ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL · A todas aquellas personas que de una u otra forma,...
Transcript of ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL · A todas aquellas personas que de una u otra forma,...
ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación
“DISEÑO DE UN SISTEMA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS PARA MEJORAR LA
EFICIENCIA EN ÁREAS QUE UTILIZAN CLARABOYAS PARA
ILUMINACIÓN”
TESIS DE GRADO
Previo a la obtención del título de:
INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIZACIÓN ELECTRÓNICA Y
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Presentado por:
Holguer Humberto Noriega Zambrano
Wilson Daniel Pereira Espinoza
Guayaquil - Ecuador
2014
II
AGRADECIMIENTO
A todas aquellas personas que de una u otra
forma, colaboraron para que se cumplan todos los
objetivos del presente proyecto. Al Ph.D. Guillermo
Soriano, al Ing. Javier Urquizo, a la Ing. Carola
Sánchez, al Ing. José Macías, al Ing. Rubén
Hidalgo, al Ing. Miguel Yapur, al Ph.D. Boris
Vintimilla, al Ph.D. Cristóbal Mera, a Steven
Macías, a Miguel Cuji.
Un agradecimiento especial a Dios, a nuestros
padres y hermana quienes son las luces que guían
nuestras vidas, a nuestro director de tesis el Ph.D
Síxifo Falcones, quien nos guio a lo largo de todo
este recorrido, de igual manera a nuestros amigos
y compañeros por su cariño, apoyo y paciencia.
Y a todos aquellos que con su lucha manifiestan
que es posible fundar otra sociedad basada en
igualdad de oportunidades.
Gracias.
III
DEDICATORIA
Tu lucha te convirtió en héroe, tu valentía fue
ejemplo de liderazgo, y tu amistad te convirtió en
mi hermano. El esfuerzo, sacrificio y dedicación de
este trabajo lo pongo de ofrecimiento en cualquier
parte del universo que te encuentres querido
amigo Jorgge.
Holguer.
IV
TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN
BORIS VINTIMILLA, Ph.D.
PRESIDENTE
SÍXIFO FALCONES, Ph.D.
DIRECTOR DE TESIS
CRISTÓBAL MERA, Ph.D.
VOCAL PRINCIPAL
V
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, nos corresponde
exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la Escuela Superior
Politécnica del Litoral.”
(Reglamento de graduación de la ESPOL)
HOLGUER HUMBERTO NORIEGA ZAMBRANO
WILSON DANIEL PEREIRA ESPINOZA
VI
RESUMEN
El presente trabajo muestra el diseño de un sistema de energía eléctrica
usando paneles fotovoltaicos en forma de persianas para mejorar la
eficiencia energética de los edificios con claraboyas.
El análisis, y la solución del problema se centrarán en reducir el efecto
invernadero de dichos inmuebles. Para esto, se ideará un prototipo- que
simulará las condiciones climáticas y estructurales del edificio principal de la
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación de ESPOL. Este
modelo contendrá a los paneles fotovoltaicos en su parte superior, usará un
circuito electrónico (seguidor solar), que los hará girar de acuerdo al
movimiento relativo del sol.
Con lo antes mencionado, se evitará una radiación solar directa sobre el
interior del prototipo (edificio), disminuyendo así el efecto invernadero,
sumado también a la generación limpia de energía eléctrica. La central de
acondicionador de aire, tendrá menos trabajo de enfriar su interior,
reduciendo el consumo de energía de red, y por tanto su facturación.
También se considera otros factores de mejoras energéticas como: zona
climática, orientación del edificio, materiales de paredes.
Una vez realizadas las pruebas entre un antes y después de la
implementación del prototipo propuesto, se ha obtenido un ahorro energético
VII
de aproximadamente el 30%, siendo así un referente para disminuir los años
de recuperación de la inversión, haciendo viable el proyecto en diferencia de
otros de la misma característica.
Al ser un prototipo que simula condiciones objetivas de edificios con
claraboyas, en un futuro se lo puede aplicar en este tipo de construcciones
alrededor del mundo.
Palabras Claves: paneles solares, radiación solar, eficiencia energética.
VIII
INDICE
AGRADECIMIENTO ....................................................................................... II
DEDICATORIA ...............................................................................................III
TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN .................................................................. IV
DECLARACIÓN EXPRESA ............................................................................ V
RESUMEN ..................................................................................................... VI
ABREVIATURAS ........................................................................................... XI
SIMBOLOGÍA .............................................................................................. XIV
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................. XVII
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. XXIII
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... XXVI
1. CAPÍTULO 1. ......................................................................................... 1
1.1. Antecedentes ..................................................................................... 2
1.2. Descripción del Proyecto ................................................................... 3
1.2.1. Hipótesis y Solución ....................................................................... 6
1.2.2. Etapa de implementación ............................................................... 8
1.2.3. Metodología ...................................................................................10
1.3. Objetivos ...........................................................................................12
1.3.1. Objetivo General ............................................................................12
1.3.2. Objetivos Específicos ....................................................................12
2. CAPÍTULO 2. .......................................................................................14
FUNDAMENTO TEÓRICO .........................................................................14
2.1. Energía Solar ....................................................................................14
2.1.1. Ventajas de sistema de generación de energía solar ....................16
2.1.2. Desventajas de sistema de generación de energía solar ..............17
2.2. Radiación solar .................................................................................18
IX
2.2.1. Radiación solar en el Ecuador .......................................................20
2.2.2. Efecto invernadero ........................................................................25
2.3. Movimiento del Sol ...........................................................................26
2.4. Celdas Fotovoltaicas.........................................................................27
2.4.1. Parámetros fundamentales de la célula solar ................................29
2.4.2. Tipos de célula solar ......................................................................33
2.5. Sistema fotovoltaico ..........................................................................35
2.5.1 Paneles Fotovoltaicos ...................................................................36
2.5.2 Convertidor DC-DC PWM Elevador (Boost) ..................................38
2.5.3 Convertidor DC-AC PWM Monofásico ...........................................39
2.5.4 Rastreo de Punto de Máxima Potencia (MPPT) ............................41
2.6. Herramientas de Simulación .............................................................48
2.6.1. MATLAB ........................................................................................48
2.6.2. Simulink .........................................................................................49
3. CAPÍTULO 3. .......................................................................................77
METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL PROTOTIPO ....................................77
3.1. Dimensionamiento de los componentes del Sistema Fotovoltaico ...77
3.1.1. Cálculo de la Potencia Consumida del Sistema ............................78
3.1.2. Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos ............................80
3.1.3. Diseño de la estructura mecánica .................................................88
3.2. Diseño del Sistema de Control de Posicionamiento .......................120
3.2.1. Modelamiento de la planta...........................................................127
3.2.2. Diseño del Controlador ................................................................131
3.3. Simulaciones del sistema ...............................................................141
3.4. Diseño de pruebas ..........................................................................148
4. CAPÍTULO 4 ......................................................................................158
PRUEBAS DEL SISTEMA ........................................................................158
4.1. Diagrama del sistema completo ......................................................158
4.2. Fotos del sistema implementado ....................................................160
4.3. Medición de carga consumida ........................................................166
X
4.4. Comparación de ahorro de energía antes y después de la
implementación del sistema fotovoltaico ..................................................181
4.5. Cálculo de ahorro y eficiencia .........................................................185
5. CAPÍTULO 5 ......................................................................................187
ANÁLISIS DE COSTO PARA EL ÁREA C – PROFESORES DE LA FIEC
.................................................................................................................187
5.1. Análisis económico del Sistema Fotovoltaico, de Iluminación, de
Climatización y de Automatización ...........................................................188
5.2. Consideraciones económicas .........................................................189
5.2.1. Costos directos e indirectos del proyecto ....................................190
5.2.2. Costos totales ..............................................................................191
5.3 Proyección del tiempo de recuperación de la Inversión ..................194
5.4 Mejoras complementarias y sus costos .........................................201
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................203
BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................206
XI
ABREVIATURAS
AC Corriente Alterna
A/C Acondicionador de Aire
ADC Convertidor Analógico Digital
BEN Beneficio Anual
BTU British Termic Unit
CEE Calidad de la Energía Eléctrica
DC Corriente Directa
GEAD Generación Eléctrica Anual total del Sistema Propuesto
GED Generación Eléctrica Diaria del Sistema Fotovoltaico
GTO Tiristores de desactivación por Compuerta
HZ Hertz
IDC Corriente en el lado DC
XII
IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
LDR Ligth Depedence Resistor
P.U. Por unidad
PCB Tarjeta de circuito impreso
PFIEC Potencia Demanda de la FIEC
PLC Controlador Lógico Programable
PQ Calidad de Potencia (Power Quality)
PVC Policloruro de Vinilo
PWM Modulación de Ancho de Pulsos
R.P.M Revoluciones por minuto
SAI Sistema de alimentación Ininterrumpida
SCR Rectificadores de Silicio Controlado
SPWM Modulación senoidal por ancho de pulsos
XIII
THD Distorsión Total de Armónicos
TI Texas Instrument
UPQC Periodo de Conmutación
UPS Sistema de Potencia Ininterrumpible
VA Voltios Amperios
VAN Valor Actual Neto
VAC Voltaje en el lado AC
VDC Voltaje en el lado DC
VSR Fuente Rectificadora de Voltaje
XIV
SIMBOLOGÍA
dm Distancia mínima entre los paneles
e Carga del electrón
Ff Factor de forma
Fw Fuerza del Viento
I Irradiación solar
IDC Corriente continua
IL Corriente de la carga
Is Corriente de la fuente
Isc Corriente de cortocircuito
Ih Corriente del panel fotovoltaico ante radiación solar
K Constante de Boltzman
n Eficiencia
XV
P Potencia activa
PPV Potencia del Panel Fotovoltaico
Pigbt Potencia disipada por el IGBT
Pinv Potencia del Inversor
Pm Potencia del motor
Ps Potencia de la fuente
Q Potencia reactiva
Qcc Calor perdido por conducción- convección
Qren Calor sensible perdido por renovación del aire interior
R Resistencia
RL Resistencia de la carga
Rn Radiación neta
S0 Interruptor apagado o abierto
XVI
Sp Superficie expuesta al sol de los paneles fotovoltaicos
t Tiempo
Tap Torque en el punto de apoyo de los paneles solares
THD Distorsión total armónica
Vv Velocidad del viento
VDC Voltaje DC
VIN Voltaje de entrada
VL Voltaje de la carga
VMAX Voltaje Máximo
Vosc Voltaje de circuito abierto
Vout Voltaje de salida
ω Velocidad angular
W Peso de los paneles fotovoltaicos
XVII
ÍNDICE DE FÍGURAS
Figura 1.1. Vista de la Claraboya del Área C - Profesores del Edificio de la
FIEC ................................................................................................................ 4
Figura 1.2. Vista exterior del Área C - Profesores de la FIEC ......................... 4
Figura 1.3. Diagrama de Sistema Fotovoltaico Propuesto .............................. 5
Figura 1.4. Prototipo de Generación de energía eléctrica ............................... 7
Figura 1.5. Control de posición angular de persianas ..................................... 9
Figura 1.6. Diagrama con las dimensiones y distribución de los paneles
fotovoltaicos. Específicamente la claraboya de la FIEC ................................. 9
Figura 1.7. Imagen 3D (vista superior) del prototipo a realizar ......................10
Figura 1.8. Analizador de energía Fluke 43B .................................................11
Figura 2.1 Irradiación Solar en la Superficie Terrestre ...................................16
Figura 2.2. Tipos de radiación que influyen en un panel fotovoltaico ............19
Figura 2.3. Insolación Directa Promedio del Ecuador durante el año 2008. ..21
Figura 2.4. Insolación Global promedio del Ecuador durante el año 2008. ....21
Figura 2.5. Ángulos de influencia en la generación de energía solar ............27
Figura 2.6 Estructura de una celda fotovoltaica . ...........................................28
Figura 2.7. Circuito equivalente de la célula solar..........................................30
Figura 2.8. Influencia de la resistencia Rp sobre la curva I-V de la célula
fotovoltaica ....................................................................................................31
Figura 2.9. Influencia de la resistencia Rs sobre la curva I-V de la célula
fotovoltaica ....................................................................................................32
XVIII
Figura 2.10. Diagrama de bloques de un Sistema Fotovoltaico .....................35
Figura 2.11. Conexión en serie de las celdas en panel fotovoltaico . ............37
Figura 2.12. Elementos de una panel fotovoltaico . .......................................37
Figura 2.13. Circuito fundamental de un convertidor DC-DC PWM Elevador.
.......................................................................................................................38
Figura 2.14. Transferencia de energía de la fuente a la bobina y del
condensador a la carga. ................................................................................39
Figura 2.15. Configuración del inversor monofásico más usado ...................40
Figura 2.16. Curva de Voltaje vs Corriente (Curva de Potencia) . .................42
Figura 2.17. Diagrama Esquemático que muestra la Diferencia entre los Dos
Sistemas de Seguimiento: a) Azimut-Elevación, b) Rotación-Elevación. .......45
Figura 2.18. Seguidor Solar de un eje azimutal . ...........................................46
Figura 2.19. Seguidor Solar de un eje polar . ................................................47
Figura 2.20. Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos
electroquímicos .............................................................................................47
Figura 2.21. Logo de Matlab - Simulink .........................................................48
Figura 2.22. Pantalla de inicio ISIS Proteus v7.9 ...........................................50
Figura 2.23. Pantalla de Inicio mikroC Pro v.5.61 ..........................................51
Figura 2.24. Pantalla de Inicio Autodesk Inventor Professional .....................52
Figura 2.25. Efecto Invernadero en edificios . ................................................56
Figura 2.26 Pantalla de Inicio Fluke View ......................................................76
Figura 3.1. Diagrama de Cuerpo Libre de un Panel Solar. ............................96
XIX
Figura 3.2. Diagrama de bloques del integrado L298N . ................................99
Figura 3.3. Motor de paso Bipolar con caja reductora .................................100
Figura 3.4. Terminología de un sistema de engranajes rectos ....................104
Figura 3.5. Nomenclatura de los elementos geométricos de la cremallera. .104
Figura 3.6. Viste superior del engranaje recto. ............................................108
Figura 3.7. Ventana de Spur Gears Component Generator de Autodesk ....109
Figura 3.8. Ventana de la forma del tren de engranajes ..............................110
Figura 3.9. Pestaña Calculation de la ventana de Spur Gears Component .110
Figura 3.10. Vista Lateral de la ubicación de los piñones y cadenas ...........113
Figura 3.11. Distancia mínima entre filas consecutivas de paneles solares
.....................................................................................................................115
Figura 3.12. Dimensiones de la estructura donde irán montados el sistema de
paneles solares ............................................................................................117
Figura 3.13. Recubrimiento de material aislante a la estructura donde irán los
paneles solares ............................................................................................117
Figura 3.14. Dimensiones de la estructura donde irán montados el sistema de
paneles solares ............................................................................................118
Figura 3.15. Plataforma donde irán puestos los paneles solares.................119
Figura 3.16. Chumaceras para la estructura de los paneles solares ...........120
Figura 3.17. Estudio del Dr. Lubits sobre la irradiancia de paneles .............121
Figura 3.18. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL ...............125
Figura 3.19. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL ...............125
XX
Figura 3.20. Diagrama de bloques del Seguidor solar .................................127
Figura 3.21. Fotocelda utilizada ...................................................................128
Figura 3.22. Ubicación de los sensores de luz en el panel solar .................129
Figura 3.23. Estructura donde dentro irán las fotoceldas, para conseguir la
perpendicular de los rayos solares sobre ellas. ...........................................130
Figura 3.24. Posición sobre los paneles de los sensores de luz ..................130
Figura 3.25. Diagrama de bloques del circuito de seguidor solar ................131
Figura 3.26. Diagrama de bloques del sistema de diferencia lumínica y control
.....................................................................................................................132
Figura 3.27. Circuito eléctrico de las fotoceldas del seguidor solar .............133
Figura 3.28. C.I DS1307 ..............................................................................134
Figura 3.29. Diagrama de Flujo de la programación del PIC 16F887 ..........136
Figura 3.30. Módulo L298N .........................................................................137
Figura 3.31. Diagrama de los embobinados del motor de Pasos Bipolar. ...140
Figura 3.32. Simulación en Proteus del Seguidor, etapa de funcionamiento
.....................................................................................................................143
Figura 3.33. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores similares. MOTOR DETENIDO ....144
Figura 3.34. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR IZQUIERDA .144
Figura 3.35. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR DERECHA ...145
XXI
Figura 3.36. Forma de Onda de los pulsos del PIC hacia las bobinas del
motor. GIRO IZQUIERDO ............................................................................146
Figura 3.37. Forma de Onda de los pulsos hacia las bobinas del motor. GIRO
DERECHO ...................................................................................................147
Figura 3.38.Venta para la conexión entre la PC y el Analizador de Energía
por medio del software FLUKE VIEW. .........................................................150
Figura 3.39. Inicio de la conexión en tiempo Real del Equipo con la PC. ....151
Figura 3.40. Configuración en la transferencia de datos en tiempo Real .....151
Figura 3.41. Para copiar datos a una Hoja de Cálculo. ................................152
Figura 3.42. Para copiar datos a una hoja de cálculo ..................................153
Figura 3.43. Menú Principal del Analizador de Energía Fluke 43B ..............154
Figura 3.44. Panel Frontal del Fluke 43B .....................................................155
Figura 3.45a. Botón Display Trend ..............................................................156
Figura 4.1. . Diagrama Unifilar del Prototipo Propuesto ...............................159
Figura 4.2. Vista Superior del Controlador del Seguidor Solar ....................160
Figura 4.3. Vista Frontal del Controlador del Seguidor Solar .......................161
Figura 4.4. Vista Superior del Dimmer .........................................................161
Figura 4.5. Vista Frontal del Dimmer ...........................................................162
Figura 4.6. Vista Superior del Sensor de luminosidad. ................................162
Figura 4.7. Vista Frontal del Sensor de luminosidad ....................................163
Figura 4.8. Vista Superior del motor a pasos bipolar. ..................................163
Figura 4.9. Vista Iso Superior – Mesa Superior. ..........................................164
XXII
Figura 4.10. Vista Frontal de las dos estructuras del Prototipo. ...................165
Figura 4.11. Vista frontal de la mesa inferior del prototipo. Se aprecia el aire
acondicionado y el policarbonato que hace de las veces de claraboya. ......165
Figura 4.12. Vista Frontal del acople mecánico del motor a pasos. .............166
Figura 4.13. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del
tiempo- sin el Sistema Propuesto- Durante 3 días de Setting Alto del A/C. .169
Figura 4.14. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del
tiempo- sin el Sistema Propuesto- 20 al 23 de octubre- Setting Medio del A/C.
.....................................................................................................................171
Figura 4.15. Gráfica de Potencia Instantánea Setting Bajo. ........................174
Figura 4.16 Graficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del
tiempo sin el sistema propuesto - Durante Dos días de setting Alto del A/C.
.....................................................................................................................176
Figura 4.17. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del
tiempo- con el Sistema Propuesto- 6 y 7 de noviembre- Setting Medio del
A/C. ..............................................................................................................178
XXIII
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1. Insolación global promedio mensual espol durante el año 2010
.......................................................................................................................23
TABLA 2.2. Insolación global promedio mensual espol durante el año 2011
.......................................................................................................................24
TABLA 2.3. Insolación global promedio mensual espol durante el año 2012
.......................................................................................................................25
TABLA 2.4. Diferencias entre los tipos de células fotovoltaicas.....................34
TABLA 2.5. Absorbividad (α), emisividad (ε), transmisividad (ϯ), y reflectividad
(ϭ) para diferentes tipos de radiación; de cubierta de materiales comúnmente
utilizados como cubierta de invernaderos ......................................................59
TABLA 2.6. Conductividad térmica de algunos materiales de cubierta ..........62
TABLA 2.7. Tasas de renovación de aire por infiltración a través de la
estructura .......................................................................................................63
TABLA 2.8. Conductividad térmica de algunos tipos de suelo, ks .................64
TABLA 3.1. Carga eléctrica del prototipo .......................................................79
TABLA 3.2. Características del inversor ........................................................80
TABLA 3.3. Número de acuerdo a la potencia del inversor ...........................81
TABLA 3.4. Característica del panel fotovoltaico ...........................................82
TABLA 3.5. Ubicación del edificio de la fiec (Guayaquil) ...............................83
TABLA 3.6. Características del inversor Grid Tie de 2500w ..........................84
TABLA 3.7. Característica de torque y potencia del motor ............................98
XXIV
TABLA 3.8. Característica generales del motor bipolar ...............................101
TABLA 3.9. Parámetros de los engranajes obtenidos por autodesk inventor
.....................................................................................................................111
TABLA 3.10. Parámetros de cada engranaje en términos de carga ............112
TABLA 3.11. Característica de los engranajes ............................................113
TABLA 3.12. Datos para el cálculo de distancia entre paneles solares .......114
Tabla 3.13. Altura solar, azimut y angulo inclinación para Guayaquil ..........124
TABLA 3.14. Movimiento en el 21 de cada mes para Guayaquil .................126
TABLA 3.15. Características del motor a pasos bipolar ...............................139
TABLA 3.16. Secuencia de movimiento a la derecha del motor 42sth-
381684a .......................................................................................................141
TABLA 3.17. Secuencia de movimiento a la izquierda del motor 42sth-38684a
.....................................................................................................................141
TABLA 4.1. Cronogramas de mediciones del prototipo ...............................167
TABLA 4.2. Energía consumida por la carga- nivel alto de A/C- sin el sistema
propuesto. ....................................................................................................170
TABLA 4.3. Energía consumida por la carga- nivel medio de A/C- sin el
sistema propuesto. .......................................................................................173
TABLA 4.4. Energía consumida por la carga- nivel bajo de A/C- sin el sistema
propuesto. ....................................................................................................175
TABLA 4.5. Energía consumida por la carga- nivel alto de A/C- con el sistema
propuesto. ....................................................................................................177
XXV
TABLA 4.6. Energía consumida por la carga- nivel medio de A/C- con el
sistema propuesto. .......................................................................................179
TABLA 4.7. Días que comparten similares irradiancia y temperatura externa
.....................................................................................................................182
TABLA 4.8. Comparación del ahorro energético con y sin el sistema. ........183
TABLA 5.1. Materiales físicos para implementación en edificio de la FIEC –
Área C ..........................................................................................................191
TABLA 5.2. Materiales electrónicos para seguidor solar - dimmer ..............192
TABLA 5.3. Mano de obra para implementación – Área C Profesores ........193
TABLA 5.4. Costos directos totales para implementación – Área C Profesores
.....................................................................................................................193
TABLA 5.5. Costos indirectos totales para FIEC– Área C profesores .........193
TABLA 5.6. Costos totales para implementación – Área C profesores ........194
XXVI
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la búsqueda de nuevas fuentes de energía para la
generación de Electricidad ha conllevado consigo un cambio de mentalidad
en las diferentes sociedades alrededor del Orbe. En muchas naciones,
como Ecuador, se ha implementado políticas gubernamentales para dejar la
dependencia de los hidrocarburos como principio de producción energética.
Esfuerzos privados también se han visto envueltos en esta moda de las
energías alternativas al petróleo. Este último sector ha incursionado en la
mejora de la eficiencia energética en construcciones habitacionales,
aprovechando de mejor manera la ubicación del sol. Entre dichos
inmuebles, se pueden ubicar a los edificios con claraboyas.
Una de las mejoras que propone el presente proyecto, es la implementación
de una persiana solar construida de tal forma que, provoque que los rayos
solares golpeen perpendicularmente su superficie. Dicho sistema se ubicará
encima de la claraboya de edificios con esta característica.
Se construyó un prototipo para probar la solución propuesta. Este prototipo
tendrá los paneles solares, ubicados en formas de persianas (persiana solar)-
que estarán dotados con un circuito de seguidor solar, de tal forma que eviten
la incidencia perpendicular del sol, como antes se lo mencionó.
