LENERSE, Laboratorio de Energías Renovables del Sureste Dra. Mascha Smit, Marzo 2011.
“DISEÑO DEL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES EN LA ...
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Universidad Politécnica de Sinaloa Programa académico de Ingeniería en energía “DISEÑO DEL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES EN LA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA.” CRISTIAN GUADALUPE DE LÉON HERNANDEZ Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de: Licenciado en Ingeniería en Energía Asesores: Ing. Román Mauricio Buñay Andrade Ing. Gerardo Eugenio Campoverde Jiménez Dr. Samuel Sami Howards Mazatlán- Sinaloa, enero de 2015
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Universidad Politécnica de Sinaloa
Programa académico de Ingeniería en energía
“DISEÑO DEL LABORATORIO DE ENERGÍAS
RENOVABLES EN LA FACULTAD DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD
CATÓLICA DE CUENCA.”
CRISTIAN GUADALUPE DE LÉON HERNANDEZ
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
Ing. Román Mauricio Buñay Andrade
Ing. Gerardo Eugenio Campoverde Jiménez
Dr. Samuel Sami Howards
Mazatlán- Sinaloa, enero de 2015
Dictamen de aprobación
Dedicatoria
Dedico este trabajo principalmente a dios, por haberme dado vida y permitirme el
haber llegado hasta este momento tan importante de mi formación, tal vez el mejor
de mi vida hasta ahorita.
A mi madre, por ser la mujer más fuerte de todas, el pilar de mi vida, por
demostrarme su cariño y apoyo incondicional sin importar nuestras diferencias de
opiniones.
De igual manera dedico esta trabajo al hombre que me dio la vida, que día
a día me brindo su apoyo, me dio su mano y su consejo nunca me falto, que
desde pequeño me hizo ver lo grande que era, que en este mundo nada es
imposible y que cada sueño se cumple con el debido esfuerzo.
A mis hermanos, esas personas que siempre han estado junto a mí y
brindándome su apoyo, que me reprendieron como si fueran mi padre cuando
estaba actuando de forma incorrecta, que a pesar de estar lejos sus palabras me
hicieron sentir que los tenia por un lado.
A la familia en general, porque siempre he contado con ellos y por compartir
momentos tan especiales conmigo.
Resumen
La carrera de Ingeniería Eléctrica, a través de su departamento de investigación
se encuentra promoviendo la línea de investigación de energías renovables,
destinado a la innovación en el campo de las fuentes alternativas de energía que
pueden tener aplicaciones en diferentes áreas residenciales o incluso industriales,
para el calentamiento de agua, generación de energía eléctrica y sus aplicaciones
en lugares con difícil acceso a redes de distribución de energía eléctrica.
El estudio de prototipos que permitan conocer más sobre el comportamiento de
estas fuentes alternativas, permitirá demostrar las ventajas y desventajas que
tienen dependiendo de la aplicación, asimismo, ayudará a descubrir aplicaciones
útiles y formas de evolucionar los desarrollos hasta el momento conseguidos por
otros autores en este campo. El presente trabajo busca fomentar en los
estudiantes la necesidad de conocer sobre estas fuentes alternativas de energía y
a la vez, permitirles experimentar con ellas para formar su propio criterio al
respecto.
Para lograr este objetivo se debe construir un laboratorio que permita la
investigación de la energía renovable con equipos de monitoreo y adquisición de
datos que nos muestren en tiempo real los parámetros de funcionamiento y nos
permitan visualizar las curvas que caracterizan al equipo para un posterior análisis
comparativo de los resultados que se obtendría de manera predictiva con cálculos
o simulaciones.
Palabras clave: investigación, energías renovables, fuentes alternativas, energía
eléctrica
Abstract
Faculty of Electrical Engineering, through its research department is promoting the
research of renewable energy into innovation in the field of alternative energy
sources that may have applications in various residential or industrial areas, for
water heating, power generation and its applications in places with difficult access
to distribution of electricity energy.
The study of prototypes to learn more about the behavior of these alternative
sources, will demonstrate the advantages and disadvantages that depending on
the application, it will also help you find useful applications and ways to evolve the
developments so far obtained by other authors in this field. This paper seeks to
develop in students the need to know about these alternative sources of energy
and time, allowing them to experiment with form your own judgment about it .
To achieve this objective should be to build a research laboratory that renewable
energy monitoring equipment and data acquisition to show us real-time operating
parameters and allow us to visualize the curves that characterize the team for
further comparative analysis results that would be obtained predictively
calculations or simulations.
Keywords: Research, renewable energy, energy sources, electricity energy
Índice
Introducción ................................................................................................................................... 9
Capitulo 1. Marco contextual ........................................................................................................ 11
1.2 Problemática ......................................................................................................................... 12
1.3 Justificación .......................................................................................................................... 12
1.4 Metodología .......................................................................................................................... 13
Capitulo 2. Marco teórico .............................................................................................................. 15
2.1 Energía renovable ............................................................................................................... 15
2.2 Energía solar ........................................................................................................................ 16
2.3 Energía solar fotovoltaica ................................................................................................... 19
2.3.1 La célula fotovoltaica.................................................................................................... 20
2.3.2 Parámetros fundamentales de la célula solar .......................................................... 22
2.3.3 Elementos que componen un sistema fotovoltaico ................................................. 22
2.4 Energía térmica .................................................................................................................... 25
2.4.1Fundamentos de la energía térmica en sistemas solares. ..................................... 26
2.4.2 Elementos principales de un colector ........................................................................ 27
2.4.3 Funcionamiento de un colector .................................................................................. 28
2.4.4 Principales usos de los colectores solares ............................................................... 28
2.5 Energía eólica ....................................................................................................................... 29
2.5.1Funcionamiento de un aerogenerador ....................................................................... 29
2.5.2 Partes de un aerogenerador ....................................................................................... 30
2.5.3 Energía eólica en Ecuador .......................................................................................... 31
Capitulo 3. Propuesta del laboratorio .......................................................................................... 33
3.1 Equipos a implementar en la Fase 1 del laboratorio ...................................................... 33
3.2 Sistema fotovoltaico autónomo de 300 W ....................................................................... 34
3.2.1 Características de los componentes del sistema .................................................... 34
3.3 Aerogenerador eólico de 2 KW .......................................................................................... 38
3.3.1 Características eléctricas y mecánicas ............................................................... 38
3.4 Colector solar de tubos al vacio ........................................................................................ 39
3.4.1 Otros componentes ...................................................................................................... 40
3.5Diagramas para instalación de los sistemas .................................................................... 40
3.6 Ubicación del laboratorio .................................................................................................... 44
3.7 Cotización de la propuesta ................................................................................................. 45
Capítulo IV. Análisis teórico .......................................................................................................... 47
4.1 Como dimensionar una instalación fotovoltaica .............................................................. 47
4.2 Eficiencia de un aerogenerador ......................................................................................... 54
4.3 Rendimiento de un colector solar ...................................................................................... 56
Capitulo V. Conclusión .................................................................................................................. 58
Bibliografía ....................................................................................................................................... 59
Índice de tablas
Tabla 1. Tipos de celdas solares
19
Tabla 2. Características eléctricas
35
Tabla 3. Características mecánicas
35
Tabla 4. Características de operación
35
Tabla 5. Características eléctricas del regulador 36 Tabla 6. Características generales de la batería
36
Tabla 7. Características del inversor
37
Tabla 8. Características eléctricas del aerogenerador
38
Tabla 9. Características del controlador de carga
38
Tabla 10. Propiedades de la batería y el inversor
39
Tabla 11. Presupuesto para laboratorio de energía renovable
45
Tabla 12. Inclinación óptima para sistema fijo
48
Índice de figuras
Figura 1. Energías renovable en el mundo
16
Figura 2. Radiación solar en el mundo
18
Figura 3. Elementos de un sistema fotovoltaico aislado
22
Figura 4. Partes de un panel solar
23
Figura 5. Posición del regulador en una instalación 25 Figura 6. Colector solar de placa plana
27
Figura 7. Funciones de las partes del aerogenerador
30
Figura 8. Parque eólico en Villonaco
32
Figura 9. Panel propuesto
35
Figura 10. Regulador de carga
36
Figuras 11 y 12. Batería para el sistema-inversor de corriente
37
Figura 13. Colector solar propuesto
39
Figuras 14,15 y 16. Conexión de paneles, banco de baterías y curvas de V-I Figura 17. Instalación fotovoltaica aislada (propuesta para el laboratorio) Figura 18. Conexión del aerogenerador Figura 19. Instalación del sistema solar térmico propuesto Figuras 20 y 21. Espacio para la implementación del laboratorio Figuras 22 y 23. Curvas características respecto al viento y la potencia de un aerogenerador
41 42 43 44 44 56
9
Introducción
La Universidad Católica de Cuenca es una institución que tiene por objetivo formar
profesionales en distintas áreas de las ciencias, las tecnologías, humanidades,
artes y filosofía. El programa de ingeniería eléctrica ya cuenta con un largo
recorrido y excelente prestigio para sus egresados, cuenta con asignaturas como:
energías o fuentes renovables, desarrollo sustentable, eficiencia energética y
calidad de la energía, por esta razón surge el desarrollo dela presente propuesta
y que tiene por objetivo brindar oportunidades de tipo experimental así como
también de ampliar la visión sobre los mecanismos de producción de energía
eléctrica.
