26. sánchez m. ulises
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XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
SISTEMA FOTOVOLTAICO DE INYECCIÓN DE RED EN LA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL
DE CHIMBORAZO
MsC. Ulises Sánchez M., [email protected]
MsC. Arquimides Haro, [email protected]
Lizet Ramos, [email protected]
Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingeniería
RESUMEN: El presente documento se enfoca en el proyecto de generación de energía, con el
aprovechamiento de los recursos naturales energías renovables o verdes como también se las conoce, la
ciudad de Riobamba tiene una alta incidencia de energía solar que puede ser aprovechada en la generación
de energía, se sabe de antemano que el sol es la fuente principal de las energías renovables (térmica y
fotovoltaica), sino que también da origen a los vientos (eólica), evapora el agua que pasa a lluvia o nieve
llenando los embalses (hidroeléctrica), en la Universidad Nacional de Chimborazo está presente una buena
incidencia de radiación solar, el objetivo del proyecto es instalar un sistema fotovoltaico prototipo, sobre el
cuál realizar pruebas que nos ayuden a determinar los porcentajes de aporte energético de un sistema
fotovoltaico en un centro de educación, eficiencia del sistema de generación, meses de mayor incidencia
solar, con intenciones de formular estrategias que permitan que este proyecto se replique para el resto de
edificios de la Universidad, aprovechando uno de los principales recursos renovables en la generación de
energía limpia.
Palabras Clave: Energías Renovables, Fotovoltaica, Eficiencia Energética.
1. INTRODUCCIÓN
El punto de partida de este proyecto de investigación es el analizar las condiciones de uso y consumo de
energía en las instalaciones administrativas y educativas, tomando como ejemplo el diagnóstico en los
espacios físicos del edificio Académico y Administrativo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Nacional de Chimborazo, mediante el trabajo interdisciplinario en vías de lograr un ahorro energético
integral.
El sol es la fuente principal de las energías renovables, no solo calienta (energía térmica) sino que a su vez
también genera energía eléctrica (energía fotovoltaica), y da paso a otras energías, las energías renovables o
verdes permiten un desarrollo sostenible, sin afectar los aspectos ambientales del aire, el agua, la tierra y la
salud del hombre, contrario a lo que ocurre con las energías no renovables que son producidas a través de
combustibles fósiles.
El análisis se basa principalmente en la energía empleada en la iluminación artificial, así como los equipos
conectados de cada dependencia. Con base a los resultados obtenidos a través de una auditoría energética se
podrá generar recomendaciones de adecuación ambiental de los espacios arquitectónicos de la propia
institución en busca del ahorro energético y la optimización de los recursos institucionales, así como mejorar
las condiciones laborales de los usuarios.
2. SISTEMA FOTOVOLTAICO
Los sistemas fotovoltaicos se clasifican de acuerdo al uso que se hace de los mismos, es por ellos que se los
encuentra en dos tipos:
2.1. Sistema Fotovoltaico Aislado
Estos sistemas se emplean sobre todo en aquellos lugares en los que no se tiene acceso a la red eléctrica y
resulta más económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de
consumo. Como los paneles sólo producen energía en las horas de sol y la energía se puede necesitar
durante las 24 horas del día, es necesario un sistema de acumulación durante las horas de luz, además es
necesario producir más energía de la que se consume para acumular el exceso y posteriormente poder
utilizarlo cuando no se esté generando.
La cantidad de energía que se necesita acumular se calcula en función de las condiciones climáticas
de la zona y el consumo de electricidad. De tal manera que en una zona donde haya muchos días soleados
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al año habrá que acumular poca energía. Si el periodo sin luz es muy largo, hay que acumular más
energía.
El número de paneles a instalar debe calcularse teniendo en cuenta:
• La demanda energética en los meses más desfavorables.
• Las condiciones técnicas óptimas de orientación e inclinación, dependiendo del lugar de la
instalación.
