Cálculo Del Sistema Foto voltaico Para Una Casa Habitación

FUENTES ALTERNAS DE ENERGA

CLCULO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UNA CASA HABITACIN

Integrantes del Equipo:

Domnguez Castro Arturo

Espinosa Espinosa Mario Eduardo

Garca Ros Lus Missael

Grupo: 9MM7

Titular de la materia:

Dr. Alejandro Zacarias Santiago

Septiembre de 2014

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

Contenido

Pgina

ndice de Tablas .................................................................................................... 3

Objetivo .................................................................................................................. 4

Objetivos especficos ........................................................................................ 4

Justificacin .......................................................................................................... 5

Introduccin ........................................................................................................... 6

Energa alterna fotovoltaica .............................................................................. 6

Electrificacin domstica rural y de servicios pblicos ................................ 6

Diseo y clculo de una instalacin fotovoltaica ............................................... 7

Estudio de las necesidades a cubrir ................................................................ 7

Clculo del Sistema de Acumulacin .............................................................. 7

Clculo del Regulador ....................................................................................... 8

Clculo de la Celda Fotovoltaica ...................................................................... 9

Mapas de Irradiacin Solar ................................................................................. 16

Conclusiones ....................................................................................................... 17

ANEXO 1............................................................................................................... 18

ANEXO 2............................................................................................................... 24

ANEXO 3............................................................................................................... 25

ANEXO 4............................................................................................................... 26

ANEXO 5............................................................................................................... 27

ndice de Tablas Pgina

Tabla 1. Tensin de trabajo en funcin de la potencia instalada. ............................ 8

Tabla 2. Datos de autentificacin .......................................................................... 10

Tabla 3. Consumos medios de energa por la red elctrica de iluminacin en C.C

.............................................................................................................................. 11

Tabla 4. Relacin de consumos de diferentes habitaciones y tiempos mnimos para

las necesidades de una vivienda aislada. ............................................................. 11

Tabla 5. Consumo Mensual (Et). ........................................................................... 12

Tabla 6. Radiacin Mensual (Rm) ......................................................................... 12

Tabla 7. Relacin Mensual Consumo/Radiacin ................................................... 13

Tabla 8. Clculo del Sistema de acumulacin ....................................................... 13

Tabla 9. Clculo de mdulos fotovoltaicos ............................................................ 14

Tabla 10. Clculo y seleccin del regulador .......................................................... 15

Objetivo

4

Objetivo

Disear un sistema fotovoltaico autnomo que permita cubrir la demanda de energa

elctrica para la iluminacin de una casa habitacin. El punto de partida ser

determinar la potencia elctrica necesaria para cubrir las necesidades nicamente

para la instalacin de alumbrado del inmueble.

Objetivos especficos

Los factores que se consideraran son los siguientes:

Estudio de las necesidades a cubrir

Tabla de radiacin solar del lugar

Una vez que se tengan estos datos se proceder a realizar lo siguiente:

Clculo y seleccin del panel solar

Clculo y seleccin del sistema de acumulacin adecuado

Clculo del regulador

Clculo del inversor

Justificacin

5

Justificacin

Debido a que en los lugares aislados la red elctrica presenta faltos de apoyo de

otro tipo de energa y la energa solar es una tecnologa principalmente ecologa

relacionada al ahorro de energtico. Esta fuente energtica es gratuita, limpia e

inagotable.

La energa solar fotovoltaica ofrece numerosas ventajas competitivas respecto a

otras fuentes energticas como lo son:

El sol es una fuente energtica gratuita y el silicio, material utilizado como

material semiconductor en las clulas fotovoltaicas, es el segundo material

ms abundante en la corteza de la tierra.

La generacin de energa solar fotovoltaica no produce ruido ni emisiones

contaminantes ni gases txicos, lo que ayuda a combatir el cambio climtico.

Las instalaciones fotovoltaicas pueden prolongarse una vida de hasta 25

aos.

Introduccin

6

Introduccin

Energa alterna fotovoltaica

La energa solar fotovoltaica est considerada, dentro de las fuentes de tipo

renovable, como la de ms reciente aparicin. Se trata de una energa totalmente

silenciosa y fiable, actualmente indispensable en el espacio y en infinidad de lugares

de la Tierra.

