UNIVERSIDAD FERMÍN TORO

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO

EJERCICIO DE DISEÑO

Autor: Adrián Rojas

C.I.: 20.237.599

Cabudare, Julio de 2015

Planteamiento del Problema.

Las redes eléctricas de una vivienda son necesarias para que todos los aparatos eléctricos, incluyendo los de iluminación, funcionen adecuadamente y que haya tomas disponibles con energía en todos los lugares que se requieran.

El sistema eléctrico de una vivienda está compuesto por tuberías, cables y accesorios tales como lámparas, tomacorrientes, interruptores, tableros, entre otros, y está conectado al sistema eléctrico público del cual toma la energía necesaria para la alimentación de los diferentes aparatos eléctricos y electrónicos que se encuentren en ella.

Además, se debe considerar que las instalaciones sean seguras para las personas que habiten en ella. También deben estar protegidas para que en determinadas circunstancias, no vayan a causar incendios o a electrocutar a una persona. En efecto es de importancia aspectos como seguridad, economía, accesibilidad y mantenimiento a fin de mantener la vida útil de la instalación.

En la actualidad la utilización de energías tiene un costo no solo monetario sino ambiental, sin embargo se presentan opciones de energía alternativas limpias y eficientes que favorecen a la preservación del ambiente, tal es el caso de la energía solar fotovoltaica. En consecuencia es necesario considerar estos aspectos durante el diseño del suministro e instalación eléctrica de una vivienda.

Generación y Transporte de Energía Eléctrica

La energía eléctrica se genera en centrales que pueden ser térmicas, nucleares, hidráulicas, de energías alternativas. La electricidad es transportada a través de líneas de alta tensión desde las centrales hasta los centro urbanos. De la instalación transformadora la electricidad se traslada a través de las líneas de media tensión a pequeñas subestaciones transformadoras que hay en cada urbanización y barriada. En estas subestaciones la corriente es transformada nuevamente y pasa a ser corriente en baja tensión a niveles de 440/220-120 V, que es la que tenemos en casa. En líneas de alta tensión los niveles de voltaje van de 40.000 a 750.000 voltios. A continuación se ilustra lo indicado.

Finalmente en la vivienda llega un cable de alimentación de derivación individual.

En una vivienda unifamiliar, no hay línea general de alimentación ni derivación individual.

Tablero eléctrico

Es el tablero desde él se distribuyen los cables que van a los tomas o puntos de iluminación y tomas de corriente (enchufes) de la casa y allí se encuentran los dispositivos para la protección contra cortocircuitos. Su ubicación es muy importante pues desde allí se controlarán toda la energía de la casa, por lo que debe tener fácil acceso.

Esquema de Instalación Eléctrica de la Vivienda

El tablero está compuesto por los siguientes dispositivos:

El medidor de energía y el interruptor general automático que desconecta todo el sistema eléctrico de la vivienda cuando hay un cortocircuito.

El interruptor diferencial: nos protege cuando detecta que la corriente que sale del cuadro es diferente a la que retorna, lo que indica que hay fugas de corriente. Esto ocurre si hay algún cable que hace contacto y provoca una derivación de corriente. Los pequeños interruptores automáticos (PIA) cortan o permiten el paso de la corriente por los diferentes circuitos que forman la instalación.

Instalación de tomacorriente dúplex y lámpara

En el cableado de la instalación eléctrica se tienen tres conductores: La fase: por lo general de color negro, rojo o gris. Transporta la corriente desde el

tablero a los diversos puntos de luz y tomas de corriente de la vivienda.

El neutro: se utiliza de color azul. Retorna la corriente desde los puntos de luz y

tomas de corriente hasta el cuadro (azul). La Tierra: es de color verde y amarillo. Circula corriente por este conductor solo en caso de fugas o derivaciones de corriente, conduciendo la electricidad hacia el tablero y luego hasta los electrodos de tierra.

Diseño de la instalación

El diseño eléctrico de una vivienda consiste en establecer una serie de circuitos compuestos por protecciones, conductores y accesorios de tal manera que haya suficientes puntos de suministro de energía para los diversos aparatos eléctricos de la vivienda, así como, los elementos para la iluminación. Se debe cumplir con lo establecido en las normas y en el Código Eléctrico Nacional CEN. A continuación se muestra un extracto del mismo.

Así mismo, el CEN establece factores de demanda para alimentadores de cargas de iluminación.

En efecto, estas y otras disposiciones se deben considerar para el diseño eléctrico de una vivienda.