Parara cumplir con este objetivo es necesaria la creación del laboratorio de
energías renovables lo más pronto sea posible, para su ejecución se necesita
contar con un sitio apropiado para el desarrollo de las actividades prácticas, para
la elección del lugar es importante tomar en cuenta diferentes parámetros, por
ejemplo, radiación solar, velocidad del viento, etc., esto con la intención de no
desplazarse ni mover equipos para realizar las actividades experimentales.
Se pretende implementar un laboratorio que cuente con los equipos
suficientes e involucren las tecnologías que actualmente están desplegando en el
área de las energías renovables, como la energía del hidrogeno, sistemas
fotovoltaicos y eólicos, geotermia, electromagnetismo, etc. La propuesta para
crear este espacio experimental ha sido presentada a la dirección de la facultad de
Ingeniería, para posteriormente ser ejecuta dentro de las instalaciones de la
universidad a inicios del 2015, de esta manera la Universidad Católica de Cuenca
contará con un espacio apropiado para mostrar a sus estudiantes y comunidad en
general las opciones amigables con el ambiente para producir energía. Ecuador es
un país que cuenta con gran cantidad de recursos naturales y apenas están
siendo aprovechados, su potencial solar y eólico es inmenso, cuenta con energía
geotérmica, etc. Y se espera dentro de unos años que este país genere su energía
10
por medio de las fuentes renovables y reduzca las emisiones de Dióxido de
Carbono (CO2).
11
Capitulo 1. Marco contextual
La Universidad Católica de Cuenca es una universidad ecuatoriana fundada el 7
de septiembre de 1970, en la ciudad de Cuenca, con extensiones en Quito,
Azogues, y la Amazonía. Se caracteriza por brindar una educación de calidad y
cristiana, en la actualidad alberga aproximadamente a 10.000 estudiantes.
Actualmente la universidad cuenta con 11 Unidades Académicas en Cuenca
Objetivo general
Diseñar e implementar un laboratorio de energías renovables para la facultad de
ingeniería eléctrica de la Universidad Católica, ubicada en Cuenca Ecuador, con la
finalidad de que el estudiante practique y experimente logrando obtener un
conocimiento técnico acerca de los diferentes sistemas instalados.
1.1.1 Objetivos específicos
Diseñar un laboratorio de energía renovable para la facultad de ingeniería
eléctrica de la Universidad Católica de Cuenca, Ecuador.
Buscar proveedores locales o nacionales que cuenten con el equipo
necesario para comparar productos y realizar la cotización de estos.
Contando con el equipo, hacer la instalación de los diferentes sistemas de
energía renovable con los cuales contara el laboratorio.
Instalar los sistemas en el laboratorio para las diferentes prácticas a realizar
por los estudiantes de la facultad de ingeniería eléctrica.
12
1.2 Problemática
En la actualidad, diferentes sistemas educativos no cuentan con un equipo óptimo
con el cual el estudiante pueda estar totalmente relacionado y por lo tanto
desarrollar de una mejor manera sus competencias, que le permita reforzar sus
conocimientos teóricos de forma técnica y práctica. Es importante que en la etapa
de formación, el alumno pueda lograr el mejor aprovechamiento que le permita
hacerse de experiencia básica que en el ámbito profesional o laboral, será
requerida. La facultad de ingeniería eléctrica, electrónica y sistema, de la
Universidad Católica de Cuenca, ubicada en la ciudad de Cuenca, Ecuador; recién
abrió un nuevo curso, el cual corresponde a las Energías Renovables que es
impartido a los estudiantes de cuarto grado de ingeniería eléctrica, siendo éste
una asignatura de gran importancia ya que está totalmente ligada con la carrera
profesional en curso, la cual les será impartida durante un ciclo escolar. Pero
existe una problemática sumamente importante, no se cuenta con el equipo
suficiente, como se lee líneas arriba, en pocas palabras un laboratorio habilitado
que le brinde al joven estudiante las herramientas necesarias para poder
comprender el desarrollo y funcionamiento de las energías verdes o los distintos
sistemas aplicados en este caso para generar electricidad, por ejemplo sistemas
fotovoltaicos PV, una turbina de viento o energía térmica a partir de un colector
solar.
1.3 Justificación
Con el equipamiento de un laboratorio de energía renovable, el estudiante será
capaz de experimentar y llevar acabo diferentes proyectos o prácticas que sean de
gran ayuda en la retroalimentación de su curso y la carrera profesional en curso,
podrá conocer las componentes y cada una de las partes que conforman los
distintos sistemas de generación eléctrica que hoy en día están causando un alto
impacto en la sociedad y el medio ambiente. Una vez comprendida la parte
13
teórica, más la parte experimental, el estudiante estará listo para desarrollar las
competencias que el nivel profesional exige.
1.4 Metodología
Diseño teórico: Investigar las fuentes de energías renovables y la conversión de
energía solar y eólica en energía térmica y eléctrica.
Se realizan los dimensionamientos de los diferentes equipos para la
adquisición de los elementos de operación de los mismos.
De igual manera se plantearán las ecuaciones de balanceo de energía de
acuerdo a la radiación solar disponible y con ello se podrá obtener los datos
calculados de energía solar que se transformará en diferente tipo de energía de
acuerdo a la aplicación.
Se obtendrá los valores de eficiencia de estos equipos instalados en el
laboratorio con la realización de los ensayos correspondientes y la utilización de
los equipos de monitoreo y medición que se instalarán.
Pregunta de investigación:
¿Es posible generar energía en nuestro país utilizando fuentes de energía
renovables y con ello desarrollar mejoras en las tecnologías actuales, con el fin de
conseguir mejor eficiencia en la conversión de energía y con ello aportar al
desarrollo de las energías renovables en el mundo?
Diseño experimental: (Población y muestra, métodos, técnicas y procedimientos,
estrategia investigativa, tratamiento de datos)
El estudio se centrará en la adquisición de equipos de conversión de
energía solar, (térmica fotovoltaica) y energía eólica que serán colocados en el
14
laboratorio y que permitan realizar ensayos controlados con el registro de datos en
un ordenador (Data loguer).
La investigación se realizará mediante la experimentación en el laboratorio
y con análisis de los resultados obtenidos.
Los datos serán tratados estadísticamente para poder encontrar sus
correlaciones a fin de poder plantear modelos matemáticos y curvas de operación
de los equipos.
Se espera obtener la producción de agua caliente a partir de un colector
solar y generación de electricidad por medio de un aerogenerador eólico y un
panel solar (PV)
15
Capitulo 2. Marco teórico
2.1 Energía renovable
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de la naturaleza, se
les considera inagotables, con una gran cantidad de energía almacenada, y que
son capaces de regenerarse por medios naturales y de forma rápida. También se
las llama energías alternativas debido a que pueden suplir a las energías o fuentes
energéticas tradicionales, con un apreciable menor efecto contaminante.
Las energías renovables dentro de las cuales se incluyen: la energía solar
fotovoltaica, eólica, geotérmica mareomotriz, térmica, Biomasa etc. podrían
solucionar muchos de los problemas ambientales en la actualidad, como el cambio
climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación
atmosférica. [1]
Las principales razones para hacer uso de estas fuentes de energía se basan
en los siguientes aspectos:
Las fuentes de energía fósil actualmente explotadas terminarán
agotándose, según los pronósticos actuales, en el transcurso de este siglo
XXI.
Evitar en la medida de lo posible la construcción de grandes
infraestructuras de generación y distribución de energía eléctrica que
afecten al ecosistema existente.
Ayudar en gran parte a la implantación de un desarrollo sostenible que nos
ayude a coexistir con nuestro planeta.
Contribuir a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, que
incidan en la mitigación de los impactos del cambio climático, mediante la
adopción de energías renovables y prácticas de eficiencia energética en los
procesos productivos de los negocios locales y comerciales, para propiciar
el ahorro de la energía y la disminución de costos de producción.
16
Respecto a lo anterior es sin duda un hecho indiscutible la preocupación
mundial respecto al cambio climático en nuestro planeta. Actualmente existen
organismos en muchos países responsables de tomar medidas a fin de reducir el
índice de contaminantes que afectan nuestro entorno. En la figura 1. Se muestra el
porcentaje de las energías renovables, su capacidad energética y la producción
de biocombustibles en el mundo.