Todo esto, estará montado en una mesa que será móvil, y que estará encima
XXVII
de otra estructura de características similares a un edificio con claraboya.
Para probar la eficiencia del sistema se realizará pruebas de medición de
energía consumida, bajo determinadas cargas que por lo general existen en
los edificios para el confort de sus habitantes- central de acondicionador de
aire y luces.
Las pruebas se realizarán en dos etapas: antes del uso del sistema que se
propone como mejor, y después de la colocación del mismo sobre la
estructura que caracteriza a los edificios con claraboyas.
CAPÍTULO 1
JUSTIFICACIÓN Y PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA
En el presente capítulo, se resalta la importancia de Eficiencia Energética y de
las Energías Renovables actualmente en nuestro país. Se resalta
específicamente el problema de eficiencia de consumo eléctrico actualmente
presente en el área C de Profesores del edificio de Gobierno de la Facultad de
Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC), de la Escuela Superior
Politécnica del Litoral (ESPOL). Se plantea una solución basada en paneles
fotovoltaicos y luces LED para mejorar la eficiencia del área indicada. Se
desarrolló un prototipo que simule las condiciones del lugar para demostrar su
efectividad.
2
1.1. Antecedentes
La eficiencia Energética y las Energías Renovables han despertado el
interés del actual Gobierno y son áreas estratégicas de investigación.
Además, las medidas de Eficiencia Energética que pueden aportar hasta
un 30% de ahorro. La energía solar fotovoltaica adquiere una mayor
importancia en zonas donde la Red Pública de Distribución Eléctrica
Nacional no llega, y su implementación es difícil de realizar.
Económicamente, una vez superados los gastos de inversión, y con un
diseño óptimo de utilización de energía, es más viable este tipo de
energía alternativa, en zonas remotas del territorio ecuatoriano. Sin
embargo, la energía solar se ha convertido en la energía alternativa de
más desarrollo en los últimos años en la ciudad de Guayaquil
destacándose por su implementación en zonas urbano marginales donde
la energía eléctrica convencional adquiere un papel secundario, debido a,
la dificultad en la implementación de redes eléctricas en estas zonas
específicas.
Como Universidad a la vanguardia de la Tecnología de Ecuador, la
ESPOL no se escapa de la realización de este tipo de proyectos de
impacto nacional.
3
1.2. Descripción del Proyecto
Se realizó un diseño de un Sistema de Generación de Energía Eléctrica
basado en Paneles Fotovoltaicos, para lo cual, se desarrolló un prototipo
funcional ideado para áreas que incluyan una claraboya (ver Fig. 1.1.), un
sistema de alimentación fotovoltaico con capacidad de seguimiento solar,
el cual en un futuro se podrá implementar en diferentes áreas de la
Universidad, como por ejemplo, el ÁREA – C PROFESORES de la
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación, mostrada en la Fig.
1.2.
En esta sección se describe brevemente los componentes del sistema de
generación propuesto: los paneles solares basados en módulos
fotovoltaicos, circuito de seguimiento solar, el uso de un dimmer para el
control de iluminación y el control de temperatura del área mencionada
por medio de una estación meteorológica, tal y como se observa en la
Fig. 1.3. Adicionalmente, la medición de la carga consumida antes y
después de la una posible implementación del prototipo para verificar la
eficiencia energética planteada en el presente proyecto.
4
Figura 1.1. Vista de la Claraboya del Área C - Profesores del Edificio de la FIEC
Figura 1.2. Vista exterior del Área C - Profesores de la FIEC
5
PV11PV21
PV22
PV27
PV28
DRIVE CONTROLSENSORES DE LUZ
Y POSICIÓN
INVERSOR
PV12
PV17
PV18
PV271
PV272
PV277
PV278
SITEMAS DE ENGRANAJES MECÁNICOS
PROTECCIONES MONITOREOPANEL DE
DISTRIBUCIÓN
TUBERÍA ELÉCTRICA
M
Figura 1.3. Diagrama de Sistema Fotovoltaico Propuesto
6
1.2.1. Hipótesis y Solución
Se conoce que el efecto invernadero en edificios con claraboyas, se da
principalmente por la irradiación solar que pasa a través de ella en forma
de luz y calor. Esto obligará al sistema de acondicionador de aire a
trabajar más, por tanto a consumir más energía eléctrica.
Como hipótesis, se espera que al utilizar un sistema que evite que los
rayos solares incidan directamente sobre una claraboya y al que
simultáneamente genere su propia energía eléctrica aprovechando esos
mismos rayos solares utilizando paneles solares para mantener el nivel
de iluminación del área y proveer de fuerza motriz a la estructura, se
obtenga un ahorro de energía eléctrica y por consecuente mejore la
eficiencia.
Para validar esta hipótesis, se construyó un prototipo de un generador de
energía eléctrica basado en módulos fotovoltaicos ubicados en formas de
persianas, con un control posicional basado en el máximo punto de
radiación solar alcanzando de esta forma un mejor aprovechamiento de la
energía eléctrica generada, el cual a su vez será inyectado a la red por
medio de un inversor Grid Tie (ver Fig. 1.4.). La posición de los paneles
(aparte de generación de energía) servirá para evitar el paso directo de
7
los rayos solares y calor al interior del edificio, y mejorar el enfriamiento
del lugar.
Figura 1.4. Prototipo de Generación de Energía Eléctrica
PANEL
FOTOVOLTAICO
INVERSOR CIRCUITOS AC
LED 7W A.A 5000 BTU
RED ELÉCTRICA
8
1.2.2. Etapa de implementación
El proyecto consiste principalmente en el diseño de un generador de
energía solar. Para lo cual se propuso un prototipo, mostrado en la Fig.
1.4. Los paneles solares se montan en forma de persianas las cuales se
moverán despendiendo de la posición del sol, consiguiendo de esta
manera disminuir el efecto invernadero y proveer luz natural en la zona.
Según se observa en la Fig. 1.5., el prototipo constó de un control de
posición de los paneles basado en un drive y un motor de paso bipolar.
Los paneles se moverán en función de la señal emitida por un circuito
controlador (seguidor solar) para lograr obtener la máxima potencia del
sistema, y como resultado, bloqueará la incidencia directa de los rayos
solares.
El proyecto analiza la optimización de los recursos técnicos, económicos
y estéticos, para de esta forma obtener el máximo ahorro energético y por
consecuente económico en el sistema eléctrico mensual ya instalado en
la institución.
Con la financiación necesaria de parte de la Universidad, se podría pasar
del prototipo a un sistema más amplio que abarque el Área C de
profesores (Fig.1.6). En donde se utilizan los paneles de la marca
9
EXMORK que miden 67.0 x 62.0 cm, por consecuente se necesitaran 13
ramales de 4 paneles cada una. Por el costo de inversión en la
adquisición de dichos módulos, y otros equipos, se ha decidido
desarrollar un prototipo el cual constó de tres paneles Exmork de 50W y
de las siguientes cargas eléctricas: un acondicionador de aire de 5000
BTU y dos focos led de 7W cada una (Fig. 1.7.)
RAYOS
SOLARES
CONTROLPOSICION ANGULAR
INTENSIDAD
SOLAR
Figura 1.5. Control de posición angular de persianas
Figura 1.6. Diagrama con las dimensiones y distribución de los paneles fotovoltaicos.
Específicamente la claraboya de la FIEC.
10
Figura 1.7. Imagen 3D (vista superior) del prototipo a realizar.
1.2.3. Metodología
Antes y después de la implementación del sistema fotovoltaico, se realizó
las mediciones de carga del sistema instalado en el prototipo durante diez
horas del día con las diferentes condiciones climáticas y los diferentes
settings (ajuste) de temperatura del acondicionado de aire. Se repitió este
proceso durante 20 días para tener diferentes datos de comprobación
entre el sistema con y sin paneles fotovoltaicos.
Se muestran los resultados en kilovatios hora ahorrados, para verificar la
existencia de ahorro de energía: y el número de meses para recuperar la
inversión. El prototipo mantendrá la temperatura dentro del área cerrada,
y el nivel de iluminación aproximadamente igual a la luz solar.
11
Para realizar estos análisis y mediciones eléctricas, se utilizó un
analizador de energía Fluke 43B, ver Fig.1.8., el cual permitirá monitorear
en grandes períodos de tiempo el consumo de la energía.
Figura 1.8. Analizador de energía Fluke 43B.
12
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
Diseñar un sistema solar de generación eléctrica para el
mejoramiento de la eficiencia en el consumo eléctrico para un área
que disponga claraboya para luz natural. El sistema propuesto se
basa en un prototipo con paneles fotovoltaicos para el
aprovechamiento de la energía solar.
1.3.2. Objetivos Específicos
Diseño de los componentes mecánicos del sistema: sistema de
engranajes, montaje de los paneles fotovoltaicos en forma de
persianas.
Selección de los componentes eléctricos y electrónicos del
sistema, entre los cuales están: Sensores de luz, Motor Eléctrico
de paso, circuito de control, Inversor para panel fotovoltaico,
drive para el manejo de motores de paso.
Diseño del control del sistema, en base a la radiación existente
en el área del prototipo, y la ubicación relativa de los paneles
fotovoltaicos con respecto al sol.
Construcción, puesta en marcha y prueba del prototipo.
13
Análisis económico y financiero de la amortización del sistema
para prototipo.
Selección de los componentes mecánicos, eléctricos y
electrónicos para el Área C – Profesores del Edificio de la FIEC.
14
2. CAPÍTULO 2
FUNDAMENTO TEÓRICO
Este capítulo se centrará en estudiar todo lo relacionado a la utilidad de la
energía solar, el funcionamiento de los paneles solares, la mejor opción de
seguidor solar acorde con la ubicación del edificio en el planeta, los diferentes
circuitos electrónicas de transformación de energía, el estudio del efecto
invernadero dentro de edificios.
2.1. Energía Solar
La Energía solar, es la energía obtenida mediante la captación de la luz y
el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede
aprovecharse por medio del calor que produce, como también a través de
la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos. Esta
15
energía tiene como objetivos la contribución a la reducción de gases de
invernadero y el ahorro de energías no renovables.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las
condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede resumir
que en buenas condiciones de irradiación el valor es de
aproximadamente 1000 W/m2 en la superficie terrestre (ver Fig. 2.1).
Esta medida es conocida como irradiación que no es otra cosa que la
potencia luminosa sobre un metro cuadrado, la cual es de gran
importancia para la determinación de la potencia máxima de los paneles
solares.
Otra medida importante en el estudio de la energía solar es la insolación
la cual es la cantidad de radiación solar directa e indirecta sobre una
superficie de un metro cuadrado para un determinado ángulo de
inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar durante la
medición.
16
Figura 2.1 Irradiación Solar en la Superficie Terrestre [1].
Los equipos que utilizan el aprovechamiento de energía solar se
clasifican en dos grandes categorías: sistemas foto térmicos y sistemas
fotovoltaicos. Los últimos serán parte fundamental en la implementación
de nuestro prototipo.
Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente la radiación solar en
energía eléctrica mediante la asociación de células fotoeléctricas
elementales.
2.1.1. Ventajas de sistema de generación de energía solar
Al ser sistemas con dispositivos electrónicos de generación de
energía no produce ningún tipo de contaminación ambiental,
ayudando a la reducción de emisión de gases de CO2.
17
Se lo podría ubicar en cualquier parte de radiación directa solar,
porque trabaja de una manera silenciosa y con un bajo costo de
mantenimiento anual, solamente la limpieza adecuada de las
celdas fotovoltaicas.
La vida útil de los paneles solares es de alrededor de los 25 a
30 años, cantidad de tiempo usada para el análisis económico.
Una solución ideal para suministrar energías a zonas aisladas,
en donde no existen las redes eléctricas, debido a su alto costo
de transmisión, y a su vez se podrá obtener la máxima
eficiencia del sol como por ejemplo los cerros.
2.1.2. Desventajas de sistema de generación de energía solar
Poca eficiencia de los sistemas fotovoltaicos (alrededor del
20%) en relación a los sistemas de generación usualmente
usados.
Generación discontinua de electricidad, debido a, la naturaleza
de la fuente de energía (en la noche no produce electricidad).
Aunque a su vez es de una mejor pronóstico en relación al de
otras energías renovables como la eólica.
A pesar de la ayuda gubernamental existente hacia la
producción de energía verde, la energía solar tiene un costo
18
elevado para la mayoría de la ciudadanía, debido a que los
módulos fotovoltaicos son de fabricación europea, americana o
china.
2.2. Radiación solar
La radiación solar son las radiaciones electromagnéticas emitidas por el
sol. Cuando ésta penetra la atmósfera, tiene lugar un fenómeno de
absorción y dispersión, que depende de la masa, el espesor y densidad
de la capa de aire atravesada, siendo las moléculas de agua y anhídrido
de carbono las que causan un mayor efecto cuantitativo, por lo tanto, la
cantidad de energía absorbida será mayor cuanto más largo sea el
camino óptico.
Sobre una superficie cualquiera, situada en la superficie terrestre,
incidirán los diversos tipos de energía radiante como se puede observar
en la Fig. 2.2.
Radiación directa.- es la radiación más transcendental es el
funcionamiento de un módulo solar, la cual es recibida directamente
desde el Sol, sin que exista ninguna desviación durante su paso por la
atmosfera.
19
Radiación difusa.- es la radiación solar ocasionada por los continuos
choques con los efectos atmosféricos, ocasionando cambios en su
dirección. Además, podríamos considerar que su distribución es casi
uniforme por todo el hemisferio celeste.
Albedo.- también llamada radiación reflejada, es la radiación directa y
difusa que se recibe por la reflexión en el suelo u otras superficies
próximas.
Radiación global.- es la radiación total entre la suma de la directa y
la difusa.
Radiación total.- es la suma de la radiación directa, difusa y albedo.
Figura 2.2. Tipos de radiación que influyen en un panel fotovoltaico [2].
20
2.2.1. Radiación solar en el Ecuador
Estando el Ecuador en plena línea ecuatorial esto le permite recibir
en nuestro país una mayor cantidad de rayos solares, debido a,
que existe una menor distancia entre nuestra ubicación geográfica
territorial y el sol.
Gracias a esto el estado ecuatoriano busca promover el diseño de
políticas, estrategias y medidas para incentivar el mayor uso de
estas energías limpias que promuevan el desarrollo de una cultura
medioambiental en nuestra sociedad.
De esta forma a continuación se procede a presentar varias de las
conclusiones, imágenes y resultados que fueron documentado en
el “Atlas de Radiación Solar del Ecuador con Fines de Generación
de Energía Eléctrica” [5], de donde se puede obtener la insolación
difusa, directa (ver Fig. 2.3.) y global (ver Fig. 2.4.) en el Ecuador
durante cada uno de los meses del año 2008 que se efectuó el
estudio.
Gracias a esta información se tiene un punto de partida la
implementación de diversos procesos productivos
tecnológicamente eficientes orientados a la generación de
21
electricidad a través de energías renovables obteniendo los
respectivos beneficios de ubicación geográfica del Ecuador.
Figura 2.3. Insolación Directa Promedio del Ecuador durante el año 2008. [3]
Figura 2.4. Insolación Global promedio del Ecuador durante el año 2008 [3].
22
Mediante las Tablas 2.1, 2.2, 2.3 se presenta la insolación global
promedio mensual de los últimos tres años en el Campus
Prosperina ESPOL por medio del Laboratorio de Fuentes de
Energías Renovables (LAB. FREE) [4]. Además, se puede verificar
que efectivamente estos datos concuerdan con los datos
mostrados en la Fig. 2.4. del estudio realizado por la CONELEC sin
ser estos realizados durante el mismo año.
23
TABLA 2.1. INSOLACIÓN GLOBAL PROMEDIO MENSUAL ESPOL DURANTE EL AÑO 2010
[4]
Insolación Global Promedio Mensual - Año 2010
MESES Insolación (W.h/m2) Humedad Relativa (%)
Enero 2.993,29 77,03
Febrero 3.555,06 84,76
Marzo 4.182,81 81,94
Abril 4.293,67 81,65
Mayo 3.495,00 79,82
Junio 3.235,34 79,45
Julio 3.581,40 78,64
Agosto 4.216,51 78,31
Septiembre 4.249,78 75,52
Octubre 4.551,09 72,72
Noviembre 3.804,62 74,69
Diciembre 3.214,81 76,56
Promedio 3.781,11 78,43
24
TABLA 2.2. INSOLACIÓN GLOBAL PROMEDIO MENSUAL ESPOL DURANTE EL AÑO 2011
[4]
Insolación Global Promedio Mensual - Año 2011
MESES Insolación (W.h/m2) Humedad Relativa (%)
Enero 3.662,1 76,04
Febrero 4.117,03 81,08
Marzo 4.917,65 67,65
Abril 4.546,95 80,22
Mayo 4.444,70 72,47
Junio 3.100,96 78,37
Julio 2.918,76 79,32
Agosto 3.837,40 77,33
Septiembre 5.032,49 74,04
Octubre 4.471,32 73,88
Noviembre 4.234,28 70,35
Diciembre 3.873,37 65,38
Total 4.096,42 74,68
25
TABLA 2.3. INSOLACIÓN GLOBAL PROMEDIO MENSUAL ESPOL DURANTE EL AÑO 2012
[4]
Insolación Global Promedio Mensual - Año 2012
MESES Insolación (W.h/m2) Humedad Relativa (%)
Enero 3.100,19 88,93
Febrero 3.813,31 93,68
Marzo 4.319,70 88,28
Abril 4.473,23 84,07
Mayo 4.380,07 80,07
Junio 3.820,76 74,40
Julio 3.974,12 76,73
Agosto 3.922,32 77,50
Septiembre 4.730,31 76,24
Octubre 4.674,20 74,68
Noviembre 4576,41 72,87
Diciembre 3390,21 69,43
Total 4.120,82 81,46
2.2.2. Efecto invernadero
El efecto invernadero es el fenómeno físico por el cual aumenta la
temperatura dentro de un sistema limitado, por presencia de cuerpos en
dichos límites, los cuales son selectivos en dejar entrar y salir ciertas
longitudes de onda del espectro electromagnético de la radiación solar.
Las características de los cuerpos en la línea límite del sistema, es ser
transparente a las longitudes de ondas cortas del espectro y a la vez ser
opacas a las radiaciones infrarrojas de mayor longitud de onda.
26
A manera de ejemplo, se puede mencionar el uso que se le da en los
invernaderos hechos de vidrios u otro material, para el desarrollo de
plantas, pero tomando en consideración también otro factores como
ventilación forzada, ubicación relativa del invernadero con respecto al sol,
presencia de vapor de agua y CO2, etc.
Un impacto negativo del efecto invernadero, ocurre en las viviendas
donde los vidrios de las ventanas actúan como un retenedor de calor,
puesto que dan paso a la luz solar, pero la radiación calórica no visible
que emiten los objetos del interior de las casas, no pueden salir [5]. Otro
ejemplo, es el efecto invernadero atmosférico. La alta atmósfera está
conformada de oxígeno, ozono, y otros gases cuyos niveles cuánticos de
rotación los hace retener energía, como es el caso del anhídrido
carbónico (CO2).
2.3. Movimiento del Sol
El sol dibuja diferentes trayectorias en el año, lo que provoca diferentes
sombras entre las diferentes estaciones, para conocer el movimiento del
sol se utilizara un sistema de coordenadas con dos ángulos (ver Fig. 2.5.)
Altura solar (α).- es el ángulo formado por la posición aparente del
sol en el cielo con la horizontal del lugar.
27
Azimut solar (ψ).- es el ángulo horizontal formado por la posición
solar y la dirección del verdadero sur.
En donde, para conseguir la mayor producción de una instalación interesa
que los paneles solares estén en todo momento perpendiculares a los
rayos solares, para lo cual, el sistema deberá tener dos grados de libertad
[5].
Figura 2.5. Ángulos de influencia en la generación de energía solar [5].
2.4. Celdas Fotovoltaicas
Es el dispositivo capaz de convertir la energía solar en energía eléctrica
de forma directa, sin la necesidad de complementos adicionales, gracias
a la utilización de semiconductores, los cuales cuya conductividad puede
ser modificada, además de producir corrientes eléctrica ya sea con
cargas positivas o negativas.
28
Una célula solar se comporta como un diodo, en donde, la parte expuesta
a la radiación solar es la unión N y su contraparte es la unión P. los
terminales de conexión de la célula se hallan sobre cada una de la partes
del diodo:
La cara correspondiente al semiconductor tipo P se encuentra
metalizada.
La zona del semiconductor tipo N posee un enrejado metálico muy
fino y es donde se fija la llegada de radiación al semiconductor (ver
Fig. 2.6).
Además la celda contiene una película delgada anti reflejante para
disminuir las perdidas y por ende conseguir el voltaje adecuado a las
aplicaciones energéticas.
Figura 2.6 Estructura de una celda fotovoltaica [6].
29
2.4.1. Parámetros fundamentales de la célula solar
Corriente de iluminación (IL).- es la corriente generada cuando
incide la radiación solar sobre la célula.
𝐼𝑃ℎ = 𝐼𝐿 (2.1)
Corriente de oscuridad.- se produce por la recombinación de los
pares electrón – huecos producidos en el semiconductor de la
celda.
𝐼𝐷(𝑉) = 𝐼0 [exp𝑒𝑉
𝐾𝑇𝑐− 1]
(2.2)
Donde:
𝒆. − Es la carga del electrón
𝑲. − Es la constante de Boltzman
𝑻𝒄. − Es la temperatura en grados Kelvin
Tensión de circuito abierto (Vosc).- es el máximo voltaje que
puede soportar la célula solar sin que en sus terminales de salida
estén conectados carga alguna [7].
30
Corriente de cortocircuito (Isc).- es la máxima corriente que
puede soportar la célula solar cuando en sus terminales de salida
están cortocircuitados.
𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 ∗ [1 − 𝑒−𝑒(𝑉𝑂𝐶−𝑉)
𝑚∗𝐾∗𝑇 ] (2.3)
Con estos parámetros podemos definir el factor de forma que se
calcula mediante la fórmula descrita a continuación:
𝑭𝑭 =𝑃𝑚
𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶=
𝑉𝑚𝐼𝑚
𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶
(2.4)
Circuito equivalente de la célula fotovoltaica
A continuación en la Fig. 2.7 se presenta el circuito de una celda
fotovoltaica real, el cual es de vital importancia para determinar
cada una de las curvas para el funcionamiento óptimo de un
sistema fotovoltaico.
IL Rp
Rs
+
-
Vo
Io
Figura 2.7. Circuito equivalente de la célula solar [8].
31
En el circuito eléctrico de la Fig. 2.7 se puede concluir lo siguiente:
𝑰𝑳 se la puede denominar como la corriente de iluminación,
debido a, la excitación que producen los fotones en la celda
solar.
𝑫𝒊𝒐𝒅𝒐 representa la oblea del circuito dopado
𝑹𝒑 representan las pérdidas originadas por defectos de
fabricación, el impacto de estas pérdidas es elevado
especialmente cuando se trabaja con una baja irradiación,
afectando al inicio de la curva I-V del sistema como se puede
observar en la Fig. 2.8.
Figura 2.8. Influencia de la resistencia Rp sobre la curva I-V de la célula
fotovoltaica [9].
32
𝑹𝒔 se origina por la oposición a la corriente en el emisor, la
base, los electrodos de la célula solar y los contactos o uniones
entre estos y el semiconductor. En primera aproximación la
resistencia serie puede obtenerse de la curva IV como la
pendiente de la curva en el punto de circuito abierto (ver Fig.
2.9).
Figura 2.9. Influencia de la resistencia Rs sobre la curva I-V de la célula
fotovoltaica [8].
