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Implementaci�n de un sistema fotovoltaico para abastecer de energ�a a un sector rural del Golfo de Guayaquil mediante el an�lisis de carga y simulaci�n por software

 

Implementation of a photovoltaic system to supply energy to a rural sector of the Gulf of Guayaquil through load analysis and software simulation

 

Implementa��o de um sistema fotovoltaico para fornecer energia a um setor rural do Golfo de Guayaquil por meio de an�lise de carga e simula��o de software

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: ingenieria1@inproconfi.com

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de diciembre de 2022 *Aceptado: 12 de enero de 2023 * Publicado: 24 de febrero de 2023

 

1. Ingeniero El�ctrico, Investigador Independiente, Ingeniero constructor en INPROCONFI, S.A. Ecuador.
2. Ingeniero El�ctrico, Investigador Independiente, Fiscalizador de Proyectos El�ctricos, Ecuador.

Resumen

El estudio en cuesti�n tiene como finalidad la implementaci�n de sistemas fotovoltaicos en la comuna Masa 2 ubicada en el Golfo de Guayaquil, con la finalidad de abastecer del suministro el�ctrico limpio y econ�mico a los habitantes del sector, ya que no cuentan con suministro el�ctrico convencional, lo que implica utilizar generadores el�ctricos a base de motores de combusti�n interna, los mismos que dan lugar a gastos econ�micos considerables, pero colateralmente el da�o medio ambiental que producen. En torno al antecedente antes indicado se tiene previsto aprovechar la energ�a solar como recurso natural con los que cuenta el sector, adem�s de ser amigable con el medio ambiente nos permitir� reducir tanto los costos debido al consumo de combustible, el mantenimiento del grupo, pero sobre todo mitigar el impacto ambiental del 〖CO〗_2sobre el entorno. En base a ello, se efectu� el an�lisis de carga para garantizar un sistema estable a futuro y capaz de cubrir las necesidades el�ctricas b�sicas y comunes de los moradores, tomando como referencia el consumo el�ctrico promedio que cada vivienda, todo esto mediante el estudio del lugar y de los elementos el�ctricos que utilizan, lo cual permiti� realizar el dise�o y dimensionamiento adecuado de los equipos en los que se pueda aprovechar la mayor captaci�n de la radiaci�n solar.

Finalmente se realizaron las pruebas de estabilidad del sistema propuesto con la finalidad de verificar su correcto funcionamiento.

Palabras Clave: Energ�a Renovable; Sistema Fotovoltaico; Energ�a Solar; Software Pvsyst.

 

Abstract

The purpose of the study in question is the implementation of photovoltaic systems in the Masa 2 commune located in the Gulf of Guayaquil, in order to supply the inhabitants of the sector with a clean and economical electricity supply, since they do not have a conventional electricity supply. which implies using electric generators based on internal combustion engines, the same ones that give rise to considerable economic expenses, but collaterally the environmental damage they produce. Regarding the aforementioned background, it is planned to take advantage of solar energy as a natural resource available to the sector, in addition to being friendly to the environment, it will allow us to reduce both costs due to fuel consumption, group maintenance, but above all mitigate the environmental impact of 〖CO〗_2 on the environment. Based on this, the load analysis was carried out to guarantee a stable system in the future and capable of covering the basic and common electrical needs of the residents, taking as a reference the average electrical consumption of each home, all this through the study of the place. and of the electrical elements that they use, which allowed the design and adequate sizing of the equipment to be carried out in which the greater capture of solar radiation can be used.

Finally, the stability tests of the proposed system were carried out in order to verify its correct functioning..

Keywords: Renewable energy; Photovoltaic System; Solar energy; Pvsyst-Software.

 

Resumo

O objetivo do estudo em quest�o � a implementa��o de sistemas fotovoltaicos na comuna Masa 2 localizada no Golfo de Guayaquil, a fim de fornecer aos habitantes do setor um fornecimento de eletricidade limpa e econ�mica, uma vez que n�o possuem eletricidade convencional abastecimento, o que implica a utiliza��o de geradores el�tricos baseados em motores de combust�o interna, os mesmos que acarretam consider�veis ​​gastos econ�micos, mas colateralmente os danos ambientais que produzem. Relativamente ao referido enquadramento, prev�-se o aproveitamento da energia solar como recurso natural ao dispor do sector, para al�m de ser amigo do ambiente, permitir� reduzir quer os custos com consumo de combust�vel, quer a manuten��o do grupo, mas sobretudo todos atenuam o impacto ambiental de 〖CO〗_2 no meio ambiente. Com base nisso, foi realizada a an�lise de carga para garantir um sistema est�vel no futuro e capaz de cobrir as necessidades el�tricas b�sicas e comuns dos moradores, tomando como refer�ncia o consumo el�trico m�dio de cada resid�ncia, tudo isso atrav�s do estudo de do local e dos elementos el�tricos que utilizam, o que permitiu a realiza��o do projeto e dimensionamento adequado dos equipamentos nos quais se pode aproveitar a maior capta��o de radia��o solar.