Figura 1. Energías renovables en el mundo [2]
2.2 Energía solar
La energía solar es una fuente de energía renovable, obtenida a partir del
aprovechamiento de la radiación electromagnética (radiación solar) procedente del
Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser
humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido
evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la actualidad, el calor y la
17
luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células
fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en
energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o
energías limpias, que pueden ayudar a resolver algunos de los problemas más
urgentes que afronta la humanidad.
La Radiación Solar es la energía emitida por el sol (figura 2), que se
propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas
electromagnéticas.
Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas según
cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas
incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos para recolectar la
energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas
en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios etc. [3]
La electricidad es una de las formas de energía más versátiles y que mejor
se adaptan a cada necesidad. Su utilización está tan extendida que difícilmente
podría concebirse una sociedad tecnológicamente avanzada que no hiciese uso
de ella. Actualmente existen miles de aparatos que, bien en forma de corriente
continua o de corriente alterna, utilizan la electricidad como fuente de energía, y su
uso ha provocado una alta demanda de consumo eléctrico.
Este hecho ha propiciado la búsqueda de nuevas fuente de energía y
nuevos sistemas de producción eléctrica, basados, fundamentalmente en el uso
de energías renovables. Los sistemas actuales de generación y producción de
electricidad cuentan con una gran cantidad de problemas los cuales hacen
necesario intentar y más que nada desarrollar otro tipo de fuentes energéticas que
apunten hacia un futuro sustentable, donde la sociedad se vea beneficiada
económicamente y mejore su calidad de vida donde el medio ambiente no se vea
afectado.
18
Como ya se ha mencionado antes, la tendencia actual es la utilización de
energías renovables. Es aquí donde la energía solar tiende a ser de mera
importancia debido a que está puede ser utilizada de diferentes formas para
aprovechar la radiación solar y producir electricidad; está fuente se distingue entre:
Métodos indirectos: El sol se aprovecha para calentar un fluido (puede ser
agua, sodio, sales fundidas etc.) y convertirlo en vapor, con el fin de
producir electricidad mediante el movimiento de un alternador o
simplemente agua caliente para lugares públicos o uso domestico. La
producción de la electricidad se realiza mediante un ciclo termodinámico
convencional, como se haría en una central térmica de combustible fósil
Métodos directos: En ellos la luz del sol es convertida directamente a
electricidad mediante el uso de células solares que apiladas o en conjunto
conforman un sistema fotovoltaico o panel solar. [4]
La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo. Algunas zonas del
planeta reciben más radiación solar que otras. En el caso particular de Ecuador,
los sistemas fotovoltaicos son una alternativa muy interesante, desde las
perspectivas técnica y económica, pues la región dispone durante todo el año de
abundante radiación solar; entre las aplicaciones más destacadas en este país
para suministrar energía son los emplazamientos aislados de la red (viviendas
aisladas, faros, postes SOS, bombeos, repetidores de telecomunicaciones, etc.).
Figura 2. Radiación solar en el mundo [3]
19
2.3 Energía solar fotovoltaica
El principio fotoeléctrico es un tema que se ha fortalecido en los últimos 30 años
debido al avance científico y al interés en su aplicación a las energías renovables;
sin embargo el efecto fotovoltaico es un principio físico descubierto en el año de
1839 por el francés Edmund Bacquerel; pero no fue hasta después de 48 años
cuando Heinrich Hertz hizo las primeras observaciones a detalle y la descripción
experimental de tal principio. En el año de 1887 Hertz fabricó la primera celda
fotovoltaica, la cual convertía la luz en electricidad con apenas el 1% de eficiencia.
A pesar de haberse publicado varios artículos con investigaciones en el
campo, nunca hubo una explicación física del fenómeno hasta el año de 1905
cuando Albert Einstein expone una demostración puramente matemática para el
efecto fotoeléctrico en la cual predecía que la energía con la cual los electrones
escapaban de un material aumenta linealmente con la frecuencia de la luz
incidente. Artículo que llevó a Einstein a ser acreedor del Premio Nobel de la
Física en el año de 1921.
A la fecha el principio fotovoltaico se encuentra en pleno auge de su
crecimiento y desarrollo, en el cual alrededor del mundo día a día se buscan
nuevas técnicas para incrementar su eficiencia y reducir sus costos para cada vez
acercarnos más a esta alternativa energética utilizando como fuente primaria a la
energía electromagnética proveniente del sol. [5]
La energía solar fotovoltaica es una forma de obtención de electricidad por
medio de paneles solares fotovoltaicos. Los paneles o módulos fotovoltaicos están
compuestos por dispositivos semiconductores tipo diodo (células fotovoltaicas)
que, al recibir la radiación solar, se estimulan y generan saltos electrónicos,
generando diferencias de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de
estas células permite obtener voltajes en corriente continua, adecuados para
alimentar dispositivos electrónicos sencillos o a mayor escala, esta corriente
20
eléctrica continua generada por los paneles se puede transformar en corriente
alterna e inyectar en la red eléctrica.
La cantidad de energía solar aprovechable depende de muchos factores,
algunos de ellos pueden ser controlados en el diseño e instalación del sistema
(orientación, inclinación, ubicación de paneles, etc.) y otros se escapan de control
ya que están en función de la localización geográfica y meteorología de la
instalación. [5]
2.3.1 La célula fotovoltaica
Es el elemento fundamental de todo sistema fotovoltaico, atribuyéndole la
responsabilidad de captar la energía electromagnética proveniente del sol y
generar una corriente eléctrica. La base primordial de su composición es el silicio;
lugar donde se producen los efectos físicos que hacen posible el principio de la
conversión de energía. [5]
En la célula, la radiación incide generalmente sobre una lámina tipo n, con
un grosor menor a 1μm para que la penetración de los fotones en el cristal sea
suficiente para crear un par electrón-hueco y generar un flujo de electrones. La
célula solar se fabrica mediante la cristalización de silicio y de ello aparecen tres
tipos principales:
Silicio cristalino.- Este tipo de células representan el estándar de la
tecnología fotovoltaica comercial. El silicio pasa por varios procesos durante
su fabricación, en los cuales debe ser purificado, fundido y cristalizado ya
sea en láminas o lingotes, estructuras que luego serán cortadas en celdas
individuales y a continuación pulidas. Este mecanismo de fabricación
desperdicia casi el 50% del material original. Las impurezas de boro y
fósforo para formar capas tipo p y capas tipo n se las introduce mediante
difusión a elevada temperatura. Por lo general la tensión de cada célula
solar produce alrededor de 0,5 V; valor independiente del área superficial
21
de la misma; señalando la diferencia con la corriente proporcionada que
será mayor cuanto más grande sea la misma. Esta construcción puede
presentar dos configuraciones distintas; el silicio monocristalino y el silicio
policristalino.
Silicio amorfo.- También conocido con el nombre de “película delgada”, su
fabricación se basa en el depósito de capas delgadas de silicio, evaporando
al vacío, erosión iónica, y deposición de vapor sobre un sustrato que
generalmente es vidrio o plástico. Mediante este proceso es posible obtener
células solares a precios muy económicos, pero lamentablemente su
eficiencia también es mucho más reducida.
Silicio policristalino.- La forma de trabajo de las celdas policristalinas es
igual al de una célula de Si monocristalina; la diferencia radica que en su
fabricación se utiliza un silicio de menor calidad. A nivel microscópico esta
celda contiene varios granos de silicio dejando espacio libre entre sus
uniones; es por estos huecos que se interrumpe el fenómeno fotovoltaico y
su eficiencia es reducida. [5] En la tabla 1. Podemos ver la eficiencia de
cada tipo de celda fotovoltaica, así como sus ventajas y desventajas de
cada una de ella.
Tabla 1. Tipos de celdas solares
Tipo de celda Eficiencia Ventajas Desventajas
laboratorio Producción
Silicio Monocristalino
19,10%
12-16%
Tecnología bien desarrollada y probada. Estable. Mayor eficiencia.
Emplea material caro.
Desperdicio elevado.
Fabricación costosa.
Silicio Policristalino
18%
11-14%
Tecnología bien
desarrollada y
probada.
Estable.
Buena eficiencia
Menor costo.
Emplea material caro.
Desperdicio elevado.
Fabricación costosa.
Menor eficiencia.
Silicio Amorfo
11.5 %
4-8%
Utiliza poco material.
Alto potencial y
producción rápida.
Costo reducido 50%
del Silicio cristalino.
Degradación pronunciada.
Menor eficiencia.
Menor durabilidad.
22
2.3.2 Parámetros fundamentales de la célula solar
Corriente de cortocircuito (Isc): máximo valor de corriente que puede
circular por la célula solar ó un panel fotovoltaico. Se da cuando sus
terminales están en cortocircuito.
Tensión nominal (Vn).- Es el valor de su tensión determinada en el
momento de su diseño y fabricación. Depende de la cantidad de celdas
fotovoltaicas dispuestas en serie dentro del módulo.
