INGENIERIA ELECTROMECÁNICA TAREA
INSTALACIÓN DE UN PANEL FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL PROFESOR: Ing. Jorge Carrión ALUMNO: Deivy Ochoa
Loja- Ecuador 2018 - 2019
Memoria Descriptiva para la Instalación Solar Fotovoltaica Autónoma para uso Domiciliario Provincia de Loja (Ecuador) PROMOTOR: Ing. Jorge Carrión FECHA: 19/03/2018 ELABORADO POR: Deivy Ochoa PARALELO: B
E-mail: Dirección Telf.
1. ANTECEDENTES. Se redacta la presente MEMORIA DESCRIPTIVA PARA LA INSTALACIÓN DE UN GENERADOR AUTONOMO SOLAR PARA USO DOMICILARIO, a ubicarse en la ciudad de Loja, con la finalidad de describir la configuración de los sistemas que se pretende implementar.
2. DATOS DEL TITULAR. Nombre: Deivy Ochoa Dirección: Loja, Loja. Teléfono: 0981316834
3. EMPLAZAMIENTO DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA PARA USO RESIDENCIAL. El emplazamiento destinado a la instalación fotovoltaica se encuentra situado en ciudad de Loja A continuación, se muestra la ubicación donde se instalará el sistema de generación fotovoltaico para uso residencial.
Fig 1. Casa ubicada en la ciudad de Loja
4. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DE LA CENTRAL GENERADORA PARA LA VIVIENDA. De acuerdo a las características del terreno y a la demanda de energía que se presenta en la tabla 1 (cargas energéticas existentes en la vivienda), la Instalación Solar Fotovoltaica presentará una potencia nominal de generación de 1.25 kW, y será construida bajo los criterios de optimización de la superficie ocupada y optimización de costes en lo que al coste por kWh de energía generada se refiere.
Tabla 1. Demanda Energética de la Vivienda DEMANDA ENERGÉTICA EN LA VIVIENDA NOMBRE DEL PROYECTO: “Diseño de un sistema autónomo de generación eléctrica para la electrificación domiciliaria de una vivienda ubicada en la ciudad de Piñas .”
LOCALIZACIÓN: Julio Ordoñez USUARIO: Tipo Residencial APARATOS ELÉCTRICOS Y DE N˚
() (%)
(%)
()
ALUMBRADO DESCRIPCIÓN
CANT
UBIC/ELECT
()
()
(Potencia nominal)
1
Dormitorio
1
26
26
85
22.1
0.9
19.89
2
Dormitorio
1
26
26
85
22.1
0.9
19.89
3
Dormitorio
1
26
26
85
22.1
0.9
19.89
4
Sala
1
72
72
70
50.4
0.9
45.36
5
Cocina
1
60
60
80
48
0.8
38.4
Iluminación 6
Patio
1
60
60
80
48
0.7
33.6
7
Baño
1
20
20
70
14
0.4
5.6
8
Televisor
2
100
100
85
85
0.5
42.5
9
Licuadora
1
300
300
85
255
0.3
76.5
10
Dormitorio
1
26
26
85
22.1
0.9
19.89
11
Radio
1
20
20
90
18
0.3
5.4
12
Cargas
1
1000
1000
80
800
0.3
240
1
195
195
85
168.3
0.3
50.49
Especiales 13
Iluminación general
14
Refrigeradora
1
375
375
90
337.5
1
337.5
15
Lavadora
1
350
350
85
297.5
0.3
89.25
TOTAL
2656
2210.1
1044.16
La potencia a generar para satisfacer la demanda de la vivienda será de 1.25
kW, la Instalación será un sistema de tipo fijo, sin seguimiento, de modo que no existan partes móviles para que resulte muy fiable y de muy bajo mantenimiento. Además, la tipología a seleccionar para instalar el sistema fotovoltaico debe permitir orientar los paneles fotovoltaicos al norte sin ningún tipo de problema de sombreado por elementos exteriores. Previamente a la redacción de la presente memoria se ha realizado un estudio de recurso solar en la zona mismo que se lo presenta en la tabla 2, obteniendo 15° como la inclinación óptima del Panel Fotovoltaico que maximiza la producción, por tanto, bajo el criterio de optimización de rendimiento con respecto a kWh de energía recibida esperada. Tabla 2. Insolación Global de un año en la Provincia de Loja