Para optimizar el sistema es necesario calcular correctamente la demanda con el fin de no
sobredimensionar la instalación. Conviene utilizar electrodomésticos e iluminación de bajo consumo, para
que de esta manera el sistema sea más económico. Actualmente existe una gran variedad de estos productos
de bajo consumo.
Básicamente estos sistemas fotovoltaicos constan de los siguientes elementos:
• Generador fotovoltaico: Transforma la energía del sol en energía eléctrica y carga las baterías.
• Regulador de carga: Controla la carga de la batería evitando que se produzcan sobrecargas o
descargas excesivas que disminuyen la vida útil del acumulador. Puede incorporar un sistema de
seguimiento del punto de máxima potencia, que es un dispositivo que aumenta el rendimiento
de la instalación.
• Sistema de acumulación. Baterías: Acumulan la energía entregada por los paneles.
• Inversor: La corriente que generan los paneles o entrega la batería es corriente continua y
la mayoría de los electrodomésticos que se comercializan, funcionan con corriente alterna. Por
este motivo se utilizan inversores que convierten la corriente continua en alterna.
2.2. Sistema Fotovoltaico de Inyección a la Red
Después de analizar los tipos de sistemas fotovoltaicos, se ha tomado el sistema fotovoltaico de inyección a
la red como el más óptimo para la implantación en este proyecto debido a que el edificio de la facultad de
Ingeniería en donde será implementado el proyecto consta de una fuente de energía convencional
suministrada por la empresa eléctrica Riobamba S.A. la fuente de esta energía es a través de la energía
hidroeléctrica.
La principal ventaja del uso de este sistema es la continuidad en el suministro de energía, esto sumado al
aporte a la disminución de contaminación al medioambiente, ya que se utiliza una fuente de energía
renovable, los equipos utilizados en este sistema se reducen a: Panel solar fotovoltaico, elementos de
protecciones, inversor de inyección a la red.
La Facultad de ingeniería consta de cuatro bloques, divididos en:
Bloque A: Oficinas administrativas, aulas y laboratorios
Bloque B: Aulas y Laboratorios
Bloque C: Laboratorios de la escuela de ingeniería civil
Bloque D: Aulas y laboratorios de la Escuela de ingeniería Industrial y agroindustrial
En un análisis de la infraestructura de la facultad de Ingeniería, el bloque B, Figura. 1, fue elegido como
óptimo para el montaje de los paneles solares debido a que este edificio posee una terraza con una amplia
superficie para la instalación del sistema, además consta con gradas que mejoran el acceso a la misma lo que
facilita las labores de instalación y mantenimiento le sistema. El montaje de los paneles fotovoltaicos se
realizará mediante estructuras colocadas sobre la estructura plana de la terraza de esta edificación.
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Figura. 1 Bloque B-Facultad de Ingeniería
2.2.1. Superficie de Montaje
El lugar en donde se instaló el sistema fotovoltaico, es el edificio del bloque B de la Facultad de Ingeniería,
debido a que esta área tiene fácil acceso para la terraza en donde se situarían los paneles facilitando de este
modo la instalación de los mismos y su posterior mantenimiento, de igual manera desde los otros edificios se
tiene una mejor visualización para este edifico.
Existen tres tipos de montaje de sistemas fotovoltaicos, su diferencia se ve identificada en los porcentajes de
pérdidas que se produce en cada uno:
Tabla 1 Pérdidas por orientación, inclinación y sombras
Orientación e
inclinación (OI)
Sombras
(S)
Total
(OI+S)
General 10 % 10 % 15 %
Superposición 20 % 15 % 30 %
Integración Arquitectónica 40 % 20 % 50 %
Fuente: Compendio de energía solar fotovoltaica térmica y termoeléctrica [2]
De acuerdo a la condiciones de la edificación elegida se cuenta con una superficie amplia y plana para el
montaje, Figura. 2 por lo que se ha elegido el caso general, ya que en este caso se puede variar los ángulos
azimut y elevación hasta lograr la mayor captación de radiación y por lo tanto la mayor eficiencia del
sistema, el montaje se lo realizará a través de estructuras metálicas.