Tensión a circuito abierto (Voc).- Es el máximo valor de tensión que se
alcanza en el panel fotovoltaico al mantener una corriente igual a cero. Esta
tensión es igual a la tensión de cada célula individual multiplicada por el
número de las mismas colocadas en serie.
Potencia máxima (Pm).- También llamada potencia pico del panel; es el
máximo resultado del producto de la tensión y corriente en la curva
característica V-I de cada módulo. Aproximadamente al 80% de la tensión a
circuito abierto es la adecuada para su cálculo. [6]
2.3.3 Elementos que componen un sistema fotovoltaico
Todo sistema fotovoltaico está compuesto de varios elementos necesarios para su
correcto funcionamiento y control (figura 3.). Estos equipos son el generador
fotovoltaico, el regulador e inversor de corriente, sistemas de acumulación o
baterías y equipo diverso para mantener estables los sistemas de seguridad y
medición. [3]
Figura 3. Elementos de un sistema fotovoltaico aislado [3]
23
El panel solar: Un panel solar o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto
de células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre un
estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión
continua, y se diseña para valores concretos de tensión (6v, 12v, 24v…), que
definirán la tensión a la que trabajara el sistema fotovoltaico. La figura 4. Indica
cada elemento del panel solar. [3]
Figura 4. Partes de un panel solar
La forma de interconexión entre varios módulos depende de las
características de tensión, corriente y potencia que se requiera, sin embargo es
necesario indicar que no es aconsejable conectar entre sí módulos de distintas
características o de diferentes fabricantes. Existen tres formas de conexionado:
Serie.- La tensión total es igual a la tensión de un módulo multiplicada por el
número total de unidades conectadas en serie.
Paralelo.- La corriente total es igual a la corriente de un módulo multiplicada por el
número de unidades conectadas en paralelo.
Mixta.- En combinación de los dos casos anteriores para ajustar los parámetros
eléctricos a los requerimientos o necesidades del sistema que se diseña.
24
Acumulador: la producción de energía fotovoltaica únicamente puede ser captada
durante las horas de luz natural; mientras que el consumo de la misma se la
realiza en mayor o menor magnitud en el transcurso de un día completo. Es por
ello la necesidad de almacenar la energía eléctrica en sistemas de acumulación a
fin de poder disponer de ella en momentos de poca o nula radiación solar. [5]
Las baterías utilizadas en los sistemas fotovoltaicos son únicamente las de
“plomo-ácido” por las características que presentan. Dentro de este tipo de
baterías se encuentran diferentes modelos, dependiendo del tipo de instalación
(capacidad, mantenimiento, temperatura del lugar, etc.) se elige la batería o
acumulador que garantice un mejor funcionamiento en el sistema.
La capacidad de las baterías se mide en Amperio-hora (Ah) y está
influenciada por la temperatura, aumentando conforme ésta se incremente. Es
conveniente que en una instalación solar las baterías alcancen un nivel de carga
superior al 90% antes de ser cortada su alimentación.
La tensión nominal de las baterías es generalmente de 12V y con una
capacidad de fabricación máxima de 400 Ah. Si se requiere en algún diseño
capacidades superiores es necesario colocar baterías en serie (aumenta el voltaje)
o paralelo (aumenta la corriente).
Regulador: Este equipo es muy necesario y elemental en un sistema fotovoltaico
que incluya sistema de acumulación como se ve en la figura 5, ya que sirve para
proteger a las baterías. En el momento que el acumulador haya alcanzado su
máxima capacidad de carga, el regulador corta el paso de corriente que se
conecta al generador fotovoltaico. De igual manera y en sentido inverso, en la
parte de descarga se ocupará de asegurar el suministro eléctrico diario suficiente y
evitar la descarga excesiva de la batería con el fin de alargar su vida útil. [3]
25
Figura 5. Posición del regulador en una instalación [3]
Inversor: El inversor es el equipo que sirve para adaptar la forma de corriente
producida en el módulo fotovoltaico a la forma requerida por la carga. Se encarga
de convertir la corriente continua de la instalación en corriente alterna, igual a la
utilizada en la red eléctrica: 220 V de valor eficaz y una frecuencia de 50 Hz.
Es un elemento imprescindible en las instalaciones conectadas a red, y
estará presente en la mayoría de las instalaciones autónomas sobre todo en
aquellas destinadas a la electrificación de viviendas. El inversor de corriente debe
conectarse en los bornes de salida del regulador. Un factor importante en sus
características eléctricas es su potencia nominal, entendida como la potencia que
es capaz de suministrar el inversor de forma continua. Estos equipos varían entre
valores de 100 a 5000 W. El rendimiento de este equipo es un aspecto que se
debe tomar mucho en cuenta, debido a que si su eficiencia es muy pobre se
produce elevadas cantidades de energía desperdiciadas en forma de calor. [5]
2.4 Energía térmica
La energía térmica o calorífica es la parte de energía interna de un sistema
termodinámico en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se
26
incrementa o disminuye por transferencia de energía, generalmente en forma de
calor o trabajo, en procesos termodinámicos. [7]
2.4.1Fundamentos de la energía térmica en sistemas
solares.
Los sistemas de energía solar térmica utilizan los rayos solares para obtener agua
caliente. Unas placas especiales, denominadas colectores, concentran y acumulan
el calor del Sol, y lo transmiten a un fluido que queremos calentar. Este fluido
puede ser bien el agua potable de la casa o bien el sistema hidráulico de
calefacción de la vivienda.
En cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios, hay dos tipos
de instalaciones:
circuito abierto, donde el agua de consumo pasa directamente por los
colectores solares.
circuito cerrado, donde el agua de consumo no pasa directamente por los
colectores solares. Este sistema es el más común. Se utiliza un líquido
anticongelante que recorre los tubos dentro de los colectores y se calienta
por la acción de la radiación solar. [8]
Colector solar: Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier
dispositivo diseñado para recoger la energía radiada por el sol y convertirla en
energía térmica
Los colectores solares se clasifican de acuerdo a su estructura, ya sea de baja
temperatura o alta temperatura:
Colectores solares de placa plana. Estos colectores poseen una cubierta
transparente de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero como el de
la figura 6, formado por una serie de tubos de cobre, los cuales expuestos al sol
absorben la radiación solar y se la transmiten al fluido que atraviesa su interior.
27
Colectores solares de vacío. Van dotados de una doble cubierta envolvente,
herméticamente cerrada, aislada del interior y del exterior, y en la cual se ha
hecho el vacío. Su finalidad es la de reducir las pérdidas por convección. [9]
2.4.2 Elementos principales de un colector
Colector. Está constituido por una superficie absorbente expuesta a la
radiación solar. La energía solar absorbida por la placa de vidrio es
transferida al agua que circula en tubos colocados en contactos con la
misma.
Depósito de almacenamiento. El almacenamiento de energía captada
permite hacer frente al carácter discontinuo de la energía solar. Es hecho a
través del almacenamiento de agua en un depósito apropiado y se
manifiesta por la elevación de la temperatura del agua almacenada.
Sistema auxiliar de apoyo. Se recurrirá a un sistema de apoyo siempre que
haga falta complementar el suministro del sistema de calentamiento solar,
otorgando siempre prioridad al sol.
Bomba de recirculación. La función de la bomba de recirculación es
mantener el fluido circulando en un circuito cerrado con la finalidad de
aprovechar la energía térmica de la radiación solar.
Figura 6. Colector solar de placa plana [9]
28
2.4.3 Funcionamiento de un colector
El funcionamiento de un colector solar es más sencillo de lo que parece. La
técnica de la que se vale es crear un efecto invernadero dentro del colector (el
mismo principio que se puede experimentar al entrar en un coche aparcado al sol
en verano):
El sol incide sobre el vidrio del colector, que siendo transparente a la
longitud de onda de la radiación visible, deja pasar la mayor parte de la
energía. Ésta calienta entonces la placa colectora que, a su vez, se
convierte en emisora de radiación.
La radiación resultante es incapaz de pasar a través del vidrio opaco
superior, por lo que el calor se acumula en el interior del colector creando
un pequeño efecto invernadero.
Al paso por la caja, el fluido caloportador que circula por los conductos se
calienta, y transporta esa energía térmica a donde se desee. [10]
2.4.4 Principales usos de los colectores solares
Preparación de agua caliente para usos sanitarios: es el agua destinada al
consumo humano (potable) que ha sido calentada. Se utiliza para ducharse,
para lavarse en el lavabo o en el bidé, etc.
Calefacción: los sistemas de energía solar térmica solo se recomiendan
para sistemas de calefacción de baja temperatura, como el suelo radiante,
donde se emplean para precalentar el agua de la caldera.
