2.2.3. Bases Teórico Teórico Científicas 2.2.3.1. Definición de términos en energía A. Energías renovables (Muñiz, 2010) Las Las energí energías as renova renovable bles s son son aquell aquellas as que que se produc producen en de manera manera conti continua nua y son inagot inagotabl ables es a escala escala umana umana!! "dem#s dem#s tiene tiene venta venta$a $a adicional de poder complementarse entre sí, %avoreciendo la integraci&n entre ellas! 'on respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen e%ectos negat negativo ivos s sobre sobre el entor entorno, no, son son muco muco menore menores s que los impact impactos os ambientales de las energía convencionales como combustibles %&siles (petr&leo, gas y carb&n), energía nuclear, etc! on las energí energías as renova renovable bles s se pueden pueden obten obtener er las dos %ormas %ormas de energía m#s utilizadas calor y electricidad! Ventaas 'on respetuosas con el medio ambiente! *o emiten gases contaminantes! *o generan residuos peligrosos! 'e pueden instalar en zonas rurales y aisladas! +isminuyen la dependencia de suministros eternos!
B. Energía solar !fotovoltaica". (-illarroel, 201.) La /nergía solar es la energía obtenida mediante la captaci&n de la luz y el calor emitidos por el sol! La radiaci&n solar que alcanza la ierra puede aprovecarse por medio del calor que produce (energía solar trmica), como tambin a travs de la absorci&n de la radiaci&n (energía solar %otovoltaica), por e$emplo en dispositivos &pticos o de otro tipo! +ic +ica a
ener energí gía a
almacena almacenamiento miento,,
nece necesi sita ta
siste istema mas s
de
capt captac aci& i&n n
y
de
la cual aproveca aproveca la radiaci&n radiaci&n del 'ol de varias
maneras di%erentes #tili$ación #tili$ación directa% directa% mediante mediante la incorpora incorporaci&n ci&n de acristalami acristalamientos entos y otros elementos arquitect&nicos con elevada masa y capacidad de absorci&n de energía trmica, es la llamada energía trmica pasiva! Transformación en calor% calor% es la llamada energía solar trmica, que consiste en el aprovecamiento de la radiaci&n que proviene del 'ol 'ol para para calent calentar ar %luido %luidos s que que circul circulan an por el interio interiorr de captad captadore ores s solares trmicos! /ste %luido se puede destinar para el agua caliente sanitaria ("'), dar apoyo a la cale%acci&n para atemperar piscinas, etc! Transfor ansformac mación ión
en
electr electrici icidad dad%%
es
la
lla llamad mada
energí rgía
solar lar
%otovoltaica que permite trans%ormar en electricidad la radiaci&n solar por medio de clulas clulas %otovoltaic %otovoltaicas as integrantes integrantes de m&dulos m&dulos solares! solares! /sta /sta elec electr tric icid idad ad se pued puede e util utiliz izar ar de mant manter era a dire direct cta, a, se pued puede e
almacenar en acumuladores para un uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribuci&n elctrica! La energía solar %otovoltaica es una de las llamadas energías renovables particularmente como
energía
limpia
%otovoltaicos se
o
del grupo no energía
caracterizan
verde
contaminante,
conocido
ya
sistemas
que
los
por reducir la emisi&n
de gases
contaminantes, no necesitar ningn suministro eterior, presentar un reducido mantenimiento y utilizar para su %uncionamiento un recurso, el sol, que es inagotable! 3n punto importante que debemos destacar es que cada 45 generado con energía
solar %otovoltaica
evita la
emisi&n
a
la
atmos%era de aproimadamente 16g de 72, en el caso de comparar con
generaci&n elctrica con carb&n, o aproimadamente
0,86g de 72 en el caso de comparar con generaci&n elctrica con gas natural! /sto es de gran ayuda para la reducci&n de emisiones que se propone en el 9rotocolo de 4ioto! A&licaciones de la energía solar fotovoltaica "unque la red convencional de suministro elctrico se encuentra muy
etendida,
quedan mucos casos en los que un generador
%otovoltaico puede competir con ella! La tecnología %otovoltaica permite realizar instalaciones que alimentan sistemas ale$ados de la red de distribuci&n, incluso se pueden realizar sistemas de generaci&n distribuida, de tal %orma que se genere la
energía en lugares pr&imos a los puntos de consumo, mediante la in%ormaci&n de una pequeña red de distribuci&n! :eneralmente es utilizada en zonas ecluidas de la red de distribuci&n elctrica o de di%ícil acceso a ella, pudiendo traba$ar de %orma
independiente
o
combinada
con
sistemas
de generaci&n
elctrica convencional! 'us principales aplicaciones son /lectri%icaci&n de sistemas de bombas de agua, repetidores de - y tele%onía, etc! /lectri%icaci&n
de
edi%icaciones
aisladas
alumbrado,
pequeños
electrodomsticos, pequeños consumos no destinados a calentamientos! "lumbrado pblico aislado aparcamientos, #reas de descanso, etc! ;alizado y señalizaci&n marítimos, viales, antenas, etc!
