Analysis of the implementation
of a 2kw / day photovoltaic generation <=
span
class=3DSpellE>system for the
supply of sustainable electricity i=
n the parish of
Conocoto, Quito.
Jaime Antamba Guasgua.[1],
Denny Guanuche Larc=
o.[2]
& José Edgar Cajas.[3]
Recibido: 22-05-2019 / Revisado: 08-06-2019 /Aceptado: 09-07=
-2019/
Publicado: 06-09-2019
The research was
based on the study of the generation of electric energy from solar radiation
and its implementation, for a sustainable room in Conocoto. The objective i=
s to
analyze the behavior of the room with a photovoltaic system assisted by a
transfer system, capable of allowing the operation of computer equipment and
lighting, with the main supply of photovoltaic energy. For the design of the
photovoltaic system, the periodic and historical record of solar radiation =
of
Conocoto was used as the basis, and the estimation of the typical consumpti=
on
load, for the days of lack of solar radiation an automatic transfer system =
was
designed. The results obtained in the established test period, demonstrates=
the
sustainability of the photovoltaic generation system, with the following
electrical parameters. Voltage supplied by the photovoltaic system 113 [V],
apparent power supplied 588 [W], actual power generated 577 [W]. Finally, t=
he
prototype of photovoltaic power generation implemented for a room type, wor=
ks
as a small power plant, supplying all the energy it produces, being conside=
red
an ecological energy.
Keywords: Energy from unconventional sources, solar energy,
Equator, sustainable habitat.
Resumen
La investiga=
ción
se basó en el estudio de la generación de energía eléctrica a partir de la
radiación solar y su implementación, para una habitación sustentable en la
parroquia de Conocoto. El objetivo=
es
analizar el comportamiento de la habitación con un sistema fotovoltaico
auxiliado por un sistema de transferencia, capaz de permitir el funcionamie=
nto
de equipos informáticos e iluminación, teniendo como suministro principal la
energía fotovoltaica. Para el diseño del sistema fotovoltaico se utilizó co=
mo base
el registro periódico e histórico de radiación solar de Conocoto, y la
estimación de la carga de consumo típico, para los días de carencia de
radiación solar se diseñó un sistema de transferencia automática. Los
resultados obtenidos en el periodo de pruebas establecido, demuestra la
sustentabilidad del sistema de generación fotovoltaica, con los siguientes
parámetros eléctricos. Voltaje
suministrado por el sistema fotovoltaico 113 [V], potencia aparente suminis=
trada
588[W], potencia real generada 577 [W]. El prototipo de generación eléctrica
fotovoltaica implementado para habitación tipo, funciona como una central
eléctrica pequeña, suministrando toda la energía que produce, considerándose
una energía ecológica
Palabras clave: Energía de fu=
entes
no convencionales, energía solar, Ecuador, hábitat sustentable.
Introducción
Hoy en día, existen varias opciones de
energía alternativa que pueden remplazar a las energías convencionales o
fósiles, existiendo suficiente información para la explotación de energías
renovables, como una alternativa para mejorar la generación eléctrica de
consumo residencial, sobre todo en zonas rurales del Ecuador. En cada país,=
el
contexto social, político y económico son cruciales para ayudar a las partes
interesadas a evaluar las políticas que apoyen a la implementación de siste=
mas
de energía solar fotovoltaica residencial
La producción de energía a través de la
utilización de recursos renovables en el Ecuador, es viable dado su buen ni=
vel
de radiación solar (Solargis, 2018), facilitándose la aplicación de energía
solar como fuente de energía en residencias urbanas y rurales. En este caso=
, Conocoto,
se ubica a 11 km del centro de la capital del Ecuador, 25 km al sur de la l=
ínea
equinoccial, en el costado occidental del Valle de los Chillos, sobre la la=
dera
oriental de la Loma de Puengasi, en un área de 51,46 Km2, con zo=
nas
urbanas y rurales de difícil acceso.
Este trabajo investigativo, analiza y
diseña un sistema fotovoltaico con capacidad de 2 kW/día para la producción=
de
energía eléctrica, su implementación y las condiciones operativas.
Un sistema de generación fotovoltaica =
es
una pequeña planta generadora de energía eléctrica cuya misión es garantiza=
r un
abastecimiento independiente de la red pública, para nuestro caso, la Empre=
sa
Eléctrica Quito (EEQ). La energía se produce sobre el terreno para abastece=
r a
los consumidores de forma independiente.