Por fim, foram realizados os testes de estabilidade do sistema proposto a fim de verificar o seu correto funcionamento.

Palavras-chave: Energia renov�vel; Sistema Fotovoltaico; Energia solar; Pvsyst-Software.

 

 

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Introducci�n

Debido al crecimiento poblacional e industrial de manera acelerada se gener� una gran demanda de energ�a en el mundo, lo que ha generado un aumento en las emisiones de los gases de efecto invernadero y dem�s contaminantes a nivel mundial, lo que est� generando graves da�os al ambiente y contribuyan al calentamiento global (Abad, 2017).

La importancia que hoy en d�a tienen las energ�as renovables como la principal fuente energ�tica en el pa�s o en el mundo son para obtener sus grandes beneficios. Al inicio del nuevo milenio, el hombre tiene la necesidad de aminorar la contaminaci�n ambiental para as� reducir las lluvias acidas y efecto de invernadero (Chiquin, y Marquez, 2011)

De acuerdo con Mallaguari & Shicay (2015), se considera que si se aprovechara toda la energ�a fotovoltaica en un estimado de 20 d�as es capaz de generar la misma o una mayor cantidad de energ�a que los sectores del petr�leo, gas y carb�n en un a�o. En el 2019, mediante las energ�as renovables, se gener� el 8,5% de la energ�a el�ctrica mundial, logrando integrarse a la red sin la necesidad de infraestructura complementaria (Santana, y Catagua, 2021)

As� que la humanidad con su intento de mitigar los da�os debido a la contaminaci�n ambiental por la quema de combustibles f�siles y proveyendo el conocimiento para poseer las herramientas necesarias para la aplicaci�n de sistemas que sean amigables con el medio ambiente (V�lez et al 2020)

Este tipo consecuencias motiv� a los investigadores a desarrollar alternativas de energ�as las cuales han ayudado a mitigar el impacto ambientas que el ser humano ha producido. En esta l�nea, con las visitas realizadas, y con el trabajo de (Carri�n, y� Mendoza, 2021) se pudo constatar que el reciento Masa 2, est� conformado por aproximadamente 69 integrantes y se encuentran divididas en 23 familias de 3 a 5 habitantes por casa a las cuales se suministra energ�a por medio de generadores a gasolina, a un hogar de la comunidad de Masa 2.

Debido a que la comunidad Masa 2 se encuentra en una ubicaci�n de dif�cil acceso, los moradores optaron por el uso de generadores a combusti�n de 2.2 KW, para abastecerse de energ�a el�ctrica para iluminaci�n de la vivienda, uso y carga de dispositivos electr�nicos, empezando desde las 17:00 y finalizan a las 23:00h, aproximadamente 6 horas diarias. Debido a estas actividades de generan gastos en combustible de aproximadamente $20 a $35 semanales, adem�s de aceites y dem�s elementos para el mantenimiento del generador. Este an�lisis corresponde a una sola vivienda, es decir que todos estos gastos se deben multiplicar por aproximadamente los 20 generadores con los que cuenta la comunidad (Santana, y Catagua, 2021).

Es por ello, que se pretende aprovechar uno de los recursos m�s abundantes en el Ecuador, el Sol, ya que debido a la ubicaci�n geogr�fica contamos con una gran incidencia de los rayos solares cada a�o, los cuales ser�n aprovechados para convertirlos en energ�a el�ctrica y lograr contar con una fuente de energ�a limpia, esto a su vez permitir� reducir de manera considerable el uso de generadores a base de combustibles, dichos generadores por su principio de funcionamiento son emisores de , lo que representa contaminaci�n ambiental y auditiva. Otro de los principales beneficios del uso de este recurso renovable es que se podr� contar con m�s horas de iluminaci�n en horas de la noche y con un costo de energ�a m�s reducido.

Basado en lo descrito anteriormente, se desarrolla un estudio de investigaci�n con el objetivo de proponer la implementaci�n de un sistema fotovoltaico aislado, el cual mediante el an�lisis de carga y simulaci�n por software permita reducir las horas de uso de los generadores y sea capaz de cubrir la demanda el�ctrica b�sica de la vivienda.

