GENERACIÓN DE
ENERGÍA HÍBRIDA SOLAR & EÓLICA; CON SISTEMAS DE AUTÓNOMO (OFFGRID) E
INTERCONECTADO (ONGRID)
(CÁLCULO Y
UBICACIÓN DE LA INSTALACIÓN HÍBRIDA)
Alvin J. Sánchez A.
Facultad de Mecánica Industrial
Universidad Tecnológica de Panamá
Miguel Rosales
Facultad de Mecánica Industrial
Universidad Tecnológica de Panamá
Resumen: Los colapsos de energía en Panamá marcan un hito
en la planificación de energía, la cual
fue planteada en años anteriores ha caducado, llegando al extremo teniendo
consecuencia algo no satisfactorias para el mercado energético, por tanto
obligando a buscar nuevas fuentes de energía que sean más limpias que las
actuales.
Por lo consecuente le planteamos aquí un pequeño fórum
donde explicaremos el funcionamientos de fuentes de energía renovables hibridas
domésticas en viviendas rurales, residencias, talleres de tamaño medio y casas
interconectadas a la red; donde se busca una forma nuevas de generar energía
eléctrica que abastezca las necesidades de consumo de la residencia o negocio y
por qué no, la venta de energía a la red. Aquí se le mostrara su planificación,
sus costes, su ubicación, los materiales requeridos, las reglas de electricidad
básica, los manuales de usuario, el chequeo y mantenimiento de la instalación,
y los consejos de expertos en el tema.
Se plantearan temas de Electricidad Fotovoltaica, Energía
Eólica, como mesclar los dos para mayor potencia, bancos de baterías de
acumulación energética, controladores solares &eólicos, estructuras de
montajes; sistema eléctrico de bajo voltaje en CD. En esta sección solo se
planteara el cálculo, e información sobre la ubicación de los sistemas. Si
desea seguir informándose sobre el tema se le recomienda visitar este blog en
fechas posteriores para nuevos fórum e informaciones referentes al tema
Esperamos que sea
de su interés y sobre todo, de utilidad.
Palabras claves: Aerogeneradores, Módulo Solar, Inversores de voltaje, Sistemas Offgrid(Aislados), Sistemas OnGrid( Interconectados a la red),CC o CA.
1. OBJETIVO
Mostrar en funcionamiento de una instalación hibrida con
sistema de generación fotovoltaica & Eólica
en residencia rurales, urbanas y negocios aislados o interconectados a
la red; para un abastecimiento energético a la residencia o negocio para
reducir costos de factura de luz, produciendo nuestra propia electricidad con
energía limpia.
2.
DESARROLLO
2.1.
Introducción
Hoy en día son muchos los soportes digitales que facilitan
el trabajo de cálculo para todo tipo de instalaciones híbridas fotovoltaicas & eólicas, introducimos los datos,
pulsamos un botón y, listo, ya tenemos nuestra instalación calculada, con coste
y todo.
Para empezar los conceptos de electricidad básica:
Voltaje: Fuerza con que fluyen los electrones por un
conductor, el cual es medido en voltios
Resistencia: Oposición al paso de los electrones mediante un
conductor disipando la potencia en forma de calor.
Potencia: La capacidad o cantidad de consumo que realiza una
resistencia cuando se opone al paso de los electrones.
KW/h: Cantidad de energía que se consumen en una hora medida
en Kilowatt.
Ah: Capacidad de una batería en donar todos los amperios
acumulados en una hora.
CC: Circulación de electrones en un solo sentido, voltaje
fijo.
CA: Circulación de electrones en ambos sentido, voltaje
variable, con un número de ciclos llamados frecuencia.
Hz: Cantidad de ciclos por segundos también llamados cps
(Ciclos por segundos).
Monofásico: Una sola señal senoidal alterna. Comúnmente
encontrada en las casa.
Trifásico: Tres señales distintas de forma senoidal con 120
° de desfase una de otra.
2.2.
Bueno ya conocéis un poco de los términos de Electricidad
Básica, ahora siguiente punto. Por ejemplo evaluaremos el consumo de una vivienda
de asignándole
un nombre que le llamaremos Proyecto.
Lo primero que debemos hacer para comenzar es definir
claramente las necesidades que queremos cubrir con este proyecto.