Diseño de infraestructura Primero Esquema de la instalación eléctrica. Se dibuja un plano esquemático general de la vivienda, señalando en cada estancia donde se ubican los puntos de luz, los interruptores, los enchufes. Luego con un color específico se unen los elementos de cada circuito por ejemplo; todos los enchufes normales en una línea hasta llegar a la puerta de entrada de la vivienda, con otro color todos los enchufes de gran potencia, que son los destinados a electrodomésticos: el horno, la lavadora y la encimera, en la cocina; el secador, en el baño. Estas líneas se juntan en un punto al lado de la puerta de entrada, que es donde se situará el cuadro eléctrico, con su interruptor general, un pequeño interruptor automático para cada línea. Segundo El trazado de cables eléctricos puede ser superficial o empotrado. El primero es más estético, pero requiere trabajos de albañilería; mientras que el

cableado superficial se puede hacer pasar de manera discreta. También puede pasar por canaletas decorativas de plástico. Tercero Se colocan todos los enchufes e interruptores en los lugares deseados. Para que resulte cómodo, los interruptores se colocan a 90 cm. del suelo, los enchufes a 15 cm. del suelo. En cada dormitorio individual conviene poner dos interruptores, uno junto a la puerta de entrada, otro junto a la mesa de noche. En el salón comedor conviene colocar un interruptor, cinco enchufes, en previsión de una lámpara de pié, el televisor y previsiones. En la cocina debe colocarse un interruptor y cuatro enchufes, uno para la lavadora, otro para el horno, otro para la licuadora, otro para la nevera, además dos enchufes sobre la cocina, para pequeños electrodomésticos como el microondas o la cafetera. En el baño debe colocarse un interruptor, dos enchufes, en previsión, de enchufe para el secador de pelo. Estos enchufes deben estar junto al lavamanos. Cuarto Se realiza el cableado, cada cable desde su pequeño interruptor del cuadro eléctrico, seleccionado según su capacidad y de acuerdo con el esquema eléctrico. Se conectan todos los interruptores, enchufes a su línea correspondiente. Quinto Se coloca el cableado de cada habitación, desde el interruptor al punto de

luz correspondiente, o lámpara de techo.

Selección del Conductor en una Instalación Eléctrica

Esto se realiza calculando la corriente que consume cada equipo a instalar y seleccionando en la tabla el conductor que tenga la capacidad para que circule. De acuerdo con la siguiente tabla de CEN:

Circuito de fuerza o de tomacorrientes

Para la ubicación de los tomacorrientes en la vivienda debe hacerse de forma conveniente sin ser excesiva, y considerando la ubicación de los equipos como la nevera, la plancha, la lavadora, la estufa, el calentador de agua entre otros. Para esto tomaremos como referencia los consumos típicos que se muestran en la siguiente tabla:

APARATO CONSUMO (W)

Estufa 4 hornillas y un horno 8000

Estufa de dos parrillas 3000

Horno eléctrico 4500

Cafetera 800

Nevera 300

Plancha 800

Lavadora sin calentador 300

Lavaplatos 1500

Calentador de agua 1200

Bombillo 100

Por lo general los tomacorrientes se colocan de 150 W, pero en el caso nuestro la estufa seria de:

I= P/V= 3000/110= 27,27 A (se toma de dos hornillas)

De esta manera el conductor requerido para la estufa es el No. 10 según la tabla de capacidad de conductores y el tablero se debe proteger con un interruptor termomagnético de 30 A. La tubería requerida para dos conductores No. 10 AWG es de diámetro ¾ “. Ahora según este procedimiento se pueden distribuir los diferentes circuitos. Los tomacorrientes normales funcionan en paralelo y se unen de la forma más corta posible. Los circuitos de la estufa y calentador de agua se llevan directamente al tablero.

Circuitos de Alumbrado

El número de circuitos depende de la cantidad de alumbrado a instalar, luego se ubican las lámparas y los interruptores necesarios. Una vez realizada la ubicación

se comienzan a unir las lámparas e interruptores correspondientes por medio de tuberías, tal como se muestra en el plano.

En este caso tendremos 12 lámparas las cuales tomaremos de 100 W cada una. Por lo tanto hay:

12 x 100 = 1200 W

De esta manera, todo el circuito de alumbrado lo colocaremos en un solo circuito, ya que la corriente que admite el cable No. 14 es de 15 A. El interruptor termomagnético para este circuito será también de 15 A.

Posteriormente de unir las lámparas con sus correspondientes interruptores, debemos llevar a estos la energía desde el tablero. Se debe encontrar a partir del tablero un punto cercano para comenzar a llevar allí la energía. El neutro se lleva a un terminal común de todos los interruptores sin interrupción y la fase se lleva a todos los interruptores y de allí a los bombillos.