 

Aspectos te�ricos que sustentan el desarrollo del estudio

Debido al desarrollo acelerado tanto del sector industrial como el residencial, se tuvo la necesidad de obtener energ�a el�ctrica y como primera opci�n se utilizaron recursos como el petr�leo, uranio, gas natural y el carb�n. Estas fuentes de energ�a no renovables tienen un gran impacto negativo en el medio ambiente, por lo que se ha optado por buscar fuentes de energ�a alternativas por medio de recursos o fuentes de energ�a limpias y renovables (Armijos, y Encarnaci�n, 2018)

Candial (2015) nos indica que a los sistemas que combinan diferentes m�todos de generaci�n de energ�a se los denomina h�bridos. En estos sistemas se llega a una configuraci�n �ptima bas�ndose en las condiciones ambientales del entorno para poder obtener el m�ximo rendimiento de los recursos renovables de la naturaleza.

Otro de los escenarios donde es recomendable el uso de fuentes de energ�a alternativa es para lugares los cuales se encuentren muy alejados del suministro de las redes el�ctricas, y dependiendo de las condiciones ambientales del lugar se puede optar por generaci�n por sistemas e�lico, solar, hidr�ulica, biomasa, entre otras (Carri�n y Mendoza, 2021).

 

Energ�a solar fotovoltaica

La energ�a solar proviene de la radiaci�n del sol, la cual se propaga mediante ondas electromagn�ticas, y la energ�a solar fotovoltaica se fundamenta en el uso de c�lulas fotovoltaicas, las cuales se fabrican a base de materiales cristalinos semiconductores que por efecto fotovoltaico generan un movimiento de electrones lo cual produce una corriente el�ctrica al recibir incidencia de la radiaci�n solar sobre los mismos (Toalongo, y Sancho, 2021).

 

Radiaci�n solar

Podemos definir a la radiaci�n solar como el flujo de energ�a que llega a la tierra como ondas electromagn�ticas, esta radiaci�n se mide en�(Armijos, y Encarnaci�n, 2018)

De acuerdo con� el estudio de V�lez (2010), la radiaci�n solar que penetra la atm�sfera de la tierra, se distinguen varios tipos como se muestra en la �Error! No se encuentra el origen de la referencia.:

• Radiaci�n Directa (IB)
• Radiaci�n Difusa (ID)
• Radiaci�n Reflejada (IR)
• Radiaci�n Global (IG).�

Seg�n Alonso (2011), la radiaci�n solar se utiliza para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, el cual se puede realizar utilizando sus unidades de medida las cuales son:

�  Hora solar pico (HSP): Se la define como la cantidad de horas sol en la que en una superficie logra absorber una radiaci�n solar 1000 watts por metro cuadrado.

�  Watio pico (Wp): Es la potencia m�xima que puede suministrar un sistema de generaci�n fotovoltaico con una radiaci�n constante de 1000 watts por metro cuadrado.

 

Los sistemas fotovoltaicos

Seg�n Macancela (2018), los sistemas fotovoltaicos se dividen principalmente en:

v Sistemas fotovoltaicos conectador a la red (Ongrid)

v Sistemas fotovoltaicos aislados o desconectador a la red (Off grid)

Sistemas fotovoltaicos conectador a la red (ON GRID), como su nombre lo indica son aquellos los cuales su principal caracter�stica es que se encuentran conectados a la red el�ctrica de la empresa distribuidora. En este tipo de sistemas se plantea cumplir con la demanda establecida en el proyecto, optimizando los recursos para reducir el costo de la energ�a al m�ximo (Jim�nez y Garc�a, 2020)

Sistemas fotovoltaicos aislados (off grid), son aquellos los cuales se encuentran totalmente aislados al sistema el�ctrico convencional de las empresas distribuidoras. Normalmente este tipo de sistemas son viables en �reas de dif�cil acceso, tanto en el �mbito econ�mico como geogr�fico (Byron, 2020).

Seg�n Carri�n y Mendoza (2021), los sistemas fotovoltaicos asilados, por su ubicaci�n se pueden clasificar en:

�  Centralizados. _ Se trata de ubicar todos los equipos generadores de energ�a en un solo lugar.

�  Descentralizado. _ En este sistema, se ubican de forma individual en cada uno de los lugares donde se pretende brindar de energ�a el�ctrica.