Ilustración 1 Esquema de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
Ventaas e inconvenientes de la energía fotovoltaica. Las venta$as de la energía solar %otovoltaica son las siguientes
/s una energía descentralizada que puede ser captada y utilizada en todo el territorio, con lo cual se puede aprovecar en zonas donde no llega la electricidad y
pr#ctico
de transportar) y una vez instalada tiene un coste
energtico nulo! /l mantenimiento y riesgo de avería es muy ba$o! Los m&dulos, aparte de ser muy mane$ables en cuanto a diseño, tienen una longevidad muy elevada /l tipo de instalaci&n es %#cilmente modulable, con lo que se puede aumentar o reducir la potencia instalada %#cilmente segn las necesidades! 'e trata de una tecnología en r#pido desarrollo que tiende a reducir el coste y aumentar el rendimiento! " medida que las tecnologías avanzan, su instalaci&n es m#s econ&mica, al contrario de lo que pasa con los combustibles %&siles, que cada vez tienen un coste m#s elevado! Los paneles %otovoltaicos son limpios y silenciosos!
/s un mtodo de obtener energía id&neo para aquellos lugares donde el tendido elctrico es de di%ícil acceso! *o daña a la %lora y %auna a ecepci&n de las instalaciones que requieren una gran cantidad de terreno! 3na vez %inalizada su eplotaci&n, no de$a pr#cticamente ningn tipo de uella! 'e puede instalar sin partes m&viles, evitando así su desgaste o %allo!
Los inconvenientes de la energía solar %otovoltaica son las siguientes ondicionantes econ&mico=%inancieros, se necesita acer una inversi&n inicial elevada! /l período de amortizaci&n de la inversi&n es largo, entre > y 12 años, normalmente! /n algunos casos la %alta de espacio puede ser un inconveniente a la ora de la instalaci&n ya que para recolectar una gran energía se requiere de grandes etensiones de terreno! /l rendimiento de las clulas es bastante reducido, el aprovecamiento de stas est# entre un 1> ? = 20 ? de la energía lumínica que reciben, aparte de depender de la zona en la que se ubica, el momento del día, del año y de la latitud! /l propietario corre a cargo del mantenimiento y las averías! 'e debe instalar en zonas donde la radiaci&n sea elevada, normalmente son zonas desrticas y ale$adas de las ciudades!
La mec#nica es m#s comple$a que otros sistemas de aprovecamiento de energías! iene peligro por las altas temperaturas que se puedan alcanzar! @alta de elementos almacenadores de energía econ&micos y %iables! 9osee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede utilizarse m#s energía de la acumulada en períodos en donde no aya sol!
C. Energía eléctrica (oyote, 2018) +e%inimos energía elctrica como la %orma de energía que resulta de la eistencia de una di%erencia de potencial entre dos puntos! uando estos dos puntos se los pone en contacto mediante un conductor elctrico obtenemos una corriente elctrica! As&ectos físicos de la energía eléctrica +esde el punto de vista %ísico, la energía elctrica son cargas elctricas negativas (electrones) que se mueven a travs del conductor elctrico, generalmente met#lico, debido a la di%erencia de potencial entre sus etremos! /l motivo por el que se suelen utilizar conductores de origen met#lico es porqu disponen de mayor cantidad de electrones libres! Las cargas elctricas que se desplazan a travs del conductor %orman parte de los átomos de las sustancias del propio conductor!
'eneración de energía eléctrica La energía elctrica apenas no se puede encontrar de %orma libre en la naturaleza de una %orma que pueda ser aprovecable! 'e puede observar en las tormentas elctricas pero la di%icultad de almacenar y controlar tal cantidad de energía las ace en pr#cticamente no aprovecables! /isten varias %ormas de generar energía elctrica que podemos clasi%icar en renovables o no=renovables! Las %ormas de generar energía elctrica renovables son aquellas en que no se utiliza combustible o el combustible es inagotable (energía solar, energía e&lica, energía idroelctrica, energía geotrmica, etc!)! 9or otra parte las %ormas de generar energía elctrica no=renovable requieren de un combustible que por abundante que sea tiende a agotarse como la energía nuclear, energía trmica (carb&n, petr&leo, gasA), etc! #so de la energía eléctrica La energía elctrica se puede trans%ormar en mucos otros tipos de energía como energía mec#nica (motores, m#quinasA), en energía calorífca (cale%actores, estu%asA) o en energía lumínica (luz)! La gran
venta$a que nos da la energía elctrica es la %acilidad de transporte!
