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Selecci�n de un sistema solar fotovoltaico para una finca ubicada en el Cant�n Quinind�

 

Selection of a photovoltaic solar system for a farm located in the Quinind� Canton

 

Sele��o de um sistema solar fotovoltaico para uma fazenda localizada no cant�o de Quinind�

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jr66mc@hotmail.com

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de agosto de 2022 *Aceptado: 28 de septiembre de 2022 * Publicado: 30 de octubre de 2022

 

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica del Litoral, Universidad T�cnica �Luis Vargas Torres�, Ecuador.

     II.            Universidad Luis Vargas Torres, Esmeraldas, Ecuador.

   III.            Universidad Luis Vargas Torres, Esmeraldas, Ecuador.

 

 

 

 

Resumen

Este art�culo presenta el procedimiento y el an�lisis realizado para la selecci�n de un sistema fotovoltaico, para generar energ�a el�ctrica para el abastecimiento de una vivienda del sector rural, que se encuentra ubicado en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n. El dato de la irradiaci�n solar directa para el sitio de la finca donde se desea ubicar el sistema de generaci�n el�ctrica fotovoltaico, fue tomado del MAPA SOLAR del Ecuador 2019.

Palabras clave: Selecci�n; Sistema; Solar; Fotovoltaico; Finca.

 

Abstract

This article presents the procedure and the analysis carried out for the selection of a photovoltaic system, to generate electricity for the supply of a house in the rural sector, which is located in the Province of Esmeraldas - Quinind� Canton - Rosa Zarate Parish - San Ramon. The data of direct solar irradiation for the farm site where you want to locate the photovoltaic power generation system, was taken from the SOLAR MAP of Ecuador 2019.

Keywords: Selection; System; Solar; photovoltaic; Estate.

 

Resumo

Este artigo apresenta o procedimento e a an�lise realizada para a sele��o de um sistema fotovoltaico, para gerar eletricidade para o abastecimento de uma casa no setor rural, localizada na Prov�ncia de Esmeraldas - Cant�o Quinind� - Par�quia Rosa Zarate - San Ramon. Os dados de irradia��o solar direta para o local da fazenda onde deseja localizar o sistema de gera��o de energia fotovoltaica foram retirados do MAPA SOLAR do Equador 2019.

Palavras-chave: Sele��o; Sistema; Solar; fotovoltaica; Estado.

 

 

 

 

 

Introducci�n

El� acceso� a� las� personas� para� obtener� electricidad� se ha convertido en una preocupaci�n importante en los �ltimos a�os. La ONU lanz� en 2011 el programa

�Energ�a sostenible para todos�, que ser� 100% para 2030[1].

La producci�n de energ�a mediante fuentes convencionales ocasiona problemas ambientales, entre los que se encuentra la reducci�n de la capa de ozono, aumento del calentamiento global, el agotamiento de los recursos, acidificaci�n, entre otros (Dorotić, Doračić, Dobravec, Puk�ec, Krajačić & Duić, 2019). Esta realidad ha impulsado a la optimizaci�n de la eficiencia en la sustracci�n, transporte, utilizaci�n, preservaci�n de recursos energ�ticos y exploraci�n de otras formas de obtener energ�a de recursos y fuentes renovables (Badii, Guillen & Abreu, 2016; Nikoobakht, Aghaei, Khatami, Mahboubi-Moghaddam & Parvania, 2019) [2].

A nivel mundial se definen tres factores que impulsan la utilizaci�n de las energ�as renovables para mejorar la calidad de vida en zonas rurales, estas son: el permanente crecimiento del consumo energ�tico mundial, el alto impacto de las fuentes de generaci�n de energ�a que utilizan combustibles f�siles (m�s del 80% de la generaci�n de electricidad actual), y el fin de la era del petr�leo para combustible estimado entre 2020 y 2050 [3].

La energ�a solar fotovoltaica actualmente es la segunda fuente de energ�a renovable m�s utilizada o implementada en el mundo, despu�s de la E�lica [4]. Esto se debe a que brinda soluciones a un sin n�mero de problem�ticas en este sector. La energ�a solar, es una de las energ�as renovables m�s importantes que existen, debido a que esta constituye pr�cticamente toda la energ�a que llega a la tierra. Su uso puede dividirse en dos rubros: el primero puede ser como fuente de calor de calor para sistemas solares t�rmicos y el segundo como fuente de electricidad para sistemas fotovoltaicos.

En el Ecuador y en gran parte de nuestro planeta, una de las formas de proporcionar energ�a el�ctrica a sectores rurales alegados de la red p�blica de distribuci�n el�ctrica, es a trav�s de las energ�as renovables, usando sistemas solares fotovoltaicos.