 

Regulaciones para sistemas fotovoltaicos

El incluir sistemas de micro generaci�n a la red el�ctrica, desde hace varios a�os atr�s es uno de los temas en lo que se ha estado desarrollando normativas ya que muchos pa�ses basan sus regulaciones solo en generaci�n distribuida, para as� poder facultar la micro generaci�n, sin embargo, debido a la falta de precisi�n de la normativa, deja muchas incertidumbres al momento de aplicarla (Romero, y Flores, 2013).

El establecimiento de normativas y regulaciones exclusivamente para la implementaci�n de sistemas de micro generaci�n es de vital relevancia, debido a la disparidad que existe entre las naturalezas de las redes de alta, media y baja tensi�n (Rivera, 2020).

 

Regulaciones para SFV en ecuador

Ecuador es uno de los pa�ses que promueve emplear fuentes de energ�a limpia y amigable con el medio ambiente, con la finalidad de reducir la emisi�n de gases que contaminen al medio ambiente por la quema de combustibles f�siles para la generaci�n de energ�a el�ctrica (Romero y Flores, 2013).

En la constituci�n de la rep�blica del Ecuador (2008), en su art�culo 15 y articulo 413, indica que el estado debe promover el uso de tecnolog�as que sean amigables con el medio ambiente o de bajo impacto y energ�as renovables.

Debido a esto, la ARCONEL, (Agencia de Regulaci�n y Control de Electricidad, 2018), ha dispuesto la regulaci�n Nro. 003/18 titulada �Generaci�n fotovoltaica para autoabastecimiento de consumidores finales de energ�a el�ctrica�, a la cual nos vamos a referir en esta secci�n.

 

Materiales y m�todos

Para el desarrollo de este estudio nos basamos en la investigaci�n cient�fica, seg�n lo recitado por Behaer (2008), esta constituye el procedimiento consecuente por el cual los investigadores y cient�ficos logran adquirir respuesta a las hip�tesis planteadas.

El m�todo cient�fico involucra la observaci�n, luego de la cual se generan hip�tesis y experimentos en base a lo observado, esto de acuerdo con V�lez et al (2020). En la medida en que se pretende verificar tanto la hip�tesis bien establecida como los objetivos espec�ficos, este trabajo ha sido elaborado con un enfoque cuantitativo, ya que seg�n Arias (2016), debido a que la naturaleza del objeto es cuantificable, observable y medible.

Primeramente, se planific� la visita a la vivienda en el recinto Masa 2, con el cual se procedi� a realizar el levantamiento de informaci�n de datos y del �rea de trabajo, con los cuales se procedi� a realizar el dimensionamiento del SFV y utilizando el software de AutoCAD, se� procedi� a realizar el dise�o estructural� en 2D de la vivienda y en base a este se procede a realizar el dise�o del sistema el�ctrico cumpliendo con los est�ndares de las normativas Ecuatorianas de Construcci�n (NEC) (Unamuno, 2018).

De acuerdo con los datos obtenidos en el levantamiento de informaci�n se dio inicio al an�lisis de las cargas existentes en la vivienda y las horas que se necesita el funcionamiento de estas. Para ello se utilizar el software de PVSystel cual nos permite simular un sistema fotovoltaico aislado que pueda suplir las necesidades b�sicas de la vivienda.

En la vivienda residen 3 familias actualmente, las cuales mediante 1 generador de combusti�n de 2.2 kW, se abastecen del servicio el�ctrico para suplir la demanda el�ctrica de la vivienda. El generador que se muestra en la �Error! No se encuentra el origen de la referencia., suministra energ�a el�ctrica de forma limitada en horas de la noche, aproximadamente desde las 6 pm hasta las 10 pm, los cuales dependiendo del estadoel�ctrico y mec�nicoen el que se encuentren, pueden aumentar los gastos de operatividad del servicio, sin mencionar las molestias generadas por el ruido y la contaminaci�n del equipo.

Ilustraci�n 1. Generador utilizado por la vivienda.

Fuente: Autor

Mediante el levantamiento de informaci�n realizado a trav�s de las visitas a la vivienda en la comuna Masa 2, en la tabla 1 se muestra un resumen de los datos del consumo obtenidos de la familia Rodr�guez Z��iga:

 

Tabla 1. Consumo estimado actual de la vivienda

 

Fuente: Autor

 

De acuerdo con la Norma Ecuatoriana de la Construcci�n (NEC) (Unamuno, 2018), las instalaciones el�ctricas en la vivienda deben asegurar salvaguardar la integridad de las personas y lo bienes contra los riesgos y peligros que se puedan generar por la utilizaci�n de la electricidad, adem�s de cumplir los est�ndares de calidad y la continuidad del servicio, por esto el c�lculo de la demanda del sistema es uno de los procedimientos importantes que se deben considerar.