INSOLACIÓN GLOBAL LOJA MES
W/m2 /día
Inclinación
1
Enero
4250
15°
2
Febrero
4600
15°
3
Marzo
4700
15°
4
Abril
4300
15°
5
Mayo
4200
15°
6
Junio
4250
15°
7
Julio
4280
15°
8
Agosto
4700
15°
9
Septiembre
4070
15°
10
Octubre
6130
15°
11
Noviembre
6250
15°
12
Diciembre
3750
Promedio Anual
15° 4623.33
De acuerdo a los requerimientos energéticos que necesita la vivienda, y al potencial solar que presenta la zona, la instalación solar fotovoltaica consta esencialmente de:
16 paneles fotovoltaicos de 250 Wp cada uno
Cálculo del número de batería:
APARATOS ELÉCTRICOS Y DE N˚
Energía
ALUMBRADO DESCRIPCI N CANT
()
UBIC/ELECT
(/í) (/í)
1
Dormitorio
1
19.89
5
99.45
2
Dormitorio
1
19.89
5
99.45
3
Dormitorio
1
19.89
5
99.45
4
Sala
1
45.36
7
317.52
5
Cocina
1
38.4
4
153.6
Iluminación 6
Patio
1
33.6
3
100.8
7
Baño
1
5.6
2
11.2
8
Televisor
2
42.5
10
425
9
Licuadora
1
76.5
2
153
10
Dormitorio
1
19.89
5
99.45
11
Radio
1
5.4
6
32.4
12
Cargas
1
240
4
960
1
50.49
3
151.47
Especiales 13
Iluminación general
14
Refrigeradora
1
337.5
24
8100
15
Lavadora
1
89.25
1
89.25
86
10892.04
TOTAL
Corriente pico del módulo Se toma en cuenta cargas totales de CD más cargas totales CA, en este caso solo se tiene cargas CA que vendría a ser únicamente. La tensión CD del sistema se ha tomado como referencia 48 V Us = tensión del sistema en corriente continua
= ℎ/í = 10892.04 48 = 226.91ℎ Se aplica el factor de seguridad 1,2 por pérdidas de corriente que sufre el sistema FV Quedando una corriente corregida (Ic).
= 226.91ℎ ∗ 1.2 = 272.301ℎ Días de autonomía, considerando 2 días. Profundidad de descarga no menos de 60% de descarga se toma de acuerdo al catálogo de las baterías. La capacidad nominal del banco de baterías es igual a la corriente corregida por los días de autonomía, días que puede reservar energía las baterías.
í = ∗ í í í = 272.301ℎ ∗ 2 í = 544.602 ℎ La capacidad corregida de banco de baterías es igual a la capacidad nominal banco de batería dividido para la profundidad de descarga.
í = í ∗ í = 544.602ℎ ∗ 0.6 í = 326.76ℎ Capacidad nominal de las baterías, según el catálogo de las baterías (90 Ah). El arreglo de las baterías en paralelo es igual a la capacidad corregida banco de baterías dividido para la capacidad de las baterías
í = 326.76ℎ 90ℎ í = 3.63 baterías í = 4 í Se selecciona la batería AGM 48V 90Ah VISION
Cálculo y selección del número de paneles solares Para este momento de cálculo se considera los datos del nivel de heliofonia presentados en la tabla 2, en donde se realizó una reco pilación de las provincias del Ecuador que cuentan con este parámetro, solo de estas provincias fue posible el análisis. Los métodos para determinar el tamaño y número de paneles tienen sus limitaciones: debido a que se fija una demanda energética y se utiliza un valor de irradiación fijo (aunque este sea el mínimo posible en un determinado tiempo) nunca va a ser 100% confiable, por lo cual es necesario asegurar el diseño sobredimensionando el sistema de generación.