El uso de la energ�a solar tiene en gran medida como objetivo el ahorrar energ�as no renovables sobre todo la energ�a f�sil y la energ�a nuclear, adem�s de amortiguar el impacto ambiental de estas. Alrededor del mundo se est�n implementando cada vez m�s este tipo de sistemas de generaci�n de energ�a el�ctrica (ver Fig. 1).

Fig. 1. Paneles solares [5]

 

La producci�n de energ�a el�ctrica est� basada en el fen�meno f�sico denominado �efecto fotovoltaico�, que b�sicamente consiste en convertir la luz solar en energ�a el�ctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados c�lulas fotovoltaicas. Estas c�lulas est�n elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos m�s abundantes, componente principal de la arena) con adici�n de impurezas de ciertos elementos qu�micos (boro y f�sforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la radiaci�n luminosa1 (Ver Figura 2).

Fig. 2. Efecto Fotovoltaico [6]

Los sistemas solares fotovoltaicos se clasifican en dos grandes grupos [7]:

Sistemas solares fotovoltaicos aislados u off-grid, estos sistemas aislados no interact�an con la red p�blica de distribuci�n el�ctrica, gestionan la carga y descarga de bater�as, algunos modelos permiten las conexiones de fuentes adicionales de respaldo (que pueden ser: generador e�licos, generadores el�ctricos convencionales). La energ�a el�ctrica se genera y se consume en el mismo punto

Sistemas solares fotovoltaicos con conexi�n a la red el�ctrica (de autoconsumo), en este tipo de instalaciones el sistema fotovoltaico y la red el�ctrica conviven para suministrar el consumo requerido. La energ�a producida por los kits solares de autoconsumo se prioriza para suministrar el consumo en la vivienda. En caso de ser insuficiente, la red el�ctrica proporciona la energ�a necesaria. Mientras que, en caso de producirse excedentes en la instalaci�n, la energ�a sobrante se inyecta a la red el�ctrica para distribuirse al consumo m�s cercano.

En regiones rurales, los sistemas fotovoltaicos aislados o tambi�n llamados sistemas off-grid, constituyen una soluci�n con la cual se puede proveer de energ�a el�ctrica. El sistema fotovoltaico aislado (sin conexi�n a la red el�ctrica) consta de los siguientes elementos principales [6]:

���������� Un m�dulo fotovoltaico, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la insolaci�n luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensi�n (12 � 24 V).

���������� Un acumulador o bater�as, almacenan la energ�a producida por el generador y permite disponer de corriente el�ctrica fuera de las horas de luz o d�as nublados.

���������� Un regulador de carga, cuya misi�n es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le producir�a da�os irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de m�xima eficiencia.

���������� Un inversor, que transforma la corriente continua de 12 � 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 110 V o 220 V.

Una instalaci�n solar fotovoltaica sin inversor, utiliza una tensi�n de 12Vcc. Una instalaci�n solar fotovoltaica con inversor, utiliza 110 Vca o 220 Vca de acuerdo la necesidad del sistema.

Una vez almacenada la energ�a el�ctrica en las bater�as, hay dos opciones: sacar una l�nea directamente de �ste para la instalaci�n y utilizar l�mparas y elementos de consumo de 12 � 24 Vcc o bien transformar la corriente continua en alterna de 110 V o 220 V a trav�s de un inversor.

En la Figura 3, se muestra un esquema de un sistema fotovoltaico aut�nomo con topolog�a A2 sin consumos en CC.

Fig. 3. Esquema de un sistema fotovoltaico aislado [8]

 

En la Figura 4, se muestra un esquema de un sistema fotovoltaico aut�nomo con consumos en CC.

Fig. 4. Esquema de un sistema fotovoltaico aislado con aplicaciones de corriente continua [9]

 

 

 

Objetivos

General

Formular un procedimiento para seleccionar los componentes de un sistema de generaci�n fotovoltaica aislado, para abastecer de energ�a el�ctrica a una finca ubicada en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n.

 

Espec�ficos

1.      Calcular los componentes requeridos del sistema de generaci�n fotovoltaica aislado necesarios para suministrar la demanda el�ctrica de una finca ubicada en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n.

2.      Seleccionar de entre una lista de fabricantes de componentes de sistemas de generaci�n fotovoltaica, los requeridos para suministrar la demanda el�ctrica la finca ubicada en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind�-Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n.

 

Metodolog�a

La metodolog�a planteada para seleccionar los componentes de un sistema de generaci�n fotovoltaica, para abastecer de energ�a el�ctrica de una finca que se encuentra alejada de la red de distribuci�n el�ctrica, es la siguiente:

1.      Determinar el consumo de las cargas que se van a alimentar con la instalaci�n solar fotovoltaica. Para determinar las cargas que van a alimentar con el sistema de generaci�n fotovoltaico, se debe realizar una visita a la finca con el fin de recopilar informaci�n del tama�o de la vivienda, adem�s de entrevistar a sus propietarios y obtener informaci�n de los equipos que ser�n usados en la vivienda.