En el circuito de iluminaci�n se proyecta implementar focos led de 9W para 5 puntos de iluminaci�n con los que cuenta la vivienda y 1 foco de 45W para el �rea externa de la vivienda, realizando el c�lculo de la demanda para el circuito de iluminaci�n de la siguiente forma:

Demanda Esperada (1)

Donde:

De= Demanda esperada.

= Potencia del dispositivo.

= Cantidad de dispositivos.

�Tiempo de uso.

Obtenemos los siguientes valores

Para el c�lculo de la demanda del circuito de toma corrientes se plantearon las siguientes cargas:

�       Tel�fono Celular, con intervalos de carga de 2 horas diarias.

�       Televisor, con un uso aproximado de 6 horas diarias.

�       Decodificador DIRECTV, con un uso aproximado de 6 horas diarias.

Para el c�lculo de la demanda del circuito de tomacorrientes se usa los valores de potencia en �Error! No se encuentra el origen de la referencia.y se utiliza la ecuaci�n �Error! No se encuentra el origen de la referencia.:

 

La demanda m�xima diaria del sistema se calcula mediante la suma de la demanda del circuito de iluminaci�n y el circuito de tomacorrientes:

A continuaci�n, se presenta un resumen en la

Tabla �un resumen de las cargas que el sistema fotovoltaico se proyecta a abastecer y en la Tabla 3 se muestran los valores de potencia y energ�a total del sistema el�ctrico con la optimizaci�n del consumo.

 

Tabla 2. Planilla de consumo de la vivienda para el sistema fotovoltaico

Resumen de An�lisis de Cargas para cubrir con el SFV
Circuitos (120 Vac)						Demanda Diaria
�tem	N.� Circuito	Descripci�n	Cant.	P. Unid (W)	P. Total (W)	Tiempo (h)	Energ�a (Wh/d�a)	Servicio
1	1	Iluminaci�n interior	3	9	27	4	108	Servicio de alumbrado interno y externo de la vivienda
2	1	Iluminaci�n exterior	2	9	18	4	72
3	1	Iluminaci�n ba�o	1	45	45	2	90
4	2	Televisi�n	1	45	45	6	270	Entretenimiento
5	2	Directv	1	15	15	6	90
6	2	Tel�f. Celular	2	20	40	2	80	Comunicaci�n y educaci�n
Potencia Total de la vivienda						190		W
Demanda M�xima de Energ�a Diaria						710,000		Wh/d�a

 

Fuente: Autor

Tabla 3. Planilla general de consumo de la vivienda

Fuente: Autor

 

Con el fin de desarrollar un sistema fotovoltaico que sea capaz que abastecer la demanda de la vivienda, y en base a los estudios de la asociaci�n municipal de Colonos del Pato (AMCOP, 2017), se deben realizan los siguientes c�lculos:

1.     �ngulo �ptimo de inclinaci�n para los paneles fotovoltaicos.

Donde:

Donde:

Por lo que se recomienda trabajar a un �ngulo de �

2.     Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos

2.1.  Demanda Total del Sistema

Para determinar la energ�a diaria que el sistema fotovoltaico debe suplir para abastecer el consumo establecido en la Tabla 2, hay que tomar en cuenta los valores de eficiencia de los dispositivos que interact�an en este proceso, a trav�s de la ecuaci�n:

Siendo:

.

.

Si se tiene una referencia de una eficiencia del 90% para el inversor y para las bater�as, reemplazando valores obtenemos:

2.2.  HORA SOLAR PICO (HSP)

Para efectuar el dimensionamiento del sistema fotovoltaico, es fundamental obtener los datos meteorol�gicos de la zona de estudio, para poder efectuar el c�lculo de las horas solar pico (HSP), como se proyecta cumplir con la demanda del sistema en todo el a�o, se toma el valor del mes con menor HSP. Para nuestro caso se considera HSP=3,14.

Tabla 1. Hora solar Pico.

Fuente: Meteonorm 8

2.3.  CALCULO DE LA POTENCIA DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO

Para calcular la potencia que debe generar el panel fotovoltaico se hace uso de la ecuaci�n de

Siendo:

=Potencia generada por paneles fotovoltaicos.

= Demanda energ�tica media diaria.