Selección del número de paneles: Se considera un factor global de rendimiento o coeficiente de pérdidas totales en el sistema, y el cálculo está determinado tanto por la demanda energética requerida como por el recurso energético disponible:
Demanda energética o requerida: 10.89 kWh/d
Recurso energético disponible: Tabla 2. Nivel de Heliofonia
ESTACIÓN
HPS
La Concordia
1,8
Portoviejo
3,1
Milagro
2,3
Bucay
1,1
Pasaje
1,3
Tulcan
1,7
Ibarra
3,9
Quito
4,6
Santo Domingo
1,2
Latacunga
2,4
Ambato
2,9
Riobamba
2,2
Cañar
4,2
Cuenca
3,0
Santa Isabel
3,6
Loja
3,6
Puyo
2,2
Sangay
1,5
Galapagos
5,3
Planteando las ecuaciones:
=
Dónde:
E = Consumo energético corregido ET = Consumo energético teórico R = Coeficiente de pérdidas totales Calculando R:
= 1 − ( + + + ) [1 − × ] KA: 0,005 Auto descarga diaria de batería. A Falta de datos del fabricante se recomienda utilizar un 0,5% diario. Otro factor a considerar es que este coeficiente aumenta con la temperatura, y varía con el tipo de batería, estimando el coeficiente de descarga diaria de:
0,002 para las de Ni Cd o de Pb Ca sin mantenimiento.
0,005 para las baterías estacionarias de plomo-ácido, (de uso normal en instalaciones solares).
0,012 para cualquier otro tipo o muy deteriorada por el uso.
KB: Pérdidas en acumuladores. En general 0,05 para baterías sin descargas intensas; y 0,1 para viejos acumuladores, para fuertes descargas, o bajas temperaturas. Se selecciona el valor de 0,05.
KC: contempla el rendimiento del convertidor CC/CA que suele variar del 75% al 95% a falta de otros datos, se tomará el valor de 0,05 para inversores sinodales puros y trabajo óptimo, 0,1 para trabajos lejos del óptimo, y 0 si no hay inversor. Se selecciona el valor de 0,05.
KR: debido al rendimiento del regulador, en el que su tecnología electrónica es similar a la del convertidor, con valores comprendidos entre 0,1 a 0,01 (90 - 99% de η); en el caso de convertidores muy confiables se puede utilizar 0.
Se selecciona el valor de 0,05.
Kx: agrupa a cualquier otro tipo de pérdidas no consideradas, tomando normalmente el valor de 0,15 cuando no se conocen las potencias teóricas; 0,1 en general, sin conocer los rendimientos; puede reducirse hasta 0,05 si se han tenido en cuenta los rendimientos de cada carga instalada. Se selecciona el valor de 0,05.
Para una batería de plomo-ácido, nueva, un regulador de η 95%, 2 días de autonomía Daut y una PD del 55% (profundidad de descarga); conociendo las potencias teóricas, R será:
=1−(0,005+0,05+0,05+0,05)×[1− (0,005×2) 0,5 ] =0,80 Por lo tanto:
= = ./í = . . í Número de paneles solares: Se supone un aprovechamiento del recurso solar (a 1000 W/m2) aproximadamente del 10% y asumiendo que la potencia generada por los paneles por metro cuadrado es de 250 Wp., se estima el rendimiento del panel solar (nuevo) en un valor de 95%. Para determinar el número de paneles a utilizar se utiliza la expresión de cálculo que se presenta a continuación, los resultados se los presenta en la tabla 3.
= 0,95× × 13615.05 =15.92 = 0,95×250×3.6 =15.92 = 16
Cálculo y selección del regulador de carga El tamaño de la unidad de control está determinado por la máxima corriente que puede esperarse del sistema fotovoltaico. Puede ser tanto la corriente de los paneles a la batería y el uso final, o la corriente de la batería hasta el uso final. Ambas corrientes máximas deben calcularse para determinar la capacidad de la unidad de control. El controlador se selecciona según la máxima corriente que pasa por los cables para este caso se tiene según el panel seleccionado es de 250W Policristalino Atersa Optimum
1. Panel - batería = 250 Watt y Batería de 48 V Panel - batería = 250/48 Panel - batería = 5.20 A
2. Batería – carga = 10892.04 Watt a 48 V Batería – carga = 226.91ª El controlador seleccionado debe soportar una corriente mínima de 5.20 A (la mayor intensidad de corriente a la entrada). No se espera que la corriente máxima en el sistema exceda estos 226.91 A funcionando todas las cargas simultáneamente, la unidad de control y fusibles deben dimensionarse a este valor o a un inmediato superior. Se recomienda seleccionar el Reguladores Prof. RP029 SPS Regulador de
carga 48V 300A, aterramiento positivo 48V que soporta una corriente hasta 300 A en paralelo.