Las ventajas que presentan los sistemas
fotovoltaicos es su instalación fácil y rápida, la producción eléctrica
fotovoltaica es estable, es un tipo de generación que se produce sin piezas
móviles por lo que no hay desgaste de funcionamiento debido a sistemas en
movimiento, ni combustión, razón por la cual no sufren carga térmica.
Esta investigación es un estudio descriptivo y experimental, para establecer las condiciones de funcionamien= to de un sistema fotovoltaico prototipo para zonas rurales. El proceso de investigación se realiza siguiendo el protocolo, mostrado en la figura 1.:<= o:p>
Figura1. Proceso de =
diseño
de sistema de generación fotovoltaica.
Las etapas para el proceso son los
siguientes:
· =
Caracterización
del sitio para el sistema fotovoltaico. La caracterización se efectúa con el
registro en sitio de la radiación solar global utilizando el equipo, regula=
do
por la ISO 9060 y el histórico registrado en la base de datos Solaris.
· =
Cálculo
de la demanda energética.
· =
Modelización
y determinación de la capacidad del módulo fotovoltaico, se utiliza el System Advisor Model
(SAM), programa de libre acceso.
· =
Dimensionamiento
de los componentes del generador fotovoltaico
· =
Análisis
de las condiciones operativas del sistema fotovoltaico, utilizando el
analizador 3Q.
Registro de radiación solar local y
nacional
Para la recolección de la información
local, se utilizó trabajo de campo, cuyos resultados se muestran en la figu=
ra 2,
y la información nacional histórica se muestra en la figura 3.
Figura 2. Radiación g=
lobal.
Zona Conocoto
De la figura 2, se puede observar que =
la
variación de la distancia Tierra – Sol da lugar a cambios en la radiación s=
olar
extraterrestre incidente. Esta variación modifica en el orden de
En la figura 3, se muestra el potencia=
l de
generación fotovoltaica, según Solargis, para Ecuador, en la zona de influe=
ncia
de Conocoto, se observa un alto potencial de 4 a 4,4 kWh/m2 diar=
ios.
Figura
3.
Potencial de generación fotovoltaica. Histórico 1999-2015
Fuente: Solargis, 2017
Cálculo de la demanda energética.
El diseño del sistema fotovoltaico y s=
us
respectivos componentes dependerán, de la tarea que realice el suministro de
potencia y de las características de las cargas.
Por tal razó=
n el primer paso es d=
eterminar
la demanda de energía de los usuarios, especificando el voltaje de operación
del sistema, el dimensionamiento de este sistema se fundamenta en el balanc=
e de
energía, dado por la siguiente ecuación:
Energía
generada =3D Energía consumida + Pérdidas propias del sistema FV
Las cargas
eléctricas presentes, para la capacidad del sistema fotovoltaico son:
·&nb=
sp;
Equipo
de computo
·&nb=
sp;
Iluminación
led (circuito que consume 14 vatios a 110 V)
·&nb=
sp;
Toma
corriente (Circuito de 1 toma en 110V)
·&nb=
sp;
Televisión
LED (250 vatios)
En la tabla1, se muestra los datos de =
los
consumidores para la habitación sustentable.
Tabla 1. Consumo de cargas
|
Componente |
Unidad |
Potencia (W) |
Voltaje (V) |
Corriente (A) |
Uso (h) |
Energía (Wh/día) |
Carga (Ah/día) |
|
Luminaria LED |
4 |
14 |
110 |
0,13 |
4 |
224 |
2,03 |
|
Computador |
1 |
120 |
110 |
1,81 |
2 |
240 |
3,62 |
|
Televisión |
1 |
250 |
110 |
2,27 |
4 |
1000 |
9,08 |
|
Total |
426 |
1464 |
14,73 |
Modelización del sistem=
a
El generador solar debe producir, como
mínimo, tanta energía como precisan las cargas de consumo conectadas y el
propio sistema, la tensión de trabajo del generador fotovoltaico debe ser
suficientemente alta como para permitir la carga de la batería. El balance
energético se realizará considerando un día de consumo en las condiciones m=
ás
desfavorables, para lo cual se utilizará el método de carga diaria (Ah/d=
ía),
en vez de consumo de energía dado en (Wh/día) y a partir de este valor,
después de ser afectado por los mismos índices de eficiencia se determina el
valor de la potencia pico máxima de los módulos a emplear.
Dependiendo de la demanda de la carga,=
el
criterio de selección del nivel de voltaje del generador fotovoltaico se
establece según la tabla 2.