Finalmente se podría decir que la eficiencia se define como el
cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede entregar
a la carga (PM) y la irradiancia incidente (PL) sobre la célula que
es el producto de la irradiancia incidente G por el área de la célula
S [8]:
33
𝜼 =𝑃𝑚
𝑃𝐿=
𝑉𝑚𝐼𝑚
𝐺 ∗ 𝑆
(2.5)
2.4.2. Tipos de célula solar
Las células fotovoltaicas la podemos clasificar de acuerdo al
compuesto que están fabricadas, lo cual incidirá en sus parámetros
de fabricación y por ende en la eficiencia de cada una de ellas.
Monocristalinas: se componen de secciones de un único
cristal de silicio los cuales son reconocibles por su forma
circular u octogonal, además de tener un espesor superior a los
otros dos tipos de células, su principal ventaja se encuentra en
que su eficiencia puede alcanzar el 18% en condiciones de
operación en nuestro sistema y un 24%en condiciones de
laboratorio, llegando a ser de un color azul homogéneo en
apariencia.
Policristalinas: son realizadas por procedimientos más
económicos que los que se usan para las células
monocristalinas, lo cual produce que su solidificación sea
realizada con múltiples cristales, teniendo un menor espesor en
34
relación a las monocristalinas y con una eficiencia no mayor en
condiciones de operación al 14%.
Amorfas: Cuando el silicio no se ha cristalizado, por lo que su
costo es inferior al de los dos tipos anteriormente mencionados.
Sin embargo, tiene graves inconvenientes que las hace muy
poco usadas en las aplicaciones energéticas y son su eficiencia
que es del alrededor del 10% y a su vez la degradación del
rendimiento cuando es expuesta a la radiación.
Diferencias entre los tipos de celdas fotovoltaicas
En la Tabla 2.4 se puede observar cuales son las principales
características entre cada una de las celdas existentes en el
mercado y por ende cuáles serán los beneficios de cada una de
ellas.
TABLA 2.4. DIFERENCIAS ENTRE LOS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS [12]
Celdas fotovoltaicas
Eficiencia Teórica
Eficiencia (%)
Forma Color
Monocristalinas 24 14-18 Forma
ortogonal o cuadrada
Negra, Azulada oscura y metálica
Policristalinas 19 10-15 Forma
rectangular Azulado claro
Amorfas 16 5 - 8 Forma
rectangular Marrón
homogéneo
35
Las celdas monocristalinas tienen una mayor eficiencia, además de
que su valor en el mercado es sustancialmente mayor a las celdas
policristalinas y amorfas, debido principalmente a los costos de
producción más elevados y al ser utilizado para su composición
silicio con una menor cantidad de impurezas
2.5. Sistema fotovoltaico
Lo podemos definir como el conjunto de elementos mecánicos y
eléctricos necesarios para la generación de energía eléctrica (ver Fig.
2.10.) a través de la radiación solar captada por los módulos fotovoltaicos.
Paneles Solares Regulador Inversor
Banco de
Baterias
Carga AC
Carga DC
Figura 2.10. Diagrama de bloques de un Sistema Fotovoltaico.
36
2.5.1 Paneles Fotovoltaicos
Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de
células fotovoltaicas, conectadas eléctricamente en serie como se
observa en la Fig. 2.11, en donde cada una de ellas representa un
diodo equivalente aproximadamente a 0.7 voltios que producen
electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. Además, cada
panel fotovoltaico estará formado de diversos elementos como lo
son: las borneras de conexión o el diodo de protección (diodo
bypass) mostrado en la Fig. 2.12.
En el mercado se pueden obtener paneles de 6, 12, 24, 36 y 48 V
cuya potencia varía directamente del número de celdas, así como,
del material del que fueron construidos y puede ir desde los 5
vatios hasta los 240 vatios normalmente, en donde, el número de
vatios va a ser directamente proporcional al tamaño del panel
fotovoltaico.
37
Figura 2.11. Conexión en serie de las celdas en panel fotovoltaico [14].
Figura 2.12. Elementos de una panel fotovoltaico [15].
38
2.5.2 Convertidor DC-DC PWM Elevador (Boost)
Los convertidores DC-DC o troceadores conmutados utilizan uno o
más interruptores para transformar un nivel de voltaje continuo en
otro, pero este último voltaje es controlado.
El convertidor DC-DC PWM Elevador, o conocido como “Boost
Converter” se lo utiliza cuando se desea un aumento de la tensión
de salida con relación a la tensión de entrada, manteniendo la
polaridad entre estas dos señales. El circuito lo conforman
elementos como: el inductor L, el diodo D, el condensador C,
interruptor S y la carga (R).
DC
CARGA
C
D
V
L
S
Figura 2.13. Circuito fundamental de un convertidor DC-DC PWM Elevador.
El ruido generado en la salida es alto debido a los pulsos de
corriente suministrados al condensador de salida C. A la entrada el
ruido generado es bajo porque la inductancia L, directamente
39
conectada a la tensión de entrada, mantiene la variación de
corriente de entrada sin pulsos, tal y como se observa en la Fig.
2.14.
DC
CARGA
C
D
V
L
S
Figura 2.14. Transferencia de energía de la fuente a la bobina y del condensador
a la carga.
2.5.3 Convertidor DC-AC PWM Monofásico
La función de los convertidores de DC- AC llamados también
inversores es transformar la corriente continua DC en corriente
alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna,
regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más
exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente
de continua a una carga de alterna [16].
Los Inversores monofásicos pueden ser usador para: sistemas de
generación solar y eólica, accionamientos de motores de CA de
40
velocidad ajustable, sistemas de alimentación sin interrupciones
(UPS), sistemas de soldadura, etc.
Si se modifica el voltaje de entrada manteniendo fija la ganancia,
es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si
se mantiene constante el voltaje de entrada y se varía la ganancia
se puede obtener un voltaje de salida variable. Esto se hace
controlando la modulación del ancho del pulso.
La forma de onda de voltaje de los inversores reales no son
exactamente senoidales, siendo necesarias ondas con muy baja
distorsión armónica para aplicaciones de potencia.
Los inversores se pueden clasificar en dos tipos: monofásicos y
trifásicos. Ambos pueden utilizar dispositivos con activación y
desactivación controlada (BJT, MOSFET, IGBT, GTO). La
configuración a usar para un sistema fotovoltaico es un Inversor
monofásico de medio puente con modulación PWM.
Figura 2.15. Configuración del inversor monofásico más usado [16].
41
2.5.4 Rastreo de Punto de Máxima Potencia (MPPT)
El rastreo del punto de máxima Potencia, denominado MPPT, es
un sistema electrónico que ayuda a los módulos fotovoltaicos a
producir toda su potencia. Hay que diferenciar, que el MPPT no es
un sistema mecánico. Pero el MPPT puede ser usado en
complementación a un sistema de seguimiento mecánico.
Recordemos que la potencia de un panel solar [unidades de Watts]
es el producto del voltaje (Volts) por la corriente (Amperes): [Volts x
Amperes = Watts].
Los controladores de carga con MPPT buscan siempre un equilibrio
entre el voltaje y la corriente (ver Fig. 2.16.), para la cual el panel
solar pueda operar su máxima potencia. El controlador va a buscar
que los paneles operen lo más cerca posible que este equilibrio.
El modo de actuar del MPPT, es muestrear el voltaje de salida de
las células solares y aplicar a base de esto, la resistencia
adecuada (carga) para obtener el máximo de energía para todas
las condiciones ambientales que se presentan.
El sistema MPPT es un sistema que varía el punto de operación
eléctrico (Corriente, Voltaje) de los módulos para liberar la máxima
42
potencia disponible. La potencia adicional obtenida de los módulos
se pone a disposición como un aumento de carga de la batería
actual.
El punto de máxima potencia de cualquier panel está sujeta a
cambios por diversos parámetros como luz incidente, temperatura,
los efectos de sombreados, al momento de control dichos
parámetros es posible alcanzar una alta eficiencia de conversión, lo
que resulta en aumento de la producción de electricidad
fotovoltaica.
Figura 2.16. Curva de Voltaje vs Corriente (Curva de Potencia) [18].
43
Otra forma de encontrar el punto de máximo potencia es mediante
la implementación de seguidor solar, los cuales son dispositivos
mecánico-eléctricos capaces de permitir orientar los módulos
fotovoltaicos para que estos permanezcan perpendiculares a los
rayos de sol durante su trayectoria, de tal manera que aumenten
su irradiación incidente y por ende la generación energética de los
paneles.
El seguidor solar se lo puede clasificar ya sea por algoritmo de
control o por tipo de movimiento. A continuación se detallara la
clasificación de cada uno de ellos.
Seguidores solares por algoritmo de control
Existen dos tipos de seguidores que se los denominan de la
siguiente manera:
1. Por punto lumínico.- basa su funcionamiento en las señales
entregadas por medio de los sensores de luminosidad
instalados en el sistema, entre los cuales, se destacan por su
valor económico y su fácil funcionamiento las fotorresistencias y
los fotodiodos.
44
2. Por posición astronómica.- su funcionamiento depende de
una serie de ecuaciones astronómicas que nos determinan la
posición exacta del sol durante su trayectoria, cabe mencionar
que la implementación del algoritmo representa un alto grado de
complejidad, debido a, la gran integración de ecuaciones.
Además, de que no responde a los cambios climáticos como por
ejemplo la nubosidad.
Seguidores solares por tipo de movimiento
Los seguidores solares por tipo de movimiento que se los
clasifica dentro de dos formas detalladas a continuación:
Seguidor solar de dos ejes
Este tipo de seguidor cuenta con dos ejes (grados de libertad)
que permite mantener siempre el modulo perpendicular a los
rayos de sol, ya que realiza movimiento de rotación y elevación,
alcanzando los niveles más altos de irradiación llegando a
generar hasta un 29% más de energía con respecto a los
sistemas fotovoltaicos sin movimiento [19].
45
Figura 2.17. Diagrama Esquemático que muestra la Diferencia entre los Dos
Sistemas de Seguimiento: a) Azimut-Elevación, b) Rotación-Elevación.
Mecánicamente se los puede clasificar en dos tipos:
Mono Poste.- con un único apoyo vertical en el centro del panel
fotovoltaico.
Carrusel.-varios apoyos distribuidos estratégicamente en su
superficie.
Seguidor solar de un eje
Este tipo de seguimiento representa el movimiento con un grado de
libertad y sobre un eje en particular, en donde, su costo de
implementación es menor que el de dos ejes. La limitación de este
tipo de seguidor consiste en que no puede realizar un seguimiento
completo del sol ya que solo puede seguir ya sea la azimut o la
inclinación solar, pero no ambas [20].
46
Existen tres tipos de seguidor solar de un eje detallados a
continuación:
Seguidor solar de un eje azimutal
El modulo fotovoltaico gira sobre un eje vertical, en donde, su
inclinación es igual a la latitud del lugar de su implementación
(ver Fig. 2.18). El movimiento es determinado por el valor del
ángulo azimut del sol, por ende, la velocidad de giro es variable
a lo largo del día.
Figura 2.18. Seguidor Solar de un eje azimutal [19].
Seguidor solar de un eje polar
Al igual que el seguidor de un eje horizontal su eje está
orientado de norte a sur, con una inclinación igual a la latitud
del lugar de su implementación, en donde, la velocidad de gira
47
va a estar limitado por la velocidad de rotación del sol que
equivale a 15° por hora, tal y como se observa en la Fig. 2.19.
Figura 2.19. Seguidor Solar de un eje polar [20].
Seguidor solar de un eje horizontal
Gira sobre un eje horizontal orientado de norte a sur, en donde,
los paneles fotovoltaicos son colocados de forma paralelo al
eje de rotación. La trayectoria de los módulos se ajusta en un
arco de movimiento de este a oeste para que la normal de la
superficie coincida con el meridiano. (Ver Fig. 2.20).
Figura 2.20. Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos
electroquímicos [20].
48
2.6. Herramientas de Simulación
Es el software especializado para el análisis, simulación y diseño de cada
uno de los respectivos sistemas a implementar en el presente proyecto,
en donde, se procederá a detallar cuál es su uso específico y la
explicación del porque se lo ha elegido para el diseño del controlador y de
la estructura a realizar para su correcto funcionamiento.
2.6.1. MATLAB
Matlab es una herramienta de software matemática con su propio
lenguaje de programación de alto nivel y una gran cantidad de
herramientas orientados al desarrollo de sistemas (ver Fig. 2.21).
Hoy en día es uno de los programas aplicados más usados en el
ámbito de la ingeniería [10], debido a, que su utilización nos
permite tener una gran proyección real de los sistemas diseñados
como por ejemplo: electrónicos, mecánicos, etc.
Figura 2.21. Logo de Matlab – Simulink.
49
2.6.2. Simulink
Es una herramienta adicional que nos provee Matlab, el cual se lo
ha querido tratar como un software adicional, debido a, su gran
importancia en el desarrollo de nuestro proyecto para la creación y
simulación de los diversos sistemas.
Simulink a diferencia de Matlab crea archivos con extensión .mdl.
Además es la única herramienta de Matlab que nos permite una
programación en bloques gracias a su gran diversidad de librerías,
por ende tendremos un entorno ideal para la visualización a tiempo
real de los modelos implementados.
Otros programas utilizados
A continuación se detallara otros de los programas usados en el
proyecto para cumplir con las diferentes etapas de elaboración del
mismo.
Proteus
El software ISIS Proteus (ver Fig. 2.22) es un avanzado simulador
virtual elaborado por la compañía LabCenter Electronics desde la
década de los noventa, en los cuales se ha logrado posicionar
50
como una de las herramientas más poderosas para la simulación
de una gran variedad de microcontroladores, entre los cuales
tenemos ARM, Basic Stamp, Microchip, Atmel, ARM, TI HC11.
Además, de cada uno de sensores utilizados en diversos proyectos
como los son sensores de humedad, sensores de temperatura,
sensores de luz (ldr o diodos emisores de luz) y demás
componentes virtuales.
Otra gran cualidad de este prestigioso software es su herramienta
de ARES (Advanced Routing and Editing Software), la cual permite
a sus usuarios el diseño de placas de circuito impreso facilitando la
creación de los más complejos circuitos electrónicos cumpliendo
las reglas internacionales de diseño implementadas por la IPC
(Association Connecting Electronics Industries).
Figura 2.22. Pantalla de inicio ISIS Proteus v7.9.
51
MikroC Pro
MikroC Pro es un software con una amplia variedad de ayudas y
herramientas (ver Fig. 2.23) elaboradas por la compañía
MikroElektronik desde hace una década, las cuales, nos facilitan la
aplicación de proyectos y aplicativos basados en la utilizando de
microcontroladores. Una de sus principales ventajas es la
utilización del lenguaje C para su programación, ya que al ser este
un lenguaje de alto nivel brinda una mayor comprensión en
comparación al código de máquina que es originario de los PICs.
El compilador MikroC Pro crea automáticamente la extensión *.hex
(código hexadecimal), este archivo es el resultado principal de la
correcta compilación, ya que, facilita la interacción con el software
Proteus anteriormente mencionado.
Figura 2.23. Pantalla de Inicio mikroC Pro v.5.61 .
52
Autodesk Inventor Profesional
Autodesk Inventor es un poderoso software desarrollado por la
compañía Autodesk desde 1999, el cual tiene como principal
objetivo, el modelado paramétrico de sólidos en 3D, comenzando
con el diseño de pequeñas piezas hasta combinarlas para lograr
grandes ensamblajes.
Entre sus principales características se encuentra: Diseño de
sólidos paramétricos de gran complejidad, Manejo de ensambles
de más de 1000 componentes, Creación de Presentaciones y
despieces, Generación automática de planos de fabricación,
Manejo de Tecnología Adaptable, Módulo de Soldadura 3D,
Módulo de Doblado de lámina, Módulo para animación mecánica y
foto-realismo, entre muchas características que lo convierten en
una herramienta de gran poder.
Figura 2.24. Pantalla de Inicio Autodesk Inventor Professional.
53
2.7. Calidad de Energía y medición de cargas
Según La Asociación Ecologista de Defensa de la Naturaleza: “La
eficiencia energética es la obtención de los mismos bienes y servicios
energéticos, pero con mucha menos energía, con la misma o mayor
calidad de vida, con menos contaminación, a un precio inferior al actual,
alargando la vida de los recursos y con menos conflicto”.
La eficiencia energética hace referencia la relación entre la energía útil y
la energía empleada. En términos de “micro-escala” se refiere a la
reducción del consumo de energía para el mismo servicio, bien sea por
avances tecnológicos o mejoras en la gestión según aporta el World
Energy Council en 2004. Esta definición se emplea en procesos o
aparatos tienen relación con el usuario, con magnitudes fácilmente
mesurables, como maquinarias, electrodomésticos o luminarias. Sin
embargo, esta acepción tiene un impacto de “macro-escala” [24].
Durante los últimos años, este término enmarca la optimización
globalizada del uso de energía, y los que esta conlleva para el medio y la
vida, como se expone en la recogida en la campaña Ante el cambio
climático: Menos CO2 [26].
54
Edificio energéticamente eficiente
Un edificio energéticamente eficiente lleva al mínimo el uso de las
energías convencionales, para cubrir necesidades asociadas a
estándares mínimos de confort de edificios, como el calentamiento del
agua, la refrigeración, la ventilación y la iluminación para con eso ahorrar
el uso racional de las mismas.
Existen muchas voces positivas acerca del concepto de los edificios
energéticamente eficientes, por ejemplo- la Directiva original de eficiencia
energética en edificios del Parlamento Europeo y Del Consejo (Directiva
2002/91/CE) menciona que (…) “La eficiencia debe quedar reflejada en
indicadores cuantitativos teniendo en cuenta el aislamiento, las
características técnicas y de la instalación, el diseño y la orientación, en
relación con los aspectos climáticos, la exposición solar y la influencia de
construcciones próximas, la generación de energía propia y otros
factores, incluidas las condiciones ambientales interiores, que influyan en
la demanda de energía”.
El sector de la construcción de edificios contribuye en gran medida al
gasto energético mundial, estimándolo en 40% del consumo de energía,
pero también este sector de la economía tiene un potencial de ahorro
55
energético que puede superar el 20%. Uno de los aspectos que impacta
negativamente a la eficiencia energética de los edificios, es el efecto
invernadero, que si no se lo utiliza en una manera inteligente es un
enemigo muy peligroso para el ahorro energético.
Efectos invernaderos en edificios
Los edificios para mantener el confort en el interior del mismo, disponen
de vidrios ya sean estos como ventanas o sean éstos como claraboyas.
El vidrio ordinario es transparente para todos los colores de la luz visible,
no obstante, es prácticamente impermeable a las radiaciones ultravioleta
e infrarroja.
La radiación infrarroja (longitud de onda corta) junto con la luz visible del
Sol, atraviesan el vidrio, siendo absorbidas por los objetos se encuentran
detrás de él, en el interior del edifico. Esto origina que, los objetos
expuestos a la luz directa del Sol en el interior se calienten. Estos objetos
ceden ese calor en forma de radiación infrarroja no visible, con una
longitud de onda larga (ya que la temperatura a la que se calientan es
relativamente baja).
Los objetos en el interior de los edificios tienen dificultad de deshacerse
de la radiación infrarroja, pero una pequeñísima parte de esta radiación
56
sale por el cristal del vidrio. El resto de ella, se refleja en las paredes y va
acumulándose en el interior. Por tal, la temperatura interna y la de los
objetos sube a una tasa mucho mayor que la temperatura externa. La
temperatura del interior del edificio aumentará solo hasta que la radiación
infrarroja que se filtra por el vidrio sea suficiente para equilibrar con las
pérdidas que se producen.
Figura 2.25. Efecto Invernadero en edificios [26].
Por la característica del material de la cubierta de los edificios, que por lo
general son de fabricación de vidrio, hace que el calor adicional se
acumula dentro del mismo. Esto se da por la característica del materia, ya
que es transparente a la luz visible pero muy poco a los infrarrojos–lo
anterior es lo que se denomina "efecto invernadero".
Uno de los beneficios del efecto invernadero (si se sabe utilizar) es el uso
en un invernadero, ya es un medio selectivo de la transmisión para
diversas frecuencias espectrales, y su efecto es atrapar energía dentro
57
del edificio. Esto es lo que hace posible la vida de plantas en un clima
favorable, así sea que se encuentre en temperaturas de frío externas.
Balance Energético en edificios
Los términos que intervienen en el balance energético de un edificio
(invernadero) se indican en forma de intensidad de energía. Según el
Primer Principio de la Termodinámica, la energía ganada por el sistema
se equilibra con la energía perdida por el mismo. Sin embargo, cada autor
suele considerar una serie de componentes del balance energético
despreciando otros.
Una forma simplificada de la ecuación del balance de energía [26] es:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑒𝑟𝑜
𝑅𝑛 + 𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 (𝑊
𝑚2)
𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 − 𝑅𝑛 (𝑊
𝑚2)
(2.6)
Donde:
𝑄𝑐𝑙𝑖 : Energía calorífica que es necesaria aportar (𝑄𝑐𝑎𝑙) o eliminar (𝑄𝑟𝑒𝑓)
del invernadero.
58
𝑄𝑐𝑐: Calor perdido por conducción-convección.
𝑄𝑟𝑒𝑛: Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior.
𝑄𝑠𝑢𝑒: Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo.
Radiación Neta, Rn
𝑠 [𝐼. (𝛼 + 𝛵 ∗ 𝛼𝑠)] + 𝑆𝑐 ∗ 𝜎 ∗ 𝛵𝑡𝑒𝑟(𝐸𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4
− 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊
𝑚2)
(2.7)
Donde:
𝑆𝑆: Superficie captadora de la radiación solar ( 𝑚2).
𝐼: Radiación solar incidente ( 𝑊
𝑚2).
𝛼: Coeficiente de absorción de la cubierta para la radiación.
Τ: Coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación.
𝑆𝐶: Superficie de suelo cubierta ( 𝑚2).
𝜎: Constante de Stefan- Boltzman (5.76 x 10−8 𝑊
𝑚2.𝐾4 ).
59
TABLA 2.5. ABSORBIVIDAD (Α), EMISIVIDAD (Ε), TRANSMISIVIDAD (Ϯ), Y REFLECTIVIDAD
(Ϭ) PARA DIFERENTES TIPOS DE RADIACIÓN; DE CUBIERTA DE MATERIALES
COMÚNMENTE UTILIZADOS COMO CUBIERTA DE INVERNADEROS
Materiales
utilizados en
cubiertas simples,
en dobles paredes
o como pantallas
térmicas
Espesor Radiación solar (300-
2500 nm)
Radiación visible
(380- 760 nm)
Radiación térmica
(2500- 40000 nm)
(mm) α=ε Ϯ ϭ α=ε Ϯ ϭ α=ε Ϯ ϭ
Vidrio 4 0.03 0.89 0.08 0.01 0.91 0.08 0.90 0.00 0.1
Poliéster (PRV) 1 0.01-
0.02
0.89-
0.92
0.07-
0.09
0.01 0.93 0.06 0.64-
0.69
0.27-
0.32
0.04
PVC rígido 18 0.11 0.62 0.27 0.02 0.61 0.37 0.92 0.01 0.07
Policarbonato 4 0.08-
0.11
0.78 0.14-
0.15
0.06-
0.10
0.75-
0.79
0.15 0.89-
0.98
0.02-
0.03
0.09
PVC plastificado 0.1 0.02 0.91 0.07 0.01 0.92 0.07 0.62 0.06 0.32
PVC amado 0.15 0.06 0.73-
0.74
0.20-
0.21
0.03 0.73-
0.76
0.21-
0.25
0.53-
0,76
0.09-
0.32
0.15
60
Calor perdido por conducción-convección, 𝑸𝒄𝒄
En los intercambios de energía por conducción y convección entre el
interior del edificio y el ambiente externo, el calor por unidad de superficie
de cubierta, puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
𝑄𝑐𝑐 = 𝑆𝐷 ∗ 𝐾𝐶𝐶 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒) (𝑊
𝑚2) (2.8)
Donde:
𝑆𝐷: Es la superficie de la cubierta del edificio (𝑚2).