Este tipo de energa se obtiene a partir de la radiacin solar por medio de

semiconductores o clulas, tratados para su conversin directa en electricidad

gracias al efecto fotovoltaico.

No fue hasta el ao 1954 en que la compaa Bell Telephone, en New Jersey,

consigui fabricar una clula solar fotovoltaica con un rendimiento aceptable. Sin

embargo, tuvieron que pasar dos dcadas para obtener en los laboratorios

rendimientos del orden del 20%, trabajando con clulas monocristalinas de

arseniuro de galio.

Electrificacin domstica rural y de servicios pblicos

La caracterstica principal de este tipo de instalaciones es la de poder ofrecer un

mnimo nivel de comodidad, destinado principalmente a la iluminacin y a algn que

otro pequeo consumo. De esta manera, se incluye la electrificacin de pueblos y

pequeas comunidades con sistemas aislados de pequea potencia, y tambin la

iluminacin de parques, monumentos, plazas y zonas pblicas, instalaciones en

parques naturales, refugios de montaa, paradas de autobuses, etc.

Diseo y clculo de una instalacin fotovoltaica

7


Estudio de las necesidades a cubrir

Un estudio eficiente debe permitirnos elaborar una tabla con el consumo que se

produce a lo largo del da, ya sean de corriente continua (Ecc) o alterna (Eca).

Para la recopilacin de todos los datos que nos servirn de referencia para poder

disear y seleccionar nuestro panel fotovoltaico emplearemos las siguientes tablas

de datos que contendrn claramente la descripcin de cada elemento de consumo,

alimentacin, potencia (Watt) y horas de funcionamiento previstas por el usuario,

con el fin de evaluar el consumo total (Et), que ser especificado en watt-hora (W-

h).

Clculo del Sistema de Acumulacin

Existen una serie de factores que determinan el clculo del sistema de acumulacin:

El nmero mximo de das de autonoma (D). Corresponde al nmero mximo de

das consecutivos que una instalacin puede funcionar sin recibir radiacin solar.

Durante este perodo de tiempo, los mdulos no recogen apenas energa y toda la

que se consume es absorbida del sistema acumulador.

En consecuencia, D viene determinado por las caractersticas climticas del lugar y

por la operatividad en el suministro elctrico. En instalaciones especialmente

importantes en relacin al servicio que presten, como es el caso de las

telecomunicaciones, D puede alcanzar valores de 25 das; sin embargo, cuando se

trata de la electrificacin de viviendas, puede considerarse 10 das como un valor

recomendado.

Profundidad de descarga mxima de la batera (Pd). La decisin de un modelo de

acumulador u otro en la electrificacin de viviendas viene dado generalmente por la

relacin calidad/precio. Los valores a tener en cuenta sern:

Acumuladores de ciclo profundo (Pb-Sb), (Ni-Cd) 80%, Pd - 80.

Acumuladores de ciclo superficial (Pb-Ca) 40%, Pd = 40


8

Prdidas por rendimiento del acumulador (Pac). Constituyen las que se

producen como consecuencia de la propia autodescarga, y las debidas a la prdida

de energa entre el ciclo de carga y descarga. Se pueden cifrar en un 10%, Pac =

10.

Tensin de trabajo de la instalacin (V). Se elegir en funcin de la potencia

requerida por la instalacin. Como relacin aproximada, se pueden considerar los

valores siguientes:

Tabla 1. Tensin de trabajo en funcin de la potencia instalada.

Potencia instalada (W) Tensin contena (v) Mxima corriente continua (A)

Inferior a 400 12 33

De 400 a 5.000 24-48 210-105

Mayor de 5.000 48-120 105-41

Con el fin de realizar el clculo del sistema acumulador, consideraremos la energa

necesaria del mes escogido, modificada por las prdidas debidas al rendimiento del

sistema acumulador, estimadas en un 10%.

De esta manera, el clculo de la capacidad (C) ser:

=()(100)

()

Dnde:

C = capacidad, A-h.