Climatización de piscinas: es el uso más adecuado para un sistema de
energía solar térmica. La baja temperatura de trabajo requerida permite
incluso tipologías de colectores sin vidrio protector, lo que abarata
enormemente tanto los costes como el impacto ambiental de la instalación.
29
2.5 Energía eólica
Es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada
por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de
energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica es
utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores,
conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de
energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía
verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente,
menos problemático que el de otras fuentes de energía.
2.5.1Funcionamiento de un aerogenerador
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por
el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que
se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía
eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía
mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico,
hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que
convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica (Figura 7). [11]
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las
variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la
velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en
espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de
datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la
velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario
30
que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se
vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4
km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h),
velocidad llamada "cut-out speed". [11]
Figura 7. Funciones de las partes del aerogenerador [12]
2.5.2 Partes de un aerogenerador
Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido a la
energía cinética del viento.
Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.
Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la
frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso
para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este
funcione.
Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en
energía eléctrica.
31
Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para
el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de
servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:
Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación
de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como
sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.
Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una
temperatura prudente.
Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la
velocidad del viento y la dirección de este respectivamente. Están
conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales
adecuadamente.
2.5.3 Energía eólica en Ecuador
La Central Eólica Villonaco de 16.5 MW de potencia inició su construcción en
Agosto de 2011. Cuenta con 11 aerogeneradores como se muestran en la figura 8
de 1.5 MW cada uno. Es el primer proyecto eólico en Ecuador continental, además
de ser el primero en el mundo ubicado a una altitud de 2700 msnm. El proyecto se
encuentra ubicado en la provincia de Loja, cantón Loja.
Contempla 11 aerogeneradores del tipo GW70/1500, a una altura
aproximada de 2720 msnm, a lo largo de la línea de cumbre del cerro Villonaco
con una distancia aproximada de 2 km. La subestación de elevación Villonaco
34.5 KV/69 KV tiene una capacidad de 25 MWA y presenta un esquema de
conexión de barra principal y transferencia. La subestación Loja, contempla la
instalación de una bahía de 69 KV, la cual recibirá la energía proveniente de la
subestación Villonaco para ser conectada al Sistema Nacional de Transmisión.
Se constituye en un proyecto emblemático del estado Ecuatoriano que se
encuentra operando de forma normal y continúa sobre la base de los
32
requerimientos del sistema eléctrico ecuatoriano desde el 2 de enero de 2013,
aportando al Sistema Nacional Interconectado una energía de 105.46 GWh desde
su entrada en operación a agosto del 2014, reduciendo emisiones de CO2 en
aproximadamente 0.032 millones de Ton/año, sustituyendo la importación de
energía, y creando 254 fuentes de empleo directo.
Beneficia directamente a más de 200 mil habitantes gracias a la
implementación de nuevas prácticas de compensación a través de convenios para
el mejoramiento de infraestructura y equipamiento de Centros Educativos,
dotación de suministro eléctrico a las comunidades de la zona de influencia,
convenios para contribuir con recursos económicos para el mejoramiento de vías,
capacitación a los moradores de la zona en control fitosanitario de cultivos,
jardinería y mantenimiento de áreas verdes.
La construcción de esta obra implicó una inversión de 48.35 millones de
dólares y una inversión en programas de desarrollo integral y sostenible de
aproximadamente 408 mil. [13]
Figura 8. Parque eólico en Villonaco [13]
33
Capitulo 3. Propuesta del laboratorio
La universidad Católica de Cuenca ha iniciado una nueva era que apunta a la
sustentabilidad utilizando las energías verdes en sus diferentes instalaciones, en
este caso la facultad de Ingeniería Eléctrica ha puesto un pie adelante para
implementar distintos sistemas renovables enfocados en energía solar, eólica y
térmica (fase 1) principalmente, con la finalidad de capacitar al estudiante de la
carrera ya mencionada por medio de un laboratorio, el cual se tiene previsto que
sea uno de los más equipados en la ciudad de Cuenca Ecuador, y de esta manera
los jóvenes estudiantes obtengan los mejores conocimientos teóricos y prácticos
para lograr resultados que les sean de ayuda a corto plazo, pues en la actualidad
Ecuador es un país que comienza a explotar su potencial energético en lo que a
medios naturales se refiere. El laboratorio contara con equipos de las diferentes
energías verdes:
Fase 1: Sistemas solares, Eólicos y Térmicos
Fase 2: Biomasa, Geotérmica, Pilas de combustible
Fase 3: Sistemas de ciclo combinado, energía electromagnética
3.1 Equipos a implementar en la Fase 1 del laboratorio
Como ya se menciono anteriormente el laboratorio de energías renovables de la
facultad de Ingeniería eléctrica consta de tres fases, las cuales se irán
implementando en el transcurso del siguiente año y parte de este.
La fase 1 involucra a las energías verdes que en la actualidad son las más
utilizadas para generar energía eléctrica en distintos países y otros usos
domésticos que son vitales para el desarrollo de la sociedad. Para llevar a cabo el
laboratorio se observo y discutieron distintos aspectos los cuales nos ayudaron a
decidir y elegir qué tipo de sistemas son los que principalmente debería contar el
34
espacio en el cual se llevaran a cabo las prácticas experimentales de los
estudiantes.
Actualmente las energías renovables se encuentran en desarrollo, pero existen
ya tecnologías probadas y con grandes avances tecnológicos, tal es el caso de
los paneles fotovoltaicos, los aerogeneradores y los calentadores solares que ya
forman parte de la sociedad y el medio ambiente, logrando reducir emisiones de
CO2 y costos en la energía requerida por empresas u cualquier lugar que cuente
con sistemas renovables autónomos o interconectados a la red de distribución
eléctrica.
Para esta primera fase, el laboratorio contara con los siguientes sistemas:
1. Sistema fotovoltaico autónomo de 300 W
2. Aerogenerador eólico de 2 KW
3. Colector solar de tubos al vacio con una capacidad de 300 litros de
almacenamiento
3.2 Sistema fotovoltaico autónomo de 300 W
Los sistemas fotovoltaicos autónomos son mecanismos de diseño pensados
principalmente para zonas en la cuales no exista la red pública y la demanda de
energía sea abastecida únicamente con la producción del sistema fotovoltaico y se
utilizan principalmente para iluminación u aparatos que su consumo de energía no
sea muy alto por ejemplo, una radio.
3.2.1 Características de los componentes del sistema
PLACA SOLAR MONOCRISTALINA ISOFOTÓN ISF-145 de 145w 12v
(figura 9)
En las tablas 2, 3 y 4 se muestran las características del panel propuesto, es
importante tomar en cuenta la información de la ficha técnica del producto ya que
al momento de adquirir otros equipos como el regulador, baterías e inversor nos
35
podremos dar una idea de la capacidad que deben tener estos para un correcto
funcionamiento.
Tabla 2. Características eléctricas
Tabla 3. Características mecánicas
Célula solar Silicio Monocristalino – 156 mm x 156 mm (6 pulgadas)
Número de células 36 células en configuración 4 x 9
Dimensiones 1515 x 662 x 39,5 mm
Peso 13,5 Kg
Vidrio Alta transmisividad, micro estructurado y templado de 3,2 mm (EN-12150)
Marco Aluminio anodizado y toma de tierra
Máxima carga admisible 2400 Pa
Caja de conexión IP 65 con 3 diodos de bypass Cables y Conector Cable solar de 1 m y sección 4 mm2. Conector MC4 o compatible
Tabla 4. Características de operación
Tensión máxima del sistema 1.000 V
Límite de corriente inversa 20 A
Temperatura de Operación Nominal de la Célula (TONC) 45 +/- 2º C
Coeficiente de temperatura de Pmax -0,464%/K
Coeficiente de temperatura de Voc -0,323%/K
Coeficiente de temperatura de Isc 0,042%/K
Figura 9. Panel propuesto
Potencia nominal (Pmax) 145 W Tensión en circuito abierto (Voc) 22,4 V Corriente de cortocircuito (Isc) 8,55 A Tensión en el punto de máxima potencia (Vmax) 18,1 V Corriente en el punto de máxima potencia (Imax) 8,00 A Eficiencia 14,5% Tolerancia de potencia (% Pmax) +/- 3%
36
REGULADOR DE CARGA A 10A
Protecciones electrónicas: Cortocircuito y exceso de corriente; sistema de carga
solar y carga; Polaridad inversa; en sistema de carga solar, en la carga y en la
batería; Corriente inversa por la noche; Alto voltaje en la carga.
