PAPER Energia Solar

Implementación Implementación de una vivienda típica de nivel socioeconómico tipo “D” con energía solar fotovoltaica en el distrito de Characato,

 provincia de Arequipa. A. Cáceres  Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica, Perú.

INF. DEL ARTÍCULO  Keywords:

Energía Solar Energía Solar Fotovoltaica Energía Renovable

ABSTRACT he paper aims to explain the main bottlenecks in the field of bioenergy in Peru and to deepen those linked to the use of natural resources such as water and soils, in addition to analyzing aspects such as food security, social inclusion and environmental impacts linked to bioenergy. In this research project is more evoked to the generation of energy based on solar energy with photovoltaic panels. This document was based on the previous study of renewable energies in Peru, but with a greater focus on photovoltaic solar energy, in this document we can see how renewable energy has evolved in Peru in recent years. We will find the corresponding calculations for the implementation of a house with photovoltaic panels, the selection of equipment to be used, the corresponding specifications sheets

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Contenido: Introducción .............................................................. 1 Energía Renovable en el Perú ................................... 1 1.- CAPITULO I ....................................................... 2 1.1 Generalidades del Proyecto............................. 2 2.- CAPITULO II-Marco Teórico ............................. 2 2.1 Generalidades ................................................. 2 2.2 Componentes del Sistema ............................... .................... ........... 3 3.- CAPITULO III-Cálculos Justificados .................. 5 3.1 Calculo Eléctrico ............................................ 5 3.2 Calculo Solar .................................................. 6 3.3 Calculo del Controlador .................................. ................... ............... 6

Introducción ste documento se fundamentó en el estudio  previo de las energías renovables en el Perú,  pero con un enfoque mayor en la energía solar fotovoltaico, en este documento podemos observar cómo ha evolucionado la energía renovable en el Perú estos últimos años. Encontraremos los cálculos correspondientes para la implementación de una vivienda con paneles fotovoltaicos, la selección de equipos que se emplearan, las fichas de especificaciones correspondientes.

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Energía Renovable en el Perú n 2014, con el objetivo de conocer la capacidad de las fuentes renovables e incrementar la producción de energías renovables, el Estado peruano se ofreció a realizar la primera Evaluación del Estado de Preparación de las

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3.4 Calculo de Baterías ......................................... 8 3.5 Calculo del Inversor........................................ ................... ..................... 8 3.6 Resumen ......................................................... 9 4.- CAPITULO IV-Selección de Componentes ........ 9 4.1 Selección Modulo o Panel Pan el Solar ..................... 9 4.2 Selección de Controladores de carga .............. 9 4.3 Selección de Baterías ...................................... 9 4.4 Selección de Inversor .................................... ..................... ............... 10 CONCLUSIONES CONCLUSIONES .................................. ................ 10 REFERENCIAS.......................................... ..................... ................................. ............ 10

Energías Renovables Renovables (RRA) (RRA) en América América Latina, en cooperación con la Agencia Internacional de las Energías Renovables (Irena). El RRA concluye que el país ha realizado un gran avance en el desarrollo de las subastas de energías renovables, abundantes recursos energéticos, tales como  biomasa, fuerza eólica, energía solar y geotérmica, de los cuales la mayor parte no ha sido explotada. Energía solar:  El atlas de energía solar del Perú muestra que la región con los mayores recursos se sitúa a lo largo de la costa meridional de Arequipa, Moquegua y Tacna. En estas zonas la radiación media diaria anual es de alrededor de 250 vatios por metro cuadrado (W/m2). En setiembre de 2010 se presentó el Proyecto de Ley N° 4335, en el que se proponía promover el desarrollo de las redes eléctricas inteligentes en el  país, con el objetivo de lograr una mayor 

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eficiencia del sistema eléctrico, mejorar el monitoreo y el control del consumo eficiente de electricidad, y contribuir a un mayor uso de energías renovables y generación distribuida,  proporcionando un beneficio mayor que los costos correspondientes. Según información del Congreso de la República, este proyecto de ley se encuentra en la Comisión de Energía y Minas desde la fecha en la que se presentó.

B) FASE # 2: EVALUACIÓN C) FASE #3: DESARROLLO DE INGENIERÍA D) FASE # 4: CONSTRUCCIÓN

1.1.4 Objetivos Objetivo general. Realizar la memoria de cálculo, el dimensionamiento y la selección de los componentes y equipos necesarios para el abastecimiento de energía eléctrica por medio de energía solar fotovoltaica a una vivienda típico de nivel socioeconómica tipo “D”, ubicada   en el Distrito de Characato, Provincia de Arequipa. Objetivo específico. 