𝑇𝑖: La temperatura interna (°C).
𝑇𝑒: La temperatura del exterior (°C).
𝐾𝐶𝐶: es el coeficiente global de pérdidas de calor por conducción-
convección:
𝐾𝑐𝑐 = 1
1ℎ𝑖
+𝑒𝑐𝜆𝑐
+1
ℎ𝑒
(2.9)
Donde:
𝒆𝒄: Espesor del material de cubierta (m).
61
𝛌𝐜: Conductibilidad térmica del material de cobertura W
m2.K4.
He: coeficiente superficial de convección para el ambiente exterior del
edificio.
𝚫𝑻: Salto térmico entre el interior y exterior del edificio (K).
V: Velocidad del viento (m/s).
L: Longitud del edificio.
El coeficiente superficial de convección para el interior en función de la
cubierta y del aire es:
ℎ𝑖 = 1.95(𝑇𝑒 − 𝑇𝑖)0.3 W
m2.K para (Te-Ti) ≤ 11.1°𝐶
(Papadakis et al., 1992)
ℎ𝑖 = 7.2 W
m2.K para (Te-Ti) > 11.1°𝐶
(Garzoli y Blackwell, 1987)
(2.10)
62
TABLA 2.6. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES DE CUBIERTA,
Calor sensible y latente perdido por la renovación del interior, 𝑸𝒓𝒆𝒏
La entrada de aire del exterior, produce una pérdida o ganancia de calor-
dependiendo de la diferencia de temperatura y humedad externa e
interna.
𝑄𝑟𝑒𝑛 = 𝑉𝑒𝑑𝑖𝑓 ∗𝑅
3600∗ 𝜌
∗ [𝐶𝑝𝑎 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒) + 𝜆𝑜 ∗ (𝑋𝑖 − 𝑋𝑒) + 𝐶𝑝𝑣
∗ (𝑋𝑖 ∗ 𝑇𝑖 − 𝑋𝑒 ∗ 𝑇𝑒)]𝑊
𝑚2
(2.11)
Donde:
𝑉𝑒𝑑𝑖𝑓: Volumen del edificio.
Material λc (W/m.K)
Polietileno de baja densidad 0.45
Copolímero etileno y acetato de vinilo 0.45
Polietileno de alta densidad 0.33
Policarbonato ondulado 0.19
Vidrio 0.76
63
𝐶𝑝𝑎: Calor específico del aire (a 0°C es 1006.92540 𝐽 ∗ 𝑘𝑔−1 ∗ 𝐾−1).
𝐶𝑝𝑣: Calor específico del vapor recalentado (a 0°C es 1875.6864
𝐽 ∗ 𝑘𝑔−1 ∗ 𝐾−1).
La densidad del aire es función de la temperatura y la presión.
𝜌 =100 ∗ 101325𝑃𝑎
1.02187(𝑡 + 273.16) (2.12)
El calor latente de vaporización se calcula como (Brooker, 1967).
𝜆𝑜 = 2502535.259 − 2385.76424 ∗ 𝑡 (𝐽
𝐾𝑔) (2.13)
TABLA 2.7. TASAS DE RENOVACIÓN DE AIRE POR INFILTRACIÓN A TRAVÉS DE
LA ESTRUCTURA
Tipo de cubierta R (1/h)
Láminas de plástico 1-2
Vidrio o fibra de vidrio 2-4
64
Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo, 𝑸𝒔𝒖𝒆
𝑄𝑠𝑢𝑒 = 𝐾𝑠 ∗ 𝑆𝑐 ∗𝑇𝑖−𝑇𝑠
𝑝
𝑊
𝑚2 (2.14)
Donde:
𝐾𝑠: Coeficiente de intercambio térmico a través del suelo 𝑊
𝑚2°𝐶.
𝑇𝑠: Temperatura del suelo del edificio (°C).
P: profundidad a la que estima la diferencia de temperatura (m).
TABLA 2.8. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS TIPOS DE SUELO, KS
Cálculo del Balance energético dentro del prototipo
Dentro de las ecuaciones de balance energético dentro de edificios que
tienen características similares a invernaderos, hay muchos términos por
Material Ks (W/m.K)
Arena de cuarzo 7.7
Arena de río 4.4
Arena de granito 2.7
Tierra húmeda 2.0
Tierra seca 1.0
65
considerar- pero los más importantes son: las características del material
de recubrimiento, la temperatura y humedad externa e interna del edificio.
Se hará una diferencia teórica a bases de las ecuaciones antes
mencionada, para observar “ahorros energéticos” usando paneles solares
(material silicio) y sin el uso de ellos (material policarbonato o vidrio).
Cubierta con policarbonato
Partiremos de la ecuación de balance energético basado en la Primera
Ley de Termodinámica:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑎
= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑒𝑟𝑜
𝑅𝑛 + 𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 (𝑊
𝑚2)
𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 − 𝑅𝑛 (𝑊
𝑚2)
(2.14)
Para lo cual, primero se calculará cada término de la ecuación pasada:
66
Radiación Neta, Rn
𝑅𝑛 = 𝑆𝑠 [ 𝐼. (𝛼 + 𝛵 ∗ 𝛼𝑠)] + 𝑆𝑐 ∗ 𝜎 ∗ 𝛵𝑡𝑒𝑟(𝐸𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4
− 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊
𝑚2)
(2.15)
Donde:
Ss: superficie captadora de la radiación solar ( m2):
𝑆𝑠 = 2.41𝑚 ∗ 0.87𝑚 = 2.1𝑚2 (2.16)
I: radiación solar incidente ( W
m2) en el Campus Gustavo Galindo de
ESPOL- Guayaquil:
𝐼 = 421 𝑤
𝑚2
α: coeficiente de absorción de la cubierta para la radiación solar.
α = 0.03
Τ: coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación
solar:
T = 0.89
67
Sc: superficie de suelo cubierta ( m2):
Sc = Ss = 2.1m2
σ: constante de Stefan- Boltzman (5.76 x 10−8 W
m2.K4 ).
Τter: coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación
térmica:
Tter = 0
Eter: Emisividad del material de cubierta para la radiación térmica:
Eter = α = 0.03
Tc: temperatura absoluta de la cubierta (K):
Tc = 298K
Entonces con los datos anteriores la Radiación neta a través del vidrio
común será:
𝑅𝑛 = 2.1 [421 (0.03 + 0.89 ∗ 0)] + 2.1 ∗ 5.76 x 10−8 ∗ 0(𝐸𝑎𝑡𝑚
∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4 − 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊
𝑚2)
𝑅𝑛 = 26.52 (𝑊
𝑚2)
(2.17)
68
Calor perdido por conducción-convección, 𝐐𝐜𝐜
Qcc = Sd*Kcc*(Ti-Te) (W
m2)
(2.18)
Donde:
Sd: es la superficie de la cubierta del edificio (m2):
Sd = Ss = 2.1m2
Ti: la temperatura interna (°C):
Ti = 26ºC
Te: la temperatura del exterior (°C):
Ti = 35ºC
Kcc: es el coeficiente global de pérdidas de calor por conducción-
convección:
Kcc = 1
1hi
+ecλc
+1
he
(2.19)
Donde:
ec: espesor del material de cubierta (m):
ec = 0.035m
69
𝝀𝒄: Conductibilidad térmica del material de cobertura W
m2.K4:
λc = 0.76 W
m2. K4
he: coeficiente superficial de convección para el ambiente exterior del
edificio:
he = 2.8 + 1.2 (10000m
s.) = 12002.8
𝜟𝑻: Salto térmico entre el interior y exterior del edificio (K).
V: velocidad del viento (m/s).
L: longitud del edificio.
El coeficiente superficial de convección para el interior en función de la
cubierta y del aire es:
hi = 1.95(Te − Ti)0.3 W
m2.K para (Te-Ti) ≤ 11.1°C (Papadakis et al., 1992).
hi = 7.2 W
m2.K . Para (Te-Ti) > 11.1°C (Garzoli y Blackwell, 1987).
Entonces Kcc sería:
Kcc = 1
17.2 +
0.0350.76 +
112002.8
(2.20)
70
Kcc = 5.404
Entonces con los datos anteriores lel Calor perdido por conducción-
convección, Qcc a través del vidrio común será:
Qcc = 2.1 ∗ 5.404 ∗ (26 − 35) (W
m2)
Qcc = −102.1355 (W
m2) (2.21)
Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior, Qren
Qren = Vedif ∗R
3600∗ ρ
∗ [Cpa ∗ (Ti − Te) + λo ∗ (Xi − Xe) + Cpv
∗ (Xi ∗ Ti − Xe ∗ Te)]W
m2
(2.22)
Donde:
Vedif: volumen del edificio.
Vedif = 2.1m2 ∗ 1.1 m = 2.31m3 (2.23)
71
Cpa: calor específico del aire (a 0°C es 1006.92540 J ∗ kg−1 ∗ K−1).
Cpv: calor específico del vapor recalentado (a 0°C es 1875.6864
J ∗ kg−1 ∗ K−1).
Xi,Xe: humedades absolutas interiores y exteriores:
Xi = 0.5
Xe = 0.74
La densidad del aire es función de la temperatura y la presión (Donatelli
et al., 2006).
ρ =100 ∗ 101325Pa
1.02187(35 + 273.16)
ρ = 324.628
(2.24)
El calor latente de vaporización se calcula como (Brooker, 1967).
λo = 2502535.259 − 2385.76424 ∗ (35 + 273) (J
Kg)
λo = 1767720.44(J
Kg)
(2.25)
Entonces con los datos anteriores el Calor sensible y latente perdido por
la renovación del aire interior cubierto de vidrio, Qren es:
72
Qren = Vedif ∗R
3600∗ ρ ∗ [Cpa ∗ (Ti − Te) + λo ∗ (Xi − Xe) + Cpv ∗
(Xi ∗ Ti − Xe ∗ Te)]W
m2 /1000
Qren = 2.31 ∗2
3600∗ (324.628) ∗ [1006.2 ∗ (−9) + 1767720 ∗
(−0.24) + 1875.68 ∗ (0.5 ∗ 299 − 0.74 ∗ 308)]W
m2 /1000
Qren = −241.25W
m2
(2.26)
Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo, Qsue
𝑄𝑠𝑢𝑒 = 𝐾𝑠 ∗ 𝑆𝑐 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑠)/𝑝 𝑊
𝑚2 (2.27)
Donde:
Ks: coeficiente de intercambio térmico a través del suelo W
m2°C:
Ks = 1.16W
m2°C
Ts: Temperatura del suelo del edificio (°C):
Ts = 30ºC
P: profundidad a la que estima la diferencia de temperatura (m):
p = 1.1m
73
Entonces con los datos anteriores el Flujo de calor perdido por
conducción a través del suelo, Qsue cubierto por el vidrio es:
Qsue = 1.16 ∗ 2.1 ∗ (26 − 30)/1.1 W
m2
Qsue = −8.86 W
m2
Entonces una vez calculados cada término de la ecuación de balance
energético en edificios, tomando en cuenta la cubierta de vidrio (sin
paneles), La Energía calorífica que es necesaria aportar (Qcal) o eliminar
(Qref) del edificio Qcli :
Qcli = Qcc + Qren + Qsue − Rn (W
m2)
Qcli = −102.12 − 8.86 − 241.25 − 26.52 (W
m2)
Qcli = −378.76 (W
m2)
(2.28)
Podemos realizar un análisis teórico en base a las ecuaciones de balance
energético en invernaderos, y tendremos los siguientes resultados:
74
TABLA 2.9. Energía promedio por hora- considerando la temperatura interior y exterior
de la estructura, con y sin la implementación de la solución propuesta
Situación Temp.
Exterior (°C)
Temp. Interior
(°C)
Energía Sin
paneles (Wh)
Energía Con
paneles (Wh)
% Reducción
A 35 25 -795.4 -523.8 34.14
B 38 25 -917.7 -602 34.40
2.7.1. Equipos para el monitoreo de la calidad de energía
Analizador de Energía Fluke 43B
Como Analizador de calidad de la energía eléctrica, está
optimizado para medidas industriales en la frecuencia fundamental
de 50 Hz. El Fluke 43B es el único instrumento que combina las
funciones de un Analizador de calidad de la energía eléctrica, un
osciloscopio de 20 MHz, un multímetro y un registrador de datos.
Puesto que su rango de frecuencia fundamental se extiende de 10
a 400 Hz, resulta ideal también para aplicaciones aeronáuticas,
navales y ferroviarias [21].
75
Características del Fluke 43B
Medida de energía (W, VA, VAR) y factor de potencia (PF DPF)
Energía y factor de potencia en cargas trifásicas equilibradas
Armónicos de tensión, corriente y potencia hasta el orden 51º.
Medida de fluctuaciones durante un máximo de 24 horas del día
Captura automática de hasta 40 transitorios en tan sólo 40 ns.
Mide corriente de arranque de motores. Medida con cursores
Cubre un rango de frecuencia amplio (10 a 400 Hz).
2.7.2. Equipos para la medición de carga instalada y consumida
A continuación, se presentara el software de simulación y descarga
de datos perteneciente al Fluke 43B, en donde, se podrá analizar
datos de armónicos, y otras lecturas a lo largo del tiempo, para de
esta forma poder realizar un correcto análisis de la calidad de
energía que estamos produciendo.
FlukeView
El software FlukeView permite transferir datos desde un
instrumento digital de comprobación compatible (como por
ejemplo, Fluke 43B) directamente a base de datos creados en una
computadora. Así se evita fallos de registro, reduce la posibilidad
76
de errores manuales y le permite recolectar, organizar y presentar
los datos del medidor en un formato adecuado [21].
Figura 2.26 Pantalla de Inicio Fluke View
77
3. CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL PROTOTIPO
En la presente sección, se analizará la selección de los componentes de un
sistema fotovoltaico “Grid-Tie” (conexión directa y sincronizada a la red eléctrica)
como lo son: paneles fotovoltaicos, inversores solares y elementos del circuito
de control de posicionamiento solar de un solo eje- para nuestro prototipo.
3.1. Dimensionamiento de los componentes del Sistema Fotovoltaico
Debido a que, el sistema va a estar sincronizado (al ser la tesis
principalmente orientada a demostrar la disminución del efecto
invernadero dentro de edificios con claraboyas) con la potencia de la red
78
eléctrica suministrada por la Empresa Eléctrica (CELEC EP) no es
necesario la utilización de elementos costosos como: regulador de carga
y baterías (que proporcionan energía constante a los sistemas
fotovoltaicos aislados).
3.1.1. Cálculo de la Potencia Consumida del Sistema
Al usar en nuestro proyecto un sistema solar Grid-Tie, no es necesario
cubrir toda la potencia consumida del sistema (Tabla 3.1); debido al
suministro de la red eléctrica pública.
El sistema fotovoltaico no es indispensable pero su generación si es de
ayuda a sistemas con grandes cargas como por ejemplo: motores
industriales o en nuestro caso un sistema de acondicionador de aire.
A continuación se presenta la carga de nuestro prototipo la cual constará
exclusivamente de un acondicionador de aire y un sistema de iluminación
en el interior, en donde, tendremos a consideración las condiciones
meteorológica y de construcción del Área C – Profesores del edificio de la
FIEC de ESPOL. En la figura 2.16, se observa el uso de los diferentes
elementos eléctricos del sistema propuesto.
79
A continuación en la Tabla 3.1 se procede a una explicación detallada del
consumo del prototipo, considerando 8 horas de consumo diario
promedio.
TABLA 3.1. CARGA ELÉCTRICA DEL PROTOTIPO
Usando paneles de 50 W y asumiendo que estamos en una zona
ecuatorial con ocho horas útiles de radiación solar, de (3.1) se puede
concluir que para mantener con un óptimo funcionamiento la carga- con la
cual está compuesto el prototipo, se necesita aproximadamente un
sistema integral de 12 paneles solares de 50 W.
Carga del sistema
Elemento Carga Horas consumo Wh
Acondicionador de
aire 5000 BTU
547.1W 8 4376.8
Sistema de
iluminación LED
21 W 8 168
Motor de paso 4.7 W 8 37.6
Total 4582.4
80
𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =4582.4 𝑊ℎ
50𝑊 ∗ 8 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜= 11.45 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
(3.1)
Como el objetivo del presente proyecto es mejorar la eficiencia energética
en edificios con claraboya y considerando que los costos de construcción
del prototipo, se dispuso realizar un sistema fotovoltaico con conexión a la
red, el cual no será dimensionado por la potencia de la carga sino por el
inversor a utilizar.
3.1.2. Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos
Este dimensionamiento será dado por la potencia del inversor a
utilizar, en donde, al ser un prototipo que toma en cuenta la
eficiencia de un seguidor solar en lugares con claraboyas
escogeremos el inversor de menor tamaño existente en el mercado
para lo cual se eligió el siguiente modelo:
TABLA 3.2. CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR
Marca Potencia Voltaje de
entrada
Voltaje de
salida
Solar Grid Tie Micro
Inverter 200 W 10.8 - 30 VDC 90 – 130 VAC
81
De (3.2) se puede conocer la cantidad de paneles solares a base
de la potencia del inversor.
𝑁 =𝑃𝑖𝑛𝑣
𝐹𝑠 ∗ 𝑃𝐹𝑉 (3.2)
En donde el Fs va a depender exclusivamente de la zona
geográfica y está comprendido, para la zona ecuatorial entre 0,85
(número máximo de paneles) y 1 (número mínimo de paneles):
La recomendación anterior es válida para sistemas orientados al
Sur e inclinados un ángulo aproximadamente igual a la latitud del
lugar.
TABLA 3.3. NÚMERO DE ACUERDO A LA POTENCIA DEL INVERSOR
Potencia
nominal
del inversor
Potencia del
panel fotovoltaico
Nmax de
paneles (0,85)
Nmin de
paneles
200 10 23,53 20
200 50 4,71 4
200 95 2,48 2,11
200 100 2,35 2
Los valores de la Tabla 3.3 se los obtiene de (3.2), junto con el
análisis de diferentes potencias de paneles (10W, 50W, 95W,
100W) y la potencia del inversor de 200W. También se considera
82
que para el óptimo funcionamiento del inversor, la potencia de
entrada de este debe ser aproximadamente el 85% de su potencia
nominal (3.3).
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ≈ 85% 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ≈ (0.85)(200𝑊)
50𝑊 ∗ 3 ≈ 170𝑊
150𝑊 ≈ 170𝑊
(3.3)
Basado en estas consideraciones se eligió tres paneles
fotovoltaicos (Tabla 3.4), los cuales estará orientados al sol, de
acuerdo a la latitud de la ciudad en donde serán colocados (Tabla
3.5).
TABLA 3.4. CARACTERÍSTICA DEL PANEL FOTOVOLTAICO
Marca Potencia Voltaje N de paneles
Exmork 50W 18V 3
83
TABLA 3.5. UBICACIÓN DEL EDIFICIO DE LA FIEC (GUAYAQUIL)
Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos sobre la
claraboya del Área c – Profesores del edificio de la FIEC
A continuación se procede a la selección de los números de
paneles correspondiente al edificio de la Facultad de Ingeniería en
Electricidad y Computación de la ESPOL, para el cual se debe
utilizar un inversor de mayor potencia. Debido a la mayor demanda
energética por el edificio- se debería instalar paneles fotovoltaicos
de 50W y un inversor Grid Tie de 2500W (ver Tabla 3.6).
Ciudad 𝝓 =Latitud Longitud
Guayaquil 02°15′S 79°52′W
84
TABLA 3.6. CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR GRID TIE DE 2500W
ESPECIFICACIONES
Modelo POWER JACK 2500
Potencia de operación normal 2500 W
Rango de voltaje de entrada DC 50-90
Máxima Corriente de ingreso 80 A
Voltaje de salida AC 230 VAC
Rango de Frecuencia de operación 45-65 Hz
Eficiencia 94%
THD 5%
85
Número máximo y mínimo de paneles
𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑖𝑛𝑣
𝐹𝑠𝑀𝐼𝑁 ∗ 𝑃𝐹𝑉
𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =2500
0.85 ∗ 50= 59 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
(3.4)
𝑁𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑖𝑛𝑣
𝐹𝑠𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝑃𝐹𝑉
𝑁𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =2500
1 ∗ 50
= 50 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
(3.5)
Número máximo de módulos por ramal
𝑇𝑃 = 𝑇𝑎 + [𝑇𝑂𝑁𝐶 − 20
800] 𝐼
𝑇𝑃 = 2.43 + [49 − 20
800] 104.21
𝑇𝑃 = 6.20 𝐶
Donde:
(3.6)
86
𝑇𝑝 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜
𝑇𝑂𝑁𝐶 = 𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 𝑉𝐶𝐴(𝑆𝑇𝐶) − [(25 + 𝑇𝑃) ∗ ∆𝑉]
𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 22 − [(25 + 6.20) ∗ −0.08]
𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 24.5
Donde:
𝑉𝐶𝐴(𝑆𝑇𝐶) = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜
∆𝑉 = 𝐷𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
(3.7)
𝑁𝑀𝐴𝑋 =𝑉𝑀𝐴𝑋(𝐼𝑁𝑉)
𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁)
𝑁𝑀𝐴𝑋 =100
24.5= 4.08 ≈ 4
(3.8)
87
Número mínimo de módulos por ramal
Viene limitado por la tensión mínima de entrada al inversor y la
tensión en el punto máximo de potencia del módulo a una
temperatura de 85 grados centígrados.
𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋) = 𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑆𝑇𝐶) + [(𝑇𝑀𝐴𝑋 − 25) ∗ ∆𝑉]
𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋) = 17.5 + [(85 − 25) ∗ −0.08] = 12.7
(3.9)
𝑁𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑃𝑀𝑃(𝐼𝑁𝑉)
𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋)
𝑁𝑚𝑖𝑛 =40
12.7= 3.14 ≈ 3
(3.10)
Número máximo de ramales en paralelo
Es la relación entre la corriente de cortocircuito máximo de un
ramal y la corriente máxima del inversor.
𝑁𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝐼max (𝐼𝑁𝑉)
𝐼𝐶𝐶(𝑅𝐴𝑀𝐴𝐿)
𝑁𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 =80
3.08= 25.97 ≈ 26
(3.11)
88
3.1.3. Diseño de la estructura mecánica
A continuación se detalla cada una de las piezas diseñadas, así
como los cálculos respectivos para su óptimo funcionamiento y los
diferentes fenómenos naturales que pueden afectar el movimiento
mecánico del sistema propuesto.
El diseño mecánico del seguidor solar de un eje se desarrolló en
base a las condiciones ambientales y de ubicación del edificio de la
FIEC de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). La
selección de los materiales para su construcción, fueron escogidos
en base a sus condiciones de movilidad, peso, termodinámica y
sus costos de elaboración.
Los criterios para el diseño y la implementación del prototipo fueron
la minimización de los costos y el aprovechamiento del espacio, en
el cual se cuenta únicamente con el área de la claraboya.
Basándose en la ubicación del edificio seleccionado, la
funcionalidad que debe cumplir en la zona ecuatorial donde el
movimiento relativo entre la tierra y el sol es de aproximadamente
de 2.15° hacia el norte, debido a la latitud en la que se encuentra la
ciudad de Guayaquil (Tabla 3.5).
89
Determinación de las fuerzas que actúan sobre la estructura
del panel solar, para el dimensionamiento del motor que
moverá la estructura
Una vez decidido la cantidad de paneles fotovoltaicos a utilizar
(Tabla 3.4), se procede a determinar las fuerzas que actuarán
sobre la estructura de dichos paneles, para poder dimensionar el
motor que con ayuda del control, moverá la estructura solar.