ET = energa total de la instalacin, (W-h)/da.

D = nmero de das de autonoma, das.

Pd = profundidad mxima de descarga del sistema acumulador, %

V = tensin del sistema de acumulacin, voltios.

Clculo del Regulador

El regulador debe ser capaz de soportar una potencia efectiva de como mnimo la

potencia mxima del campo de paneles incrementada en un 10%. Se intentar,

siempre que sea posible, que haya un nico regulador por instalacin.


9

En el caso de que esto no sea factible, el nmero de reguladores (Nr) se determinar

por:

= 1.1

Dnde:

Nr = nmero de reguladores.

Npp = nmero de mdulos conectados en paralelo.

Imp = intensidad en el punto de potencia mxima (caracterstica

elctrica del mdulo fotovoltaico), A.

Ir = intensidad mxima del regulador, A.

Clculo de la Celda Fotovoltaica

Con la siguiente ecuacin se determina la capacidad que deben tener el o los

paneles fotovoltaicos y sobre ese valor se busca un arreglo que cumpla con lo

estipulado en el clculo.

=1200()

Dnde:

Ar = Tamao de panel (W)

Et = consumo de Electricidad (kWh/da)

Rm = irradiacin (kWh/m2dia)

Una vez obtenido este valor en Watts se procede a buscar uno o varios paneles que

cubran con el valor del tamao de panel. El panel o los arreglos que se realicen a

una serie de paneles debe de estar ligeramente pasado, esto con el objetivo de

cubrir la demanda que requiere el sistema de iluminado.

En el caso de que un solo panel no cubra con las necesidades a cubrir se tiene que

realizar un arreglo ya sea en serie, paralelo o mixto. Esto con el fin de estar en

aproximacin lo ms posible con los valores requeridos.

Para el dimensionamiento de la instalacin se emplea la siguiente tabla y las

ecuaciones antes mencionadas para el clculo de los parmetros mencionados.


10

La Tabla 2, muestra los datos particulares de la Habitacin Fotovoltaica para que posteriormente con estos datos se hagan las selecciones pertinentes.

Tabla 2. Datos de autentificacin

Datos de identificacin

Tipo de instalacin Vivienda permanente

ubicacin Mxico, Distrito Federal

Titular Alumnos de ESIME

Tipo de consumo

Continuo 7 das/semana

X Temporada alta

de consumo

Invierno X

Medio 5 das/semana

Verano

Bajo Fin de semana

Mes

Los clculos que a continuacin se presentan determinan y sustentan la seleccin

de los equipos para acondicionar la casa habitacin fotovoltaica.

La potencia total la podemos obtener de la siguiente manera:

1 = ( )( )

1 = (23)(8) = 184

Para calcular el consumo medio diario para los electrodomsticos que requieren

corriente continua se tiene el siguiente clculo.

= 1 (1 +

100) = (592

) (1 +

15

100) = 680.8

Dnde:

Fs = Factor de seguridad de la instalacin. (%)

Ecc = Consumo medio diario continua. (Wh/da)

E1 = Energa total de cc. (Wh/da)

El consumo de la potencia real se calcula de la siguiente manera:

= 1 (1 +

100) = (184) (1 +

15

100) = 211.6

La Tabla 3, muestra los valores de consumo de energa tomando en cuenta el

nmero de habitaciones, suponiendo un consumo estimado en Hrs del tiempo que

se mantienen encendidas las luces en la casa en una rutina diaria de una familia

promedio. El tipo de LED que se seleccion es debido a su bajo voltaje y a su gran

capacidad luminosa adems de que de esta manera se ahorra el uso de un Inversor.


11

Tabla 3. Consumos medios de energa por la red elctrica de iluminacin en C.C

Consumos medios de energa por la red elctrica de iluminacin en Corriente Continua Vcc.