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 Fig. 1 Mapa Energético Renovable del Perú.  Fuente: MEM.

1.- CAPITULO I 1.1 Generalidades del Proyecto 1.1.1 Ubicación del Proyecto El proyecto se realizara en una vivienda ubicada en: R EGIÓN: AREQUIPA. PROVINCIA: AREQUIPA. DISTRITO: CHARACATO.

 Fig. 2 Ubicación de la Vivienda  Fuente: Google Maps.

1.1.2 Problema

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limentar de energía eléctrica a través de la tecnología solar fotovoltaica mediante  paneles fotovoltaicos policristalinos el cual nos  permitirá suministrar nuestra energía generada en nuestra vivienda ubicada en el Distrito de Characato, provincia de Arequipa y no depender solamente de la empresa distribuidora en el caso de Arequipa es Seal.

1.1.3 Fases del Proyecto A) FASE # 1: INICIO

Dar a conocer la evolución de los recursos energéticos renovables en el Perú y el mundo. Indicar las características, ventajas y desventajas que tiene el uso de la energía solar fotovoltaica. Seleccionar los componentes para la construcción del sistema solar fotovoltaico.

2.- CAPITULO II-Marco Teórico 2.1 Generalidades n este proyecto se va a realizar el estudio y diseño de las instalaciones solares fotovoltaicas aisladas que permiten la generación de electricidad para el consumo directo en una vivienda unifamiliar que se encuentre aislada de cualquier red eléctrica pública de suministro. Describir los elementos que componen una instalación fotovoltaica autónoma, incluyendo catálogos y hojas de especificaciones técnicas de los distintos equipos y exponer un caso práctico de cálculo, que pueda servir de guía y modelo. 2.1.2 Principio Fotoeléctrico

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Toda radiación de luz solar está compuesta por  partículas elementales, llamadas fotones. Estas  partículas llevan asociada un valor de energía (E), que depende de la longitud de onda ( λ ) de la radiación, y cuyo valor cuantitativo viene expresado de la forma siguiente:

 = ℎ ∗ 

Dónde: (h) es la constante de Planck y (c) es la velocidad de la luz. Se remite al lector a consultar el valor de estas constantes físicas en el siguiente enlace: Cuando un módulo fotovoltaico recibe radiación solar, los fotones que componen dicha radiación inciden sobre las células fotovoltaicas del panel. Éstos pueden ser reflejados, absorbidos o pasar a través del panel, y sólo los fotones que quedan absorbidos por la célula fotovoltaica son los que, finalmente, van a generar electricidad.

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calidad y con mejores propiedades antirreflexivas, que permiten mejorar las prestaciones del módulo.

 Fig. 3 Efecto Fotovoltaico.

En efecto, cuando el fotón es absorbido por la célula, la energía que porta el fotón es transferida a los átomos que componen el material de la célula fotovoltaica. Con esta nueva energía transferida, los electrones que están situados en las capas más alejadas son capaces de saltar y desprenderse de su  posición normal asociada al átomo y entrar a formar parte de un circuito eléctrico que se genera. Por lo tanto, un factor crucial para que pueda generarse el efecto fotovoltaico es que las células de los paneles solares estén compuestas por un tipo determinado de material, tales que sus átomos sean capaces de liberar electrones para crear una corriente eléctrica al recibir energía. En la actualidad, la mayoría de las células solares están construidas con material semiconductor el silicio, en sus formas mono o policristalina. Las células solares de silicio monocristalino se fabrican a partir de secciones cortadas o extraídas de una barra de silicio perfectamente cristalizado de una sola pieza, y que permiten alcanzar rendimientos del 24% en ensayos de laboratorio y del 16% para células de paneles comercializados. Por el contrario, para obtener células solares de silicio puro del tipo policristalino el proceso de cristalización del silicio es diferente. En este caso se parte de secciones cortadas de una barra de silicio que se ha estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Son más baratas de fabricar y se reconocen visualmente por presentar su superficie un aspecto granulado. Los rendimientos obtenidos son inferiores, alcanzándose del orden del 20% en ensayos de laboratorio y del 14% en módulos comerciales. En consecuencia, con células de silicio monocristalino ofrecen una mayor potencia nominal que los hechos a base de células de silicio  policristalino, debido principalmente a las mejores  propiedades que ofrece el silicio monocristalino, un material muy uniforme, frente a la falta de uniformidad que presentan los límites de grano del silicio policristalino. Además, otro aspecto importante es la textura final en su superficie que  presentan las células monocristalinas, de mayor

 Fig. 4 Tipos de Paneles Fotovoltaicos.