Figura. 2 Plano de la Facultad de Ingeniería Bloque B
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La superficie total de la terraza de la edificación es de: 1364.29 m2, situado a latitud 1° 39’ 5.6’’ y longitud
78° 38’ 34.4’’, a partir de estos datos se realizará los cálculos de las perdidas por orientación e inclinación
que para este caso es un máximo de 10%, siguiendo los ejes principales de nuestro edificio se ha situado el
ángulo azimut determinado en detalle en capítulos anteriores como ángulo azimut α= 1.82° respecto del sur
en dirección Oeste.
Comprobamos el rango de inclinación para la latitud = 4 1° (Figura 3, referencia tomada del CTE-España) y
unas pérdidas máximas de 10% para nuestra orientación α=1.82
Como los cálculos están hechos para una latitud de 41° es necesario realizar una corrección de latitud y
acoplarla a la nuestra que es: 1°.
Figura. 3 Pérdidas por inclinación según Azimut
( )
( )
Para facilitar las labores de mantenimiento de los paneles y evitar la acumulación de agua y polvo en su
superficie se ha considerado la instalación de los paneles fotovoltaicos a un ángulo de inclinación β= 15°
Se puede realizar una comprobación analítica, para esto nos apoyamos en dos fórmulas: la primera para
ángulos menores de 15° y la segunda para ángulos que se sitúan entre 15° y 10°.
( ) ( )
( ) ( )
Para este caso se aplicara la fórmula para ángulos entre 15° y 60°.
β= 15° - Inclinación
- Azimut
βmáx=60°
βmin=5
°
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- Latitud
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2.3. Cálculo de la superficie a utilizar
En la selección de la ubicación y montaje de las estructuras del sistema fotovoltaico, se han tenido en cuenta
la irradiación solar y la ausencia de obstáculos que puedan dificultar o disminuir el rendimiento del
generador.
Figura. 4 Distancia entre paneles fotovoltaicos
H = Altura que proyectará el elemento captador.
A= Distancia entre captadores
L= Longitud del captador
Β= ángulo de elevación de los captadores = 10°
Para realizar este cálculo es necesario conocer las dimensiones del panel fotovoltaico o (captador), que para
este caso corresponde a: 1580*808*45 mm
( )
( )
Con estos datos se determina la siguiente zona, Figura. 5, para la colocación de los paneles fotovoltaicos.
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Figura. 5 Ubicación de los paneles Fotovoltaicos
Con un área aproximada de: 217.5
Figura. 6 Arreglo de Paneles Fotovoltaicos
1.1.1. Determinación de la potencia mínima a instalar.
De acuerdo al presupuesto establecido para el proyecto se ha considerado la adquisición de 16 paneles
fotovoltaicos, los que se los dividió en dos grupos de 8 paneles cada uno, cada uno tiene una potencia
nominal de 190 W 24 VDC, sumando una potencia de 1520W en cada rama y una potencia total de 3040W,
que serán conectados a un inversor de inyección a la red de 3 kW de potencia, considerando las pérdidas
que se producen por localización, orientación y sombras en el generador fotovoltaico se considera que la
potencia generada no superara a la potencia del inversor, el punto general de conexión se lo realizará en el
tablero principal de control de la facultad de ingeniería, para poder estimar el total de energía generada al día
por el sistema fotovoltaico determinaremos la cantidad de recurso solar en nuestra localización.
La radiación solar, fueron datos obtenidos de los datos globales de la NASA de acuerdo a nuestra zona
geográfica y los mapas solares del CONELEC.