Necesitamos saber claramente que es lo que queremos que
funcione con energía eléctrica lograda a partir de la transformación de la
energía solar. Lo mencionado anteriormente (definir lo que necesitamos) es la
parte más importante y la que se requiere se haga con cuidado, sencillamente
porque de esto depende el éxito del proyecto.
No podemos dejar librado a la suerte el cálculo de las necesidades.
2.2.1.
Paso Nº1
|
Ilustración 1: Elementos de Consumo
|
Este cálculo se debe hacer lo más detallado y minucioso posible, para
poder lograr un buen cálculo del consumo eléctrico.
Ilustración
2:
Aparatos de consumos domésticos
2.2.2.
Paso Nº2
Hacer el cálculo de consumo requerido para esta
instalación:
Este cálculo nos va a brindar los datos necesarios para
determinar qué tan grande o pequeña deberá ser la futura instalación solar, o
lo mucho o poco que vamos a necesitar.
Pero ¿cómo hacemos para calcular el consumo si no tenemos el
conocimiento necesario?
Mencionamos en el propósito de este blog que le daríamos la
ayuda necesaria para que usted pudiera hacer su instalación sin tener que
contratar a un profesional.
Si la instalación se realizara para el uso ocasional, por ejemplo
en verano, hay que escoger los valores de los meses de verano.
Pero en esta ocasión fue una
vivienda de uso diario continuo, entonces utilizaremos un margen de error del 20%; si faltase energía necesaria.
Utilizando la información sobre la potencia, podemos
calcular el amperaje y el voltaje al aplicar las siguientes formulas:
A = W / V
W = V x A
La energía, es la cantidad de potencia de los equipos
multiplicado por las horas que están encendidos. Su unidad de medida es
Watt-Hora (Wh). Para calcular los (Wh) la formula sería:
Energía = Potencia
x # horas conectado
Aquí siempre los datos de aparatos de consumo deben ser
exactos para crear un diseño de cuánto debe ser las dimensiones de al
instalación. Si la instalación se realizara para una vivienda de uso diario
todo el año, se escogerá el valor medio de todo el año.
Suponemos un consumo para una vivienda con uso diario durante
todo el año, como por ejemplo: una vivienda de 3 recámaras, 2 pasillos, una
escalera, cocina, baño, sala, terraza y una pequeña extensión del patio frontal.
Procedemos al cálculo
e iniciamos en la siguiente tabla,
podemos ver cómo se calcula el consumo de energía en el mes.
Carga
|
Unidades
|
Potencia
(W)
|
Horas de Consumo
al día
|
Consumo por día Wh/día
|
Consumo por mes
Wh /mes
|
Total Energía necesaria (Wh) x Margen Seguridad 20%
|
||
Lámparas DC
|
8
|
12 ,0
|
6
|
576,0
|
17 280,0
|
20 736,0
|
||
Lámparas CA
|
10
|
15,0
|
5
|
750,0
|
22 500,0
|
27 000,0
|
||
Televisor
|
1
|
75,0
|
4
|
300,0
|
9 000,0
|
10 800,0
|
||
Radio
|
1
|
60,0
|
5
|
300,0
|
9 000,0
|
10 800,0
|
||
Computador
|
1
|
60,0
|
3
|
180,0
|
5 400,0
|
6 480,0
|
||
Microonda
|
1
|
1500,0
|
1/3
|
500,0
|
15 000,0
|
15 300,0
|
||
Refrigerador DC
|
1
|
100,0
|
14,5
|
1 450,0
|
43 500,0
|
52 200,0
|
||
Lavadora
|
1
|
350,0
|
1,5
|
525,0
|
15 750,0
|
18 900,0
|
||
Total
|
2 041, W
|
Promedio 4,9 h
|
4 581 Wh/ día
|
137 430 Wh/ mes
|
104 400 Wh/
mes
|
|||
Con los datos de esta “Tabla de Consumos” obtenemos el
consumo medio diario de la instalación al que se le ha aplicado un 20% como
margen de seguridad recomendado. Debemos también tener en cuenta que en la
instalación habrá pérdidas por rendimiento de la batería y del inversor y esto
influye en la energía necesaria final. Generalmente, para el buen
dimensionamiento, tomaremos un rendimiento de la batería de un 95%, del
inversor un 90% y de los conductores un
100%.