PR=Factor de funcionamiento global=0,9

Se define un factor de sobredimensionamiento del 30% de la potencia nominal

Resolviendo tenemos:

Se necesita un generador fotovoltaico que genere como m�nimo 405 Wp, este generador puede constar de un solo o varios m�dulos fotovoltaicos, esto depende de la capacidad del panel que se adquiera

2.4.  SELECCI�N DEL �PTIMO PANEL FOTOVOLTAICO

A continuaci�n, se muestra una tabla de resumen de los paneles fotovoltaicos y la cantidad necesaria para cubrir la potencia requerida, de los modelos se encontraron actualmente en el mercado (Anexo 3):

Tabla 2. Paneles solares en el disponibles en el mercado local.

Fuente: Autor

 

Como se muestra en la Tabla 2, el panel fotovoltaico escogido es el �tem 4, el Jinko Solar de 405 Wp, debido a que es el que cumple con los requisitos de potencia de generaci�n, a un menor costo econ�mico.

3.     Dimensionamiento del banco de bater�as.

Para calcular la capacidad que necesita el banco de bater�as para cumplir los requisitos planteados, se utiliza la siguiente ecuaci�n:

Donde:

=������ Capacidad el bando de bater�a (Ah).

=��� �Demanda energ�tica media diaria.

�=����� D�as de autonom�a.

������ =����� Profundidad m�xima de descarga. (Para bater�as de plomo acido se recomienda un 60%)

=��� Factor de compensaci�n t�rmica.

Reemplazando:

Se muestra la Tabla 3. Bater�as de plomo-�cido disponibles en el mercado local, a modo de resumen de las cotizaciones realizadas para las bater�as (Anexo 3):

Tabla 3. Bater�as de plomo-�cido disponibles en el mercado local

Fuente: Autor

Como se puede observar en la Tabla 3. Bater�as de plomo-�cido disponibles en el mercado local , en �tem 3 y 4 son las mismas bater�as, pero lo que cambia es la cantidad de bater�as y la forma de conexi�n, por lo que se da prioridad a cumplir con el voltaje del sistema por las ventajas mencionadas previamente, la configuraci�n �ptima en base a nuestro criterio es la del �tem 4

 

4.     Dimensionamiento del Controlador de carga e Inversor.

Para el correcto dimensionamiento de un regulador de carga se recomienda que el controlador soporte� entre el 20% y 25% de la corriente m�xima de operaci�n.[15]

Para determinar la magnitud de la corriente del regulador de carga se utilizar� la ecuaci�n:

Donde

���� = Corriente de entrada del regulador.

���������� =Corriente de cortocircuito de un panel fotovoltaico.

����� =N�mero de ramales en paralelo.

Fs= Factor de seguridad del regulador en este caso ser� de 1,25.

Para calcular la corriente de salida que debe soportar el controlador se har� uso de la ecuaci�n

Donde

������ = Corriente de salida del regulador de carga.

�������� = Potencia de carga en DC

������� =Potencia de carga en AC

Realizando los c�lculos correspondientes con la ecuaci�n la corriente de entrada del regulador, obtenemos un valor de:

Con la ecuaci�n de corriente de salida del regulador, obtenemos un valor de:

4.1.  SELECCI�N DEL CONTROLADOR DE CARGA

En la Tabla 11 se muestran los controladores de carga cotizados en el mercado local (Anexo 3)

 

Tabla 4. Controladores de carga disponibles en el mercado local

Fuente: Autor

 

CARACTERISTICA DE CONTROLADORES DE CARGA DISPONIBLES
�tem	Controlador de Carga	I (A)	Cant.	Precio Unit	Precio Total
1	Blue Solar PWM 12/24V-30A	30	1	$���� 82,68	$������ 82,68
2	Blue Solar MPPT 100/30	30	1	$�� 370,96	$���� 370,96
3	Smart Solar MPPT 75/15	15	1	$�� 150,17	$���� 150,17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Con los resultados obtenidos y debido a que se busca en controlador de carga que pueda aprovechar de mejor manera la generaci�n fotovoltaica se va a seleccionar el regulador del �tem 3 Smart Solar MPPT 75/15.

4.2.  DIMENSIONAMIENTO DEL INVERSOR

En los sistemas el�ctricos que poseen cargas en corriente alterna es necesario adquirir un inversor DC/AC, las caracter�sticas principales de estos dispositivos son:

�       Potencia Nominal

�       Voltaje Nominal en la entrada

�       Voltaje Nominal en la salida

�       Frecuencia de trabajo

�       Rendimiento

Para dimensionar la potencia del inversor utilizamos la ecuaci�n:

Reemplazando obtenemos

4.3.  SELECCI�N DEL INVERSOR DC/AC

 

 

Tabla 5. Caracter�stica de Inversores en el mercado local

Fuente: Autor

Como se muestra en la Tabla 5, el inversor seleccionado es el del �tem 3 ya que este cumple con los requisitos de voltaje y potencia del sistema

 

An�lisis y discusi�n de Resultados

Los resultados de la simulaci�n muestran que el sistema propuesto es capaz que cubrir la demanda planteada hasta en el mes con menor presencia de la radiaci�n solar, en la �Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestran los resultados mediante diagrama de barra donde de forma gr�fica se presenta la energ�a que el sistema ofrece al usuario y las diferentes perdidas del sistema, bater�as, paneles.