Cantidad de habitaciones

Cantidad de tiras led

Potencia c/u (P1) (W)

Voltaje (V) CD Uso mnimo

(h/da) Energa (E1)

(W*h)/da

2 Recamaras 8 8 12 4 256

1 Sala 4 8 12 1.5 48

1 Comedor 4 8 12 3 96

1 Bao 2 8 12 1 16

1 Cocina 2 8 12 2 32

Periferia 3 8 12 6 144

TOTAL 23 184 NA NA 592

En la Tabla 4, se muestran las relaciones de consumo de la vivienda, como factor de

seguridad se utiliz el 15% el cual se tom de la media que se establece en el rango de 10

a 20%. El consumo medio diario se obtiene empleando el factor de seguridad que se

estableci anteriormente. Todos los clculos estn basados en el uso de corriente continua

por tratarse de LEDs que emplean este tipo de corriente y por no tener electrodomsticos

de corriente alterna. Con el empleo de corriente continua se ahorra el uso de un inversor.

Tabla 4. Relacin de consumos de diferentes habitaciones y tiempos mnimos para las necesidades de una vivienda aislada.

Descripcin Valor Unidad

Factor de seguridad de la instalacin (Fs). 15 %

Consumo medio diario continuo (Ecc). E1(1+Fs/100) 680.8 Wh/da

Potencia real (Pcc). P1(1+Fs/100) 211.6 W

Consumo medio diario alterna (Eca). E2(1+Fs/100) NA NA

Potencia real (Pca). P2(1+Fs/100) NA NA

Consumo total (Et). Ecc+Eca 680.8 (W*h)/da


12

En la Tabla 5, se muestra nicamente el Consumo Mensual (Et), teniendo como

crtico el mes de diciembre debido a los factores ambientales.

Tabla 5. Consumo Mensual (Et).

Consumo Mensual Et (Wh/da)

Marca

la Et

elegida

Ene Feb Mar Abril Mayo Junio Julio Ago. Sep. Oct Nov Dic

680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8 680.8

x

En la Tabla 6, se muestra la Radiacin Mensual las cuales fueron determinadas con los mapas de la Repblica Mexicana y que estn contenidos en el ANEXO 1 de esta seccin. Los 19 de inclinacin se determinan en base a las coordenadas del Distrito Federal. En esta tabla se muestra a diciembre como el mes ms crtico en la Relacin mensual.

Tabla 6. Radiacin Mensual (Rm)

Radiacin Mensual (Rm) [kWh/da]


Inclinacin 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o 19o

Marca de

Rm

elegida

3.05 3.33 3.61 3.61 3.61 3.05 3.05 3.05 2.77 2.77 2.77 2.5

x

En la Tabla 7, en base a la Relacin Mensual de Consumo/ Radiacin, se muestra

a diciembre como el mes ms crtico en la relacin. Estos datos se tomarn en

cuenta para determinar el tamao del panel (Ar).

Para el clculo de la Energa Total de la Instalacin (ET) contemplando 10% se

determina con la siguiente ecuacin:

= (1 +10

100)

Donde:

Et =Consumo total de energa.


13

Tabla 7. Relacin Mensual Consumo/Radiacin

Relacin Mensual Consumo/Radiacin (Re) (Et/Rm)

Marca la

Re

elegida


223.2 204.4 188.5 188.5 188.5 223.2 223.2 223.2 245.7 245.7 245.7 272.3

x

Para el clculo de la capacidad (C) del sistema de acumulacin ser:

=()(100)

()=

748.88 (10)(100)

80%(12)= 780.08Ah

Dnde:

C = capacidad, A-h.

ET = energa total de la instalacin contemplando 10%, (Wh/da)

D = nmero de das de autonoma, das.

Pd = profundidad mxima de descarga del sistema acumulador %

V = tensin del sistema de acumulacin, voltios.

Para los clculos posteriores en el sistema de acumulacin se hacen las siguientes

consideraciones:

Se considera un factor de seguridad del 10% de prdidas de rendimiento en

el sistema de acumulacin (Pac) entre los ciclos de carga y descarga.

Los das de autonoma son los que se recomiendan en el apartado del

Clculo del Sistema de Acumulacin.

En base a los datos obtenidos se busca en catlogos de fabricantes ms

comerciales un sistema de acumulacin que se adapte a las necesidades

actuales.