2.1.3 Arquitectura del Sistema

 Fig. 5 Componentes de una Instalación Fotovoltaica.

2.2 Componentes del Sistema 2.2.1 Modulo Fotovoltaico

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aneles o módulos solares son los encargados de captar la radiación solar y transformarla en electricidad, generando una corriente continua (CC). El número de paneles quedará determinado  por la potencia que se necesita suministrar, y su disposición y forma de conexionado (en serie o en  paralelo), será en función de la tensión nominal de suministro y la intensidad de corriente que se desee generar.

 Fig. 6 Panel Solar Foto Voltaico.

Según se indican en las siguientes, donde se define el funcionamiento de un módulo fotovoltaico, el valor de corriente generado por el módulo crece con la intensidad de radiación solar, mientras que la tensión que ofrece cae conforme aumenta la temperatura alcanzada en las células del módulo.

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Existen dos tipos de controladores en el mercado los cuales son: Controladores MPPT: Estos controladores tienen las siguientes características que se muestran a continuación: Voltaje Nominal determinado por la tensión nominal del sistema. Corriente Máxima determina la intensidad máxima que pueda. Ofrecen la posibilidad de colocar paneles en serie a voltajes superiores al banco de baterías. Están disponibles en corrientes de hasta 80 A. Ofrecen mayor sensibilidad para el crecimiento del sistema. Son más caros, costando a veces el doble que los PWM. Las unidades MPPT son generalmente más grandes en tamaño físico. •

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 Fig. 7 Curvas de Funcionamiento de módulos  Fotovoltaicos.

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Cuando se habla de temperatura alcanzada en las células del módulo, se entiende que es la temperatura que tiene la superficie del panel fotovoltaico, que evidentemente no tiene que ser igual a la de la temperatura ambiente, puesto que la superficie del módulo se calienta por la radiación solar que recibe.

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Un módulo fotovoltaico suele trabajar dentro de un rango determinado de valores de intensidad y voltaje, dependiendo de la intensidad de radiación solar recibida, de la temperatura alcanzada en su superficie o el valor de la carga eléctrica que alimenta.

2.2.2 Regulador de Carga

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n regulador de carga, cuyo emplazamiento se indica con la letra B en la figura adjunta, es un equipo encargado de controlar y regular el paso de corriente eléctrica desde los módulos fotovoltaicos hacia las baterías.

 Fig. 9 Comportamiento del Conductor MPPT.

 Fig. 10 Imagen del Controlador MPPT.

Controladores PWM  Fig. 8 Esquema del Controlador.

Por lo tanto, estos dispositivos funcionan como un cargador de baterías, evitando además que se  produzcan sobrecargas y a la vez limitan la tensión de las baterías a unos valores adecuados para su funcionamiento. El regulador de carga es un dispositivo electrónico capaz de gestionar de manera correcta y eficaz la carga y descarga del banco de baterías, como así también prologar la vida útil del mismo.

Los controladores PWM presentan las siguientes características: Regulan el flujo de energía a la batería reduciendo la corriente gradualmente utilizando la tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM). Son controladores baratos. Están disponibles en tamaños de hasta 60 A. Tienen una vida útil larga, la mayoría tienen un sistema de disipación de calor pasiva. •

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Estos controladores de carga están disponibles en muchos tamaños y para una gran variedad de aplicaciones. El voltaje nominal debe ser el mismo que el del  banco de baterías.

 Fig. 13 Asociación de Baterías.

 Fig. 11 Comportamiento del Controlador PWM.

En otro orden de cosas, la capacidad nominal de los sistemas acumuladores empleados (medido en Ah) no excederá en 25 veces la corriente (en A) de cortocircuito en CEM del generador fotovoltaico seleccionado. La vida de un acumulador o batería, definida como la correspondiente hasta que la capacidad residual caiga por debajo del 80% de su capacidad nominal, deberá ser superior a 1000 ciclos, cuando se descarga el acumulador hasta una profundidad del 50% a 20 °C. 2.2.4 Inversor o Convertidos DC/AC

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 Fig. 12 Imagen del Controlador PWM.