Las fuerzas a considerar son:
Fuerza del viento
Peso total de los paneles fotovoltaicos
Para determinar la fuerza del viento, nos valdremos de la siguiente
ecuación:
𝑭𝒘 = 𝑞𝑧 ∗ 𝑆𝑝𝑤 (3.12)
El factor 𝑞𝑧, lo obtendremos de la siguiente ecuación:
𝒒𝒛 = 0.613 ∗ 𝑘𝑧 ∗ 𝑘𝑧𝑡 ∗ 𝑘𝑑 ∗ 𝑉2 ∗ 𝐼 [𝑁/𝑚2] (3.13)
90
Y también utilizaremos el “Código Modelo De Construcción Para
Cargas De Viento” de la ACS (Association of Caribbean States)
para determinar los factores (3.13).
Donde:
𝑲𝒅 = 0.85 Factor de direccionalidad del viento.
𝑲𝒛 = 0.85 Coeficiente de exposición de presión de la velocidad del
viento.
𝑲𝒛𝒕 = Factor topográfico definido como:
𝑲𝒛𝒕 = (𝟏 +∗ 𝑲 𝟏 ∗ 𝑲𝟐 ∗ 𝑲𝟑) ∗ 𝟐
Donde
𝑲𝟏 = 0.29, 𝑲𝟐 = 1 y 𝑲𝟑 = 1
(3.13)
𝑰 = 0.87 Factor de importancia.
𝑽 = 27.7𝑚
𝑠𝑔 Velocidad del viento en condiciones normales del día.
Entonces el factor qz sería:
91
𝒒𝒛 = 0.613 ∗ (0.85) ∗ (1 + 0.29 ∗ 1 ∗ 1)2 ∗ (0.85)
∗ 27.72 ∗ (0.87)
𝒒𝒛 = 491.99 [𝑁/𝑚2]
(3.14)
Para la obtención del factor Sp, se considera que el viento actúa en
un plano horizontal mientras que los paneles están en el peor de
los casos con una inclinación de 67.5º sobre la horizontal.
Así se tiene una superficie perpendicular Sp obtenida de la
siguiente ecuación:
𝑺𝒑 = Á𝑟𝑒𝑎𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑺𝒑 = (0.67𝑚) ∗ (0.62𝑚) ∗ 𝑠𝑒𝑛67.5°
𝑺𝒑 = 0.3837 𝑚2
(3.15)
Por último la fuerza del viento por panel sería:
92
𝑭𝒘 = (491.99𝑁
𝑚2) ∗ (0.3837 𝑚2)
𝑭𝒘 = 188.78 𝑁 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙
(3.16)
El movimiento de rotación del planeta Tierra ocurre cada 24 horas
en 360°, por lo que se establece que cada hora recorre 15° (360°/
24hr = 15°/hr), que es lo que recorre el Sol en una hora visto desde
el plano terrestre.
Se considerará un intervalo de 20 minutos de reposición que
corresponde a una rotación de 5° de la rotación de la Tierra.
Sumado al tiempo anterior, se asignará un tiempo de 15 segundos
para que los motores actúen entre las reposiciones.
Se sabe que en el caso de máximo trabajo (en verano,
especialmente en el solsticio), el eje acimutal del seguidor
recorrerá durante 11.5 horas del día unos 228.88º, mientras que el
eje horizontal recorrerá unos 37.5º hacia arriba y otros 67.5º hacia
abajo.
Entonces se calculará el recorrido angular medio que tiene que
hacer cada eje cada 20 minutos:
93
𝜕𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
= (37.5° + 67.5°) ∗ 1
12ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
∗1ℎ𝑜𝑟𝑎
60 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠∗ 20 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
𝜕𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 2.92°
(3.17)
Tomando en consideración los 15 segundos de la reposición del
motor, se necesitarán las siguientes velocidades de giro en los
ejes:
𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧 = (2.92°) ∗ 1
15 𝑠∗
1 𝑟𝑒𝑣
360°∗
60 𝑠
1 𝑚𝑖𝑛
𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧 = 0.032 𝑟𝑝𝑚
(3.18)
Para determinar el momento crítico del sistema, en donde, las
fuerzas del viento y del peso van a ser mayores se procede a
encontrar el ángulo de máxima inclinación en el movimiento del
módulo fotovoltaico.
94
La fuerza del viento sobre los 3 paneles:
𝐹𝑤 = 188.78 𝑁
El peso provocado por tres paneles
𝑾 = 𝒎 ∗ 𝒈
𝑊 = 3 ∗ 8 𝑘𝑔 ∗ 9.8 𝑚𝑠𝑔2⁄
𝑊 = 235.2 𝑁
(3.19)
Para encontrar el ángulo donde ocurrirá el mayor torque sobre un
panel, plantearemos la ecuación (3.20) de momentos, localizada
en una posición (Tap central del módulo) donde pueden ocurrir las
peores condiciones de torque.
95
𝑀𝑇 = 𝑀𝑊 + 𝑀𝑊
𝐹𝑇 = 𝑊𝑐𝑜𝑠(𝛼)𝑑
4+ 𝐹𝑠𝑒𝑛(𝛼)
𝑑
2
𝒅𝑭𝑻
𝒅𝜶= 𝟎
−𝑊𝑑
2𝑠𝑒𝑛(𝛼) + 𝐹
𝑑
2𝑐𝑜𝑠(𝛼) = 0
𝐹𝑑
2𝑐𝑜𝑠(𝛼) = 𝑊
𝑑
2𝑠𝑒𝑛(𝛼)
tan 𝛼 =𝐹
𝑊
𝛼 = tan−1(2.45)
𝛼 = 67.45
(3.20)
Se realizará el Diagrama de Cuerpo Libre (DCL) de los paneles
solares a 67.5° de inclinación sobre la superficie, en donde, el eje
principal estará a 400 mm de distancia del suelo produciendo el
libre movimiento de los módulos fotovoltaicos, y se calculará el
torque necesario para la rotación del eje horizontal.
96
Figura 3.1. Diagrama de Cuerpo Libre de un Panel Solar
Recordemos que:
El torque necesario en el punto de apoyo 𝑎𝑝:
𝑇𝑎𝑝 = 𝑇𝑓𝑤 + 𝑇𝑤 (3.21)
Potencia del motor:
𝑃𝑚 = 𝑇𝑎𝑝 ∗ 𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 (3.22)
Si el punto de apoyo 𝑎𝑝, está en la mitad del panel, tendríamos:
El torque por la fuerza del viento 𝐹𝑤:
97
𝑇𝑓𝑤 = 𝐹𝑤 ∗ (0.62𝑚 ∗ 0.5) ∗ 𝑠𝑒𝑛 67.5°
𝑇𝑓𝑤 = 188.78 ∗ (0.31𝑚) ∗ 𝑠𝑒𝑛 67.5°
𝑇𝑓𝑤 = 54.06 [𝑁𝑚]
(3.23)
El torque por la fuerza del peso de los paneles:
𝑇𝑤 = 𝑊 ∗ (0.62𝑚 ∗ 0.5) ∗ 𝑐𝑜𝑠 67.5°
𝑇𝑤 = 235.2𝑁 ∗ (0.31𝑚) ∗ 𝑐𝑜𝑠 67.5° = 27.9 [𝑁𝑚]
(3.24)
Entonces el torque en el punto de apoyo ap, será:
𝑇𝑎𝑝 = 𝑇𝑓𝑤 + 𝑇𝑤
𝑇𝑎𝑝 = 54.06 𝑁. 𝑚 + 67.36 𝑁. 𝑚
𝑻𝒂𝒑 = 𝟏𝟐𝟏. 𝟒𝟐 𝑵. 𝒎
(3.25)
Y la potencia del motor sería:
𝑃𝑚 = 𝑇𝑎𝑝 ∗ 𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
𝑃𝑚 = (121.42 𝑁. 𝑚) ∗ (0.032𝑟𝑝𝑚)
(3.26)
98
𝑷𝒎 = 𝟑. 𝟖𝟖𝟓 𝑾
Basándonos en esta potencia y considerando las posibles fuerzas
de fricción del sistema mecánico, se decidió escoger un motor a
pasos bidireccional con gear box de 4.704 W como potencia
nominal.
Basándonos en estos datos se procedió a la elección de un motor
a pasos bipolar con mayores prestaciones de las necesitadas (ver
Tabla 3.7). Además de su alto torque y de su increíble precisión
con un bajo consumo de energía. Entre las demás características a
tener en cuenta para su correcto control serán detalladas en la
tabla siguiente.
TABLA 3.7. CARACTERÍSTICA DE TORQUE Y POTENCIA DEL MOTOR
Parámetros Datos
teóricos
Datos del motor a
pasos bipolar
Datos del motor
a pasos bipolar
(con Gear Box)
Par o torque 121.42 N.m 4.8Kg.Cm=0.47 N.m 46.53 N.m
Potencia 3.885 W 4.704 W 4.704 W
99
Es necesario un circuito puente H para cada bobina, es decir dos
en total para el motor en sí, el cual consiste en un arreglo de ocho
transistores arreglados como se en la fig. 3.2 los cuales permiten
obtener una mayor ganancia de corriente y una frecuencia de
conmutación muy altas en comparación a los interruptores
mecánicos, en cada una de las bases de los transistores se
pueden enviar los pasos o señales de corriente para los motores a
pasos o servomotores.
Figura 3.2. Diagrama de bloques del integrado L298N [28].
Para un correcto funcionamiento, la energización de los
transistores que componen el puente H debe ser en forma
diagonal, para de esta forma no ocasionar un cortocircuito en el
bobinado del motor o simplemente, no energizarlo al no poder
100
cerrar el circuito entre los puntos 1 y 2 en el caso del puente H
número 1, o entre los puntos 3 y 4 para el puente H número 2.
Como los motores a paso bipolares no tienen el doble bobinado de
los unipolares (recordemos que en éstos todo el tiempo se está
utilizando sólo una de las bobinas duplicadas, mientras la otra
queda desactivada y sin ninguna utilidad), los motores bipolares
ofrecen una mejor relación entre torque y tamaño/peso. Las
características específicas del motor a utilizar estarán dadas en la
Tabla 3.8.
Figura 3.3. Motor de paso Bipolar con caja reductora.
101
TABLA 3.8.CARACTERÍSTICA GENERALES DEL MOTOR BIPOLAR
Características Motor Bipolar
Tipo Motor a pasos
Bipolar
Angulo de paso 1.8 grados
Numero de pasos por vuelta 200 pasos
Holding torque 4.8 kg.cm
Rated Torque 4.8 kg.cm
Voltaje 2.8 V
Corriente 1.68
Máxima velocidad 6.2 (44) rpm
Descripción del sistema y piezas del Seguidor Solar
A continuación se encuentra una descripción detallada de cada
una de las piezas que componen el mecanismo del seguidor solar
de un eje horizontal, comenzando por el diseño y cálculo de los
sistemas de movimiento y terminando con la descripción detallada
de las piezas fijas del equipo
Diseño del Sistema de engranajes
Para cumplir con los requerimientos del torque necesario para la
movilidad de los módulos fotovoltaicos, se procedió al diseño de un
102
sistema reductor de velocidad basado en un diseño mecánico de
tren de engranajes, el cual fue diseñado en el software de edición y
simulación de Autodesk Inventor.
La condición a cumplir es que el sistema mecánico tenga un torque
mayor a los 121.42 N.m correspondiente al torque de apoyo de los
paneles fotovoltaicos.
También se sabe que el motor bipolar con su caja de engranajes
(de relación 1:99) tiene una potencia de 46.53 N.m., lo cual no es
suficiente para mover el torque que tienen los módulos
fotovoltaicos. Por tal razón, se hizo necesario contar con un tren de
engranajes, los cuales serán dimensionados como sigue:
𝑛𝑇 =𝑁1
𝑁2=
𝑁𝑚
𝑁𝐿
𝑛𝑇 =𝑇𝑃𝑆
𝑇𝑚=
121.42 𝑁𝑚
46.53 𝑁𝑚
𝑛𝑇 = 2.6
(3.27)
Por lo cual se escogió dos tipos de engranajes que su relación de
dientes sea casi igual o mayor a la relación de torques. Así
103
tenemos que los engranajes deben ser de 30 y 10 dientes
respectivamente:
𝑛𝐷 =𝑁2
𝑁1=
30 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
10 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
𝑛𝐷 = 3
(3.28)
Lo anterior queda correctamente dimensionado ya que se cumple
con: 𝑛𝐷 ≥ 𝑛𝑇. Al cambiar la relación de torques, la velocidad de los
paneles solares con respecto al motor disminuye:
𝜃𝑝𝑠 =1
𝑛𝑇𝜃𝑚 − −> 𝜔𝑝𝑠 =
1
𝑛𝑇𝜔𝑚 (3.29)
Entonces tenemos que la relación entre la velocidad angular del
panel (𝜔𝑝𝑠) con respecto a la velocidad angular del motor (𝜔𝑚) es:
𝜔𝑝𝑠 = 0.33𝜔𝑚 (3.30)
Debido a que se necesita reducir la velocidad, para efecto de
cálculo se procede a realizar un sistema reductor de velocidad el
cual se basa en un sistema de engranajes rectos los cuales son
diseñados con la ayuda de Autodesk Inventor.
104
A continuación se presenta el trabajo matemático realizado para la
obtención de las medidas de los dos tipos de engranaje.
Figura 3.4. Terminología de un sistema de engranajes rectos.
En la Fig. 3.4 - 3.5 se observan los términos que se incluyen en el
proceso matemático, antes descrito.
Figura 3.5. Nomenclatura de los elementos geométricos de la cremallera.
Primero se partió del valor default de Autodesk inventor:
𝒎 = 4.00 𝑚𝑚
105
Para posteriormente realizar los cálculos para cada uno de los
engranajes del sistema:
𝒎 =𝒅
𝑵= 4.00 𝑚𝑚
𝒅
𝑵= 4.00 𝑚𝑚
Donde
𝒅 = 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑎𝑙
𝑵 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠
(3.31)
Engranaje mayor Engranaje menor
𝒅 = 𝟒. 𝟎𝟎 ∗ 𝑵
𝒅 = 4.00 ∗ 30
𝒅 = 120 𝑚𝑚
𝒅 = 𝟒. 𝟎𝟎 ∗ 𝑵
𝒅 = 4.00 ∗ 10
𝒅 = 40 𝑚𝑚
(3.32)
106
Addendum.- altura de la cabeza del diente
Engranaje mayor Engranaje menor
𝒂 = 𝟏 ∗ 𝒎
𝒂 = 1 ∗ 4.00
𝒂 = 4.00 𝑚𝑚
𝒂 = 𝟏 ∗ 𝒎
𝒂 = 1 ∗ 4.00
𝒂 = 4.00 𝑚𝑚
(3.33)
Dedendum.- altura del pie del diente.
Engranaje mayor Engranaje menor
𝒃 = 𝟏. 𝟐𝟓 ∗ 𝒎
𝒃 = 1.25 ∗ 4.00 𝑚𝑚
𝒃 = 5.00 𝑚𝑚
𝒃 = 𝟏. 𝟐𝟓 ∗ 𝒎
𝒃 = 1.25 ∗ 4.00 𝑚𝑚
𝒃 = 5.00 𝑚𝑚
(3.34)
Paso circular.- es la distancia total que va desde un punto
determinado de un diente hasta otro punto idéntico en el diente
continuo.
107
Engranaje mayor Engranaje menor
𝑷𝑪 = 𝝅 ∗ 𝒎
𝑷𝑪 = 𝜋 ∗ 4.00
𝑷𝑪 = 12.56 𝑚𝑚
𝑷𝑪 = 𝝅 ∗ 𝒎
𝑷𝑪 = 𝜋 ∗ 4.00
𝑷𝑪 = 12.56 𝑚𝑚
(3.35)
Espesor.- el ancho que debe tener cada uno de los engranajes.
Engranaje mayor Engranaje menor
𝒆 =𝑷𝒄
𝟐
𝒆 =12.56 𝑚𝑚
2
𝒆 = 6.28 𝑚𝑚
𝒆 =𝑷𝒄
𝟐
𝒆 =12.56 𝑚𝑚
2
𝒆 = 6.28 𝑚𝑚
(3.36)
Finalmente calculamos la distancia entre los centros del sistema de
engranaje, no sin antes realizar los cálculos respectivos de cada
engranaje ver la Fig. 3.6.
108
Figura 3.6. Viste superior del engranaje recto.
Diámetro exterior.- se lo define como la sumatoria del diámetro
primitivo más la altura de la cabeza del diente
Engranaje mayor Engranaje menor
𝑫𝒆 = 𝑫𝒑 + 𝟐 ∗ 𝒎
𝑫𝒆 = 120.00 + 2 ∗ 4.00
𝑫𝒆 = 128.00 𝑚𝑚
𝑫𝒆 = 𝑫𝒑 + 𝟐 ∗ 𝒎
𝑫𝒆 = 40.00 + 2 ∗ 4.0
𝑫𝒆 = 48.00 𝑚𝑚
(3.37)
Diámetro de fondo.- se lo define como el diámetro del engranaje
hasta la base del diente.
109
Engranaje mayor Engranaje menor
𝑫𝒇 = 𝑫𝒑 − 𝟐. 𝟓 ∗ 𝒎
𝑫𝒇 = 120.00 − 2.5 ∗ 4.00
𝑫𝒇 = 110.00 𝑚𝑚
𝑫𝒇 = 𝑫𝒑 − 𝟐. 𝟓 ∗ 𝒎
𝑫𝒇 = 40.00 − 2.5 ∗ 4.00
𝑫𝒇 = 30.00 𝑚𝑚
(3.38)
Simulación de los engranajes
Basándonos en los cálculos realizados se procede a la simulación
de los engranajes en Autodesk Inventor ingresando los valores
respectivos (ver Fig. 3.7).
Figura 3.7. Ventana de Spur Gears Component Generator de Autodesk.
110
De esta forma se puede crear de una forma automática el sistema
de engranajes con un alto porcentaje de efectividad como se
observa en la Fig. 3.8.
Figura 3.8. Ventana de la forma del tren de engranajes.
Después se verifica que el diseño de nuestros engranajes cumple
de una forma eficiente con los parámetros mostrados al principio
de los cálculos (ver Fig. 3.9.)
Figura 3.9. Pestaña Calculation de la ventana de Spur Gears Component.
111
Finalmente se obtienen los valores de diseño de la simulación, los
cuales deben ser similares a los obtenidos en los cálculos
realizados desde las ecuaciones (3.28) hasta (3.35).
Engranajes
TABLA 3.9. PARÁMETROS DE LOS ENGRANAJES OBTENIDOS POR
AUTODESK INVENTOR
Engranaje 1 Engranaje 2
Number of Teeth Z 10 ul 30 ul
Pitch Diameter D 40,000 mm 120,000 mm
Outside Diameter da 48,000 mm 116,035 mm
Root Diameter df 30,000 mm 130,000 mm
Base Circle Diameter db 37,588 mm 112,763 mm
Work Pitch Diameter dw 40,000 mm 120,000 mm
Facewidth B 20,000 mm 20,000 mm
Facewidth Ratio br 0,5000 ul 0,1667 ul
Addendum a* 1,0000 ul 1,0000 ul
112
Figura 3.9. Figuras obtenidas de Autodesk Inventor en relación a la Tabla 3.8.
Carga
TABLA 3.10.PARÁMETROS DE CADA ENGRANAJE EN TÉRMINOS DE
CARGA
Engranaje 1 Engranaje 2
Potencia P 0,005 kW 0,005 kW
Velocidad n 9,55 rpm 3,18 rpm
Torque T 4,700 N m 13,817 N m
Eficiencia η 0,980 ul
Fuerza radial Fr 85,527 N
Fuerza tangencial Ft 234,983 N
Fuerza normal Fn 250,063 N
113
Basado en estas consideraciones se tiene lo siguiente:
TABLA 3.11. CARACTERÍSTICA DE LOS ENGRANAJES
E
E
Elementos de transmisión de movimiento sincrónico
Debido a que el objetivo planteado sea la semejanza de
movimientos de los paneles solares con persianas, se hará uso de
cadenas de paso 40 (Fig. 3.11.) que unirán también los piñones-
de números de dientes antes determinados.
Figura 3.10. Vista Lateral de la ubicación de los piñones y cadenas.
Numero de
dientes
Diámetro
Pitch
Diámetro
Exterior Paso
Engranaje
uno 10 41.097 46.736 12.70
Engranaje
dos 30 121.49 128.52 12.70
114
Cálculo de distancia entre módulos fotovoltaicos
Para evitar la pérdida por sombras que se producen en los paneles
fotovoltaicos, se calcula una distancia mínima entre los módulos.
Esta distancia se debe optimizar para garantizar costos de
montajes y máxima generación eléctrica.
Para encontrar la distancia mínima entre paneles se utilizó la
siguiente fórmula.
𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝑳 +𝐬𝐢𝐧(𝟗𝟎 − 𝒍𝒂𝒕 + 𝜹 + 𝜷)
𝐬𝐢𝐧(𝟗𝟎 − 𝒍𝒂𝒕 + 𝜹) (3.39)
También nos ayudaremos de datos importantes, que aparecen en
la Tabla 3.12.
TABLA 3.12. DATOS PARA EL CÁLCULO DE DISTANCIA ENTRE PANELES
SOLARES
Latitud -2,17
Día juliano 141
Declinación, δ 20,14
Ho 112,30
Inclinación paneles, β 22.31
Longitud del panel, L (m) 0,67
115
Encontraremos el ángulo 𝛽 entre el panel y la horizontal, que
garantice la distancia mínima (ver Fig.3.11.). Hacemos uso de la
derivada de la distancia con respecto a 𝛽, y su igualdad con cero.
𝒅 𝒅𝒊𝒔𝒕
𝒅 𝜷= 𝟎
𝐿
sin(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿)∗ cos(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽) = 0
cos(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽) = 0
90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽 = 90
−𝛽 = +2.17 − 20.14 = 17.97
(3.40)
Figura 3.11. Distancia mínima entre filas consecutivas de paneles solares [29].
116
Procedemos a calcular la distancia mínima entre paneles, usando
manejo de geometría de ángulos.
𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝒃 + 𝒂
𝑑𝑚𝑖𝑛 = 𝐿 ∗ cos 𝛽 + 𝐻 ∗ tan ℎ𝑜
𝑑𝑚𝑖𝑛 = 𝐿 ∗ cos 𝛽 + (sin 𝛽 ∗ 𝐿) ∗ tan ℎ𝑜
𝑑𝑚𝑖𝑛 = 0.637 + (0.207) ∗ −2.43
𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝟎. 𝟏𝟑𝟐𝟐 𝒎
(3.41)
Estructura del prototipo de características similares al edificio
de la FIEC
Esta estructura irá en la parte inferior de otra que tendrá el
seguidor solar de nuestro prototipo. Su construcción está hecha de
hierro forjado (por su durabilidad con ángulos cuadrados de una
pulgada), la cual tendrá como medida 2373 x 730 mm (ver
Fig.3.12). Además, el arreglo tendrá un recubrimiento de plywood
117
de 8mm para evitar una considerable transferencia de calor entre
el exterior e interior (Fig. 3.13).
Por último, se la cubrirá con una plancha de policarbonato de 6mm
de espesor, y de 2373x 730mm de dimensiones (este material
simula al recubrimiento de las claraboyas del edificio de la FIEC).
Figura 3.12. Dimensiones de la estructura donde irán montados el sistema de
paneles solares.
Figura 3.13. Recubrimiento de material aislante a la estructura donde irán los
paneles solares.
118
Estructura del seguidor solar
Al igual que el arreglo inferior, esta estructura está elaborado de
hierro forjado con ángulos cuadrados de una pulgada, la cual
tendrá como medida 2430 x 930 mm (ver Fig. 3.14), debido al
espacio para la ubicación correcta de los módulo fotovoltaico,
como también la disminución de las pérdidas por sombra. De igual
forma tendrá un recubrimiento de plywood de 8mm, pero en este
caso para evitar el paso de la luz solar (Fig. 3.13.). Este arreglo irá
encima de la estructura de características similares del edificio de
la FIEC.