2.2.3.2. (a radiación )olar /l 'ol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de >!>00B, en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones que
producen una prdida de masa que se trans%orma en energía! /sta energía liberada del 'ol se transmite al eterior mediante la denominada radiaci&n solar! La radiaci&n en el sol es C.!8>0!D20 5. 5 5
/s la que su%re cambios en su direcci&n principalmente
debidos a la re%lei&n y di%usi&n en la atm&s%era!
c. Albedo !refleada". /s la radiaci&n directa y di%usa que se recibe por re%lei&n en el suelo u otras super%icies pr&imas!
Ilustración 2 Tipos d e radiación solar.
"unque las tres componentes est#n presentes en la radiaci&n total que recibe la ierra, la radiaci&n directa es la mayor y m#s importante en las aplicaciones %otovoltaicas! uando la radiaci&n directa no puede incidir sobre una super%icie debido a un obst#culo, el #rea en sombra tambin recibe radiaci&n gracias a la radiaci&n di%usa! Las proporciones de radiaci&n directa, di%usa y albedo que recibe una super%icie dependen de Condiciones meteorológicas% en un día nublado la radiaci&n es pr#cticamente di%usa, mientras que en uno soleado es directa! +nclinación de la s*&erficie res&ecto al &lano ,ori$ontal% una super%icie orizontal recibe la m#ima radiaci&n di%usa y la mínima re%le$ada!
-resencia de s*&erficies reflectantes% las super%icies claras son las
m#s
re%lectantes por lo que la radiaci&n re%le$ada aumenta en
invierno por el e%ecto de la nieve! La di%usi&n que se produce debido a la presencia de polvo y a la contaminaci&n del aire depende, en gran medida, del lugar donde se mida, siendo mayor en lugares industriales y en los lugares m#s poblados! Los e%ectos meteorol&gicos locales tales como nubosidad, lluvia o nieve a%ectan tambin a la irradiancia solar que llega a un determinado lugar! Hay que tener en cuenta que /spaña se sita en un sitio privilegiado respecto a /uropa en cuanto a situaci&n geogr#%ica y climatol&gica, ya que tiene m#s oras de sol que otros países m#s n&rdicos! /sto ace que /spaña sea uno de los países con m#s vías de desarrollo y aprovecamiento de esta %uente de energía!
Ilustración 3 Tipos d e radiación solar.
2.2.3.3. ovimiento del )ol. +ependiendo la estaci&n del año en la que nos encontremos, el 'ol tendr# un grado de inclinaci&n sobre el suelo terrestre di%erente! /n el periodo de invierno el grado de inclinaci&n respecto al suelo es menor que en el de verano, lo que ace que las sombras sea di%erentes en unas estaciones y en otras!
Ilustración 4 Posición del sol respecto al suelo terrestre.
on el %in de conocer el movimiento del 'ol, a continuaci&n se utilizar# un sistema de coordenadas con dos #ngulos, que permite saber en cada momento donde se encuentra! Alt*ra solar% es el #ngulo %ormado por la posici&n aparente del 'ol en el cielo con la orizontal del lugar!
Ilustración 5 ltura solar.
A$im*t solar% es el #ngulo orizontal %ormado por la posici&n del 'ol y la direcci&n del verdadero sur!
Ilustración ! ltura " a#imut solar.
9ara obtener el azimut y la altura solar, se utilizan unas tablas que de%inen dicas coordenadas en %unci&n del día del año, de la ora
solar y de la latitud, con las que se pueden saber la posici&n del 'ol en cada momento, lo que permite calcular las sombras que producen los ob$etos en determinados momentos, o puede ayudar a programar un sistema de seguimiento solar! 9ara conseguir la mayor producci&n de una instalaci&n interesa que los paneles solares estn en todo momento perpendiculares a los rayos solares, para lo que el sistema deber# tener dos grados de libertad!
