
muestra panoramas impensables saber que a pesar de la diferencia de países no
son tan distintos entre ellos.
Capítulo 5: Conclusión(es) y
Recomendaciones
Conclusiones El proyecto bajo los objetivos planteados se logró a la perfección,
cumpliendo y sobrepasando las expectativas de los realizadores. Debido a la
veracidad de los resultados, su fácil manejo y entendimiento se considera que las
posibilidades de que el software tenga las aptitudes de llegar a ser de uso
industrial son muchas.
Pero antes de llegar a ese punto, primero se debe extender la base de
datos de radiación, además tener una versión móvil, esto se puede lograr
pasando el algoritmo de LabVIEW a lenguaje C para poder programarlo en un
sistema operativo libre.
Recomendaciones
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Tener en la medida de lo posible un equipo de trabajo que sea
multidisciplinario ya que la gran cantidad de tiempo se dedicó a aprender
programación, mecánica etc. temas que no se dominaban al nivel
requerido, evitando avanzar y abarcar más en la investigación.
Al momento de escribir un manual de usuario de un programa o de un área
en específico, para uso de personas no relacionadas con la materia es
recomendable escribirlo ayudado de una persona no relacionada con el
área.
En el caso de querer desarrollar un software que sea en un lenguaje libre
para no tener la limitante, de no tener la licencia completa, no solamente
educativa ya que las licencias son caras, limitando el software a ser solo
educativo y no poder hacerlo de uso industrial.
Tener un plan de trabajo seguirlo al pie de la letra para terminar en tiempo y
forma, previniendo posibles retrasos en el trabajo.
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