Tabla 2 Datos meteorológicos de la UNACH, según la NASA
Latitud 1°39´ 5,6´´
Longitud 78°38´34.4´´
Unit Climate data location
Latitude °N -1.39
Longitude °E -78.38
Elevation m 1794
Heating design temperature °C 11.04
Cooling design temperature °C 21.87
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Earth temperature amplitude °C 10.52
Frost days at site day 0
Tabla 3 Datos Metereológicos según la NASA
Month Air
temperature
Relative
humidity
Daily
solar
radiation
-
horizontal
Atmospheric
pressure
Wind
speed
Earth
temperature
Heating
degree-
days
Cooling
degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 16.6 80.7% 4.39 82.3 1.7 18.1 42 206
February 16.6 82.2% 4.46 82.4 1.6 17.9 38 188
March 16.9 80.5% 4.64 82.3 1.6 18.4 32 217
April 16.6 80.1% 4.45 82.4 1.7 17.9 43 197
May 16.1 76.2% 4.26 82.5 1.8 17.3 57 190
June 15.5 72.0% 4.23 82.5 2.3 16.6 73 165
July 15.7 61.8% 4.32 82.6 2.4 17.5 67 180
August 16.8 54.8% 4.64 82.5 2.4 19.4 39 212
September 17.8 55.2% 4.62 82.5 2.1 20.7 18 233
October 18.2 59.9% 4.61 82.4 1.9 21.4 15 253
November 17.5 70.2% 4.70 82.3 1.9 20.1 22 225
December 16.9 79.3% 4.45 82.3 1.8 18.6 34 214
Anual 16.8 71.1% 4.48 82.4 1.9 18.6 480 2480
En la tabla de la NASA se presentan dados promedios mensuales de temperatura del aire, humedad relativa,
radiación solar, presión atmosférica, velocidad del viento, temperatura de la tierra, de lo cual el parámetro
para nosotros de mayor importancia es radiación solar, elegimos el dato mes con el menor índice de radiación
solar para fundamentar nuestros datos en las peores situaciones de presencia de sol, para el caso es el mes de
Junio con un H=4.23 kWh/m2/día.
Con este dato calcularemos las horas pico de sol HPS.
H= Valor de irradiación.
I= Valor de potencia de radiación incidente, en condiciones estándar es 1kW/m2.
La potencia generada por el sistema es de 3 kW/h, este valor será multiplicado por el número de horas de
radiación solar en el día, para calcular la energía total generada en un día.
1.1.1. Consumo de Energía por día
Para determinar el consumo de energía eléctrica en el día se montó un equipo de medición conectado a las
líneas de tensión que llegan al tablero principal del edificio bloque B de la Facultad de Ingeniería durante seis
días, y tomando datos de tensión, potencia y corriente con una frecuencia de 15 minutos, en la Figura.7
podemos ver la curva típica de consumo de energía en los días laborables (Lunes a Viernes), en la Figura. 8
se muestra la curva típica de energía para los fines de semana (Sábado - Domingo).
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Figura. 7 Curva típica de consumo de potencia (Lunes-Viernes)
Figura. 8 Curva típica de consumo de potencia (Sábado- Domingo)
En el comportamiento de la curva de la Figura. 7 podemos evidenciar que el consumo de energía se produce
en las horas de 7:00 AM hasta las 21:00 PM, en este rango se ha calculado el promedio de consumo de
energía y el valor máximo de la misma.