Tabla 8. Clculo del Sistema de acumulacin

Clculo del sistema de acumulacin

Descripcin Capacidad Unidades

Et elegida 680.8 (Wh)/Da

Prdidas de rendimiento en el sistema acumulador (Pac) 10 %

ET=Et(1+Pac/100) 748.88 (Wh)/Da

Das de autonoma (D) 10 Das


14

Clculo del sistema de acumulacin

Descripcin Capacidad Unidades

Profundidad de descarga (Pd) 80 %

Tensin del sistema de acumulacin (V) 12 Volts

Capacidad del sistema de acumulacin ( C ) 780.08 Ah

Modelo de acumulador 6EAN100 2/879 Volts/Ah

Nmero de acumuladores 6 En serie

Con la siguiente ecuacin se determina la capacidad que deben tener el o los

paneles fotovoltaicos y sobre ese valor se busca un arreglo que cumpla con lo

estipulado en el clculo.

=1200()

=

1200 (0.7488kWhDa

)

2.5kWh

2dia

= 359.424Watt

pico

Dnde:

Ar = Tamao de panel (W)

ET = Energa total de la instalacin contemplando 10%, (kWh/da)

Rm = Irradiacin (kWh/m2dia)

En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos en base a los clculos para

determinar el tipo de mdulo fotovoltaico a utilizar y en base a estos datos se buscan

los mdulos que ms se adapten a nuestra necesidades, los cuales se obtienen de

los catlogos de fabricantes comerciales que se encuentren disponibles en el

mercado. El nmero de mdulos se determina de la siguiente manera:

=

=

359.424

125 = 2.875 3

Tabla 9. Clculo de mdulos fotovoltaicos

Clculo de los mdulos fotovoltaicos

Alcance del mdulo (Ar) 359.424 Watt pico

Modelo del mdulo S48MC BIPV /48 CELDAS

Capacidad 125 Watts

Corriente 10A

Voltaje 12 Volts C.C.

Numero de mdulos (Nm) 2.87 3


15

Clculo de los mdulos fotovoltaicos

Capacidad total a instalar (C*Nm) 375 Watts

Tipo de arreglo En paralelo

En la Tabla 10, se muestra el tipo y el nmero de Regulador que ha de emplearse

para satisfacer las necesidades de la casa habitacin. Con la siguiente ecuacin y

en base a los datos particulares del Mdulo Fotovoltaico puede determinarse el

nmero de reguladores.

= 1.1

=

10 3 1.1

40= 0.825 1

Dnde:

Nr = Numero de reguladores

Imp = Corriente del mdulo seleccionado

Npp = Nmero de mdulos en paralelo

Ir = Corriente del regulador seleccionado

Tabla 10. Clculo y seleccin del regulador

Clculo y seleccin del regulador

Mdulo fotovoltaico escogido S48MC BIPV

Corriente del mdulo escogido (Imp) 10A

Numero de mdulos en paralelo (Npp) 3

Intensidad a soportar el regulador (Imp*Npp*1.1) 33A

Tipo de regulador Trace C40

Corriente del regulador seleccionado (Ir) 40A

Numero de reguladores (Nr=Imp*Npp*1.1/Ir) 1

De esta manera se tiene toda la seleccin del Mdulo Fotovoltaico, Regulador, y

acumulador para acondicionar la casa habitacin en la ciudad de Mxico.

Mapas de Irradiacin Solar

16

Mapas de Irradiacin Solar

Para conocer la disponibilidad de energa solar en un lugar determinado, hace falta

consultar el mapa de radiacin solar, que una extrapolacin de los datos de la

energa recibida en cada mes a lo largo de una serie de aos. Dicha tabla depende

directamente de la latitud, as como de las condiciones meteorolgicas

predominantes y de las particularidades climatolgicas del lugar como nieblas,

nevadas, lluvias, temperaturas mximas y mnimas, etc.

Los mapas de irradiacin solar fueron tomados de un catlogo de la empresa

SOLARTRONIC, S.A. de C.V. Los cuales vienen referenciados en el ANEXO 1 al

final de esta seccin donde adems se tuvo que realizar la conversin de unidades

de MJ/m2 a kWh/m2da con el fin de homologar las unidades con los consumos

mensuales de energa.