Figura 3.14. Dimensiones de la estructura donde irán montados el sistema de
paneles solares.
119
Diseño de la plataforma para los Módulos Fotovoltaicos
Contendrá el módulo fotovoltaico, que se junta mediante una
chumacera a la estructura del seguidor solar. Al ser esta
plataforma la que transmita el movimiento desde el conjunto de
engranajes hacia el módulo fotovoltaico, se tomó como principal
consideración el peso del material a utilizar, por lo que se la diseñó
y construyó de tubo cuadrado de aluminio con cuatro pernos de 3/8
pulgadas ubicados en el centro de dos de los cuatro lados, además
se colocara un eje horizontal para la rotación del módulo, tal como
se observa en la Fig. 3.15.
Figura 3.15. Plataforma donde irán puestos los paneles solares.
120
Chumaceras
Permite el soporte por la rotación del eje mostrado en la Fig. 3.15,
está compuesto por una parte rotativa y una parte fija. Las
chumaceras pueden ser construidas de plástico, acero o aluminio,
que en nuestro caso se lo fabricó de acero inoxidable, por motivos
de durabilidad. La medida de las chumaceras será determinada por
el diámetro del eje que es de 2.5cm (ver Fig.3.16).
Figura 3.16. Chumaceras para la estructura de los paneles solares.
3.2. Diseño del Sistema de Control de Posicionamiento
Para cumplir con el objetivo de proporcionar una mayor irradiación hacia
nuestro sistema, en el presente subcapítulo se presenta el diseño,
desarrollo y construcción del control de posicionamiento. Diversos
estudios han demostrado que los seguidores solares pueden proveer
alrededor de un 3% de mayor energía solar en relación al seguidor solar
de un eje.
121
Sin embargo, gracias a su costo de manutención y de potencia requerida
para el movimiento del segundo eje se determina que su productividad a
largo plazo no es económicamente rentable. En la Fig. 3.16 se puede
observar el estudio del Dr. David Lubitz resumiendo la captación de
irradiación de los diferentes tipos de seguidores solare en Norte América.
Figura 3.17. Estudio del Dr. Lubits sobre la irradiancia de paneles [30].
Basados en la localización geográfica de ESPOL, se determinar realizar
un prototipo de seguidor solar horizontal de un solo eje con punto
lumínico, de mayor eficiencia en el ecuador, el cual se basa, en el cálculo
de la diferencia de la luminosidad incidente entre los sensores colocados
en nuestro sistema, en donde, con la ayuda de las ecuaciones descritas a
122
continuación se procede a verificar que el diseño del seguidor solar de un
eje horizontal es la mejor opción.
Ecuación de declinación
𝛿 = 23.45° sin [360° (284 + 𝑛
365)]
𝛿 = Declinacion
23.45° = Declinación máxima
360° = Grados de la circunferencia
284 = Constante de corrección
𝑛 = Número del día
365 = Número total de días
(3.42)
123
Ecuación del Ángulo de la Altura Solar
sin 𝛼 = sin 𝜑 ∗ sin 𝛿 + sin 𝜑 ∗ sin 𝜔
𝛼 = Altura solar
𝜑 = Latitud del lugar del cálculo
𝛿 = DeclinaciÓn
(3.43)
𝜔 = (ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 − 12) ∗ 15°
𝜔 = Ángulo horario
(3.44)
Ecuación del Ángulo de Azimut
sin 𝛾 =cos 𝛿 ∗ sin 𝜔
cos 𝛼 (3.42)
Resultados de la aplicación de las ecuaciones para la ciudad de
Guayaquil en el día 21 de junio de 2014 serán descritos en la Tabla 3.13.
124
Tabla 3.13. ALTURA SOLAR, AZIMUT Y ANGULO INCLINACIÓN PARA GUAYAQUIL
Hora ω cos ω sen ω sen α α Cos α Sen ϒ ϒ
6 -90 0,0000 -1,0000 0,0226 1,2949 0,9997 -0,9996 -88,3794
7 -75 0,2588 -0,9659 0,0213 1,2204 0,9997 -0,9655 -74,9060
8 -60 0,5000 -0,8660 0,0176 1,0084 0,9998 -0,8656 -59,9500
9 -45 0,7071 -0,7071 0,0116 0,6646 0,9999 -0,7067 -44,9670
10 -30 0,8660 -0,5000 0,0039 0,2234 0,9999 -0,4997 -29,9801
11 -15 0,9659 -0,2588 -0,0051 -0,2922 0,9999 -0,2586 -14,9870
12 0 1,0000 0,0000 -0,0148 -0,8480 0,9998 0,0000 0,0000
13 15 0,9659 0,2588 -0,0245 -1,4038 0,9996 0,2587 14,9870
14 30 0,8660 0,5000 -0,0335 -1,9197 0,9994 0,4999 29,9801
15 45 0,7071 0,7071 -0,0413 2,3669 0,9991 0,7072 44,9670
16 60 0,5000 0,8660 -0,0472 -2,3669 0,9991 0,8662 59,9500
17 75 0,2588 0,9659 -0,0509 -2,9176 0,9987 0,9665 74,9060
125
Las ecuaciones nombradas nos permiten realizar la carta geográfica para
el edificio de la FIEC – AREA C PROFESORES la cual se detalla en la
Fig. 3.18 y Fig. 3.19.
Figura 3.18. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL.
Figura 3.19. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL.
126
TABLA 3.14. MOVIMIENTO EN EL 21 DE CADA MES PARA GUAYAQUIL
Desplazamiento norte-sur
Fecha 𝛿 𝛾 Grados Sentido
Enero – 21 -20.14 27.9995 1.8134 Sur
Febrero – 21 -11.23 29.3707 1.3712 Sur
Marzo – 21 -0.40 30.0048 0.6341 Sur
Abril – 21 11.58 29.3289 0.6759 Norte
Junio – 21 20.34 29.9801 0.6512 Norte
Julio – 21 23.45 27.3202 2.6599 Norte
Agosto – 21 20.44 27.9538 0.6336 Norte
Septiembre – 21 12.10 29.2791 1.3253 Norte
Octubre – 21 4.61 29.9008 0.6217 Norte
Noviembre – 21 -7.34 29.7325 0.1683 Sur
Diciembre – 21 -17.38 28.5018 1.2307 Sur
127
Gracias a los resultados obtenidos se puede concluir que para la ciudad
de Guayaquil, y en general para el área geográfica cerca de la línea
ecuatorial (latitud cero) como es el caso del país, los desplazamientos
norte a sur del Sol no son representativos, debido a que el arco del sol a
través del cielo es menos variable durante el día y durante las estaciones
del año, y por tanto no es conveniente la utilización de seguidores solares
de dos ejes. Por lo que se ratifica la decisión del diseño de una matriz
fotovoltaico con movimiento en un eje.
3.2.1. Modelamiento de la planta
El modelo del seguidor solar de un eje propuesto consta de dos
secciones específicas como se puede observar en la Fig. 3.20, en
donde, en la fila superior es la parte de control electrónico y en la
parte inferior es el diseño mecánico.
Figura 3.20. Diagrama de bloques del Seguidor solar.
Circuito de control
Etapa de potencia
Motor a pasos bipolar
Sistema reductor de velocidad
Sistema de transmisión de
movimiento Carga mecanica
128
La primera parte está enmarcada por el diseño del sensor de
irradiación el cual determina el sentido de giro del motor a pasos
bipolar. Este diseño debe ser cuidadosamente elaborado para
obtener la mayor exactitud posible junto con una mejor resolución.
La segunda parte la compone del conjunto mecánico: “motor –
sistema de engranajes y transmisión de movimiento”. Este grupo
se basa fundamentalmente por obtener el torque suficiente para
vencer la inercia del peso de paneles y la fuerza del aire, por lo que
la velocidad del movimiento pasa a segundo plano ya que el sol se
mueve solamente 15 grados por uso horario.
Sensor de luminosidad
Para el prototipo se eligió a las fotoceldas como sensor de
luminosidad, por su comportamiento con respecto a una radiación
(ver Fig. 3.21.). Su cambio en forma exponencial de la resistencia
con respecto a luz, lo hace un elemento de rápida acción.
Figura 3.21. Fotocelda utilizada.
129
Pero para una mejor exactitud y mayor sensibilidad el sensor será
colocado en el medio del eje del panel fotovoltaico tal como se
puede observar en la Fig. 3.22.
Figura 3.22. Ubicación de los sensores de luz en el panel solar.
Teniendo a consideración que la radiación incide a las fotoceldas
de forma directa, entonces se ha diseñado una pequeña estructura
para que los rayos solares lleguen de forma perpendicular a estos
sensores. Este arreglo consta de un tubo PVC de 10 cm de largo y
3.65 cm de diámetro (ver Fig. 3.23). Se usarán dos fotoceldas que
serán posicionados a 45° y 135° grados respectivamente con
respecto a la horizontal (90° de separación entre ellas) como se
observa en la Fig. 3.24. Cuando la luz se proyecta al panel
130
fotovoltaico, las fotoceldas generaran un voltaje diferencial
suficiente para mandar la señal al circuito de control, por tanto
mover el panel y ubicarlo perpendicular a la posición del sol.
Figura 3.23. Estructura donde dentro irán las fotoceldas, para conseguir la
perpendicular de los rayos solares sobre ellas.
Figura 3.24. Posición sobre los paneles de los sensores de luz.
131
3.2.2. Diseño del Controlador
El controlador principal de nuestro sistema, está compuesto por
dos partes principales las cuales son las encargadas de la correcta
diferenciación de los voltajes emitidos por los sensores lumínicos y
del óptimo control de movimiento del motor a pasos bipolar, tal
como se observa en la Fig. 3.25, para finalmente obtener una
correcta visualización de datos para la mejor interpretación de los
resultados.
MICROCNTROLADORPIC16F887
SENSOR LDR - DERECHA
SENSOR LDR - IZQUIERDA
MOTOR A PASOS BIPOLAR
DRIVE POTENCIA –L298N
Figura 3.25. Diagrama de bloques del circuito de seguidor solar.
132
Sistema de diferenciación lumínica
Este sistema tendrá como entradas principales el reloj digital
DS1307 y los sensores analógicos colocados a los extremos del
panel solar central de nuestro prototipo y como salidas las señales
de control para el driver del motor a pasos y la visualización
constante de los datos relevantes del sistema, tal y como se
observa en la Fig. 3.26.
PIC 16F887
Sensores de irradiancia
Reloj digital
Señales de controlMotor a pasos
LCD
entrada analógica
BITS BITS
Señaldigital
Sistema de diferenciación lumínica y control
Figura 3.26. Diagrama de bloques del sistema de diferencia lumínica y control
En esta parte en particular se procederá con la adquisición de las
señales de voltajes emitidas por las fotoceldas (sensores
lumínicos), las cuales, deben estar correctamente acondicionadas
a nuestro sistema de control, tal y como lo detallaremos a
continuación:
133
Acondicionamiento del sensor de iluminación
Debido a que el microprocesador a utilizar no soporta más de cinco
voltios en sus pines de entrada, se ha optado para un divisor de
voltaje con la alimentación principal de cinco voltios de nuestro
sistema en paralelo con una resistencia de 10KΩ (ver Fig. 3.27.)
garantizando un óptimo funcionamiento con una sensibilidad
aceptable.
De esta forma se procedió a la medición de la resistividad de cada
uno de los ldr obteniendo resultados muy cercanos entre si los
cuales son:
𝑅𝑙𝑢𝑧 = 100Ω
𝑅𝑜𝑠𝑐𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 10𝐾Ω
Figura 3.27. Circuito eléctrico de las fotoceldas del seguidor solar.
134
Por lo tanto se obtendrá como voltaje de salida lo siguiente:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =5 ∗ 𝑉𝐿𝐷𝑅
𝑉𝐿𝐷𝑅 + 10𝐾Ω (3.43)
Reloj Digital DS1307
Es un reloj serial a tiempo real o también llamado RTC (Ver Fig.
3.28), proveniente de la compañía Dallas Semiconductor, este chip
es muy utilizado cuando se requiere trabajar con eventos de gran
exactitud a tiempo real, además de ser un dispositivo de muy bajo
consumo de potencia, preparado para ofrecer hora real hasta el
año 2100 con las respectiva utilización de una batería de tres
voltios.
Figura 3.28. C.I DS1307.
135
Entre las principales características de este chip tenemos:
Contabiliza segundos, minutos, horas, días, meses y años
hasta el año 2100.
56 bytes.
I2C Interface serial (programación).
Tiene un consumo menor a 500 nA. Rango de temperatura
industrial de -45 C a 85 C.
Diagrama de flujo
El microcontrolador usado para la seguidor solar por punto
lumínico es el PIC 16F887, el cual tiene un convertidor ADC que
será posteriormente detallado durante el capítulo, para su
codificación primeramente se procedió a realizar un diagrama de
flujo mostrado en la Fig. 3.29 que nos permite tener una mayor
comprensión de la función de nuestro programa.
136
Inicio
Configurar los registros analógicos ADCON y ADCON1
Determinar las entradas y salidas analogicas del
controlador
Leer las señales provenientes de los sensores
Convertimos las señales analógicas a digitales
Inicializamos la pantalla LCD y el reloj DS1307
6:00 < Hora < 18:00
SI
LDR1 > LDR2SISeteamos RC0 como
alto=1NO
Seteamos RC0 como bajo=0
Inicializamos el PWM y seteamos su valor de TON
NO
Figura 3.29. Diagrama de Flujo de la programación del PIC 16F887.
137
Etapa de potencia –Modulo L298N
El módulo L298N es un drive específico para el control de motores
a pasos bipolares, tal y como se lo observa en la Fig. 3.30. Está
diseñado para operar a paso completo, medio paso y hasta 1/16
pasos ganando de esta forma una mayor resolución pero
obteniendo una disminución en su torque y con un voltaje de salida
de hasta 36 V y 2 A, permitiéndonos manejar 25W de potencia
nominal, la resolución dependerá exclusivamente de la secuencia
emitida mediante el circuito de control permitiéndonos alcanzar el
máximo torque de movimiento para nuestro sistema.
Figura 3.30. Módulo L298N.
138
Conexiones de potencia
El circuito contiene dos entradas correspondientes a las fuentes de
voltaje, tal y como se observa en la Fig. 3.30, las cuales serán
detalladas a continuación:
La primera corresponde al circuito de control relacionado a la
entrada VDD o también denominado en el drive +5 Power.
La segunda corresponde a la entrada del voltaje del motor con
un voltaje máximo de 35 V perteneciente a la entrada VDD, esta
entrada deberá ser determinada con el datasheet del motor a
utilizar, en nuestro caso será de 12 voltios.
Motor pasó a paso
El motor paso a paso está diseñado para girar un determinado
ángulo proporcional a la codificación de tensiones aplicadas a sus
entradas, permitiéndonos de esta forma controlar en cada instante
la codificación respectiva en el circuito de control, lo cual nos
permite realizar desplazamientos angulares más precisos,
dependiendo el ángulo de paso o también llamado resolución
angular del motor .
139
Características del motor – 42STH-381684A
Por motivos de precisión, alto torque y eficiencia energética se ha
elegido un motor bipolar integrado con un sistema reductor basado
en engranajes llegando a obtener un máximo torque de 250 kg/cm
con una corriente máxima de 1.6 amperios. A continuación se
podrá observar las principales propiedades del motor elegido.
TABLA 3.15. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR A PASOS BIPOLAR
Propiedades del motor
Angulo de paso 1.8 grados
Precisión de paso 5 %
Holding Torque 4.8 kg/cm
Máxima velocidad 6.2 RPM
Propiedades eléctricas
Voltaje recomendado 12 VDC
Corriente por bobina 1.7 A
Resistencia por bobina 1.7 Ω
Propiedades sistema de
engranaje
3:1
Gear Ratio 99.5 : 1
Error de precisión 1 ½ grados
Máxima carga eje radial 98.1 N
140
Secuencia de control
La secuencia de control será determinada en función de las
bobinas presentadas en el diagrama de conexiones internas (ver
Fig. 3.31) del datasheet del motor 42STH-381684A. Para el
correcto movimiento del motor, el microcontrolador por medio del
drive L298N debe enviar las señales a las bobinas del motor de
una forma adecuada, tal como se observa en las tablas 3.13 y 3.14
Figura 3.31. Diagrama de los embobinados del motor de Pasos Bipolar.
141
Para que el motor rote hacia la derecha, el PIC debe enviar la
siguiente secuencia dada por el fabricante.
TABLA 3.16. SECUENCIA DE MOVIMIENTO A LA DERECHA DEL MOTOR
42STH-381684A
Pasos A C B D
1 +VMOT +VMOT
2 +VMOT +VMOT
3 +VMOT +VMOT
4 +VMOT +VMOT
Para que el motor gire hacia la izquierda, se debe enviar la
siguiente secuencia.
TABLA 3.17. SECUENCIA DE MOVIMIENTO A LA IZQUIERDA DEL MOTOR
42STH-38684A
Pasos A C B D
1 +VMOT +VMOT
2 +VMOT +VMOT
3 +VMOT +VMOT
4 +VMOT +VMOT
3.3. Simulaciones del sistema
Se realizará las simulaciones del circuito electrónico principal del
proyecto, esto es el Seguidor Solar. Para esto, haremos uso del
simulador Proteus.
142
Simulaciones de Proteus
Con este programa, mostraremos el circuito electrónico del
Seguidor Solar y su posterior gráfico de formas de Onda.
Simulaciones del Seguidor Solar
Para el análisis de las simulaciones del Seguidor Solar, lo
dividiremos en dos etapas, la primera dependiendo de la hora del
día. Y la segunda, dependiendo de la señal que envíen las
fotoceldas (en simulación LDRs) el movimiento del motor (derecha
o izquierda).
En las simulaciones del seguidor solar, observaremos la pantalla
LCD que muestra diferentes mensajes como: la fecha (en formato:
Día Semana- Día- Mes- Año), la hora exacta del día, y el valor de
cada fotocelda (LDR1, LDR2), y por último la dirección de giro del
motor. También se contará con un motor para ver su movimiento,
el mismo que tiene que estar en concordancia con la lectura que se
muestra en la pantalla LCD.
En la Figura 3.32 observamos la simulación en el momento de no
operación (de 18:00 hasta 6:00).
143
Figura 3.32. Simulación en Proteus del Seguidor, etapa de funcionamiento.
En la figuras 3.33, 3.34 y 3.35, el circuito está en tiempo de
operación (6:00:01 a 17:59:59). Se observará que dependiendo de
la señal de cada fotocelda (LDR1, LDR2), se apreciará el estado
del motor con su respectivo mensaje en la pantalla LCD (MOTOR
STOP, MOTOR GIRO IZQUIERDA o MOTOR GIRO DERECHA).
144
Figura 3.33. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores similares. MOTOR DETENIDO.
Figura 3.34. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR IZQUIERDA.
145
Figura 3.35. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de
funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR DERECHA.
En la figuras 3.36 y 3.37, se observará la forma de onda de los
pulsos hacia la bobina del motor bipolar, correspondiente a la
secuencia DERECHA o IZQUIERDA.
146
Figura 3.36. Forma de Onda de los pulsos del PIC hacia las bobinas del motor.
GIRO IZQUIERDO.
Figura 3.36b. Identificación de los channels (colores) de las bobinas del motor.
Cada “Channel” es una bobina.
147
Figura 3.37. Forma de Onda de los pulsos hacia las bobinas del motor. GIRO
DERECHO.
Figura 3.37b. Identificación de los channels (colores) de las bobinas del motor.
Cada “Channel” es una bobina.
148
3.4. Diseño de pruebas
En este subcapítulo se explica, el uso y conexiones del instrumento que
se usó para las mediciones de energía eléctrica del prototipo- el cual fue
el Analizador de Energía FLUKE 43B, el manejo del software asociado a
dicho instrumento- FLUKE VIEW software, y el método matemático para
el cálculo de la energía consumida del prototipo con y sin el sistema- a
base de los datos recogidos durante un período de tiempo.
Metodología de las mediciones.
Las mediciones se hicieron con el Analizador de Energía Fluke 43B y se
obtuvo los datos y su posterior análisis en Hojas de Cálculos de PC, con el
Software Fluke View.
Las mediciones se hicieron en dos etapas:
Primera Medición.- Solo se realizó con la estructura inferior. Esta
estructura estuvo expuesta durante 10 horas diarias, por dos semanas
bajo diferentes condiciones climatológicas (días nublados, días
soleados, etc.). Se mantuvo conectada una carga (acondicionar de aire
de 5000 BTU) todo el día. Aquí se conectó el Fluke 43B.
149
Segunda Medición.- Se utilizó otra estructura que contiene el sistema
de paneles solares propuesto. Este arreglo estará colocado
exactamente encima del arreglo inferior mencionado en la primera
medición. También estos dos conjuntos, estará expuestas durante 10
horas diarias, por dos semanas bajo diferentes condiciones
climatológicas (días nublados, días soleados, etc.). También se
mantendrá conectada la carga utilizada anteriormente pero además se
usará focos leds dimerizables – es decir, luces y acondicionador de
aire de 5000 BTU.
Adicionalmente se efectuó un período más de pruebas sin el sistema de
paneles propuesto, pero cubriendo la claraboya de nuestro prototipo.
Las mediciones que realiza el equipo son cada 128 segundos (2.13
minutos).
Medición en tiempo Real con el Analizador Fluke 43B
Los instrumentos a utilizar son: PC, cable óptico de datos, Fluke 43B.
a. Encender el Analizador de Energía Fluke 43B, presionando el botón
verde de ON
b. Hacer doble clic en el Software Fluke View.
150
c. Una vez abierto la ventana principal de FLUKE VIEW software,
seleccionar el puerto deseado y presionar Connect (ver Fig. 3.38). Se
debe cerciorar que el cable óptico del Equipo esté conectado a un
puerto USB.
Figura 3.38.Venta para la conexión entre la PC y el Analizador de Energía por medio del
software FLUKE VIEW.
d. Se debe estar seguro que las conexiones físicas del FLUKE 43B estén
hechas correctamente. Luego presionar Menú Instrument Star
logging Reading. (ver Fig. 3.39.)
151
Figura 3.39. Inicio de la conexión en tiempo Real del Equipo con la PC.
Figura 3.40. Configuración en la transferencia de datos en tiempo Real
e. Una vez seleccionado Star logging Reading, aparecerá la ventana
Logging of readings selection. Aquí se seleccionará Continuos logging,
y se pondrá 0 segundos en el recuadro de Interval time between
updates. Por último se hará click en Start, tal y como se observa en la
Fig. 3.40. Lo anterior, nos ayudará en obtener los datos en tiempo real
de las mediciones.
152
Figura 3.41. Para copiar datos a una Hoja de Cálculo.
f. Una vez detenida la recolección de datos, para pasar la información
de la gráfica (sea esta, datos y forma de onda) a una tabla de
análisis, se hace click derecho y se se selecciona Copy Graphics o
Copy Data.(Fig 3.41.)
g. Una vez los datos estén copiados, pegarlos en la hoja de cálculo de
preferencia, así como Microsoft Excel (Fig. 3.42.)
153
Figura 3.42. Para copiar datos a una hoja de cálculo.
Medición desde el menú del Analizador de Energía Fluke 43B
a. Encender el Analizador de Energía Fluke 43B, presionando el
botón verde de ON del panel frontal del equipo (ver Fig.3.38).
b. Una vez encendido el Analizador, presionar el botón Enter, para
salir de la Pantalla Inicial del equipo e ir al Menú del Mismo.
c. Entre las opciones del Menú, ir a Fluctuaciones. Se navega por las
diferentes opciones de menú con las teclas direccionales. Y para
entrar a los diferentes menús, se presiona la tecla Enter (ver
Fig.3.43).