2.2.3./. Descri&ción de los sistemas fotovoltaicos (Muñiz, 2010) 3n sistema %otovoltaico es el con$unto de componentes mec#nicos, elctricos y electr&nicos que concurren para captar la energía solar disponibles y trans%&rmala en utilizable como energía elctrica! /l componente principal es uno o varios paneles %otovoltaicos quienes cumplen el ob$etivo de trans%ormar la radiaci&n solar en electricidad! La electricidad generada es corriente continua ()! +ependiendo del panel o de su mtodo de conei&n el volta$e oscila entre > y E00 voltios! La energía producida puede utilizarse como tal () o trans%ormarse en orriente "lterna (110 a 220 voltios) para ser utilizada por artículos elctrico tradicionales! +ependiendo de cada aplicaci&n o necesidad se obtiene un sistema di%erente, con componentes di%erentes! Los di%erentes sistemas son los siguientes
'enerador fotovoltaico encargado de captar y convertir la radiaci&n solar en corriente elctrica mediante m&dulos %otovoltaicos! Baterías o ac*m*ladores% almacenan la energía elctrica producida por el generador %otovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que la demanda eceda la capacidad de producci&n de generador %otovoltaico! 0eg*ladores de carga% encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla! +nversor o acondicionador de la energía eléctrica% encargado de trans%ormar
la corriente
%otovoltaico
en
corriente
continua
producida
por
el
generador
alterna, necesaria para alimentar algunas
cargas o para introducir la energía producida en la red de distribuci&n elctrica! Elementos
de &rotección del circ*ito% como interruptores de
desconei&n, diodos de bloqueo, etc!, dispuestos
entre di%erentes
elementos del sistema, para proteger la descarga y derivaci&n de elementos en caso de %allo o situaciones de sobrecarga!
Ilustración $ Elementos de protección del circuito.
9uede aber la necesidad de un generador auiliar para complementar la energía del generador %otovoltaico cuando ste no pueda mantener la demanda y sta no pueda ser interrumpida!
2.2.3.. Diseo del sistema fotovoltaico fio. A. Est*dio de la necesidad energética 9ara saber qu dimensiones debe tener su panel solar %otovoltaico antes tiene que determinar sus necesidades energticas! +ispositivos
9otencia
( arga )
(5 )
antidad
9otencia
Horas
Instalada
onsumo ( 5
(5 )
B. Ca&acidad cantidad del &anel fotovoltaico 3n m&dulo %otovoltaico se caracteriza por su potencia pico epresada en 5att 9ico (5p)!
/sta es la salida m#ima de un panel %otovoltaico ba$o condiciones est#ndar que son temperatura 2>B y 1000 5
Ar
1200 * Ed =
Id
+&nde "r amaño del panel (5p) /d +emanda de electricidad (4J
N ° p
=
Ar Cp
+&nde *p *umero de paneles "r amaño del panel (5p) p apacidad del panel (5p)
D. Ca&acidad n4meros de las baterías 9ara dimensionar el m&dulo de almacenamiento se utilizara la siguiente %ormula
Tamaño
=
AUT * Ed REND * DESC
+&nde amño5 "3 ("utonomía=días sin brillo solar) /d +emanda de electricidad (4J
9ara el c#lculo del nmero de baterías se contara con la siguiente in%ormaci&n
Numero de baterias
Tamaño =
Ah * V
2.2.3.5. )istemas de seg*imiento solar. (aste$on, 2010) /n los sistemas %otovoltaicos vistos asta ora, la super%icie del generador %otovoltaico mantiene una posici&n %i$a que se determina en %unci&n del uso que se ace de la instalaci&n! 'in embargo, resulta evidente que si la super%icie del generador pudiese seguir la trayectoria del sol y mantenerse perpendicular a su direcci&n la energía recolectada seria m#ima! /ste es el ob$etivo de los sistemas de seguimiento solar, aumentar la energía recibida por el generador utilizando mecanismos de
movimiento que lo orienten en la direcci&n adecuada! Lo sistemas de seguimiento m#s abituales se clasi%ican en cuatro tipos en %unci&n del tipo de seguimiento que realizan mediante el uso de uno o dos e$es de movimiento Dos ees. 3n e$e gira modi%icando la inclinaci&n N y otro e$e gira modi%icando el acimut O del generador %otovoltaico de %orma que la super%icie se mantiene siempre perpendicular al sol! /s el nico sistema que es capaz de e%ectuar un seguimiento &ptimo del sol! +ependiendo de la latitud, la energía recibida puede aumentar asta un 80? respecto una super%icie %i$a! ambin reciben el nombre de eli&statos!
Ilustración % &istema de seguimiento de dos e'es.
#n ee &olar. 3n e$e de giro, inclinado un #ngulo constante N igual a la latitud del lugar, mantiene a la super%icie del generador %otovoltaico orientada acia el 'ur siguiendo un #ngulo O para que la super%icie se mantenga perpendicular a la direcci&n del sol! La velocidad de giro es constante de 1> por ora! /s un sistema bastante utilizado que
consigue un incremento en la energía recibida en el generador de un .0? respecto a una super%icie %i$a!