Otro elemento importante es considerar las cajas donde se colocara los interruptores, lámparas o tomacorrientes. Su tamaño dependerá del número de conductores que se tengan en ella y del aparato a colocar.

Para los interruptores y tomacorrientes se colocan cajas de 2 x 4” y de 4 x 4” según el número de conductores.

De esta manera se culmina el diseño de alumbrado, como se muestra:

Una vez terminada la distribucion de los circuitos, se procede a hacer el cuadro de cargas que basicamente es la descripcion del tablero. En este se expresa lo que alimenta cada circuito, la fase de donde se conecta, la carga de este y su proteccion. Tambien esta la carga total de la vivienda, el calibre, el tipo de acometida que seleccionemos y su proteccion.

En este caso seleccionamos una acometida basica de tres conductores, monofasico tres hilos, o sea, dos lineas de 220 V entre ellas y un neutro con 110 V entre cada linea y el neutro.

En este caso se requiere circular 38 A por fase, para lo cual se requiere un calibre de 8 AWG. Asi en este caso se debe alimentar la vivienda con tres conductores No. 8 en una tuberia de 1 “ de diametro.

TABLA DE CARGAS

Selección de la Tubería para los Conductores Eléctricos.

Los cables conductores irán por medio de tubos o conductos rígidos de PVC para su protección. Dichos tubos irán instalados en montaje superficial sobre las paredes y techo de la vivienda.

Los tubos deberán tener un diámetro tal que permitan un fácil alojamiento y extracción de los cables alojados. Para la correcta elección del diámetro del tubo protector se utilizará la siguiente tabla. En ella se indican los diámetros exteriores mínimos de los tubos en función del número y la sección de los conductores que se alojan en su interior.

En este caso se requiere el uso de la siguiente tabla para la selección del ducto:

Diseño de Alimentación con Energía Solar

El concepto de crisis energética aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modelo económico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo crecimiento, exige también una demanda igualmente creciente de energía. Puesto que las fuentes de energía fósil y nuclear son finitas, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía: éstas serían las energías alternativas.

La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables, inagotable, limpia, respetuosa con el planeta y sienta las bases de un autoabastecimiento. Al igual que el resto de las energías limpias, contribuye a la reducción de emisión de gases de efecto invernadero y especialmente de CO2, ayudando a cumplir los compromisos adquiridos por el Protocolo de Kioto y a proteger nuestro planeta del cambio climático.

Una casa construida aprovechando la luz solar es una solución excelente y viable de energía renovable. Aunque se puede obtener paneles solares instalados por un profesional, es posible hacerlos a bajo costo y no requiere de conocimientos técnicos avanzados para lograrlo.

La energía solar puede utilizarse prácticamente por todos los usuarios para complementar las necesidades de energía doméstica, o incluso ir fuera de la red eléctrica completamente. Lo que necesita son algunas partes básicas y componentes, que pueden comprar e instalar a bajo costo.

Existen dos sistemas de instalación para el aprovechamiento de la energía del sol:

Sistema autónomo, este funciona independiente de la red existente de energía eléctrica de su casa y se alimentará directamente de los paneles solares, así como de un banco de baterías recargables, donde se almacenará la energía obtenida.

Sistema complementario, su funcionamiento es similar al autónomo pero funciona únicamente en caso de fallas en el suministro de energía eléctrica por parte de la ciudad, o cómo un sistema auxiliar de suministro, ya que se integra a la red actual de energía eléctrica.

Los dos sistemas requieren de baterías, así como de un inversor de corriente, este es el que convertirá la energía obtenida del sol en energía eléctrica convencional que todos los aparatos de su casa utilizan.

Elementos del sistema

Un módulo fotovoltaico consta de: un marco soporte que la mayoría de las veces es de aluminio anodizado, una base inferior construida en general por un polímero de plástico, las celdas fotovoltaicas conectadas entre sí, una cubierta superior de vidrio templado que además de proteger al módulo facilita la entrada de los rayos solares y una caja de conexiones que se sitúa en la parte posterior del módulo y en la cual se encuentran los contactos eléctricos y los diodos de protección. En la figura se muestran las distintas partes de un módulo fotovoltaico.