En la

Ilustraci�n �se muestran los valores de generaci�n de energ�a, consumo y perdidas del sistema y dem�s componentes, en el cual se puede apreciar de forma m�s acertada que el sistema fotovoltaico cumple con la demanda de energ�a planteada y en todos los meses muestra un excedente de energ�a, esto var�a dependiendo de la cantidad de radiaci�n solar que recibe el panel.

Ilustraci�n 2. Resumen de resultados

Fuente: PVSyst, Autor

 

Los resultados de la implementaci�n del sistema fotovoltaico se obtuvieron del controlador de carga SmartSolar 75/15 de Victron Energy el cual mediante una conexi�n bluetooth se puede acceder a un hist�rico de generaci�n, consumo, tiempos de carga de la bater�a y fallos de los �ltimos 30 d�as, esto se muestra en �Error! No se encuentra el origen de la referencia..

En base a estos datos se va a analizar la respuesta del sistema fotovoltaico ante el comportamiento real de las cargas a trav�s del tiempo.

 

Ilustraci�n 3. Hist�rico de generaci�n y consumo de la vivienda desde la aplicaci�n de VictronConnect

Fuente: VictronConnet, Autor

 

A continuaci�n, se presentan diagrama de barras donde se muestra el consumo y la generaci�n de energ�a el cual se mide en Wh, adem�s de tiempos de carga de las bater�as de forma diaria, el mismo que inicio el 5 de noviembre del 2021 cuando el sistema qued� operativo, hasta el 31 de diciembre del 2021, que se realiz� la adquisici�n de los datos para el respectivo an�lisis.

Ilustraci�n 1. Generaci�n y consumo del sistema fotovoltaico en noviembre.

Fuente: Autor

Ilustraci�n 5. Generaci�n y consumo del sistema fotovoltaico en diciembre.

Fuente: Autor

Tabla 4. Resumen del Comportamiento Energ�tico del sistema Fotovoltaico.

Fuente: Autor

 

De acuerdo con la Tabla y con la Ilustraci�n 4 e Ilustraci�n 5, en la mayor�a de los d�as el sistema de generaci�n fotovoltaica produce mayor energ�a de la que se consume diariamente, sin embargo, existen d�as donde se ha consumido mucha m�s energ�a de la considerada, lo cual se ha logrado sustentar con el sistema de almacenamiento de energ�a.

Hasta la fecha que se realiz� la adquisici�n de datos el sistema ha generado 45,56 kWh de los cuales la vivienda ha aprovechado 41,85 kWh, el promedio de generaci�n de energ�a es mayor que el de consumo en todo momento en el rango de tiempo de los 2 meses, por lo cual se comprueba que el sistema cubre en su totalidad la demanda que se plante�

Ilustraci�n 6. Tiempos de estados de carga de las Bater�as en noviembre.

Fuente: Autor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustraci�n 7. Tiempos de estados de carga de las Bater�as en diciembre.

Fuente: Autor

 

Tabla 5. Resumen de Tiempos y de Carga del sistema de bater�as.

Fuente: Autor

Como se evidencia en las ilustraciones y en la Tabla 5, los tiempos de estados de carga de la bater�a se confirma de 3 etapas: Time in Bulk o tiempo en carga inicial, time in absorption o tiempo de absorci�n y time float o tiempo de flotaci�n, como se observa en la ilustraci�n 6 e ilustraci�n 7, en la mayor�a de los casos las bater�as cumplen con su ciclo de carga lo cual es lo �ptimo para preservar el tiempo de vida �til, ya que se recomienda que la bater�a en d�as con abundante radiaci�n solar permanezca m�nimo una hora en estado de flotaci�n (Fern�ndez, 2021).

 

Ilustraci�n 8.Tiempo de Carga Diaria de la Bater�a - diciembre.

Fuente: Autor

Ilustraci�n 9. Tiempo de Carga Diaria de la Bater�a - noviembre.