2.      Calcular la capacidad del banco para alimentar las cargas en condiciones de ausencia solar. La capacidad del banco de bater�a en Ah (amperios hora), se calcular� usando las siguientes ecuaciones:

Adem�s se debe tener en consideraci�n la siguiente condici�n para la selecci�n del voltaje de la bater�a:

�

 

Tabla No. 1 � Voltaje de Acumulaci�n de las Bater�as

 

 

 

 

 

 

3.      Calcular el tama�o de la planta fotovoltaica para generar la cantidad de energ�a requerida para cargar las bater�as y suplir las cargas durante el d�a. Para la selecci�n de la planta fotovoltaica, se deber� determinar las horas solar pico (hsp) de irradiaci�n directa siguiendo los siguientes pasos:

���������� Determinar la ubicaci�n geogr�fica del sitio donde se va a instalar el sistema.

���������� Consultar informaci�n sobre el recurso solar en el lugar de instalaci�n.

���������� Para los c�lculos de selecci�n de un sistema solar fotovoltaico aislado, se deber� tomar las horas solares pico del peor (las m�s baja) mes del a�o.

 

 

 

 

La selecci�n del panel fotovoltaico se realiza con las siguientes ecuaciones:

4.      Determinar los par�metros del controlador de carga. Esto se realizar� con las siguientes ecuaciones:

5.      Determinar los par�metros del inversor

6.      Selecci�n de los componentes del sistema (bater�as, regulador, inversor, cableado el�ctrico, regulador de bater�as, bater�as � inversor).

7.      Elaboraci�n de Data Sheet del sistema solar fotovoltaico seleccionado. cada uno de los equipos seleccionados.

 

Selecci�n de equipos y materiales

La selecci�n de los equipos y materiales requeridos, se realizar� en funci�n de la metodolog�a planteada en el numeral IV de este documento.

1.      Determinar el consumo de las cargas. Despu�s de haber realizado la visita a la finca y entrevistar a sus propietarios, se determin� el siguiente consumo de cargas para la finca.

Equipos	Potencia   (W)	Cantidad	Horas   al d�a	Wh/d�a	Wh/mes
Foco� en cocina	15	1	4	60,00	1.800,00
Foco� en sala	15	1	3	45,00	1.350,00
Foco� en cuartos	15	3	4	180,00	5.400,00
Foco para exteriores	15	1	3	45,00	1.350,00
Televisor	80	1	3	240,00	7.200,00
Cargador de celular	5	1	2	10,00	300,00
Radio	25	1	4	100,00	3.000,00
Consumo				680,00	20.400,00

Tabla No. 2 � Consumo de energ�a

 

Adem�s de la informaci�n de las cargas el�ctricas, la visita a la finca es necesaria para reconocer como est� ubicada la vivienda respecto al norte geogr�fico y determinar el mejor sitio de instalaci�n del sistema de generaci�n fotovoltaica.

C�lculo de la capacidad del banco de bater�as. Reemplazando los siguientes valores en la ecuaci�n 1:

Er= 680 Wh/d�a

Se considera un factor de seguridad del 30% Vn = De la tabla No. 1, con Er se toma 24 V

DoD = 50 % (profundidad de descarga m�xima para una bater�a plomo - �cido)

N = 3 d�as de autonom�a

 

 

 

La selecci�n de la bater�a, se realiza usando la referencia [11], de donde se obtiene la siguiente informaci�n:

La finca que requiere que se provea del suministro de energ�a el�ctrica a trav�s de paneles solares fotovoltaicos, se encuentra ubicada en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n. San Ram�n es un recinto que pertenece a la Parroquia Rosa Zarate del Cant�n Quinind� en la Provincia de Esmeraldas, en Ecuador, se encuentra localizada a 13,5 Km de la ciudad de Quinind� [Latitud: 0� 17�58� - Longitud 79� 34�28�] [12]; su clima es tropical h�medo con temperatura promedio de 25 �C. Se ha decidido usar el sistema fotovoltaico aislado (off-grid), debido a que la finca no tiene acceso a la red de distribuci�n el�ctrica.

Fig. 8. Ubicaci�n del Recinto San Ram�n [12]

 

Los datos de radiaci�n solar de las horas solares pico (hsp) m�nimas anuales del sitio; se obtienen del MAPA SOLAR del Ecuador 2019 � SCINERGY [13], ver Figuras 7, 8, 9.