Tabla 1. Cr=
iterio
de selección del voltaje del sistema
|
Potencia de
demanda del consumo (W) |
Tensión de CC de trabajo del sistema (V) |
|
< 1500 |
12 |
|
1500 – 5000 |
24 o 48 |
|
Ø 5000 |
120 o 300 |
Fuente: Falk, A., 2006
Pérdidas del
sistema:
Las eficiencias de los componentes del=
sistema
fotovoltaico, según los datos obtenidos, para el conjunto controlador de ca=
rga,
batería y cables tienen una eficiencia del 85% y el inversor a elegir tiene=
una
eficiencia del 90%.
Donde:
E – Demanda energética (Wh/día).
Número
de paneles: =
Corriente
máxima:
Tensión
máxima: <=
/span>
La condición de sostenible, se garant=
iza
con cuatro paneles solares en un circuito mixto.
Para el control de carga, del sistema=
de
diseño, establecido, se eligió el MPPT charge controller: Max voltaje 65 V,=
max
corriente 10A, Operation voltage 12V.
Banco de Baterías: =
Para garantizar el funcionamiento del
sistema de generación fotovoltaico, se establece el banco de baterías, con =
las
siguientes especificaciones:
- =
Profundidad de descarga: 60%
- =
Voltaje baterías: 12V
- =
Capacidad baterías: 100 Ah.
El sistema fotovoltaico, se verifica =
con
el siguiente procedimiento, para las cargas de diseño solicitadas.
Para asegurar el funcionamiento del
sistema de generación, se necesita de un banco de 6 baterías.
Para la operación del sistema, se
requiere un inversor, con las siguientes características:
- =
Eficiencia 90%
- =
Voltaje de operación 12V
La
capacidad de potencia para el sistema con el inversor, se determina con la
siguiente relación:
Con la información
obtenida, se ingresan los datos en el software de oper source System Advisor
Model (SAM) desarrollado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable
(NREL) de los Estados Unidos, lográndose los períodos de máxima producción =
es
el mes de agosto, como se muestra en la figura 4
Figura 4. Condiciones de
suministro energético del sistema fotovoltaico diseñado
Pruebas operativas
· =
En la Figura 5 se observa la generación y consumo de voltage, entreg=
ado a
la habitación de prueba. La curva de color azul indica la generación de vol=
taje
fotovoltaico, la curva de color rojo indica el voltaje suministrado por la =
red
de la EEQ, y la curva de color lila indica el voltaje consumido por las car=
gas.
Fig=
ura 5.
Voltajes del sistema fotovoltaico. a) Equipo de medición
Figura 6. Voltajes del sistema fotovoltaico.
b) Datos tabulados
En la Figura 5.b, se observa la tabulación de voltaje entregado por =
el
generador fotovoltaico, la red eléctrica local y la consumida por la carga,
además, se muestra el evento de la transferencia entre la generación
fotovoltaica y la red de la empresa eléctrica Quito.
· &nb=
sp;
En la Figur=
a 7,
se observa la potencia generada y consumida por el sistema, el primer bloqu=
e a
la izquierda representa la potencia generada por el generador fotovoltaico,=
el
segundo bloque representa la potencia entregada por la EEQ y el tercer bloq=
ue
la potencia consumida por la carga.
Figura 7 Potencia<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;mso-fareast-l=
anguage:
ES-EC'> generada y consumida por el sistema.
· &nb=
sp;
En la Figura 8, se observa las corrientes entregadas por el sistema
fotovoltaico, EEQ y el consumido por las cargas.
Figura. 8 Intensidad de
corriente del sistema
Las condiciones de generación fotovolt=
aica
de Quito y zonas de influencia son favorables para el suministro de energía
eléctrica, pero es necesario, considerar los costos de implementación.
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=
=
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<= o:p>
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PARA CITAR EL ARTÍCULO
INDEXADO.
A= ntamba Guasgua, J., Guanuche Larco, D., & Edgar Cajas., J. (2019). Análisis de la implementación de = un sistema de generación fotovoltaica de 2kw/día para el suministro de energía eléctrica sustentable en la parroquia de Conocoto, Quito. Ciencia Digita= l, 3(3.3), 19-29. https://doi.org= /10.33262/cienciadigital.v3i3.3.767
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El artículo queda en
propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en o=
tro
medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digita=
l.
[1] Universidad Internacional del
Ecuador, jaantambagu@uide.edu.ec
[3]=
Universidad Internacional del Ecuador. jcajas@uide.edu.
www.cienciadigital.org
=
Vol. 3, N°3.3, p. 19-29, septiembre, 201
www.cienciadigital.org
=
Vol. 3, N°3.3, p. 19-18, septiembre, 201