Figura . Componentes del módulo solar fotovoltaico Donde: 1) Marco soporte 2) Caja de conexiones 3) Placa con las características eléctricas del módulo 4) Cubierta posterior y material encapsulante para proveer protección contra las condiciones ambientales 5) Celdas 6) Cubierta de vidrio 7) Bus de conexión de las celdas 8) Distancia de seguridad entre el marco y las celdas

El controlador de carga (regulador)

Este es un dispositivo electrónico que se encarga de regular la tensión y corriente de carga de las baterías, a fin de que estas no sufran daños por efecto de sobrecargas; también se pueden colocar entre la batería y la carga para desconectar esta si la tensión de la batería cae por debajo de su valor mínimo (Voltaje de corte), evitando así descargas excesivas que pudieran dañar la batería. Para lograr esto, el regulador de carga censa en todo momento la tensión de las baterías y el estado de carga de las mismas y de acuerdo a este último, puede conectar o desconectar el módulo fotovoltaico (en el caso de los reguladores on/off) o hacer uso de la modulación de ancho de pulso (PWM por sus siglas en Inglés), mediante la cual la batería es cargada mediante pulsos de distinta duración y frecuencia, según el estado de carga que esta tenga. La mayoría de los controladores de carga que se utilizan en la actualidad incorporan esta técnica, ya que presenta notables ventajas en comparación con los que sólo se basan en la conexión y desconexión de los módulos en función de la carga de la batería (reguladores on/off).

El banco de baterías (acumuladores)

Estos son los elementos del sistema solar fotovoltaico que se encargan de almacenar la energía eléctrica para su uso posterior, debido al hecho de que la de energía de los módulos se da en cantidades y tiempo diferentes a los de la demanda. Las baterías que se usan para aplicaciones fotovoltaicas son las que se conocen como baterías de ciclo de descarga profundo y difieren de las baterías de automóviles en que estas últimas están diseñadas para entregar grandes cantidades de corriente en períodos cortos de tiempo, mientras que las baterías de ciclo profundo están diseñadas para descargas muy lentas sin que sufran daño alguno, por esta razón las placas de estas baterías son mucho más gruesas y de menor área que las utilizadas para el arranque de automóviles. Existen varios tipos de baterías para aplicaciones fotovoltaicas, como por ejemplo las de Plomo-Ácido, las de Níquel-Cadmio (NiCd), las de Níquel-Hidruro Metálico NiMH), las de Ion de Litio (Li-ion), las de Polímero de Litio (Li-poly) y las de Zinc-Aire. Las más comúnmente usadas son las de Plomo-Ácido.

Partes de una batería

DISEÑO: Sería ideal fabricar paneles fotovoltaicos con el absorbedor integrado, montando directamente las células fotovoltaicas, sobre la superficie del propio absorbedor, disminuyendo de esta forma las perdidas en la transferencia de calor al mismo. También sería ideal dichos paneles en una carcasa, similar al utilizado actualmente para la energía solar térmica, con esto se conseguiría un incremento de la temperatura en el panel por el efecto invernadero generado en su interior; obteniendo más temperatura en el líquido refrigerante, y por lo tanto mayor eficiencia en el sistema térmico.

Datos de Iniciales: Se utilizarán dos paneles solares gemelos con las mismas características eléctricas y mecánicas, uno es el utilizado en el prototipo del proyecto y otro es para poder observar y valorar las diferencias entre ambos en distintas condiciones, (refrigerado o no) Dimensiones del panel: 300x220mm. Potencia de Panel: 6w. Tensión Voc: 22 vdc. Corriente Isc: 500 mA. Temperatura ambiente: 25ºC. Radiación solar: ~ 97mW/cm² Velocidad del viento: 0 m/s Diámetro del tubo del serpentín absorbedor: 6 mm. Medidas de la pletina del absorbedor: 285x210x5 mm.

Descripción del funcionamiento:

La instalación en el interior del edificio es similar a las que se pueden encontrar actualmente en el mercado. La única variante reside en el captador, que en este caso es el mismo para el sistema fotovoltaico y para el sistema térmico. El absorbedor está integrado en el propio panel fotovoltaico, recorrido por un líquido calorportante que cede su energía en el intercambiador de calor situado en el interior de un tanque acumulador. Este acumulador está alimentado por agua fría, y de el se extrae agua caliente para su uso sanitario, calefacción, etc. El absorbedor disminuirá notablemente la temperatura en las células del panel, incrementando su eficiencia. La electricidad producida en el panel es conducida a través de conductores de sección apropiada a un regulador de tensión, cuya misión, entre otras, es controlar la carga de las baterías dentro de los límites adecuados. De las baterías se obtiene la potencia para los distintos elementos consumidores de la instalación, si esta está diseñada para trabajar a bajo voltaje en corriente continua. Si los aparatos consumidores y la instalación están diseñados para trabajar en corriente alterna, será necesario intercalar un inversor DC-AC.

Esquema general teórico

Estimado de Costos de partes del sistema: