2003-Sistemas de Ventilacion Con Paneles

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2009

SISTEMAS DEVENTILACION CON

PANELESFOTOVOLTAICOS:INFORME IIIAutor: Sebastián Abarca

Profesor: Pedro Sariego



INTRODUCCION.

En este informe se seguirá mostrando aplicaciones para ocupar la energía fotovoltaica.

La ventilación con energía proveniente de paneles fotovoltaicos es una de los promisorios

uso para entregada por estos debido a que lo sistemas de ventilación con paneles

fotovoltaicos (PV-Vent) utilizan la corriente continua, por lo que el sistema general no

requiere de inversores, además los ventiladores de corriente continua han demostrado

ser más eficientes que lo que trabajan con corriente alterna .

Los sistemas de ventilación PV-Vent son muy populares en Dinamarca, ya que el país

cuenta con medidas que incentivan su uso en edificios residenciales (en la figura 1 semuestra una instalación de este tipo). En el país nórdico el diseño de estos sistemas de

ventilación residencial generalmente va acompañado de un uso eficiente de la energía,

por lo estos edificios se encuentran muy bien aislados térmicamente, cuenta con

intercambiadores de calor para precalentar el aire de admisión con el aire de salida entre

otras medidas para aprovechar bien la energía.

Figura 1, PV-vent instalados en la fachada de un edificio en Copenhague.

Como se dijo los PV-Vent se usan generalmente en edificios residenciales y no en

industrias que es lo que se quiere realizar como tema de trabajo de titulo por lo que hayque tener muy en cuenta esto sobre todo considerando que el volumen de aire a renovar

por metro cuadrado no es lo mismo .Por otra parte debemos considerar que los países

que utilizan más frecuentemente estos sistemas , son lo de Europa del norte, por lo

mismo, se espera tener un mayor necesidad de caudal de aire a renovar . También vale

la pena considerar que la condición de radiación de lugar donde pretendemos realizar

nuestro trabajo es mayor que en los países europeos y como se ve en la figura 1, los

paneles son instalados mayormente en la fachada de los edificios, esto se debe a que

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con esta configuración permite que el aire de admisión al edificio y al mismo tiempo

enfriar la superficie de los paneles1.

Los ventiladores solares también son ideales para lugares que necesitan ventilación en

áreas alejadas de la red eléctricas.

Descripción de un sistema PV-Vent.

En la figura 2 se muestra un ejemplo común de sistema de ventilación con paneles

fotovoltaicos (PV-Vent) .el sistema cuenta con ventiladores de corriente continua que son

alimentados de energía del panel fotovoltaico, estos sistemas también se conectan a la

red eléctrica convencional para funcionar en los momentos que no hay disponibilidad en

radiación.

Figura 2.sistema PV-Vent.

Los paneles fotovoltaicos producen corriente continua que de inmediato se conduce a

los motores de corriente continua. Trabajar con ventiladores de corriente continua afecta

significativamente al uso de eficiencia energética del sistema ya que estos ventiladores

ocupan cerca de un cuarto de la electricidad que ocupan los ventiladores que trabajan

1 El aumenta la temperatura de la superficie de los paneles fotovoltaicos disminuye lapotencia máxima que estos entregan.

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con corriente alterna. Un intercambiador de calor a contra flujo es utilizado para

recuperar calor del aire de admisión.

Para satisfacer las demandas de energía el sistema de ventilación en edificios

residenciales deben cumplir con los siguientes requisitos :

• La eficiencia de la recuperación de calor debe ser de al menos 80 a 90 %.

• El consumo de energía del sistema de ventilación debe ser sólo 30 a 40 W por

unidad de vivienda.

• El edificio debe ser completa herméticamente (infiltración natural deberá ser de 0,1

/ h)

• El sistema de ventilación debe ser instalado dentro de la envoltura (capa)del

edificio.

•el nivel de ruido debe ser inferior a 25 db.

Estas condiciones que si bien es cierto son para edificios residenciales, son

también un referencia para edificios de otros tipos.

Análisis técnicos.

Los sistemas de ventilación con PV se componen de un modulo fotovoltaico de 15 Wp

(Impp = 0.75A, Vmpp = 20 V) y ventiladores de corriente continua de 33 W. también

pueden usarse ventiladores de mayor potencia pero se debe tener en cuenta que se

necesita mayor energía para los ventiladores. El ventiladores se encuentra directamente

conectado al modulo fotovoltaico.