�

Fig. 7. Irradiaci�n Solar Global Horizontal (GHI) Anual [13]

 

Fig. 8. Histograma de Frecuencia de la Irradiaci�n Solar Global Horizontal (GHI) Anual [13]

Fig. 8. Ubicaci�n del Recinto San Ram�n

[12]

Fig. 9. Valores de Irradiaci�n Solar Horizontal M�nima para la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quininde [13]

�

Del mapa solar del Ecuador 2019, se toma el valor de 3 hsp (horas solares pico m�nimas anuales) para la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n. El c�lculo del arreglo fotovoltaico es:

Efv = 884 Wh/d hsp = 3 h

Modelo JKM340PP-72 = 340 W

Seleccionamos 1���������������� m�dulo������ solar�� M�delo JKM340PP-72 de la marca Jinko Solar [10]

Voltaje y corriente del arreglo

1 M�dulo => VOC = 47,5 V, este es el voltaje m�xmo entregado al controlador en STC

Vmp = 38,2 V I_SC = 9,22 A

Fig. 10 � Modelo ICM-1024 150 [10]

4) C�lculo del controlador Donde:

I_SC = 9,22 A

N = 1 (1 m�dulo solar)

 

 

Fig. 11 � Datos del Controlador de Carga MPPTV [14]

 

El controlador seleccionado es el Modelo ICM- 1024150 de la Marca Inti � Photovoltaics, con una capacidad de corriente de carga de 20A, que es el modelo inmediato superior m�s cercano disponible a la corriente de carga de los 11,56 A resultante del c�lculo de selecci�n del controlador.

Fig. 12 � Modelo ICM-1024 150 [14]

�

5) C�lculo del inversor

Para este c�lculo usamos la siguiente ecuaci�n:

Donde:

PAC= 680 Wh/d

 

Para la selecci�n del controlador usamos la referencia [15], de la figura 13 tomamos:

Fig. 13 � Datos del Inversor [15]

�

El inversor seleccionado es el Modelo Phoenix 24/375 , con una capacidad de pico de potencia de 900 W

Fig. 14 � Datos del Inversor [15]

 

6) Data Sheet del sistema de solar fotovoltaico aislado (off-grid) seleccionado inversor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 3 � Data Sheet del Sistema de Generaci�n Asilado (off- grid)

*Los datos del panel solar son tomados a STC (Irradiance 1000W/m2 � Temperatura de la celda 25 �C)

Seleccionar un sistema fotovoltaico aislado (off- grid) para proveer de energ�a el�ctrica a una vivienda ubicada en la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n, que tiene un consumo diario de 680 Wh/d.

 

2)�������� Con los valores calculados, fueron obtenidos los equipos seleccionando de los manuales de fabricantes.

3)�������� La irradiaci�n solar para los c�lculos, fueron tomados del MAPA SOLAR del Ecuador 2019, que se tiene para la Provincia de Esmeraldas � Cant�n Quinind� � Parroquia Rosa Zarate � Recinto San Ram�n.

4)�������� En el Data Sheet elaborado con los componentes del sistema de generaci�n fotovoltaica aislado (off-grid), se incluy� las caracter�sticas t�cnicas del panel fotovoltaico y de sus principales equipos.

 

Recomendaci�n

1) Se recomienda, que en los sectores alegados de nuestra provincia que no tienen acceso a la red p�blica (Sistema Nacional Interconectado), se fomente el suministro de energ�a el�ctrica a trav�s de la tecnolog�a de sistemas fotovoltaicos asilados (off-grid), ya que de esta forma estamos abasteciendo de energ�a el�ctrica a estos sectores rurales y a la vez estamos dejando de emitir gases de CO2 a la atmosfera.

 

Referencias�

1.      http://enerlac.olade.org/index.php/ENERLAC/article/view/ 123/144

2.      http://revistas.curnvirtual.edu.co/index.php/aglala/article/vi ew/1783/1214 [3]https://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/visele/article/ download/14260/14386/ [4]https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/1031 2/G%c3%b3mez2018.pdf?sequence=1&isAllowed=y

3.      https://americancentersolar.com/

4.      CONELEC � �Atlas Solar del Ecuador con Fines de Generaci�n El�ctrica�

5.      https://www.monsolar.com/blog/tipos-sistemas-solares- fotovoltaicos/

6.      https://www.censolar.org/errores-frecuentes-1/ [9]https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/844817169 1.pdf

7.      https://drive.google.com/file/d/1vI3jM_K5jXI- j3hX4QsqhGnmu3lD3plF/view

8.      https://www.energiaymovilidad.com/blog/wp- content/uploads/2018/05/3BAE_PVV_Block_en_LQ_2016.06

9.      .pdf

10.  Gonz�les Tenorio Jalisco � �Historia de Quinind�

11.  https://www.ingenieriaverde.org/wp- ontent/uploads/2020/01/Mapa_Solar_del_Ecuador_2019.pdf

12.  https://www.energiaymovilidad.com/blog/wp- content/uploads/2018/05/Ficha-Tecnica-Acacia.pdf

13.  https://www.renova-energia.com/wp- content/uploads/2019/07/IN075.pdf

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).x