Fuente: Autor

 

En la Ilustraci�n 8 e Ilustraci�n 9 se presentan los diferentes tiempos de cargas diarios, en el cual se puede apreciar que solo en el mes de diciembre existen dos d�as en los cuales al parecer por situaciones climatol�gicas no existi� una constante incidencia de radiaci�n solar en el lugar, por lo cual no los tiempos de carga son mucho menores en comparaci�n con los otros d�as, no obstante, aun en esos d�as el sistema logra cargar las bater�as al 100%.

A continuaci�n, se presenta la Ilustraci�n 10, Ilustraci�n 11 y Tabla 6 donde se muestran un historial de los valores m�ximos y m�nimos de voltaje de� la bater�a forma diaria, con estos datos se puede estimar una idea del nivel de carga que tiene las bater�as ya que el controlador de carga instalado cuenta con varios tipos de algoritmos de carga y descarga de la bater�a para mantener el tiempo de vida �til con las que est�n dise�adas, estos algoritmos de descarga tiene los siguientes voltajes para desconexi�n de carga por baja tensi�n: 22,2 V / 23,6 V / BatteryLife.

Ilustraci�n 10. Voltajes m�ximos y m�nimos registrados en el mes de noviembre.

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Ilustraci�n 11.Voltajes m�ximos y m�nimos registrados en el mes de diciembre.

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Tabla 6. Resumen del Generador Fotovoltaico y Sistema de Bater�as.

Resumen del comportamiento del Generador Fotovoltaico y Sistema de Bater�as
Mes	PmaxProm FV (Wh)	Vmaxprom FV (V)	Vbat min prom (V)	Vbatmaxprom (V)
Noviembre	303,31	44,75	24,84	28,49
Diciembre	238,55	45,00	24,99	28,43
M�ximo Registrado	421	46,24	24,48	28,8

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El algoritmo de carga y descarga de la bater�a BatteryLifees el que se encuentra configurado por defecto, ya que este algoritmo es capaz de analizar los tiempos y niveles de carga y descarga de la bater�a, y de acuerdo con eso aumentar o mantener el valor de voltaje para la desconexi�n de carga por baja tensi�n, es decir que si las bater�as no alcanzan el 100% de su carga, el controlador de carga SmartSolar va ir aumentando el valor del voltaje l�mite para que la desconexi�n por bajo voltaje suceda antes, y se va a enfocar en capturar la mayor energ�a del generador fotovoltaico, hasta lograr que la bater�a se cargue completamente, una vez ya se haya alcanzada la m�xima carga, el voltaje para la desconexi�n de la carga se modular� de forma que la bater�a alcance su carga completa al menos una vez a la semana.

 

Tabla 76.Resumen de la Autonom�a del Sistema.

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En la

Tabla 76 se presenta un promedio diario de d�as de autonom�a del sistema con la carga real consumida, en la cual para el mes de diciembre ya que existi� un mayor consumo promedio de energ�a se obtuvo una media de un d�a y medio de autonom�a, mientras que en diciembre disminuy� el consumo promedio de energ�a lo que significaba un poco m�s de dos d�as y medio de autonom�a, adicionalmente se presentan 2 �tems m�s, en los cuales se indica el escenario ideal que ser�a el consumo promedio que deber�a tener el sistema para que cumpla con los 2 d�as de autonom�a que se hab�an establecido inicialmente y el segundo escenario corresponde al m�ximo consumo que se recomienda deber�a existir para mantener como m�nimo un d�a de autonom�a por cualquier deficiencia de radiaci�n solar por cuestiones climatol�gicas, sin embargo no se recomienda ese nivel consumo sea constante ya que si al siguiente d�a la bater�as no se logra cargar al 100% y si el consumo es elevado se puede generar una desconexi�n de la carga por bajo voltaje del banco de bater�as, cabe indicar que en estos dos escenarios planteados se asume que las bater�as se encuentran cargadas al 100%.

 

Conclusiones

Mediante el desarrollo del estudio, se pudo realizar un correcto levantamiento de informaci�n y de las cargas en la vivienda, logrando con esto un dise�o �ptimo del sistema el�ctrico para suplir las necesidades el�ctricas de la vivienda.
Este dise�o propuesto, es un sistema fotovoltaico el cual es efectivo para cumplir con el consumo diario de la vivienda, situaci�n que se corrobora mediante la aplicaci�n del software PVSyst, permitiendo conocer que la implementaci�n del sistema fotovoltaico propuesto en la vivienda puede resultar exitosa, ya que con este se logra reducir la necesidad del uso del generador a gasolina, debido a que este sistema le permite a la familia ahorrar un 64% de gastos de operaci�n del generador y una reducci�n del 75% de emisi�n de �al ambiente.

 

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