Selección del inversor El inversor debe ser capaz de garantizar los parámetros siguientes: Carga energética de 10892.04 W. Voltaje de entrada 48 VCD Voltaje de salida 110 VCA
Frecuencia de 60 Hz
11000 W/11KW inversor bomba de agua solar IP 65 impermeable 380 ~ 460Vac que suministra hasta 12000Watts.
Cálculo y selección del conductor La resistencia de un conductor viene dada por:
= () Dónde: R= Resistencia en ohmios L= Longitud en metros S= Sección del conductor en mm = Conductividad
σ
La misma resistencia de un conductor se puede definir con:
= ( − ) Dónde:
− es la diferencia de potencial entre los puntos a y b; l es la
intensidad eléctrica. Luego, sustituyendo, resulta que:
= ( − ) Donde el valor constante de la resistividad para conductores de cobre es de:
= 1 1 = 0.01786 = 56
Por lo tanto, despejando la sección del conductor es:
= 56 (2 − ) Dónde: S = Sección en mm 2 L = Longitud en metros hasta el receptor I = Intensidad en amperios
( − ) = Caída de tensión en voltios El factor 2 incluido en la expresión de cálculo nos da la distancia real de conductor, ya que normalmente solo se mide la distancia entre el generador y el receptor, existiendo un conductor de ida y otro de vuelta La caída de tensión se calcula para un porcentaje de la tensión nominal, que variara entre los equipos que interconecta.
Caída de tensión entre panel y regulador: máxima 1,5% y recomendada 1%
Caída de tensión entre regulador y acumulador: máxima 1% y recomendada 0,5%
Caída de tensión entre acumulador e inversor: máxima y recomendada 1%
Caída de tensión entre acumulador/inversor y cargas: máxima y recomendada 3%
Estas consideraciones se deben tener presente a la hora de implementarse los elementos del sistema fotovoltaico. La máxima corriente que admite el sistema fotovoltaico ya calculada será entre el panel y la batería, la cual es 5.208 Amperios, por lo tanto:
= 56(2 − ) ( − ) = (24) ∗ (1.5%) =0.36
= 2(1.5)(5.208) 56(0.36) =0.7482
Despejando el diámetro del conductor se tiene:
0.7482 = ∗ ∅ 4
Donde el diámetro es 0.976mm Se selecciona el conductor de acuerdo a la tabla de calibres AWG:
Fuente: CRC Handbook (1976), CRC Press. De acuerdo al diámetro del conductor calculado se selecciona de la tabla un conductor número 18 AWG.
5. COSTOS
POR
LA
IMPLEMENTACIÓN
DEL
SISTEMA
DE
GENERACIÓN FOTOVOLTAICO PARA LA DEMANADA ENERGÉTICA DE LA VIVIENDA EXISTENTE
Componentes
Descripción
Costo Unitario
Inversor DC/AC
Inversor 12000 W/11KW inversor bomba
de
agua
solar
IP
1.400,75
65
impermeable 380 ~ 460Vac 3 Fase Controlador Paneles Solares
SPS Regulador de carga 48V 300A
10.167,89
SUNIVA MVTM SERIES
350
MULTICRYSTALLINE SOLAR MODULES Batería
AGM 48V 90AH
847.99
Estructura
Soporte de Aluminio
400
Montaje
300
Mantenimiento
50
Cada 6 MESES
Costo Total
13516.63
6. Conclusiones. Analizar si el sistema propuesto es rentable con el costo del kW/h actual, considerando lo siguiente: Tiempo de vida útil de los paneles solares: 25 años Tiempo de vida útil del banco de baterías: 8años Tiempo de vida útil del regulador y controlador de carga: 8 años
Tiempo de vida útil del inversor DC/AC: 8 años