Como la potencia de entrada al sistema proviene de la energía entregada por el sol, y que

a su vez, esta varia con las condiciones climáticas y otros factores, es difícil predecir el

rendimiento de este tipo de sistemas. Se han realizados informes que desarrollan

modelos de simulación para predecir el rendimiento del sistema para diferentes

condiciones climáticas.

los sistemas de ventilación con PV , están compuesto en dos partes principalmente:

modulo fotovoltaico y ventilador de corriente continua. A continuación se presenta un

modelo matemático para describir el funcionamiento del sistema:

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Modelo para el modulo PV.

El modelo de una célula solar está representado por la relación entre corriente (I) y

voltaje(V)en la ecuación 1.

Donde es la fotocorriente es la corriente de saturación, es la carga de un electrón,

es la resistencia en serie, es la resistencia en paralelo, es la constante de

Boltzmann, es la temperatura de la celda.

Para el modulo fotovoltaico, la salida de corriente y voltaje puede ser calculada de la

siguiente manera:

Donde; y es el numero de celdas fotovoltaicas conectadas en paralelo y en serie

respectivamente.

La ecuación (1),puede será usada para generar la curva característica I-V de la celda

fotovoltaica para diferentes valore de radiación solar incidente.

Modelo para el ventilador de corriente continua.

Basado en la ecuación básica de motores de corriente continua y hélices tipo ventilador.

una relación entre la corriente ( )y el voltaje ( ) necesario por el ventilador puede ser escrito de la siguiente forma(2):

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donde y son constantes del motor de corriente continua, y es la constante del

ventilador.

Utilizando la ecuación (2),la curva característica del ventilador de corriente continua IV

puede ser generada.

Para un valor dado de radiación solar, la intercepción de la curva del Panel y la curva de

ventilador es el punto de operación del sistema. Para encontrar este punto, ecuación (1) y

ecuación (2) se resuelven con el método iterativo. Luego, esta corriente y la tensión se

utiliza para calcular la velocidad de rotación del ventilador (n rpm) con la siguiente

ecuación.

(3)

Donde es la resistencia de la armadura del motor.

Por último, ya teniendo el valor de la velocidad de rotación de ventilador , la tasa de flujo

másico de aire, es calculada usando la ecuación 4

(4)

Donde es la referencia de la razón de flujo másico de aire y es la referencia de la

velocidad de rotación.

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Para llevar a cabo todos los cálculos, un programa computacional de simulación en

FORTRAN o en Mat lab debe ser propuesto

Para un valor dado de radiación solar, la razón de flujo másico de aire puede ser

calculado desde el programa de simulación.

Análisis económico.

Generalmente para hacer factible económicamente los sistemas de ventilación PV-Vent

en edificios, estos van acompañados de aislamiento adicional del edificio, calefacción del

aire de entrada por medio del aire de salida y por medio agua caliente proveniente de

colectores solares u otro medio , y no más de 50 W potencia máxima para los

ventiladores.

El análisis económicos de una instalación de este tipo (III) para la ventilación de un

edificio de 5 plantas con 42 departamento se presenta en la tabla 1 y se compara con una

instalación de ventilación normal (I) y una instalación de PV-vent normal (II) solo con el

agregado de recuperación de calor de la aire de entrada con el aire de salida.

I II III

1 Planta decalefacción

19.726 19.726 14.830

2 Distribución,potenciómetro

41.528 41.528 0

3 Calefacción 248.770 248.770 19.7264 ventilación 99.659 223.880 332.186

5 aislamientoadicional

0 0 41.528

6 Calefacción solar 0 0 34.353

7 módulos PV 0 63.662 106.058

Total 409.683 600.536 548.681

Tabla 1.cooparacion económica des tres sistemas de ventilación: ventilación convencional

I, ventilación con PV-vent y recuperación de calor del aire de salida II, y ventilación con

PV-vent y recuperación de aire, aislamiento adicional, calentamiento del aire de admisión

con el calor generado en colectores solares III.

El análisis muestra que la instalación III, es una instalación muy viable desde el punto de

vista economice, también de análisis económico revela que usar solo lo paneles

fotovoltaicos y los ventiladores de corriente continua no resulta muy económico con

respecto a una instalación de ventilación normal.

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Como la mayoría de estos sistemas se usan principalmente en países con climas fríos

(como Dinamarca), las instalaciones de ventilación con PV no solo requieren un caudal

de aire sino que este aire sea caliente aire .Esto no es transferible a nuestro país puesto

que las condiciones climáticas son completamente diferentes.