Tabla 4 Mediciones Energía consumida
FECHA Consumo promedio
kWh (7:00 - 21:00)
Consumo Total kWh/día
(7:00 - 21:00)
Pot. máxima kW
(7:00 - 21:00)
Viernes 25/04/2014 14,92 895,49 21,92
Sábado 26/04/2014 4,37 262,05 5,74
Domingo 27/04/2014 4,14 248,23 5,76
Lunes 28/04/2014 16,04 962,61 21,46
Martes 29/04/2014 15,71 942,81 19,92
Miércoles 30/04/2014 15,76 945,57 20,88
Jueves 01/05/2014 3,58 215,05 5,16
La energía consumida en este horario ha sido considerada como las horas de consumo de energía al día, en la
Tabla. 4, podemos observar que se registra un consumo menor en los fines de semana y feriados como es el
caso del día Jueves 01/ 05/ 2014, que corresponde a un dia con descaso obligatorio por ser día del trabajo,
estos son días en los que no se registra presencia de alumnado ni peersonal administrativo en las instalciones
de la facultad, pero eque el consumo de energññia que se registra corresponde a equipos conectados en
laboratorios (computadores, ups, fuentes de alimentación), los valores de consumo de enrgñia varian
dràsticamente en los días en los que la jornada laboral se realiza con normalidad, estos datos de consumo
serán comparados con la energía producida al día por el sistema fotovoltaico para calcular el porcentaje de
aporte energético que representa el sistema fotovoltaico instalado, esta realciòn se establece en la Tabla. 5.
Tabla 5 Relación del aporte energético generado por el sistema fotovoltaico
FECHA Consumo Total
kWh/día (7:00 - 21:00)
Energía Generada Aporte
energético % Sis Fotovoltaico
kWh/día
Viernes 25/04/2014 223,87 12,69 5,67
Sábado 26/04/2014 262,05 12,69 4,84
Domingo 27/04/2014 248,23 12,69 5,11
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Lunes 28/04/2014 962,61 12,69 1,32
Martes 29/04/2014 942,81 12,69 1,35
Miercoles 30/04/2014 945,57 12,69 1,34
Jueves 01/05/2014 215,05 12,69 5,90
1. CONCLUSIONES
Es importante promover iniciativas de uso de energías renovables y eficiencia energética con el propósito de
reducir la dependencia y uso indiscriminado de los combustibles fósiles que aparte de generar un producto,
las consecuencias de su uso de ha vuelto nocivo para la seguridad ambiental.
El desarrollo de proyectos de este tipo son productivos desde el punto de vista académico e investigativo ya
que contribuye con el desarrollo de la región en donde se lo ejecuta.
Es importante que el desarrollo de este tipo de tecnológicas parta desde las Universidades e Instituciones
académicas, puesto a que son estas las encargadas de la creación de conocimiento y serviría como base para
obtener importantes estadísticas del recurso solar y del comportamiento energético de la central Fotovoltaica.
2. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]ENERGÍA SOLAR, Lluis Jutglar. Editorial CEAC. Barcelona. 2004. 268 p. ISBN: 84-329-1063-5.
[2]COMPENDIO ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA, TÉRMICA Y TERMOELÉCTRICA, José
Fernandez Salgado, Editorial Mundi Prensa, 2010.
[3]EL ABC DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICICAS EN SISTEMAS EÓLICOS Y
FOTOVOLTAICOS, Enriquez Harper, primera edición, 2011, México.
[4] ESTUDIO TÉCNICO ECONÓMICO DE INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA DE 100 KW EN
CUBIERTA DE NAVE INDUSTRIAL, Escuela Técnica Superior de Ingeniería (Icai), Madrid, 2008,
http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/48679331e03b9.pdf
[5] RADICION SOLAR,http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi97/imagen/espinal/radiacin.htm
[6]RENDIMIENTO GLOBAL DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO,
http://www.diegooñate.es/diseño_de_una_instación_solar_fotovoltaica//
[7]ATLAS DE RADIACIÓN SOLAR, http://www.conelec.gov.ec
[8]ÁNGULO AZIMUT, http://www.briconatur.com/briconaturblog/que-es-el-angulo-de-acimut-importancia-
en-instalaciones-solares-fotovoltaicas/
[9]ÁNGULO DE INCLINACIÓN, http://eliseosebastian.com/inclinacion-de-paneles-solares-fotovoltaicos-
instalados/
[10]SOLARGIS, http://solargis.info/imaps/#loc=-1.650467,-78.642883&c=-1.70263,-78.156738&z=9