Tabla 5. Características eléctricas del regulador
Voltaje del sistema: 12/24 voltios DC reconocimiento automático
Max. Corriente de carga: 20 A
Desconexión por Bajo Voltaje: 10,5 V
Re conexión por bajo voltaje: 11.6 V Consumo propio 8 mA máximo Temperatura de funcionamiento: de -20 a +50 ° C Tipo de batería: plomo-acido (GEL, AGM, inundado) Dimensiones 15.1 x 6.6 x 3.6 cm Terminales Para tamaños de cable de hasta 4 mm
2
Figura 10. Regulador de carga
BATERIA DE GEL 12V/100 A
Debido a que la instalación solar es de pequeña dimensión y no es necesario darle
mantenimiento de manera periódica, se eligieron las baterías de gel, se debe
tomar en cuenta que no se produzcan descargas profundas ya que si es así el
acumulador puede resultar dañado.
Tabla 6. Características generales de la batería
Tensión: 12V
Capacidad de batería (Ah): 100
Número de células: 6
Vida útil:12 años
Longitud: 306mm
Ancho: 168 mm
Altura: 229 mm
37
Figura 11. Batería para el sistema
INVERSOR 300W-12VDC/120V
Parte fundamental en la instalación fotovoltaica, gracias a este componente
podremos suministrar corriente eléctrica a diferentes cargas conectadas en el
laboratorio.
Tabla 7. Características del inversor
Max. Potencia continua: 300 W
Potencia pico: 600 W
AC Tensión de salida: 110V,120V,220V,230V,240V AC
Frecuencia de salida: 50 o 60 Hz
Forma de onda de salida: Sinusoidal
Voltaje de entrada: 12V
Rango de tensión: 10.5-15.0 VDC
Eficiencia: 85%+
Corriente de salida: 5 A/2.5 A
Figura 12. Inversor de corriente
Todos los componentes anteriores puedes ser encontrados en empresas
locales de la ciudad de Cuenca Ecuador, en este caso la empresa JVCA se
encargo de brindar las características de cada equipo, de esta manera hace más
sencillo la adquisición de estos.
38
3.3 Aerogenerador eólico de 2 KW
El generador de viento de 2 KW convierte la energía eólica en energía mecánica
primero y energía eléctrica después. Este equipo puede hacer plenamente uso de
la energía eólica para recargar una batería, para que pueda ser utilizada en forma
de corriente alterna y proveer de energía eléctrica al lugar para el cual fue
instalado, logrando un ahorro en la factura eléctrica. Este sistema es aplicable en
zonas alejadas de la red eléctrica y que cuenten con los parámetros necesarios
para su funcionamiento, por ejemplo la velocidad del viento. El sistema puede
suministrar fácilmente los servicios de iluminación, la televisión, equipos de
comunicación, y otros electrodomésticos.
3.3.1 Características eléctricas y mecánicas
Tabla 8. Características eléctricas del aerogenerador
Potencia nominal 2000W
Potencia Máxima 3200W
Diámetro del rotor 3.2m ( 10.50ft )
Velocidad de giro 350 ( r / min)
Tipo de Generador PMG AC Direct Drive
Materiales del generador Cuerpo de aluminio + cable de cobre
+ Nd-Fe-B
Voltaje de salida 48V
Opcional Tensión de salida
(DC) 24-350V
Velocidad mínima del
viento 3 m / s (6.72 mph)
Velocidad máxima del
viento 3-25m / s (6,72 a 56 millas por hora)
Altura de la torre 6m (19.68ft) disponible a mayor
Pesa Superior 65kg
Método de protección Aleta de la cola Auto-lean
Tabla 9. Características del controlador de carga
Controlador Potencia de entrada del viento clasificada 1 KW
Tensión de la batería 48VDC
39
Tabla 10. Propiedades de la batería y el inversor
Inversor
Potencia nominal de salida 2KVA
Calificación de la batería
Voltaje 48Vdc
Tensión nominal de salida 110/120/220/230/240
VAC
Frecuencia de salida 50/60 Hz ± 0,05 Hz
Eficiencia Inversor Max 90%
Forma de onda de salida De onda sinusoidal pura
Baterías Batería GEL strorage 12V 200AH ( 4pcs )
Una de las ventajas de este sistema es que ya cuenta con todo el equipo
necesario para un adecuado funcionamiento. Además cuenta con una estación de
monitoreo, la cual muestra la velocidad y dirección del viento.
3.4 Colector solar de tubos al vacio
Este equipo cuya función es captar la energía del sol con la finalidad de calentar el
agua de un tanque térmico para el consumo en el hogar o calentar el agua de su
piscina, etc. manteniéndola a una agradable temperatura de forma ecológica. La
empresa local Juan Álvarez cuenta con una experiencia ya de 25 años en energía
térmica y actualmente la compañía lanza al mercado su nuevo producto innovador
(figura 13), Paneles o colectores Solares Térmicos TERMOSOL, un producto que
a más de ser ecológico es sumamente durable y funcional.
Figura 13. Colector solar propuesto
40
Características del colector:
Capacidad de tanque de almacenamiento: 300 litros
Temperatura de calentamiento: temperatura mínima mayor a 45°C,
temperatura media de 60°C a 80°C, y temperatura máxima 85°C.
Temperatura de entrada:15°C
Longitud del tubo al vacio: 2000mm
Diámetro del tubo al vacio: 58mm
Este equipo necesita además de otros componentes los cuales serán de
mera importancia en el funcionamiento del colector, se necesitara entonces de una
bomba de recirculación, sensores de temperatura y un tanque de almacenamiento
de agua fría.
3.4.1 Otros componentes
Sensor de temperatura: consiste en dos conductores metálicos diferentes,
unidos en un extremo, denominado junta caliente suministrando una señal
de tensión eléctrica que depende directamente de la temperatura.
Bomba de recirculación: crea un ciclo en el sistema, de tal manera el
fluido siempre estará circulando hasta lograr alcanzar una temperatura
determinada para su uso
Tanque de almacenamiento (300 litros): Es independiente del colector,
este tanque contendrá agua fría y gracias a la recirculación del fluido, en
este caso agua se podrá obtener una mayor cantidad de agua caliente.
3.5Diagramas para instalación de los sistemas
En una instalación fotovoltaica, los paneles pueden conectarse en serie o en
paralelo, tal sea el caso, por ejemplo si se ocupa una tensión mayor y contamos
con una instalación de 2 o más paneles, es necesario de hacer la conexión en
41
serie, de forma contraria si se necesita una corriente más elevada, la conexión de
estos debe ser en paralelo como se muestra en la figura 14.
Figura 14. Conexión en serie y paralelo de dos paneles fotovoltaicos [5]
De igual manera en el banco de baterías, si conectas en serie aumenta la
tensión mientras que la corriente se mantiene, y si conectas en paralelo la tensión
permanece estable y su corriente aumenta (figura 15 y 16). Como dato importante,
cuando se coloca un banco de baterías en paralelo, estas deben tener las mismas
especificaciones y constructivamente iguales, ya que si se tiene un batería de otro
proveedor u otras especificaciones, está se comporta como una resistencia y en
lugar de almacenar la energía, termina por consumirla.
Figuras 15 y 16. Muestran la conexión en paralelo y en serie de un banco de baterías y el
aumento de tensión y voltaje según sea la conexión. [5] [3]
De la misma forma la instalación de un aerogenerador consta de regulador
de carga, baterías y el inversor de corriente, en este caso el aerogenerador
42
propuesto cuenta con un kit completo el cual ya viene con cada una de las partes
indicadas y bien dimensionadas para la función de este.
Si se quisiera hacer una instalación hibrida, es decir eólica y fotovoltaica se
tiene que tomar en cuenta la tensión de los equipos, y como ya se menciono antes
no es recomendable trabajar con diferentes tensiones. En el caso del
aerogenerador su voltaje de salida es de 48V y el del panel solar es de 12V, de
acuerdo a las especificaciones de los equipos propuestos, por lo tanto el banco de
baterías debe ser individual para cada sistema.
En la figura 17 se puede ver la instalación de un sistema fotovoltaico, en
este caso los paneles se encuentran conectados en paralelo, por lo que la
corriente se duplicara. De esta manera es como se debe hacer la instalación en el
laboratorio.
La instalación de estos equipos no es complicada, pero se tiene que tomar
en cuenta cada una de las especificaciones de los componentes, es decir, no
sobredimensionar el sistema, por ejemplo, si se tiene un panel de 145W a 12V
como el de la imagen, el regulador de carga también debe trabajar a 12V, de la
misma manera las baterías y el inversor.
Figura 17. Instalación fotovoltaica aislada (propuesta para el laboratorio)
43
En la figura 18 se muestra la instalación del aerogenerador, cada
componente y las características ya mencionadas en la tabla 10, el banco de
baterías se encuentra conectado en serie, de esta manera se aumenta la tensión
de este a 48 VDC.
Figura 18. Conexión del aerogenerador
La inclinación de los paneles y el colector solar es importante, ya que esta
determina si estos captan la mayor cantidad de radiación solar, la estructura de
soporte de estos debe ser diseñada para darle el ángulo óptimo. La inclinación
puede determinarse por la latitud y altitud del lugar donde se realiza la instalación
del sistema, Ecuador recibe los rayos solares de forma vertical, por lo que la
radiación solar es mucho mayor que otros lugares. Teóricamente el panel debe ser
ubicado de forma horizontal, es decir, totalmente acostado, pero el ángulo que se
tomara de referencia para la inclinación de estos sistemas es de 15°, de tal
manera que pueda auto-limpiarse por sí solo.