Consideraciones para dimensionar una instalación de

PV-Vent

Antes de dimensionar una instalación PV-Vent es imprescindible tener bien

claros los siguientes cuatro puntos claros.

1. volumen total de la construcción a ventilar.

Se eligió como construcción estándar para establecer la instalación

fotovoltaica el hall de montaje del edificio C de la casa central de la universidad

técnica Federico santa maría el cual cuenta con 5000 m3 (esto es una

estimación y no es exacta )de volumen interior, que es el volumen total a

ventilar.

2. considerar cual es el caudal de aire que se necesita entregar.

Se recomienda que una industria necesita cerca de 30 minutos para ventilar el areequivalente al volumen interior del lugar de trabajo .En nuestro caso no pondremos en elpeor de los casos por lo mismo ventilaremos el recinto completo en no más de 15

minutos. por ende necesitamos ventilar 5000 m3 en media, o lo que es lo mismo:2,75m3/seg.

3. Numero de ventiladores que necesita la instalación.

Primero hay que seleccionar el ventilador indicado.se eligió el ventilador

EBM PAPS Fans - TubeaxialVELOCIDAD 3650 rpm.VOLTAJE DE OPERACION 24 VPOTENCIA 5,2 WCAUDAL DE AIRE 205 CFM (96,72 lt/seg o 0,09672

m3/seg.)PRECIO U$ 31,9

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4. Cuantos paneles fotovoltaicos se necesitaran para satisfacer las

necesidades de energía que requieren los ventiladores.

Si considerarnos que la instalación cuenta con paneles fotovoltaicos Kyocera

K50T, 50Wp le podremos entregar energía a 9 ventiladores cuando las celdas

estén expuestas directamente al sol se calientan y entregan menos potencia

que la nominal en este caso solo será de 40 W2.

Que solo alcanzara para 7 ventiladores.

Entonces se necesitan:

2 Esta potencia no es del todo exacta puesto que para realizar el cálculo con exactitudse requiere de un perfil de temperaturas del lugar donde se ubicara la instalación

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Conclusión.

El uso de paneles fotovoltaicos para alimentar a ventiladores de corriente continua es de

gran utilidad puestos que se trabaja con ventiladores de corriente continua, por ende, no

es necesario que la instalación cuenta con un inversor para transformar la corriente

continua generada por el panel, en corriente alterna, que es la que la mayoría de

maquina rotatoria trabajan. Tampoco es necesario trabajar con el voltaje de la red 220 V,

si no que, solo será necesario llegar a 12 a 24 volt, lo que hace que la instalación no

tenga entres sus componente transformadores para aumenta su voltaje. Lo más

importante la energía es gratis y la mantención casi nula

Dinamarca es el país líder en la utilización de paneles fotovoltaicos para la ventilaciónconocidos allá como PV-Vent y cuenta con un perfecto sistema de incentivos para que lo

edificios residenciales cuenten con este tipo de ventilación. Por estar en un país frio se

requiere que el aire de la ventilación venga caliente, por lo que los sistemas cuentan con

un intercambiador de calor a contraflujo en el cual se calienta el aire de admisión con el

aire de salida, como este calor no es suficiente, también la instalación cuenta con otro

sistema para calentar el aire, que eventualmente pueden ser:

• Colectores solares que calientan el agua que posteriormente calentara el aire de

admisión.

• Con el agua caliente proveniente de una caldera se caliente el aire de admisión.

Cuando se considera que la instalación general necesita, renovar el aire y que el aire de

renovación se cálido, el proyecto general se vuelve rentable. Esto último hace que nuestro

proyecto no sea tan rentable como lo que se espera, pero a la vez es una instalación muy

simple la que pretendemos concretar.

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Generalmente estos sistemas requerirán de una fuente de energía de respaldo para

momento en que no haya luz disponible para transformarla en energía fotovoltaica .Hay

que hacer una evaluación económica para ver si es mejor almacenar la energía en

baterías o si es que la energía de respaldo se toma de la red eléctrica o si la energía de

respaldo no es necesaria.

Es preciso señalar que la instalación fotovoltaica no entregara todo su energía a los

ventiladores DC, como ya se dijo en el informe anterior se espera tener una abanico de

opciones para recibir la energía proveniente de los paneles fotovoltaicos.

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