Ilustración ( &istema de seguimiento de un e'e polar.
#n ee a$im*tal. La super%icie gira sobre un e$e vertical siguiendo un #ngulo O! La super%icie del generador se mantiene un #ngulo N de inclinaci&n constante igual a la latitud! /l giro de la super%icie se regula para que la perpendicular a la super%icie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al sol! La velocidad de giro es variable a lo largo del día! /l incremento de energía recibida es muy parecido al de un e$e polar con la venta$a de la mayor sencillez y econ&mica de la estructura!
Ilustración 1) &istema de seguimiento de u n e'e a#imutal.
#n ee ,ori$ontal. La super%icie gira sobre un e$e orizontal orientado en direcci&n norte=sur siguiendo un #ngulo O! /l giro se regula para que la perpendicular a la super%icie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al sol! onsigue un incremento en la energía recibida en generador de un 20?!
Ilustración 11 &istema de seguimiento de un e'e *ori#ontal.
/l movimiento de los e$es de los di%erentes tipos de seguidores se realiza abitualmente con motores elctricos acoplados a sistemas de engrana$es, aunque tambin se utilizan actuadores idr#ulicos! /l sistema de control de un seguidor incluye, adem#s del control de posici&n y velocidad de los motores que se mueven los e$es, medida de la velocidad del viento que provoca la orientaci&n del generador en una posici&n de%ensiva %rente a vientos %uertes, orientaci&n %orzada para operaciones de limpieza, posicionamiento nocturno acia este para esperar la salida del sol, etc! 2.2.3.6. 7orma técnica de edificación E898 instalaciones con energía solar. *orma cnica de /di%icaci&n I'!010 Instalaciones sanitarias para edi%icaciones! *orma cnica 9eruana *9 .EE!8F2 200D 'istemas de alentamiento de "gua con /nergía 'olar! 9rocedimiento para su instalaci&n e%iciente! *orma cnica 9eruana *9 .EE!808 200C 'istemas de alentamiento de "gua con /nergía 'olar! @undamentos para su dimensionamiento e%iciente! *orma cnica 9eruana *9 .EE!80. 200C 'istemas @otovoltaicos asta >00 5p! /speci%icaciones cnicas y Mtodo para la ali%icaci&n /nergtica! *orma cnica 9eruana *9 .EE!800 2001 olectores 'olares! Mtodo de ensayo para determinar la e%iciencia de los colectores solares Kesoluci&n Ministerial K!M! *B 0.D=200C=M/M<+M &digo *acional de /lectricidad Kesoluci&n +irectoral *B 00.=200D=/M<+:/ Keglamento cnico /speci%icaciones cnicas
y
9rocedimientos
de
/valuaci&n
'istema @otovoltaico y sus omponentes para /lectri%icaci&n Kural!
del
Kesoluci&n Ministerial K!M!
*B 0E1=2002=/M<-M/ *orma +:/
erminología en /lectricidad y 'ímbolos :r#%icos en /lectricidad! 2.2.3.9. Accionamientos transmisión A. )ervomotor (:enaro, 2011) 3n servomotor es un dispositivo actuador que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posici&n dentro de su rango de operaci&n, el e$e del servo es capaz de llegar alrededor de los 1F0 grados! *ormalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía segn el %abricante!P
a.1. -artes de *n servomotor 3n servo est# %ormado por un motor de corriente continua, una ca$a reductora y un circuito de control tal y como se puede ver en la %igura 2!8, adem#s
cabe
aclarar
que su
margen
de
%uncionamiento
generalmente es de menos de una vuelta completa! 3n servo normal o 'tandard tiene . 6g por cm! de torque que es bastante %uerte para su tamaño!
" continuaci&n se describen todas las partes que con%orman un servo, con el %in de %amiliarizarse con estos actuadores que se utilizar#n en este proyecto otor de corriente contin*a% es el elemento que le brinda movilidad al servo, cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, el motor gira en un sentido, y si el volta$e se invierte, el sentido de giro tambin se invierte! Engranaes red*ctores% se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque! Circ*ito de control% este circuito es el encargado de controlar la posici&n del motor! Kecibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posici&n dependiendo de los pulsos recibidos! a.2 Terminales del servomotor Terminal &ositivo% Kecibe la alimentaci&n del motor (8 a F voltios), el cable del terminal positivo siempre es ro$o! Terminal negativo Ke%erencia tierra del motor (0 voltios), el cable del terminal negativo puede ser marr&n o negro! Entrada de seal Kecibe la señal de control del motor, el cable del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naran$a o amarillo!
