"Energía eléctrica limpia
mediante
celdas fotovoltáicas
para
la
implementación
en
un
sector
de
la Facultad
de
Sistemas
de
la
Universidad
Técnica
de
Ambato"
Carlos
Salcedo
*
Karen
Ramírez
**
RESUMEN
El
propósito de
este
proyecto está enfocado aímplementar un sistemafotovoltáíco
autosustentabie en la Facultad de Ingeniería de Sistemas, Electrónica e Industrial
de laUniversidad
Técnica
de Ambatosobre labase de un
análisis
geoestacionario y
la caracterización de la cantidad de radiación absorbida y difundida a través de la
atmósfera
en el
punto
específico establecido en función de cálculos
matemáticos
que determinan Valores Medios de Radiación Solar para
todos
los meses del año en
función de latitud ylongitud respecto a ejes geoestacionarios, el ecuatorial yel me
ridiano
de
Greenwich.
El
proyecto tiene el carácter de secuencial y permanente, a medida que se vayan
implementando los paneles y,en forma paulatina se deberá ir capacitando a los es
tudiantes en la operación y manejo de equipos y elementos constitutivos del pro
yectoactualizandolainformación, incluyendo una base de datos yunsoftware para
el registro continuo yel seguimiento del proyecto.
El
sistema fotovoltaico consta de tres paneles solares de loow, un regulador de
40A, un Inversor de 2500W,tres luminariasde 70A,cuatro baterías de i05Ah, cables,
ylaestructura de soporte. Adicionalmente, se cuenta con ladonación de siete pa
neles solares
por
parte
del Instituto
de
Amistad Ecuatoriano - Chino.
Abstract
The purpose of this project aimsto implement a self-sustainingphotovoltaic system
at
the
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Indutrial of
the
Universidad
Técnica
de Ambato on the basis of a geostationary analysisand characterization of
the amount ofradiationabsorbed and disseminatedthrough the atmosphere at the
specífic
point
established
on
the
basis
of
mathematical
calculations
to
determine
SolarIrradiation Mean
Valúes
for
all
months of the yeardepending on latitude and
longitude on geostationary axis,the equator and the meridian of Greenwich.
Theproject issequential and permanent character, as the panels are implemented,
and should be graduallyenabling students inthe operation and management of
equipment and elements of the project to update the information, inciudingbase
data and software for continuous recording and monitoring.
The photovoltaic system consists of
three
solar panels and 100W, a controller of
40A, a inverter of 2500W,
three
lamps 70A,
four
batteries
i05Ah, cables, and
the
support
structure. Additionally, with
the
donatlon of seven solar panels by
the
Ecuadorian Institute of Friendship -Chínese.
*
ingeniero
Electrónico,
Docente
Facultad
de
Ingeniería
en
Sistemas,
Electrónica
e
Industrial,
UTA
** Ingeniera Electrónica
69
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
_
_>oo
/oooo
/oooo
/ooo
o
/oooo
/oooo
Módulos
fotovoltalcos
PALABRAS
CLAVES
Ambiente, Energía, Eficacia, AutosustentabiÜdad, Radiación.
Environment, Energy, Efficiency, Self-sustaínability, Irradiation.
1. INTRODUCCIÓN
¿QUÉ
ES
UN
SISTEMA
FOTOVOLTAICO?
Unconjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizarcuatro
funciones
fundamentales:
Transformar directa yeficientemente la energía solaren energía eléctrica.
Almacenar
adecuadamente
la energía eléctrica
generada.
Proveer
adecuadamente
la energía
pro
ducida (el
consumo)
yalmacenada.
Utilizar
eficientemente
la energía produ
cida
y
almacenada.
En el
mismo
orden
antes
mencionado,
los
componentes fotovoltaicos encargados
de
realizar las
funciones
respectivas
son:
Fíg.
1.1
Esquema de un sistema
fotovoltaíco
Reguiodor
Inversor
Acumulador
.Consumo
C.C.