Así pues para el cálculo de los consumos medios diarios (
) consideramos la siguiente expresión:
Los valores de (
)
y (
) son registros obtenidos del consumo del
aparato en el día, multiplicado por el 20% de margen de seguridad. Cabe
resaltar que en la gráfica se toma en base al mes, pues como ya sabéis que
nuestra vivienda la evaluamos en base a la factura de luz convencional. Pero si
tú proyecto debe ser más exacto, te recomendamos que el margen de error pueda
ser mayor a 20% y que lo multipliques en base a los Wh/día.
Bueno continuando.
Siendo (
) el
consumo medio de energía diario, (
) el consumo medio de energía diario de las
cargas en continua y (
) el
de las cargas en alterna.
O bien, si lo queremos expresar como el
consumo de energía medio en Ah/día:
Así que con estos resultados se
plantearan nuestra adquisición de productos, ya sabemos que debemos adquirir componentes
que generan más de
, tomando en cuenta el cálculo a la mitad de la producción;
ejemplo:
Se necesitan
entonces se invertirán en un sistema que
genere alrededor de promedio de la potencia máxima, entonces fuese un
sistema 9000,0 Wh/día con el promedio de
4 500,0Wh/día o más si se requiere. Una observación los 4,5KWh/día de generación
es menor que el estipulado, pero cabe
resaltar que será respaldado por un sistema de generación eólico que funciona
las 24 horas.
Una vez que completemos este formulario de los aparatos de
consumo debemos comenzar con un cálculo exacto de lo que necesitará para esta instalación.
Una vez calculado el consumo, que ya fue realizado, buscamos
los datos de radiación solar global en Panamá, localización de la vivienda,
utilizando, por ejemplo, el PVGIS, que es una aplicación online gratuita:
Aparecerá una pantalla como esta, le buscamos el sitio y
veremos de cuanta radiación tendrá nuestros módulos solares.
Ilustración 3 Ventana de búsqueda para encontrar la ubicación
de la zona Habitada
Ahora; Procedimiento para el Cálculo de un Sistema
Fotovoltaico Autónomo (Offgrid)
En primer lugar se debe introducir un concepto fundamental,
el de las “Horas de Sol Pico” o HPS [horas]. Se puede definir como el número de
horas en que disponemos de una hipotética irradiancia solar constante de 1000
W/m2. Es decir, una hora solar pico “HPS” equivale a 1kWh/m2 o, lo que es lo
mismo, 3.6 MJ/m2. Dicho en otras palabras, es un modo de contabilizar la
energía recibida del sol agrupándola en paquetes, siendo cada “paquete” de 1
hora recibiendo 1000 watts/m2.
En este punto, hay que hacer un apunte importante:
Irradiancia: Es la magnitud que describe la radiación
o intensidad de iluminación solar que llega hasta nosotros medida como una
potencia instantánea por unidad de superficie, W/m2 o unidades equivalentes.
Irradiación: Es la cantidad de irradiancia recibida
en un lapso de tiempo determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de
tiempo y por unidad de superficie. Se suele medir en
o, en caso de
un día, en
o unidades
equivalentes.
Para calcular entonces el valor de HPS se debe dividir el
valor de la irradiación incidente entre el valor de la potencia de irradiancia
en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se
cumplen las características eléctricas de los módulos fotovoltaicos. Ese valor
de irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1000 watts/m2. Es decir,
si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y se
divide entre 1000, se obtienen las HSP. Por ejemplo, si tenemos una irradiación
de
, para pasarla
a HSP, se divide entre
, con lo que obtenemos 3.8 HPS o 3,8 Horas solar
Pico
2.2.3. Los pasos a seguir siempre para dimensionar el sistema fotovoltaico autónomo son siempre:
1- Estimación del consumo; Que ya fue planteado.
Aquí siempre es fundamental los
datos aportados por el consumidor, y deben ser siempre lo más realistas
posibles para evitar desviaciones en el dimensionamiento.
2- Datos del lugar donde se realizará la instalación para
saber la irradiación de la que dispondremos; con la herramienta tecnológica recibiremos
una ayuda.
3- Dimensionado del generador fotovoltaico (número de
paneles necesarios).
4- Dimensionado del sistema de acumulación (número de
baterías).
Para el dimensionado del sistema
de acumulación es muy importante tener en cuenta los días de autonomía que se
van a otorgar a la instalación, para proyectos domésticos se suelen tomar entre
3 y 5 días de autonomía, 6 o 7 días en caso de tratarse de zonas con baja
irradiación donde pueden producirse periodos de varios días en condiciones de
poca luz.