2.2.3 Baterías y Sistema acumuladores Solares

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as baterías se componen básicamente de dos electrodos que se encuentran sumergidos en un medio electrolítico. Los tipos de baterías más recomendadas para uso en instalaciones fotovoltaicas son las de tipo estacionarias de plomo ácido y de placa tubular, compuestas de un conjunto de vasos electroquímicos interconectados de 2V cada uno, que se dispondrán en serie y/o  paralelo para completar los 12, 24 ó 48 V de tensión de suministro y la capacidad de corriente en continua que sea adecuado en cada caso.

os inversores vienen caracterizados  principalmente por la tensión de entrada desde las baterías, la potencia máxima que puede  proporcionar y su eficiencia o rendimiento de  potencia. Este último se define como la relación entre la potencia eléctrica que el inversor entrega  para su uso (potencia de salida) y la potencia eléctrica que extrae del sistema de baterías o de los generadores fotovoltaicos (potencia de entrada). La misión del inversor en las instalaciones autónomas domésticas es la de convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna como la de la red eléctrica (220 Vac, 60Hz), con el fin de que se puedan conectar a la misma electrodomésticos de los utilizados habitualmente en las viviendas.

En la mayoría de las ocasiones, los sistemas de acumulación de energía estarán formado por asociaciones de baterías, que estarán conectadas en serie o en paralelo, para satisfacer las necesidades,  bien de tensión, o de capacidad. Mediante las asociaciones en serie de baterías se consigue aumentar el voltaje final respecto a la tensión de servicio que cada batería por sí sola  puede ofrecer. En el conexionado en serie de varias  baterías se debe conectar el borne negativo de cada  batería con el positivo de la siguiente, y así sucesivamente. La tensión o voltaje que  proporciona el conjunto es igual a la suma de las tensiones de cada una de las baterías individuales.

 Fig. 14 Imagen de Inversor DC/AC

3.- CAPITULO III-Cálculos Justificados 3.1 Calculo Eléctrico ara el cálculo eléctrico estamos considerando los electrodomésticos que tiene la vivienda y que tiempo va estar en funcionamiento.

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Para este proyecto estamos trabajando con los datos de una vivienda típica de nivel socioeconómico tipo “D”.

Calculo de la potencia mínima requerida

total Wh día  Wp = Demanda EfxHSP Wh/día = 1453.87 Wp Wp = 48850.8x4.2 Minima RequeridaWp #Modulos a emplear= Potencia Potencia del modulo

(*) Incluye 10W de consumos del reactor de cada fluorescente.

3.2 Calculo Solar 3.2.1 Datos considerados

 Fig. 16 Modelo de Panel JS200.

 Fig. 17 Modelo de Panel JS250.

Podemos manejar dos opciones para seleccionar nuestro panel solar que son las siguientes:  Fig. 15 Muestra la radiación de Arequipa en el mes de  Junio.

Tenemos una demanda total de energía al día de 4885 (Wh/dia)

Wp #Modulosde 200Wp = 1453.87 200 Wp #Modulosde 200Wp = 7.2 7≈ 8 Wp #Modulosde 250Wp = 1453.87 250 Wp #Modulosde 250Wp = 5.8 2≈ 6

Se puede emplear dos soluciones: -8 modulos de 200Wp -6 modulos de 250Wp

3.2.2 Calculo número de paneles Demanda total: 4885 Wh/dia HSP: 4.2 kWH/m2.dia Eficiencia: 92% x 87% =80% Eficiencia panel: 98% Eficiencia controlador: 98% (MPPT) Perdida de temperatura: 8% Perdida por conducción: 1% Dereator factor: 92% Resultado: 98x98x92x99= 87% Dado que los equipos son de 48 Vdc el voltaje del sistema debe ser el mismo. Demanda: 4885 Wh/dia Sistema MPPT Numero de módulos / Arreglo

En este caso es importante analizar los costos, facilidad de conexionado y controlador MPPT a emplear.

3.3 Calculo del Controlador Primero es necesario definir el controlador a emplear. Este debe ser capaz de soportar bien los 8 modulos de 200Wp (1600Wp) ó 6 modulos de 250Wp (2000Wp) a un voltaje del sistema de 48 Vdc

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EL modulo de 250Wp tiene un voltaje Vmp de 29.8, es decir Cumple

 Fig. 18 Modelo de Controlador.

Podemos observar que apartir de los Controladores 150/45 hasta 150/100 cumple con soportar mas de 1600W con un banco de 48Vdc. La selección del controlador se realiza considerando la inversión y si en algún futuro se desea aumentar las cargas (Paneles y baterías). Para este proyecto seleccionamos el controlador 150/45. Para el arreglo es necesario: a) Calcular el número de modulos en serie  b) Calcular el número de modulos en  paralelo Definición del arreglo

del controlador #Modulos en serie= Voltaje maximo Voc del panel 150 =3.41≈3 #  200 = 43.9 150 =3.98≈3 #  250 = 37.6

En ambos casos solo podemos instalar 3 modulos en serie. Para asegurar la carga de las baterías el arreglo de  paneles debe cumplir la siguiente condición: Vsis+4Vdc