Analysis of the
implementation of a 2kw / day photovoltaic generation system for the supply=
of
sustainable electricity in the parish of Conocoto, Quito.
Jaime Antamba Guasgua. [1], =
Denny
Guanuche Larco. [2]& José Edgar Cajas. [3]
Recibido:
11-07-2019 / Revisado: 18-08-2019 /Aceptado: 06-09-2019/ Publicado: 04-10-2=
019
The research was based on the study of the generat=
ion
of electric energy from solar radiation and its implementation, for a susta=
inable
room in Conocoto. The objective is 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 consumption load, for the days of lack of sol=
ar
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 supplie=
d 588
[W], actual power generated 577 [W]. Finally, the prototype of photovoltaic
power generation implemented for a room type, works as a small power plant,
supplying all the energy it produces, being considered an ecological energy=
.
Resumen.
La
investigación 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 funcionamiento de equipos informáticos e iluminación, teniendo =
como
suministro principal la energía fotovoltaica. Para el diseño del sistema
fotovoltaico se utilizó como 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 resu=
ltados
obtenidos en el periodo de pruebas establecido, demuestra la sustentabilidad
del sistema de generación fotovoltaica, con los siguientes parámetros
eléctricos. Voltaje suministrado p=
or el
sistema fotovoltaico 113 [V], potencia aparente suministrada 588[W], potenc=
ia
real generada 577 [W]. El prototip=
o de
generación eléctrica fotovoltaica implementado para habitación tipo, funcio=
na
como una central eléctrica pequeña, suministrando toda la energía que produ=
ce, considerándose
una energía ecológica.
Palabras claves: energia de Fuentes no convencionals, energia solar, E=
quador,
hàbitat sustentable.
Intro=
ducción.
Hoy en día, existen vari=
as
opciones de energía alternativa que pueden remplazar a las energías convenc=
ionales
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 (Mohandes, Sanfilippo, & Al
Fakhri, 2018).
La producción de energía=
a través
de la utilización de recursos renovables en el Ecuador, es viable dado su b=
uen
nivel de radiación solar (Solargis, 2018), facilitándose la aplicación de
energía solar como fuente de energía en residencias urbanas y rurales. En e=
ste
caso, Conocoto, se ubica a 11 km del centro de la capital del Ecuador, 25 k=
m al
sur de la línea equinoccial, en el costado occidental del Valle de los Chil=
los,
sobre la ladera oriental de la Loma de Puengasi, en un área de 51,46 Km2, c=
on
zonas urbanas y rurales de difícil acceso.
Este trabajo investigati=
vo,
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 mis=
ión
es garantizar un abastecimiento independiente de la red pública, para nuest=
ro
caso, la Empresa Eléctrica Quito (EEQ). La energía se produce sobre el terr=
eno
para abastecer a los consumidores de forma independiente.
Las ventajas que present=
an
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 sistem=
as
en movimiento, ni combustión, razón por la cual no sufren carga térmica.
Metodologia.
Esta
investigación es un estudio descriptivo y experimental, para establecer las
condiciones de funcionamiento de un sistema fotovoltaico prototipo para zon=
as
rurales. El proceso de investigación se realiza siguiendo el protocolo,
mostrado en la figura 1.:
Figura1.
Proceso de diseño de sistema de generación fotovoltaica.
Fuente:
Elaboración propia
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.
· =
Calculo
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.
Resultados.
Registro de radiación
solar local y nacional
Para la recolección d=
e la
información local, se utilizó trabajo de campo, cuyos resultados se muestra=
n en
la figura 2, y la información nacional histórica se muestra en la figura 3.=
Figura 2.
Radiación global. Zona Conocoto
Fuente: Elaboración propi=
a
De
la figura 2, se puede observar que la variación de la distancia Tierra - So=
l da
lugar a cambios en la radiación solar extraterrestre incidente. Esta variac=
ión
modifica en el orden de
Figura 3.
Potencial de generación fotovoltaica. Histórico 1999-2015
Fuente: Solargis, 2017
En la figura 3, se
muestra el potencial de generación fotovoltaica, según Solargis, para Ecuad=
or,
en la zona de influencia de Conocoto, se observa un alto potencial de 4 a 4=
,4
kWh/m2 diarios.
Cálculo de la demanda
energética.
El
diseño del sistema fotovoltaico y sus respectivos componentes dependerán, d=
e la
tarea que realice el suministro de potencia y de las características de las
cargas.
Por
tal razón el primer paso es determinar la demanda de energía de los usuario=
s,
especificando el voltaje de operación del sistema, el dimensionamiento de e=
ste
sistema se fundamenta en el balance de energía, dado por la siguiente ecuac=
ión:
Energía generada =3D Energía
consumida + Pérdidas propias del sistema FV
Las cargas eléctricas
presentes, para la capacidad del sistema fotovoltaico son:
· =
Equipo
de computo
· =
Iluminación
led (circuito que consume 14 vatios a 110 V)
· =
Toma
corriente (Circuito de 1 toma en 110V)
· =
Televisión
LED (250 vatios)
En la tabla1, se muestra los datos de =
los
consumidores para la habitación sustentable.
Tabla
1.
Consumo de cargas
|
Component=
e |
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 |
|
Computado=
r |
1 |
120 |
110 |
1,81 |
2 |
240 |
3,62 |
|
Televisió=
n |
1 |
250 |
110 |
2,27 |
4 |
1000 |
9,08 |
|
Total |
426 |
1464 |
14,73 |
Modelización del sistema
El generador solar de=
be
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 más desfavorables, para lo cual se utilizará el método de c=
arga
diaria (Ah/día), 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 de=
l generador
fotovoltaico se establece según la tabla 2.