Se utiliz el tipo de Irradiacion Solar Directa Diraia Promedio Mensual para precisar

en los datos y obtener resultados ms precisos para la seleccin de los mdulos

fotovoltaicos correspondientes a la zona del Distrito Federal.

Conclusiones

17

Conclusiones

Es importante disponer de la energa de captacin no para su utilizacin inmediata,

sino para cuando se requiera: por ello se hace necesario una serie de elementos

tales como el conjunto de mdulos fotovoltaicos o panel solar, acumulador y

regulador los cuales permiten realizar estas funciones.

En el campo de la energa solar fotovoltaica, un elevado porcentaje de las

instalaciones solares estn dedicadas a la electrificacin de viviendas en lugares

aislados, al bombeo de agua y a la integracin de edificios urbanos.

A pesar de que se realiza un desembolso inicial elevado, el hecho de adquirir un

electrodomstico de bajo consumo supone un ahorro a largo plazo, ya que dicho

gasto queda neutralizado por el ahorro en la instalacin y por la reduccin

energtica que supone su compra.

Con el proyecto realizado en general podemos decir que esta fuente alterna de

energa representa limpieza, rentabilidad a largo plazo y es amigable con el medio

ambiente. Cabe mencionar que es importante minimizar el consumo de energa a lo

ms mnimo posible y de esta manera ahorrar recursos y poder lograr

independizarse del Sistema Elctrico Nacional (SEN).

Para llevar a cabo un anlisis ms completo de lo que representa el consumo

energtico de los electrodomsticos y luminarias de una casa habitacin es preciso

tener en cuenta que se debe contar con equipos o aparatos de bajo consumo y de

mayor eficiencia.

Tambin es importante recalcar que debido a que debemos reducir al mnimo el

consumo energtico, fue por ello que se decidi utilizar iluminacin LED para toda

la casa habitacin.

ANEXO 1

18

ANEXO 1

En este apartado se muestran los mapas de Irradiacion Solar Directa Diraia

Promedio Mensual de la Republica Mexicana sealando la zona del Distrito Federal

de manera mensual. Las intercecciones determinan el valor de ISDDPM.

Figura 1. ISDDPM para el mes de enero

Figura 2. ISDDPM para el mes de febrero

ANEXO 1

19

Figura 3. ISDDPM para el mes de marzo

Figura 4. ISDDPM para el mes de abril

ANEXO 1

20

Figura 5. ISDDPM para el mes de mayo

Figura 6. ISDDPM para el mes de junio

ANEXO 1

21

Figura 7. ISDDPM para el mes de julio

Figura 8. ISDDPM para el mes de agosto

ANEXO 1

22

Figura 9. ISDDPM para el mes de septiembre

Figura 10. ISDDPM para el mes de octubre

ANEXO 1

23

Figura 11. ISDDPM para el mes de noviembre

Figura 12. ISDDPM para el mes de diciembre

ANEXO 2

24

ANEXO 2

En este anexo se presenta el tipo de iluminacin que se emplear en la casa para

cada una de las habitaciones. Se presentan las caractersticas principales de la

iluminacin.

Modelo 8W Tira Rgida de 1 metro

Especificaciones

1. Energa: 8W

2. Voltaje de entrada: DC12V

3. Fuente de Luz: 5630 SMD LED

4. Cantidad del LED: 72

5. Material: Aluminio

6. Tipo de base: Tira rgida

7. Disponible en:

Clido (300-3300K)

Frio (6000-6500K)

8. Marca: ADYMSA ILUMINACION

Figura 13. Tira de LED rgida

ANEXO 3

25

ANEXO 3

En este anexo se presenta el Celda fotovoltaica seleccionado y sus caractersticas.

ANEXO 4

26

ANEXO 4

En este anexo se incluyen algunas marcas de acumuladores comerciales y sus

caractersticas as como tambin se enmarca el acumulador seleccionado.

ANEXO 5

27

ANEXO 5

En este anexo se enlistan algunas marcas comerciales de acumuladores y sus

caractersticas, as como tambin se enmarca el acumulador seleccionado.

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Cálculo Del Sistema Foto voltaico Para Una Casa Habitación