154
Figura 3.43. Menú Principal del Analizador de Energía Fluke 43B.
d. En Fluctuaciones, se selecciona el tiempo de Registro: De 4, 8, 16,
30, min; o de 1, 2, 4, 8, 16, 24, 48 horas; o de 4, 8 días, e inclusive
infinito. Luego presionar Enter.
e. Una vez seleccionado el tiempo de medición, por medio de la tecla
Enter presionar en Iniciar. Esperar el tiempo seleccionado para el
término de las mediciones
f. Una vez terminado el tiempo de mediciones, presionar la tecla Save.
Si se desea detener las mediciones antes del periodo
seleccionado, presionar la tecla Hold y luego Save (si se sale al
menú principal sin guardar los datos – Observar el mensaje- se
155
perderán), ver Fig.3.44. Las imágenes se guardarán como
imágenes en la memoria interna del Analizador.
Figura 3.44. Panel Frontal del Fluke 43B.
g. Conectar el cable óptico del Equipo a un puerto USB de la PC.
Mantener encendido el equipo de aquí en adelante.
h. Hacer doble clic en el Software Fluke View.
i. Una vez abierto la ventana principal de FLUKE VIEW software,
seleccionar el puerto deseado y presionar Connect. Se debe
cerciorar que el cable óptico del Equipo esté conectado a un puerto
USB.
j. En el equipo ir al menú Ver/ Borrar Memorias, y colocarse sobre la
imagen de la forma de onda a adquirir los datos. En la barra de
Menú del software, presionar el botón Display Trend (Ver Fig.
156
3.45a). Esto hará que los datos medidos durante el periodo de
tiempo- seleccionado anteriormente, pasen a la memoria del
software. También se puede adquirir los datos en forma de
fotografía, para esto presionar en la barra de menú Display
Instrument Screen (Ver Fig. 3.45b).
Figura 3.45a. Botón Display Trend.
Figura 3.45b Botón Display Instrument Screen.
h. Una vez detenida la recolección de datos, para pasar la información de la gráfica (sea
esta, datos y forma de onda) a una tabla de análisis, se hace click
derecho y se selecciona Copy Graphics o Copy Data (Fig. 3.43).
i. Una vez los datos estén copiados, pegarlos en la hoja de cálculo de
preferencia, así como Microsoft Excel (Fig. 3.42)
157
Medición física del Analizador de Energía Fluke 43B
La medición física del Analizador de Energía, se refiere a las correctas
conexiones de la punta de voltaje y la pinza de corriente en el prototipo.
La punta de voltaje irá conectada a la entrada de 120Vac de la Red. La
pinza de corriente irá alrededor del cable de entrada que se conecta a la
Red pública.
158
4.
5.
6.
7.
8.
9. CAPÍTULO 4
PRUEBAS DEL SISTEMA
Durante todo este capítulo, se muestra el prototipo implementado por medio de
fotos, diagramas eléctricos, electrónicos y mecánicos; el proceso de recolección
de datos de energía eléctrica para probar la hipótesis antes planteada, y el
cálculo en términos de eficiencia energética obtenida por el sistema propuesto.
4.1. Diagrama del sistema completo
Para tener una mejor visualización se procede a realizar el diagrama
unifilar del prototipo de generación de energía fotovoltaica (ver Fig. 4.1),
en el cual, se observa el sistema distribuido de cargas través de todo el
prototipo.
En la Fig. 4.1 se puede identificar dos zonas de conexiones detalladas:
159
Mesa superior.- Se encuentran las cargas representadas por el
circuito del seguidor solar tanto de control (PCB), así también de
fuerza (motor a pasos)
Mesa inferior.- Se localizan las cargas eléctricas más representativas
en términos de potencia eléctrica del sistema: aire acondicionado e
iluminación led.
Esta separación de las cargas, nos permite realizar las pruebas eléctricas
con y sin el sistema propuesto.
AA
Linea 110V
Breaker Principal
Dimmer Automatico
Breaker Aire Acondicionado
Luces LEDS
Aire Acondicionado
Inversor
Fuente de alimentación Circuito de control
Fuente de alimentación Motor
Mesa superior Figura 9.1. Diagrama Unifilar del Prototipo Propuesto.
160
4.2. Fotos del sistema implementado
En este subcapítulo, se hará la presentación digital de la implementación
del prototipo propuesto. Se hará diferenciación entre los circuitos
eléctricos y el diseño físico del mismo.
Circuitos Eléctricos
Las imágenes de estos circuitos eléctricos, serán las correspondientes al
Circuito eléctrico del Seguidor Solar, del Dimmer. También se tomará en
cuenta al motor de pasos bipolar y el sensor.
Figura 9.2. Vista Superior del Controlador del Seguidor Solar.
161
Figura 9.3. Vista Frontal del Controlador del Seguidor Solar.
Figura 9.4. Vista Superior del Dimmer.
163
Figura 9.7. Vista Frontal del Sensor de luminosidad.
Figura 9.8. Vista Superior del motor a pasos bipolar.
164
Diseño Físico
Las imágenes del diseño físico del prototipo corresponden a la estructura
de acero de los dos arreglos a utilizar en el prototipo- el inferior, que
tendrá el acondicionador de aire y el sistema de luces; y el superior, que
contendrá a los paneles solares-, como también al sistema de engranajes
para mover los paneles. Se hará énfasis en la ubicación de los paneles
solares en forma de persianas solar.
Figura 9.9. Vista Iso Superior – Mesa Superior.
165
Figura 9.10. Vista Frontal de las dos estructuras del Prototipo.
Figura 9.11. Vista frontal de la mesa inferior del prototipo. Se aprecia el aire
acondicionado y el policarbonato que hace de las veces de claraboya.
166
Figura 9.12. Vista Frontal del acople mecánico del motor a pasos.
4.3. Medición de carga consumida
Como se venía analizando en la sección 3.4, para un correcto análisis del
ahorro energético del prototipo propuesto, las pruebas se realizaron en
dos partes:
Primera Medición: Carga consumida por el prototipo sin el sistema
de generación con paneles solares propuesto.
Segunda Medición: Carga consumido por el prototipo conectado al
sistema de generación fotovoltaica por punto lumínico.
167
Medición adicional: Carga consumida por el prototipo sin el sistema
propuesto, y solo cubriendo las claraboyas del mismo.
TABLA 9.1. CRONOGRAMAS DE MEDICIONES DEL PROTOTIPO
Cronograma de mediciones
Octubre -Primera Medición- Noviembre- Segunda Medición-
20 21 22 23 24 27 28 29 30 31 4 5 6 7 10 11 12 13
A/C nivel medio
X X X X X X
A/C nivel alto
X X X
A/C nivel bajo
X
Sistema + A/C nivel medio
X X X X X X X X
Primera Medición: Carga consumida por el prototipo sin el sistema
de generación de paneles solares propuesto.
Para obtener datos de todas las posibles configuraciones de enfriamiento
del acondicionador del aire propuesto- nivel bajo, medio y alto- se ha
decidido un cronograma de pruebas (ver Tabla 4.1), en donde cada una
de las mediciones se las realizó entre las ocho de la mañana (8 a.m.)
168
hasta las seis de la tarde (6 p.m.) cumpliendo 10 horas de mediciones
diarias aproximadamente.
Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Alto
Para tener un correcto análisis de energía de la carga consumida por el
aire acondicionado a su máximo setting de temperatura se procedió a
obtener la potencia durante diez horas, y calcular la energía consumida
por todo el día.
En la Fig.4.13 se puede observar las gráficas de Potencia Instantánea
(cada 128 segundos) vs el tiempo de medición (de 10 horas
aproximadamente) de los tres días de medición, en donde se destaca el
constante accionamiento del compresor, volviéndose más prolongado
cuando tenemos una mayor irradiancia y temperatura ambiente durante
un periodo del día.
169
Figura 9.13. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del
tiempo- sin el Sistema Propuesto- Durante 3 días de Setting Alto del A/C.
De la gráfica se puede deducir lo siguiente:
En condiciones similares se obtienen gráficas equivalentes, en donde,
su mayor diferencia se radicará en función de las condiciones
ambientales a las que trabaja.
En la tabla 4.2 se presenta la energía consumida- en cada día de
medición- por la carga, sin el sistema fotovoltaico propuesto. Esto fue
obtenido en función del análisis numérico evaluado en Matlab.
170
TABLA 9.2. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL ALTO DE A/C- SIN EL
SISTEMA PROPUESTO.
Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Medio
La temperatura ocasionada por la posición de setting medio del
acondicionador de aire, es tal vez la más aproximada a la de confort
(20°C). Se mostrará las gráficas de potencia instantánea en función del
tiempo durante el periodo de tiempo desde el 20 al 22 de octubre
(Fig.4.14a), como también las del 23, 24 y 27 de octubre (Fig.4.14b).
Energía consumida nivel alto A/C
Día de la medición Energía
consumida (Kwh)
Temperatura promedio (oC)
Irradiancia promedio
(W/m2)
28 de Octubre de 2014
2.5497 27.25 380.4
29 de Octubre de 2014
2.3038 25.05 299.6
30 de Octubre de 2014
2.3560 25.4 276.5
171
Figura 9.14. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- sin el
Sistema Propuesto- 20 al 23 de octubre- Setting Medio del A/C.
172
Fig. 4.14b.Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- sin el
Sistema Propuesto- 23, 24, 27 de octubre- Setting Medio del A/C.
173
TABLA 9.3. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- SIN EL SISTEMA PROPUESTO.
Energía consumida nivel medio A/C
Día de la medición
Energía
consumida
(Kwh)
Temperatura
promedio
(oC)
Irradiancia
promedio
(W/m2)
20 de Octubre de 2014 2.8339 27.12 271.67
21 de Octubre de 2014 3.2576 28.61 501.42
22 de Octubre de 2014 2.5262 25.15 225.90
23 de Octubre de 2014 2.6939 25.50 332.52
24 de Octubre de 2014 2.4331 24.11 166.28
27 de Octubre de 2014 3.095 27.67 454.56
Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Bajo
A pesar de que al posicionar el setting de temperatura en la posición más
mínima tendremos la posición de confort menos favorable. Sin embargo,
se decidió realizar la medición por un día durante diez horas para de esta
manera cubrir todos los posibles casos que nos permite el prototipo.
En la Fig.4.15 se puede observar las gráficas de potencia instantánea en
función del tiempo (color rojo) durante el 31 de octubre, en donde además
se puede observar la tendencia de los datos adquiridos (color azul).
174
Figura 9.15. Gráfica de Potencia Instantánea Setting Bajo.
De la gráfica se puede concluir lo siguiente:
Durante la medición del 31 de octubre se puede presenciar un
aumento en la energía consumida, debido que durante gran parte del
día estuvo soleado, originando el encendido constante del compresor,
ya que debe mantener la temperatura ambiente dentro del prototipo.
Como resultado en la Tabla 4.4. se presentara la energía consumida
por nuestro sistema en el día 31 de octubre, la cual fue obtenida en
función del análisis numérico evaluado en Matlab.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550ENERGIA 31-10-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
nta
nea
data 1
6th degree
175
TABLA 9.4. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL BAJO DE A/C- SIN EL SISTEMA PROPUESTO.
Segunda Medición: Carga consumida por el prototipo con el sistema
de generación de paneles solares propuesto
Una vez terminadas las pruebas del prototipo sin el sistema de mejora
propuesto, se procedió a ubicar la mesa superior del arreglo de paneles
con el seguidor solar de punto lumínico (ver Tabla 4.1), y observar el
comportamiento energético del mismo. Las mediciones de igual forma, se
las realizó entre las ocho de la mañana (8 a.m.) hasta las seis de la tarde
(6 p.m.)- cumpliendo 10 horas de mediciones diarias aproximadamente.
Se tomaron datos del Nivel alto del A/C y del nivel medio, pero se tomará
en cuenta para términos de análisis de la eficiencia, solo el último setting-
ya que es el que garantiza una temperatura de confort (20°C).
Energía consumida nivel bajo A/C
Día de la medición
Energía
consumida
(Kwh)
Temperatura
promedio
(oC)
Irradiancia
promedio
(W/m2)
31 de Octubre de 2014 4.3236 26.74 408.48
176
Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Alto
Se Mostrará dos días de mediciones en este nivel, los cuales son los días
4 y 5 de noviembre.
En la Fig.4.16 se puede observar las gráficas de Potencia Instantánea
(cada 128 segundos) vs el tiempo de medición (de 10 horas
aproximadamente) de los dos días de medición, en donde se destaca el
encendido y apagado constante del acondicionador de aire. Además, se
puede verificar la energía consumida durante cada uno de los días de la
medición en la Tabla 4.5.
Figura 9.16 Graficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo sin el sistema propuesto - Durante Dos días de setting Alto del A/C.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400ENERGIA 4-11-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
nta
nea (
W)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400ENERGIA 5-11-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
nta
nea (
W)
177
TABLA 9.5 ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL ALTO DE A/C- CON EL
SISTEMA PROPUESTO.
Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Medio
La temperatura ocasionada por la posición de setting medio del
acondicionador de aire, es tal vez la más aproximada a la de confort
(20°C). Se mostrará las gráficas de potencia instantánea en función del
tiempo durante el 6 y el 7 de noviembre (Fig.4.16a), como también las del
10 al 13 de noviembre (Fig.4.16b).
Energía consumida nivel alto A/C
Día de la
medición
Energía consumida
(Kwh)
Temperatura
promedio (oC)
Irradiancia
promedio (W/m2)
4 de noviembre
de 2014 2.0481 26.8 387.72
5 noviembre de
2014 1.6001 24.76 176.22
178
Figura 9.17. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- con el
Sistema Propuesto- 6 y 7 de noviembre- Setting Medio del A/C.
Fig. 4.17b.Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- con el
Sistema Propuesto- del 10 al 13 de noviembre- Setting Medio del A/C.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400ENERGIA 6-11-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
ntá
nea (
W)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400
500ENERGIA 7-11-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
ntá
nea (
W)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
200
400ENERGIA 10-11-2014
Tiempo (sg)Pot
enci
a in
stan
táne
a (W
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
200
400ENERGIA 11-11-2014
Tiempo (sg)
Pot
enci
a in
stan
táne
a (W
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
200
400 ENERGIA 12-11-2014
Tiempo (sg)Pot
enci
a in
stan
táne
a (W
)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
200
400ENERGIA 13-11-2014
Tiempo (sg)
Pot
enci
a in
stan
táne
a (W
)
179
TABLA 9.6. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- CON EL
SISTEMA PROPUESTO.
Energía consumida nivel medio A/C
Día de la medición Energía consumida
(Kwh)
Temperatura
promedio (oC)
Irradiancia
promedio (W/m2)
6 de noviembre de
2014 1.8345 27.17 409.55
7 de noviembre de
2014 2.0427 29.1 399.08
10 de noviembre de
2014 1.92637 28.41 580.41
11 de noviembre de
2014 2.2448 27.08 363.98
12 de noviembre de
2014 2.0004 28.11 415.55
13 de noviembre de
2014 1.6364 27.75 300.06
Tercera Medición: Carga consumida por el prototipo tapada la
claraboya y sin el sistema de generación de paneles solares
propuesto
Para cubrir las diferentes alternativas de medición que envuelven a
nuestro proyecto se decidió realizar una medición adicional, en donde, se
procede al tapado de la claraboya del prototipo y consecuentemente a la
medición de carga del prototipo teniendo como resultado la Tabla 4.7 y la
referencia grafica 4.18
180
Figura 9.18. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo 28 de noviembre y 5 de diciembre- Setting Medio del A/C y cubierta la claraboya.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400
500ENERGIA 28-11-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
ntá
nea (
W)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
x 104
0
100
200
300
400
500ENERGIA 05-12-2014
Tiempo (sg)
Pote
ncia
insta
ntá
nea (
W)
181
Tabla 9.7. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- CLARABOYAS
CUBIERTAS
Energía consumida nivel medio A/C
Día de la medición Energía consumida
(Kwh)
Temperatura
promedio (oC)
Irradiancia
promedio (W/m2)
28 de noviembre de
2014 2.0411 26.29 178.72
5 de diciembre de
2014
2.4221
28.96 224.96
12 de diciembre de 2014
2.6971
29.81 341.37
13 de diciembre de
2014
2.5823
27.66 276.31
16 de diciembre de
2014 2.7704 28.48 405.59
17 de diciembre de
2014 3.0693 30.40 545.27
4.4. Comparación de ahorro de energía antes y después de la
implementación del sistema fotovoltaico
Para conocer el éxito del presente proyecto, se hará un cálculo numérico
de ahorro energético como también de eficiencia del sistema, por el uso
de nuestro prototipo- diseño de un sistema de generación de energía
eléctrica basado en paneles fotovoltaicos en forma de persiana.
Para el cálculo del ahorro energético, la variable a considerar será la
energía demandada por las diferentes cargas (acondicionador de aire y
182
sistema de luces led), antes y después de utilizar el sistema propuesto.
Estos eventos serán comparados uno con el otro, teniendo en cuenta los
días que mantengan las mismas características, principalmente
determinadas por la irradiancia de la zona (ESPOL), como la temperatura
externa del ambiente. Se formarán parejas de días (uno sin el sistema, y
el otro con este). Para facilidad de cálculos se tomará en cuenta los días
medidos con solo el setting medio del A/C tanto para los días tomados
con y sin el sistema de paneles (Ver Tabla 4.8).
TABLA 9.8. DÍAS QUE COMPARTEN SIMILARES IRRADIANCIA Y TEMPERATURA
EXTERNA
DÍAS SIN SISTEMA DE PANELES
PROPUESTO
DÍAS CON SISTEMA DE PANELES
PROPUESTO
20 de octubre de 2014 6 de noviembre de 2014
24 de octubre de 2014 7 de noviembre de 2014
21 de octubre de 2014 10 de noviembre de 2014
23 de octubre de 2014 11 de noviembre de 2014
27 de octubre de 2014 12 de noviembre de 2014
22 de octubre de 2014 13 de noviembre de 2014
183
Para los cálculos se utilizará la ecuación de ahorro energético (4.1), y se
analizará cada par de días de similares características, para luego
obtener conclusiones acerca del éxito del proyecto.
𝐴𝐸 =𝐾𝑤ℎ𝑆𝑖𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 − 𝐾𝑤ℎ𝐶𝑜𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠
𝐾𝑤ℎ𝑆𝑖𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑥 100% (4.1)
De la Tabla 4.9 se puede observar que durante casi todos los días
medidos, existe un ahorro energético de alrededor del 30%, salvo ciertas
excepciones como la comparación entre el 21 de octubre y 10 de
noviembre. Cabe recalcar que justo este par de días, son de
características de alta temperatura e irradiación.
Se tomaron mediciones adicionales (ver Tabla 4.8), cada uno con una
características particulares diferentes. El setting del acondicionador de
aire estuvo en nivel medio durante estas pruebas. Estas mediciones
fueron realizadas cubriendo la claraboya del prototipo (es decir sin el
sistema propuesto). Los datos obtenidos, muestran que la idea de solo
cubrir las claraboyas no solucionan los problemas de eficiencia
comparados al usar el sistema propuesto de paneles-seguidor (ver Tabla
4.10).
184
TABLA 9.9. COMPARACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO CON Y SIN EL SISTEMA PROPUESTO.
Días sin sistema
de paneles
propuesto
Energía
consumida- sin
paneles (kwh)
Días con sistema de
paneles propuesto
Energía consumida-
con paneles (kwh)
Ahorro
energético
20 de octubre
de 2014 2.8339
6 de noviembre
de 2014 1.8345 35.26%
24 de octubre
de 2014 2.4331
7 de noviembre
de 2014 1.6001 34.23%
21 de octubre
de 2014 3.2576
10 de noviembre
de 2014 2.2448 31.09%
23 de octubre
de 2014
2.939
11 de noviembre
de 2014 2.1155 28.02%
27 de octubre
de 2014 3.095
12 de noviembre
de 2014 2.0004 35.25%
22 de octubre
de 2014 2.5262
13 de noviembre
de 2014 1.6364 35.22%
185
TABLA 9.10. COMPARACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO SIN EL SISTEMA PROPUESTO Y CUBRIENDO LAS CLARABOYAS.
Días sin sistema
de paneles
propuesto
Energía
consumida- sin
paneles (kwh)
Días con claraboyas
cubiertas
Energía consumida-
claraboyas cubiertas
(kwh)
Ahorro
energético
20 de octubre
de 2014 2.8339 13 de diciembre
de 2014 2.5823 8.88%
24 de octubre
de 2014 2.4331 28 de noviembre
de 2014 2.0411 16.11%
21 de octubre
de 2014 3.2576 17 de diciembre
de 2014 3.0693 5.78%
23 de octubre
de 2014
2.939 12 de diciembre
de 2014 2.6971 8.23%
27 de octubre
de 2014 3.095
16 de diciembre de 2014
2.7704
10.49%
22 de octubre
de 2014 2.5262
5 de diciembre de
2014 2.4221 4.12%
4.5. Cálculo de ahorro y eficiencia
Para el cálculo de la eficiencia del sistema, nos ayudaremos de (4.2). Las
variables a considerar es la potencia nominal de los paneles solares
dadas por el fabricante de los paneles, como también la eficiencia del
inversor Tie-Gried, como también la corriente medida por los instrumentos
de medición del lado AC del inversor. La medición se hará en la máxima
intensidad solar.
186
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑥 100% (4.2)
La medición de la corriente generada en el lado AC del inversor cuando
existe una mayor irradiación es 1.06Aac y considerando la eficiencia del
inversor de 96%, se obtiene que los 3 paneles solares conectados en
paralelos (18Vdc) generan 6.78 Adc (4.3).
1.06𝐴𝑎𝑐 ∗120𝑉𝑎𝑐
18𝑉𝑑𝑐∗ 96% = 6.78𝐴𝑑𝑐 (4.3)
Entonces la eficiencia de todo el sistema propuesto sería 81.36% (4.4).
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =6.78 𝐴𝑑𝑐 ∗ 18𝑉𝑑𝑐
150𝑊 𝑥 100% = 81.36% (4.4)
187
5. CAPÍTULO 5
ANÁLISIS DE COSTO PARA EL ÁREA C –
PROFESORES DE LA FIEC
El análisis económico del proyecto consiste en el cálculo de la rentabilidad del
mismo a lo largo del periodo de la actividad. De su posterior evaluación, junto
con el resto de ventajas, inconvenientes y riesgos, se obtiene la viabilidad real
del proyecto.
El objetivo de una instalación pública con las características proyectadas es el
beneficio económico originado por la disminución del consumo energía. Este es
el motivo por el que la rentabilidad es el factor más determinante para la
ejecución de este tipo de proyectos.
188
En el siguiente estudio, se mostrará una previsión de resultados de la instalación
durante los 30 años de vida útil de los módulos fotovoltaicos impuesto por el
fabricante, se toma en cuenta el flujo de caja anual y se estimarán los
parámetros V.A.N (Valor Actual Neto), T.I.R (Tasa Interna de Retorno) y el
Período de recuperación de la inversión, indicadores habituales para el correcto
análisis de este tipo de inversiones. Se toma en consideración la adquisición del
inversor por una sola vez.
5.1. Análisis económico del Sistema Fotovoltaico, de Iluminación, de
Climatización y de Automatización
El correcto análisis de viabilidad económica de un proyecto es
fundamental, no solo para determinar la conveniencia de efectuar una
inversión, sino también para predecir el posible comportamiento de la
misma, pudiendo así evitar o limitar perjuicios económicos importantes
para los inversionistas.
Para el correcto análisis de un sistema fotovoltaico grid tie se tiene en
consideración los siguientes aspectos:
El costo de un KWH impuesto por el Gobierno Ecuatoriano.