Tabla .
Criterio 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 ó 48 |
|
Ø 5000 |
120 ó 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).
El conjunto serie-paralelo del arreglo fotovoltaico
debe garantizar un equivalente de 1914 Wh/día mínimo.
Para la condición de número de horas de pico solar=
, se
toman los datos con peor radiación, siendo las 4,8 horas/día. Este parámetro
corresponde al número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie=
de
captación obtiene 1000 W de energía constante.
Arreglo fotovoltaico:
Para el diseño se elige el Módulo fotovoltaico
Integrated Solar Technology Modelo STS-100 M – B4U, con las siguientes
características:
-&nb=
sp;
Potencia máxima: 99,978 Wp
-&nb=
sp;
Corriente de cortocircuito: 8,7 A=
-&nb=
sp;
Corriente en el punto de máxima
potencia: 8 A
-&nb=
sp;
Tensión de circuito abierto Voc: =
15,3
V
-&nb=
sp;
Tensión en el punto de máxima
potencia: 12,6 V
-&nb=
sp;
Número de
paneles:
Corriente
máxima:
Tensión
máxima: <=
/span>
La condición de sostenible, se garantiza con cuatro
paneles solares en un circuito mixto.
Para el control de carga, del sistema de diseño, e=
stablecido,
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 siguien=
tes
especificaciones:
-&nb=
sp;
Profundidad de descarga: 60%
-&nb=
sp;
Voltaje baterías: 12V
-&nb=
sp;
Capacidad baterías: 100 Ah.
El sistema fotovoltaico, se verifica con el siguie=
nte
procedimiento, para las cargas de diseño solicitadas.
Para asegurar el funcionamiento del sistema de generación, se necesi=
ta
de un banco de 6 baterías.
Para la operación del sistema, se requiere un inversor, con las
siguientes características:
-&nb=
sp;
Eficiencia 90%
-&nb=
sp;
Voltaje de operación 12V
La capaci=
dad
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
Fuente: Elaboración propia
Pruebas operativas
Voltaje
generado y consumido
En la Figura 5 se observa la
generación y consumo de voltage, entregado a la habitación de prueba. La cu=
rva
de color azul indica la generación de voltaje fotovoltaico, la curva de col=
or
rojo indica el voltaje suministrado por la red de la EEQ, y la curva de col=
or
lila indica el voltaje consumido por las cargas.
Figura 5. Voltajes del sistema fotovoltaico. a) Equipo de
medición.b)Datos tabulados
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 5.b, se observa la
tabulación de voltaje entregado por el generador fotovoltaico, la red eléct=
rica
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 eléct=
rica
Quito.
Potencia generada y consumida
En la Figura 7, se obse=
rva
la potencia generada y consumida por el sistema, el primer bloque 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 6. Potencia genrada y
consumida por el sistema.
Fuente: Elaboraci=
on
propia
Intensidad de corriente
En la Figura 8, se observa las corrientes entregadas por =
el
sistema fotovoltaico, EEQ y el consumido por las cargas.
Figura 7. =
Intensidad
de corriente del sistema
Fuente: Elaboraci=
on
propia
Conclusiones.
· =
El
sistema fotovoltaico genera un voltaje suministrado por el sistema fotovolt=
aico
113 [V], potencia aparente suministrada 588[W], potencia real generada 577 =
[W],
capaz de satisfacer la demanda de diseño propuesto.
· =
Las
condiciones de generación fotovoltaica de Quito y zonas de influencia son
favorables para el suministro de energía eléctrica, pero es necesario,
considerar los costos de implementación.
· =
Para
incrementar la autonomía de los sistemas de generación fotovoltaica, se debe
implementar dos o más fuentes de energía renovables, para garantizar un
suministro de energía de forma manera continua con mayor cobertura para el
hábitat.
Referencias
bibliográficas.
Calderón, R.,
Arredondo, A., Cadenas, E., & Mayagoitia, F. (2010). Vivienda net-zero =
en
Mexicali, B.C, un camino hacia las políticas energéticas en desarrollos
habitacionales sustentables. 6to. Cogreso Internacional Ciudad y Territorio
Virtual, Mexicali, 5, 6 y 7 Octubre 2010. Mexicali. Obtenido de
https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099/12828/06_Calderon_Arredondo=
_Cardenas_Mayagoitia.pdf?sequence=3D1&isAllowed=3Dy.
Jager,
F. (1981). En Aspects of climate relevant to solar system and house designs=
. USA: Elsevier.
doi:10.1016/B978-0-08-027573-4.50008-9
Mohandes,
N., Sanfilippo, A., & Al Fakhri, N. (2018). Modeling residential adoption of
solar energy in the Arabian Gulf. Renewable Energy, 381-389.
Solargis. (12 de 05 de 2018).
Obtenido de https://solargis.com/es/maps-and-gis-data/download/ecuador.
Vasconcelos, P., & Aguirre, M.
(2017). Photovoltaic solar energy: Conceptual framework. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 74, 590-601. doi:https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.081.
Wójcicka-Migasiuk,
D., & Hochowski, A. (2011). Social and technical aspects in solar system
design . Solar Thermal Applications,
3830-3835..
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(4), 22-33. https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i4.911
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 qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Universidad Internacional del
Ecuador, Pichincha, Ecuador, jaantambagu@uide.edu.ec
[2] Universidad Internacional del
Ecuador. =
Pichincha,
Ecuador, deguanuchela@u=
ide.edu.ec
[3]
Universidad Internacional del Ecuador. Pichincha, Ecuador, jcaja=
s@uide.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol.=
3,
N°4, p. 22-33,octubre - diciembre, 20