5- Dimensionado del regulador.
Debe ser lo suficientemente
eficiente para aprovecha desde las horas de la mañana, y que proteja al banco
de batería de sobrecargas en el proceso de almacenamiento de energía.
6- Dimensionado del inversor.
En esta el
inversor de voltaje debe suplir la necesidad de corriente alterna a la vivienda
y debe contar con un sistema de protección contra sobrecargas
En próximo blog Citaremos como ubicar correctamente los
módulos y la ubicación del aerogenerador, además como es la instalación
procedente de estas dos fuentes.
|
Ilustración 4: Cheque de la dirección
del sol en el día.
|
Ilustración 5: Ubicación de los módulos y su dirección.
Ilustración 6: Esquema de la Vivienda planteada para nuestro proyecto
On grid
AGRADECIMIENTOS
Bueno, los agradecimientos a todos los colaborados que
fuimos nosotros y a ustedes por darnos esa confianza de descubrir nuevos lares
donde la energía llega pero el monopolio de los más poderosos opaca, tramando y
creando problemas que en su mayoría no existen. Y recuerden que la electricidad
las podemos generar nosotros no simplemente una empresa, todo el mundo puede
tener su despachadora de energía en su sala, cuarto, caseta o Locación. Solo es
proponérselo y que más, aprovecha lo que la naturaleza nos brinda.
Bueno también a los conocimientos adquirido en otros fórum
donde obtuvimos la información y mil disculpas por terminar así, con los más
básicos pero es así, si no terminamos más confundidos; el mundo de la energía
renovable apenas da sus primeros pasos y hay que ir poco a poco.
Esperamos que este blog fuese de su agrado síguenos en los contactos,
en el blog, coméntanos si te gusto o no,
bueno que más, y dadnos tú opinión.
Hasta la próxima….
[1] (BCIE), B. C. (©
Copyright 2010, BCIE.). Análisis del Mercado Panameño de Energía Renovable. En B.
C. (BCIE), Proyecto Acelerando las Inversiones en Energía Renovable en
Centroamérica y Panamá (págs. 51-56). Panamá: Reservados todos los
Derechos.
[2](s.f.). * Plan de
Energías Renovables (PER) 2005-2010.
[3]EnDev/GIZ, P. (Lima,
marzo del 2013). INSTALACIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. Lima 18, Perú:
Imaginart.
[4]Fuente:
Thedailygreen.com. ( Posted: 27 Apr 2009 01:40 PM PDT). instalación y
funcionamiento de paneles solares. The Daily Green , Sección
Artículos.
[5]Lorenzo, J. A. (2010). Boletín
Solar Fotovoltaica Autónoma. C/Lope Gómez de Marzoa - FEUGA 12 15705
Santiago de Compostela, A Coruña (España): Europe Sun Fields .
[6]M., J. F. (2017). PROYECTO
ELÉCTRICO Y DE AUTOMATIZACIÓN. El Coco; UTP Llano Marín: FACULTAD DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA.
[7]Minas, M. d.
(Desconocido). UNA FUENTE DE ENERGIA PARA LA ILUMINACION DOMICILIAR EN EL
AREA RURAL. Lima, Perú: www.mem.gob.gt.
[8]Ministerio de
Industria, C. y. (2014). Curso de Física Ambiental (UCLM, Grupo G-9). En Energía
Eólica (págs. 21-27).
[9]Pinto, K. S. (febrero
del 2012). Instalando un circuito eléctrico básico. Lima, Perú:
EnDev/GIZ - Perú.
[10]Savornin, P. F.
(e-mail: info@energiasolarencasa.com). DISEÑANDO TU INSTALACIÓN SOLAR.
Paysandú-Uruguay: http://www.energiasolarencasa.com.
[11]https://www.teknosolar.com/
[12]Txispa. (2015). Curso práctica sobre Electricidad. En C. Online, http://sindominio.net/ahtezar/Txispas/CursoTxispas.pdf (págs. 5-8). Desconocida la información: Txispas.
[11]https://www.teknosolar.com/
[12]Txispa. (2015). Curso práctica sobre Electricidad. En C. Online, http://sindominio.net/ahtezar/Txispas/CursoTxispas.pdf (págs. 5-8). Desconocida la información: Txispas.