Costos de mantenimiento anuales de los elementos que conforman un
sistema fotovoltaico, en lo que hay que destacar que al ser un sistema
189
fotovoltaico Grid Tie, existe un ahorro en la inversión inicial ya que no
se adquieren elementos como baterías y reguladores de carga.
La vida útil de los módulos fotovoltaicos.
La radiación solar promedio sobre los paneles solares, así como
también su localización.
El consumo energético anual (Kwh) del área a implementar el sistema,
en el Área C del edificio de la FIEC.
El ahorro energético obtenido por implementar el sistema de paneles
solares en forma de persianas, obtenido mediante mediciones de
energía en un período de tiempo (Ver Tabla 4.7).
Inflación anual en la economía ecuatoriana.
5.2. Consideraciones económicas
Al no ser Ecuador un país pionero en tecnología solar, los costos de
venta al público- generados por recargos a la importación- de los
elementos que son parte de un sistema fotovoltaico, son altos, en
comparación a países del hemisferio norte. Y en mayoría de los casos,
solamente este tipo productos representa más del 50% de la inversión
inicial.
190
El análisis económico del presente proyecto está particionado en costos
directos, indirectos y sus costos totales para de esta forma obtener un
análisis preciso de la rentabilidad del mismo.
5.2.1. Costos directos e indirectos del proyecto
Costos directos
Los costos directos son aquellos que intervinieron específicamente
en la creación del prototipo, como también del proyecto futuro en el
edificio de la FIEC. Entre estos costes están la fabricación de los
circuitos electrónicos, la estructura física donde irían montados los
paneles y el sistema, y la mano obra. (Ver Tablas 5.1. 5.2, 5.3,
5.4).
Costos indirectos
Los costos indirectos son aquellos que no surgen durante el tiempo
de la obra, y que deben ser solucionados para no paralizar los
trabajos. Entre estos están los imprevistos, montaje de equipos, y
diseño de ingeniería (Ver Tabla 5.5).
191
5.2.2. Costos totales
Es la suma de todos los costos directos e indirectos. Ver Tabla 5.6
TABLA 5.1. MATERIALES FÍSICOS PARA IMPLEMENTACIÓN EDIFICIO FIEC – AREA C
MATERIALES
ÍTEM DENOMINACIÓN CANTIDAD P. UNITARIO TOTAL
1 Panel Fotovoltaico Exmork 50W 52 142 7384
2 Inversor grid tie 2500 W 1 550 550
3 Focos Led 10 W - 110 V 18 4 72
4
Motor a pasos bipolar Gearbox 2,8V -
1,68 1 55 55
5 Chumaceras de piso 3/4 de diámetro 26 11 286
6 Perfiles de estructura para eje 104 6 624
7 Tubo cuadrado 1 1/4 X 1.8 mm 35 11 385
8 Tubo de acero 39 5,6 218,4
9 Plywood de 9mm 16 7,2 115,2
10 Prisioneros P. 3/8 x 1/2 26 0,2 5,2
11 P. 3/8 x 11/2, anillo de presión 4 3,7 14,8
12 P. 1/4x 3/4 4 1,8 7,2
14 Cable eléctrico dual #12 THW 100 1,2 120
15 Cable eléctrico #22 telefónico 20 1,2 24
16 Piñón para cadena #40 de 30 dientes 25 8,5 212,5
17 Piñón para cadena #40 de 10 dientes 1 7,35 7,35
18 Boquilla para foco led 10W 26 3,5 91
19 Cadena #40 metálica 20 2,5 50
20 1 Breaker 95A DC 2 polos 1 35 35
21 1 Breaker 12A AC 2 polos 1 13 13
22 Interruptor 1 1,6 1,6
23 Paquete de amarra plástica 1 2,5 2,5
24 Fusible 15 A 1 3,7 3,7
25 Pintura para madera 5 7,3 36,5
26 Pintura anticorrosiva para metal 4 4,5 18
TOTAL 10339,45
192
TABLA 5.2. MATERIALES ELECTRÓNICOS PARA SEGUIDOR SOLAR - DIMMER
MATERIALES ELECTROCNICOS
ÍTEM DENOMINACIÓN CANTIDAD P. UNITARIO TOTAL
1 PIC 16F887 1,00 6,80 6,80
2 PIC 16F877A 1,00 10,00 10,00
3 Fotocelda 10,00 0,70 7,00
4 Batería 3V SONY 1,00 1,00 1,00
5 MOC 324 1,00 0,70 0,70
6 Triac BT136 1,00 6,00 6,00
7 Resistencias 1/2 W 12,00 0,10 1,20
8 Transformador 12V 1 A 1,00 10,00 10,00
9 Integrado L298N 1,00 6,00 6,00
10 Puentes Rectificadores 2A 2,00 0,90 1,80
12 Borneras 3 pines 2,00 0,50 1,00
13 Integrado LM7812 1,00 1,00 1,00
14 Integrado LM7805 1,00 1,00 1,00
15 Integrado DS1307 1,00 1,50 1,50
16 Capacitor 1000 uf/25V 2,00 0,25 0,50
17 Capacitor 470 uf/25V 2,00 0,25 0,50
18 Leds de 5mm 5,00 0,25 1,25
19 Pantalla Led 16x4 1,00 14,20 14,20
20 Zócalo 20 pines por lado 2,00 0,50 1,00
21 Zócalo 4 pines por lado 1,00 0,50 0,50
23 Cristal 32 KHz 1,00 0,55 0,55
24 Cristal 4 MHz 1,00 0,55 0,55
26 Potenciómetro 10K 1,00 0,50 0,50
27 Impresión de placas 2,00 12,00 24,00
28
Cajas acrílicas circuitos
eléctricos 2,00 15,00 30,00
TOTAL 135,10
193
TABLA 5.3. MANO DE OBRA PARA IMPLEMENTACIÓN – ÁREA C PROFESORES
MANO DE OBRA
ÍTEM DENOMINACIÓN
HORAS
HOMBRE
COSTO
HORA TOTAL
1 Ayudante eléctrico 32 3 96,00
2 Pintor (estructura y plywood) 16 3 48,00
3 Ayudante electrónico (soldadura) 8 2 16,00
4 Ayudante mecánico 80 4 320,00
5 Transporte componentes del sistema 2 100 200,00
TOTAL 680,00
TABLA 5.4. . COSTOS DIRECTOS TOTALES PARA IMPLEMENTACIÓN –
ÁREA C PROFESORES
COSTOS DIRECTOS TOTALES
ÍTEM DENOMINACIÓN PRECIOS
1 Materiales 10339,45
2 Materiales Electrónicos 135,10
3 Mano de Obra 680,00
11154,55
TABLA 5.5. COSTOS INDIRECTOS TOTALES PARA FIEC– ÁREA C
PROFESORES
COSTOS INDIRECTOS TOTALES
ÍTEM DENOMINACIÓN PRECIOS
1 Imprevistos Costos directos 50,00
2 Montaje de Equipos 100,00
3 Diseño de ingeniería 1000,00
4 Combustible 100,00
1250,00
194
TABLA 5.6. COSTOS TOTALES PARA IMPLEMENTACIÓN – ÁREA C
PROFESORES
COSTOS TOTALES
ÍTEM DENOMINACIÓN PRECIOS
1 Costos Directos Totales 11154,55
2 Costos Indirectos Totales 1250,00
12404,55
5.3 Proyección del tiempo de recuperación de la Inversión
Para una correcta y efectiva proyección del tiempo de recuperación de la
inversión solicitada se debe utilizar el siguiente método dinámico de
evaluación de inversiones.
Criterio actual del valor neto (V.A.N)
Antes de calcular el V.A.N primero se debe realizar los cálculos
estimados de producción diaria (5.1) y anual (5.2) del sistema fotovoltaico
(52 paneles), en donde, se determina el ahorro económico en función del
costo real por Kwh consumido en la red y de la eficiencia del inversor a
utilizar y del sistema a implementar.
195
𝐺𝐸𝐷 = 𝐻𝑃𝑆 ∗ 𝑊𝑝 ∗ 𝜂𝐼𝑁𝑉 ∗ 𝜂𝑆𝐼𝑆𝑇𝐸𝑀𝐴
𝐺𝐸𝐷 = 10 ∗ 50 𝑊 ∗ 0.94 ∗ .08136
𝐺𝐸𝐷 = 382.392 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎
(5.1)
𝐺𝐸𝐷𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 382.392𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎∗ 52 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 19884.384
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎
𝐺𝐸𝐷𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 19.884 𝐾𝑤ℎ
𝑑𝑖𝑎
𝐺𝐸𝐴𝑇 = 19884.384𝑊. ℎ
𝑑𝑖𝑎∗
365 𝑑𝑖𝑎
𝑎ñ𝑜∗
1𝐾𝑤ℎ
1000𝑊ℎ
𝐺𝐸𝐴𝑇 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ
𝑎ñ𝑜
(5.2)
Una vez calculada la energía estimada a producirse diaria y anualmente
por los paneles solares se procede a obtener el valor económico
energético producido anualmente por el sistema de generación
fotovoltaica, el cual va a estar en función del precio energético por KWH
establecido por el CONELEC.
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 𝐺𝐸𝐴𝑇 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝐾𝑊𝐻 (5.3)
196
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ
𝑎ñ𝑜∗ 0.07
𝑈𝑆𝐷
𝐾𝑤ℎ
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎 7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = $508.05
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠27 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 𝐺𝐸𝐴𝑇 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝐾𝑊𝐻
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ
𝑎ñ𝑜∗ 0.27
𝑈𝑆𝐷
𝐾𝑤ℎ
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎 27 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻
= $1959.61
(5.4)
Criterio actual del valor neto (V.A.N.)
Este indicador nos permite obtener el valor presente de un determinado
número de cajas futuras producidas por la inversión, en donde para poder
comprobar la factibilidad positiva del proyecto se debe observar:
El monto de la inversión
197
El costo de oportunidad del dinero, donde en Ecuador se usa la
inflación anual del país.
La vida útil del proyecto a invertir
El V.A.N. viene originado por la siguiente fórmula:
𝑉𝐴𝑁 = ∑𝐹𝑛
(1 + 𝐶𝑜𝑝)𝑛
𝑛
𝑛=1
− 𝐹𝑜 (5.5)
Donde:
𝑭𝒐 = Flujo en el año cero = Inversión del proyecto
𝑭𝒏 = Flujo en el año n
𝑪𝒐𝒑 = Costo de oportunidad = Tasa de referencia = Valor del dinero
Una vez obtenido el resultado pasamos a obtener las conclusiones del
proyecto basado en los siguientes parámetros:
Por medio de la función VNA (tasa inflación, rango de flujos) de la hoja de
cálculo Excel, se puede calcular el VAN de un proyecto de Inversión
durante el tiempo. Lo que se necesita es la tasa de interés vigente del
10% de acuerdo a los datos del fondo de desarrollo del Banco Nacional
de Fomento, el valor de la inversión inicial, los costos de mantenimiento y
198
operación anual y el beneficio anual por el ahorro energético y la
generación de los paneles solares. Ver Tabla 5.7 y 5.6, para costos de 7
centavos (por la característica de la ESPOL como contribuyente especial
en el pago de energía eléctrica) y 27 centavos el kwh (si es que ESPOL
pagara como una residencia de acuerdo al plan tarifario del gobierno
ecuatoriano según consumo, para el 2014), respectivamente.
Considerando un pago de $0.07 el kwh, tendremos que el Valor Actual
Neto (VAN) para el año 30 – último año de duración del proyecto- es:
𝑉𝐴𝑁 = −$8651.39 (5.6)
Este valor es negativo, lo que implica que durante el tiempo de vida del
proyecto no se recuperará la inversión inicial.
199
TABLA 5.7. COSTES Y BENEFICIOS DEL PROYECTO DURANTE EL TIEMPO $0.07 EL KWH
PROYECTO: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS EN FORMA DE PERSIANAS.
Energía Costo KWH No Años Flujo de ingresos Flujo de egresos Flujo efectivo neto
0 -12404,55 -12404,55
7257,8 0,07 1 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 2 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 3 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 4 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 5 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 6 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 7 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 8 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 9 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 10 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 11 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 12 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 13 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 14 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 15 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 16 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 17 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 18 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 19 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 20 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 21 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 22 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 23 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 24 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 25 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 26 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 27 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 28 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 29 508,05 100 408,05
7257,8 0,07 30 508,05 100 408,05
200
TABLA 5.8. COSTES Y BENEFICIOS DEL PROYECTO DURANTE EL TIEMPO $0.27 EL KWH
PROYECTO: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS EN FORMA DE PERSIANAS.
Energía Costo KWH No Años Flujo de ingresos Flujo de egresos Flujo efectivo neto
0 -12404,55 -12404,55
7257,8 0,27 1 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 2 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 3 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 4 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 5 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 6 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 7 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 8 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 9 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 10 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 11 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 12 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 13 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 14 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 15 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 16 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 17 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 18 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 19 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 20 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 21 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 22 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 23 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 24 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 25 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 26 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 27 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 28 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 29 1959,61 100 1859,61
7257,8 0,27 30 1959,61 100 1859,61
201
Considerando un pago de $0.27 el kwh, tendremos que el Valor Actual
Neto (VAN) para el año 30 – último año de duración del proyecto- es:
𝑉𝐴𝑁 = $5032.34 (5.7)
Este valor es positivo, lo que implica que durante el tiempo de vida del
proyecto se recuperará la inversión inicial, por lo que la inversión es
plausible.
5.4 Mejoras complementarias y sus costos
Para mejorar el sistema fotovoltaico diseñado se propone realizar la
implementación del sistema en funciona con la cogeneración de otras
energías renovables como en el caso específico de la ESPOL puede ser
la eólica.
Mejoras y trabajos futuros
El regulador de voltaje desarrollado presenta pérdidas muy considerables
por lo que se debe mejorar y migrar en tecnología al uso de convertidores
conmutados más eficientes.
Este nuevo desarrollo debe realizarse en conjunto con el ESPOL de
manera que las especificaciones de diseño puedan adaptarse para la
obtención de mejores resultados.
202
Se nota también la necesidad de utilizar la energía generada, el sistema
podría producir más de lo utilizado y al cargarse completamente las , esa
energía dejará de crearse.
Es factible continuar la línea de investigación, aportando con el diseño del
control sobre procesos de generación de energía eléctrica o
desarrollando tecnología propia para el resto de los componentes del
sistema: módulos fotovoltaicos, regulador de carga y baterías.
203
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
1. Una vez comparando la energía consumida por las cargas entre días de
características similares, se concluye que no importa si el día es nublado
(poca irradiación) o es soleado (mucha irradiación), el ahorro energético
específico para nuestro prototipo es de alrededor del 30%. Además la
eficiencia del sistema de generación solar presentado es de 81.36%.
2. El tiempo de recuperación de la inversión para el futuro proyecto a
implementar en la FIEC, depende principalmente por el valor del kwh y el
gasto inicial del proyecto. Principalmente este gasto es representado por
el costo de los paneles solares a usar. Para un valor de 7 centavos de
dólar el kwh- que es lo que pago la ESPOL como contribuyente especial,
la inversión no se recuperará en el tiempo de duración del proyecto.
204
3. Cubrir solo las claraboyas solo produce un ahorro energético máximo del
15%, la mitad aproximadamente (alrededor del 30%) si se compara con el
ahorro al utilizar el sistema de paneles solares en forma de persianas
planteado.
RECOMENDACIONES
1. Por el ahorro energético obtenido por la implementación del prototipo, se
recomienda su instalación como solución complementaria a problemas de
consumo energético innecesarios en edificaciones con claraboyas.
2. Al evitar que los rayos solares incidan directamente sobre la claraboya, y
esto generar sombras dentro de la estructura- y por tanto perder la
característica de la claraboya de iluminar con luz natural, se recomienda
implementar un circuito dimmer para regular la intensidad de iluminación
dentro de la edificación si la oscuridad generada fuera un problema.
3. Hay que considerar el peso de cada panel y la velocidad del viento, para
poder dimensionar el sistema mecánico de movimiento, como también la
potencia del motor. Es recomendable, utilizar un motor a pasos con caja
205
reductora- mientras los cálculos lo permitan- ya que su consumo
energético sería bajo.
4. Se utilizó paneles solares para contribuir con energía eléctrica al
consumo de las cargas, pero el proyecto gira principalmente en evitar la
irradiación directa y perpendicular sobre la claraboya de la estructura
inferior. Por tal, en vez de paneles solares se pudo utilizar alguna otra
estructura rectangular. Es importante utilizar materiales que eviten
intercambio de calor del exterior al interior, y viceversa.
206
BIBLIOGRAFÍA
[1] GUARDADO GUTIÉRREZ Domingo Heriberto & RIVERA CHÁVEZ Víctor
Eulises de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la UE, Implementación de
seguidor solar en dos ejes para el Sistema Fotovoltaico, 2011.
[2] PACCO RAMÍREZ Karina Lucy del Pilar, Sistema híbrido eólico-fotovoltaico
(SHEFV) de baja potencia, disponible en Internet:
http:www.monografias.com/trabajos61/sistema-hibrido-eolico fotovoltaico/sistem
-hibrido-eolico-fotovoltaico2.shtml, fecha de consulta marzo de 2014.
[3] Consejo Nacional de Electricidad, “Atlas Solar del Ecuador con Fines de
Generación de Energía Eléctrica”. Ediciones CONELEC, 2008., disponible en
Internet: http://www.conelec.gob.ec/contenido.php?cd=1792, fecha de consulta
en marzo de 2014.
207
[4] Laboratorio de Fuentes Renovables de Energía – ESPOL. “Insolación Global
en Espol en año 2010, 2011, 2012”, disponible en Internet:
http: //esp.fimcp.espol.edu.ec/sitefimcp/web/p-proyecto-investigacion.asp, fecha
de consulta en marzo de 2014.
[5] ORBEGOZO Carlos &. ARIVILCA Roberto, Ángulos de influencia en la
generación de energía solar, disponible en Internet: http://energiaverde.pe/wp-
content/uploads/2010/06/Manual_ES_Fotovoltaica.pdf
[6] MÉNDEZ MUÑIZ Javier María, “Energía Solar fotovoltaica”: Segunda
Edición. Ediciones Ceac, 2004. ISBN: 9788496743977.
[7] PACCO RAMIREZ Karina, “La energía solar fotovoltaica y sus aplicaciones”,
disponible en Internet: http: //www.monografias.com/trabajos82/energia-solar-
fotovoltaica-y-sus-aplicaciones/energia-solar-fotovoltaica-y-sus-
aplicaciones2.shtml, fecha de consulta en julio de 2014.
[8] Sánchez-Friera, P. (2011, July 28). Unidad 1. La célula solar. Retrieved
November 19, 2014, from UNIA OpenCourseWar, disponible en internet:
http://ocw.unia.es/ciencias-tecnologicas/tecnologia-de-celulas-y-modulos-
fotovoltaicos/Materiales/ud1/unidad-1.-la-celula-solar, fecha de consulta en
marzo de 2014.
208
[9] FERNÁNDEZ Ferichola, Interconexionado de células y módulos fotovoltaicos,
disponible en internet:
http://orff.uc3m.es/bitstream/handle/10016/6037/PFC_Julio_Fernandez_Ferichol
a.pdf, fecha de consulta en marzo de 2014.
[10] RÍOS JIMÉNEZ Sergio, Generación solar fotovoltaica. Integración en los
sistemas eléctricos, disponible en internet:
http://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/8697/PFC_Sergio_Rios_Jimene
z.pdf., fecha de consulta abril de 2014.
[11] Ing. BELTRÁN ADÁN José, Prototipo fotovoltaico con seguimiento del Sol
para procesos electroquímicos, Publicado por McGraw- Hill, Noviembre 2009.
[12] Esco-tel de México, Diferentes tipos de celdas solares, disponible en
Internet: http://www.esco-tel.com/tipos_de_celdas_solares.html, fecha de
consulta: julio de 2014.
[13] ROLDAN VILORIA, José. “Instalaciones solares fotovoltaicas”: Primera
Edición, 2010.
[14] Lorenzo, E. “El panel fotovoltaico”. UPM, 1994 Disponible en Internet: http:
//www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/04_componen/0
1_generador/01_basico/4_gene_01.htm, fecha de consulta: julio de 2014.
209
[15] Riello Electronic. “Dimensionado de Aros Solar Technology”. Disponible en
Internet: http://www.aros-solar.com/es/dimensionado, fecha de consulta en julio
de 2014.
[16] LARCO Alberto, “Apuntes de Electrónica de Potencia módulo II”, ESPOL
2012.
[17] SÁNCHEZ- FRIERA, Paula. “Celular Solar”. Disponible en Internet:
http://ocw.unia.es/ciencias-tecnologicas/tecnologia-de-celulas-y-modulos-
fotovoltaicos/Materiales/ud1/unidad-1.-la-celula-solar/skinless_view, fecha de
consulta: abril 2014.
[18] YRIBARREN Pedro , Seguidor Punto de Máxima Potencia (MPPT),
disponible en Internet: http://www.webosolar.com/foro/controlador-carga-mppt-
punto-maxima-potencia/, fecha de consulta en agosto de 2014.
[19] Fundación Energizar de Buenos Aires- Argentina, Seguidor Solar,
disponible en Internet:
http://www.energizar.org.ar/energizar_desarrollo_tecnologico_seguidor_solar_qu
e_es.html, consultado en julio de 2014.
[20] PRINSLOO Gerro y DOBSON Robert, Automatic Solar Tracking Sun
Tracking, ISBN 978-0-620-61576-1, EBook 2014.
[21] Fluke. “Guía de usuario Analizador de Potencia Fluke 43B/Registrador de
datos”. Disponible en Internet: http:
210
//www.fluke.com/instruments/resources/manuals/382090_UMpt.pdf, 2009, fecha
de consulta en junio 2014.
[22] CASTELLS Xavier Elías. BORDAS Santiago, “Energía, agua, medio
ambiente territorialidad y sostenibilidad”. Primera Edición, libro electrónico, 2012.
[23] MATESANZ PARELLADA Ángela. Eficiencia energética. Madrid (España),
septiembre de 2008. Disponible en Internet http://habitat.aq.upm.es/temas/a-
eficiencia-energetica.html, fecha de consulta en abril 2014.
[24] Altenergymag Magazine, SingleVsDualAxis, disponible en Internet:
http://www.altenergymag.com/emagazine/2011/02/single-vs-dual-axis-solar-
tracking/1690, fecha de consulta en septiembre 2014.
[25] SARMIENTO JADÁN Freddy SÁNCHEZ CALLE Víctor. Análisis de la
calidad de la energía eléctrica y estudio de carga de la Universidad Politécnica
Salesiana Sede Cuenca”. Disponible en Internet:
Http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/75/7/Capitulo1.pdf, fecha de
consulta: mayo 2014.
[26] Grupo Velux. “Eficiencia energética en los edificios, clave para reducir las
emisiones de gases de efecto invernadero”. Disponible en Internet: http:
//www.alimarket.es/noticia/143843/Eficiencia-energetica-en-los-edificios--clave-
para-reducir-las-emisiones-de-gases-de-efecto-invernadero, fecha de consulta
en agosto de 2014.
211
[27] Scheneider Electric. “Eficiencia Energética en Centros Educativos”.
Disponible en Internet:
http://www.schneiderelectric.es/sites/spain/es/soluciones/eficiencia-
energetica/segmentos-mercado/edificios-centros-educativos/ee-centros-
educativos.page, fecha de consulta en agosto 2014.
[28] Sparkfun, Dual full-bridge driver L298N, St Microelectronics 2012.
[29] AGUIRRE Douglas, “Apuntes de Energías Renovables”, ESPOL 2013.
[30] LUBITZ David- Assistant Professor- University of Guelph, SINGLE-AXIS-
VS-DUAL-AXIS-SOLAR-TRACKING, Disponible en internet:
http://www.strathconasolar.com/single-axis-vs-dual-axis-solar-tracking/, fecha de
consulta en septiembre 2014.