En la figura 19 podemos ver la instalación completa del sistema térmico que
se ubicara en el laboratorio para sus respectivas pruebas, por ejemplo, la
temperatura de este respecto a la hora del día, etc.
44
Figura 19. Instalación del sistema solar térmico propuesto
3.6 Ubicación del laboratorio
El espacio para realizar las instalaciones de los equipos o sistemas ya
mencionados está ubicado en el área de ingeniería eléctrica de la universidad, el
salón 106 (figura 20 y 21), en este caso fue el ideal para lograr una instalación que
facilite y más que nada, donde los parámetros de radiación solar, las horas solares
pico, la velocidad del viento, etc. son los indicados para lograr el mejor
funcionamiento de cada sistema implementado.
El problema del espacio es que no cuenta con una base fuerte el cual
pueda sostener los diferentes equipos, por lo que se tienen que reforzar las partes
del techo del laboratorio.
Figuras 20 y 21. Espacio para la implementación del laboratorio
45
3.7 Cotización de la propuesta
Gracias a proveedores locales, nacionales e internacionales es un hecho que el
laboratorio se llevara a cabo, todos los componentes o elementos ya mencionados
han sido aprobados por parte del departamento de investigación de la Universidad
Católica de Cuenca. En la cotización (tabla 11) se tomaron en cuenta otros
elementos que son necesarios para la instalación de todos los equipos o sistemas
los cuales conforman la fase 1 del laboratorio.
Tabla11. Presupuesto para laboratorio de energía renovable
ITEM DESCRIPCIÓN CANTIDAD PRECIO UNITARIO
PRECIO TOTAL
1 Panel Solar 145W-12VDC 1 315,78 315,78
2 Control de carga 10A 1 48,60 48,60
3 Bateria 12V/100A 1 243,94 243,94
4 Inversor 300W-12VDC/120V 1 49,50 49,50
5 Estructura de Soporte Panel Solar 1 180,00 180,00
6 Estructura de Soporte para captador solar térmico 1 800,00 800,00
7 Captador Solar Térmico de 300 litros con equipo de control electrónico
1 1.280,00 1.280,00
8 Sensor de Flujo Digital 1 600,00 600,00
9 Sensor de Temperatura Digital 2 105,00 210,00
10 Instalación de sistema Solar térmico 1 400,00 400,00
11 Instalación de sistema Solar fotovoltaico 1 150,00 150,00
12 Cableado para instalación solar 1 120,00 120,00
13 Accesorios de instalación térmica 1 200,00 200,00
14 Generador Eólico de 1KW 1 2.000,00 2.000,00
15 Bomba para recirculación de agua caliente 1 260,70 260,70
16 Electroválvula de 1/2" x 60psi 2 101,85 203,70
17 Estructura de Soporte eólica 1 200,00 200,00
18 Sistema de Adquisición de Datos OME-PCI-1002-L 1 419,00 419,00
19 imprevistos 1 1.200,00 1.200,00
20 Sensor de dirección y velocidad del viento 1 690,00 690,00
Total 9.571,22
46
En la tabla también se muestran equipos de medición que actualmente la
universidad no cuenta con ellos, esto con la finalidad que una vez ya instalados se
puedan hacer las pruebas necesarias en los diferentes sistemas.
47
Capítulo IV. Análisis teórico
4.1 Como dimensionar una instalación fotovoltaica
Existen diversos métodos de dimensionado de sistemas fotovoltaicos, de entre los
cuales, el que se expone a continuación es el que mejores resultados ofrece. Los
pasos a seguir en el dimensionado que se propone son los siguientes:
1. Estimación del consumo
La demanda de energía impone muchas características de la instalación, por lo
que en la planificación de las necesidades se debe anotar todo lo relacionado con
los diferentes aparatos eléctricos que serán la carga del sistema. Se tiene que
calcular la energía que se utiliza al día, y las horas de uso de los aparatos que
serán abastecidos por el generador.
Conocidos todos los aparatos, potencias y tiempos de uso se calculara la
energía de consumo, distinguiendo los aparatos de corriente alterna y continúa, la
expresión es:
(1)
(2)
Donde:
= Energía consumida en AC (Wh)
=Energía consumida en DC (Wh)
Pi= Potencia Nominal (W)
T= Tiempo diario de uso (h)
48
Para calcular el consumo total, se tendrá en cuenta el rendimiento de las
etapas existentes aplicando la siguiente ecuación:
(3)
Donde:
= Energía real requerida por el sistema consumo (Wh)
= Rendimiento de la batería
= Rendimiento del inversor
La energía real requerida, refleja la energía que el sistema demanda en su
conjunto en un día, este es un dato importante para a la hora de dimensionar el
generador fotovoltaico.
2. Inclinación de los paneles solares
Para determinar la inclinación de un sistema fotovoltaico fijo es necesario conocer
la latitud del lugar donde se instalara, como se muestra en la tabla 12.
Tabla 12. Inclinación óptima para sistema fijo
Latitud del lugar (en grados) Ángulo de inclinación fijo
0° a 15° 15°
16° a 25° La misma latitud
26° a 30° Latitud más 5°
31° a 35° Latitud más 10°
36° a 40° Latitud más 15°
41° o más Latitud más 20°
49
3. Generador fotovoltaico
Una vez que la demanda energética de la carga es conocida, se puede
dimensionar el generador fotovoltaico.
El número total de módulos fotovoltaicos que se deben instalar se puede
calcular a partir de la siguiente expresión:
(4)
Siendo:
= Energía real requerida (Wh)
= Potencia pico del módulo (W/kW/m2)
=Radiación global sobre una superficie inclinada a un ángulo (kWh/m2)
= Factor global de pérdidas (suele variar entre 0.65 y 0.9)
Conociendo el número total de paneles que forman el generador
fotovoltaico y la tensión nominal de la batería, que coincide con la tensión nominal
de la instalación, se puede determinar si es necesario agrupar los módulos en
serie y en paralelo. El número de módulos que habrá que conectar en serie se
calcula de la siguiente forma:
(5)
Donde:
= Número de módulos en serie por rama
= Tensión nominal de la batería (V)
= Tensión nominal de los módulos (V)
Y el número de ramas en paralelo a conectar para suministrar la potencia
necesaria viene dado por:
50
(6)
Siendo el número de módulos a conectar en ramas paralelo.
Los valores de , y se redondean por exceso, excepto si se
aproximan mucho a las cifras por defecto, de manera que se asegure el suministro
de potencia que demanda la instalación.
Tras estos cálculos estaría dimensionado el generador fotovoltaico tanto en
número de módulos como en la inclinación de los mismos.
4. Sistema de acumulación
Para definir el tamaño de la batería, se deberá tener en cuenta los siguientes
parámetros:
Máxima profundidad de descarga: es el nivel máximo de descarga que se
le permite a la batería antes de la desconexión del regulador para proteger
la duración de la misma. En batería estacionarias de plomo-acido un valor
adecuado de este parámetro es de 0.7.
Días de Autonomía: Es el número de días consecutivos que en ausencia
de sol, sistema de acumulación es capaz de abastecer el consumo, sin
sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la arteria. Los días de
autonomía dependen del tipo de instalación y de las condiciones climáticas
del lugar.
51
La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe de ser
capaz de almacenar, para asegurar los días de autonomía. Las expresiones que
se utilizan para hallar la capacidad de la misma, tanto en Wh (Watt hora) como en
Ah (Amper hora) son:
(7)
(8)
Siendo:
= Capacidad nominal de la batería (Wh o Ah)
= Energía real requerida (Wh)
= Máxima profundidad de descarga de la batería
= tensión nominal de la batería (V)
Los periodos de autonomía cortos, alargan la vida de las baterías y dan al
sistema mayor eficiencia. La betería se eligiera de forma que aproxime al valor de
capacidad nominal calculado. Igualmente se tenderá a elegir la batería
redondeando el valor por exceso para obtener un margen de seguridad.
5. Regulador
El regulador es el elemento que controla las cargas y descargas de la batería,
permitiendo el proceso de carga de la misma desde el generador fotovoltaico y el
proceso de descarga a través de los elementos de consumo eléctrico del sistema
global.
A la hora de dimensionar un regulador, el objetivo principal es obtener la
corriente máxima que va a circular por la instalación. Por lo tanto, se habrá de
calcular la corriente que produce el generador, la corriente que consume la carga y
la máxima de estas dos corrientes será la que deba soportar el regulador en
funcionamiento.
52
La corriente de corte a la que debe actuar el regulador será fijada en el
propio dispositivo, pero ha de soportar la máxima posible que la instalación pueda
producir. La intensidad de corriente que produce el generador es la suma de las
intensidades que producen los módulos funcionando a pleno rendimiento:
; (9)
Siendo:
= Corriente producida por el generador (A)
= Corriente producida por cada rama en paralelo del generador (A)
= Número de ramas en paralelo del generador
= Potencia pico del módulo fotovoltaico (W)
= Rendimiento del módulo
= Tensión nominal de los módulos (V)
La intensidad que consume la carga se determina teniendo en cuenta todos los
consumos al mismo tiempo:
(10)
Donde:
= Corriente que consume la carga (A)
= Potencia de las cargas en DC (W)
= Tensión nominal de la batería
= Potencia de las cargas en AC (W)
De estas dos corrientes, la máxima de ambas será la que el regulador
deberá soportar, y será la que utilice para su elección.
(11)
53
6. Inversor
Las características de funcionamiento que definen un inversor o convertidor DC –
AC son:
• Potencia Nominal (kW)
• Tensión Nominal de Entrada (V)
• Tensión Nominal de Salida (V)
• Frecuencia de operación (HZ)
• Rendimiento (%)
La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será
siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas
tensiones continuas dentro de un determinado rango. Ese rango suele ser de un
15 %.
El valor de la tensión nominal es un dato de referencia dentro del intervalo
de actuación que sirve para identificar el tipo de convertidor.
A la hora de dimensionar el inversor se tendrá en cuenta la potencia que
demanda la carga AC, de forma que se elegirá un inversor cuya potencia nominal
sea algo superior a la máxima demandada por la carga. Sin embargo, se debe
evitar el sobredimensionamiento del inversor para tratar de hacerlo trabajar en la
zona donde presenta mejores eficiencias.
Se puede resumir la potencia del inversor con esta expresión:
(12)
54
4.2 Eficiencia de un aerogenerador
Para la evaluación energética de un proyecto, interesa el volúmen o la masa de
aire que atraviesa un punto concreto por unidad de tiempo, donde la masa del aire
se determina por la densidad de aire. (1.225 kg/m3). La densidad del aire
incrementa con la presión atmosférica y se reduce con la temperatura, por lo tanto,
aire frío es mas denso que el aire caliente.
Densidad del aire, parámetro relevante para dimensionar una instalación.
La energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de
su masa por unidad de volumen. La energía generada por los aerogeneradores es
directamente proporcional a la densidad del aire, cuyo valor de diseño es de 1.225
kg/m3, la cual se obtiene a presión atmosférica normal, y a 15°C, estando
relacionada con la humedad relativa. A grandes altitudes (en las montañas) la
presión del aire es más baja y el aire es menos denso.
Densidades bajas del viento, producen una menor ventilación a los
sistemas mecánicos de los aerogeneradores.
Potencia Teórica Energía Eólica: la potencia extraible del viento es
proporcional al cúbico de su velocidad.
(13)
Donde:
ρ = Densidad del aire
A= Área de barrido del rotor
V= velocidad del viento
La velocidad del viento se toma respecto al lugar donde se ubique el
aerogenerador
55
Los grandes aerogeneradores con mejores diseños aerodinámicos llegan
como máximo a 40%. En general, los rendimientos de los aerogeneradores se
mueven entre 12 y 40%. El rendimiento total de los pequeños aerogeneradores se
estima entre 15 y 30%.
La energía anual producida por un generador se puede calcular de la
siguiente manera:
1. Determinar la densidad de potencia en watt por metro cuadrado del
área de barrido del rotor (W/m2), en el sitio y a la altura del eje del
aerogenerador que se prevé instalar.
2. Calcular el área de barrido del rotor del aerogenerador en metros
cuadrados (m2).
3. Asumir un valor adecuado del rendimiento total del sistema eólico
(adimensional). Este rendimiento, o eficiencia total, incluye la eficiencia del
rotor, la de la transmisión mecánica (en caso de que exista) y la del
generador; es decir, no incluye el rendimiento de las baterías, el regulador y
el inversor, en caso de que sea un sistema aislado.
De esta forma, la energía anual producida (EAP) en kWh/año, se determina
por la fórmula siguiente:
(14)
Esta ecuación no es muy exacta, porque no siempre se tiene la misma
velocidad del viento por día, es decir, en un día la velocidad puede ser constante
durante algunas horas, incluso puede que no haya la velocidad del viento
necesaria para el funcionamiento del aerogenerador. Tal es el caso del generador
que se propone, a diferencia de los grandes aerogeneradores que se instalan en
sitios con velocidades apreciables y constantes. El rendimiento global del
aerogenerador comprende, primeramente, el rendimiento del rotor. La potencia
56
máxima que puede capturar un rotor, está limitada por el conocido límite de Betz,
he indica que solo el 59,3% de la potencia disponible del viento puede ser
convertida en energía mecánica usando un aerogenerador.
En la figura 22, se puede apreciar el contenido energético del viento en
términos de volumen, por ejemplo una velocidad media del viento de 8 y 16 m/s, la
potencia del viento se mantiene en un rango entre los 500 y 2500 W/m2. Mientras
que en la figura 23 nos muestra la potencia de un aerogenerador respecto a la
velocidad del viento en m/s. [12]
Figuras 22 y 23. Curvas características respecto al viento y la potencia de un aerogenerador
4.3 Rendimiento de un colector solar
Para poder conocer la eficiencia del colector solar que es base del estudio, hay
que considerar algunos factores:
El recurso energético o radiación solar con que se cuenta en el sitio donde
va a ser emplazado el colector.
Propiedades físicas de los tubos de vacío
El funcionamiento de un colector de tubos de vacío se puede describir
mediante el siguiente balance de energía (ecuación 15):
57
(15)
De donde es el calor total incidente absorbido por el colector, es
la energía útil que se trasmite al fluido, las pérdidas de calor hacia los
alrededores por radiación, convección y conducción,
es la rapidez del cambio
de energía interna almacenada en el colector que generalmente se desprecia por
ser un valor muy pequeño.
Para calcular la eficiencia del colector solar de tubos al vacío, se utiliza la
siguiente ecuación:
(16)
Otra manera de calcular la eficiencia de un colector es mediante la siguiente
ecuación:
(17)
Donde:
Q = energía útil del captador (W)
SC = superficie de captación (m2).
IT = radiación incidente total sobre el captador, por unidad de superficie
(W/m2).
Para la radiación incidente se toma la radiación promedio al día, tal sea el
caso donde esté ubicado el colector.
58
Capitulo V. Conclusión
La propuesta presentada pondrá en marcha el laboratorio de energías renovables,
el cual brindara a la comunidad estudiantil nuevas experiencias, con las cuales se
desarrollaran habilidades esenciales en la formación de Ingenieros Eléctricos, de
tal manera que lleven a la práctica los fundamentos teóricos abordados en el aula
de clases. Las energías renovables, son en la actualidad las alternativas más
apropiadas de generación de energía para lograr reducir las emisiones de dióxido
de carbono, causadas por los combustibles fósiles, es por eso la importancia de
motivar a las generaciones futuras, no solo a los ingenieros eléctricos o ingenieros
en energía, sino a la sociedad en general, porque se necesita de todos en
conjunto para poder lograr un cambio considerable en nuestro medio ambiente. Se
necesitan futuros emprendedores, no importa el área al que pertenezcan sino que
estén conscientes del problema tan grave que nos asecha actualmente. En este
trabajo se ha realizado la propuesta para la compra de los materiales y equipos
necesarios para articular un laboratorio de energías renovables. Es importante
destacar que los materiales y equipos sugeridos están en resonancia con los
contenidos de las asignaturas, de forma tal que se promueva el uso de las
energías renovables.
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Bibliografía
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PUBLICITARIO ALIMENTADO CON ENERGÍA SOLAR," Riobamba, Ecuador, 2011.
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Report ," Ren 21, p. 216, 2014.
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[4] Fundación Wikipedia. Inc. (2014, Diciembre ) Wikipedia. [Online].
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[5] Wilson Fernando Mogrovejo León – Juan Carlos Sarmiento Vintimilla, "Energía Solar
Fotovoltaica ," Universidad de Cuenca , Cuenca, Ecuador , Tesis de grado ingenieria 2012.
[6] Leocadio Hontoria Jorge Aguilera, "Dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos ,"
Departamento Electrónica. EPS Jaén – UNIVERSIDAD DE JAÉN, Jaén, España , Tesis.
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[12] Rodrigo Olivares Berríos, "Instalaciones Eólicas ," ESPE (Escuela Politécnica del Ejercito),
Cuenca, Ecuador, Tesina de ingenieria Junio 2011.
[13] Ministerio de Electricidad y Energía Renovable. (2014, enero) Ecuador Ama la Vida. [Online].
http://www.energia.gob.ec/villonaco/
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