^
Consumo
CA
FUNCIONAMIENTO
DEL
SISTEMA
FV
En
unsistema
típico,
elprocesodefuncionamiento es elsiguiente:
la
luz
solar
incide
sobrelasuperficie delcampofotovoltaico, donde es trasformada en energíaeléc
trica de corriente directa por lasceldas solares; esta energía es recogida yconducida
hasta unregulador de carga,el
cual
tiene la
función
de enviartoda o parte de esta
energía
hasta el
banco
de baterías, en dondees
almacenada,
cuidando
que nose
excedan los
límites
de sobrecarga; en algunosdiseños,parte de esta energía es en
viadadirectamente a lascargas.
La
energía almacenada es utilizada para abastecer
las
cargas
durante
la
noche
oen
días
de
baja
insolación,
o
cuando
el
campo
fotovol-
táico es
incapaz
de satisfacerlademanda por sí solo.
Si
lascargasa alimentarson
de corriente directa, esto puede hacerse directamente desde el campo fotovoltáico
o desde la batería; si,en cambio,las cargasson de corriente alterna, la energía pro
veniente del campo y de las baterías, limitada por el regulador, es enviada a un in
versor
de
corriente,
el cual la
convierte
a
corriente
alterna.
2. METODOLOGÍA Y MATERIALES
REQUERIMIENTOS
El
objetivode este proyecto es implementar unsistema de generación autosusten-
tabledeenergíaeléctrica fotovoltáica mediante panelessolares, porloque
primero,
es necesario realizar un análisis
de
los niveles
de
radiación solar para la ciudad
de
Ambatoa través del programa Retscreen,conlosdatos obtenidos se puede
dimen-
sionarlosequipos necesarios para laimplementacióndel sistema. Unavez ingresa
dos losdatos del Proyectocomo lalocalización, latecnologíaa
utilizar,
lacapacidad
de
Energía
yelfactorde
capacidad
de la
instalación,
se procede a
la
importación
de
losdatos meteorológicos del programa Retscreen, que son losdatos de
inicio
para
laelaboración de los cálculos para el diseño del Sistema Fotovoltáico aImplemen-
tarse
en
la
Facultad.
Cabe
mencionar
que porla
ubicación
geográfica
de la
ciudad
de
Ambato
(latitud:
-
1,2"
Norte,
longitud:
-78,6"
Occidente) se presentan dos condiciones
climáticas:
el
periodo
de
lluvias
que
inicia
enel mesde octubrey
finaliza
en el mesde
mayo
yel
periodo
secoque
inicia
en elmesde
junio
y
finaliza
en el mesde septiembre.
Con
70
UNIVERSIDADTÉCNICA DE AMBATO/ INVESTIGACIÓNY DESARROLLO
datos proporcionadospor Retscreenyconla
aplicación
de laformulación respectiva,
se determinaron valores promedios de radiación para los periodos especificados:
Octubre -
Mayo:
3,89
kWh/m^
por día,Junio - Septiembre: 4,40
kWh/m^
por día
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
Con los datos obtenidos se procede adimensionar los elementos requeridos para
laimplementaciónde este sistema, determinándose iossiguientes parámetros:
3
Paneles
Fotovoltaicos de
loowp.
4
Baterías
de
lójAh.
1Regulador
de
Carga
de
40A.
11nversor
de
2500W.
3Luminarias
de
70W.
INSTALACION
DEL
SISTEMA
FOTOVOLTAICO
Se determina el sitio donde se pueden colocar los paneles, su orientación en direc
ción norte yuna inclinación aproximada de
10°
a
15"
para el caso de Ecuador.
SOPORTES
UTILIZADOS
PARA
LA
INSTALACIÓN
Están construidos con perfiles de acero galvanizado en caliente, tratamiento que
asegura una protección completa contra las inclemencias climatológicas y, por
tanto,
una
mayor
duración
y
mantenimiento
nulo.
CONEXIÓN
DE
PANELES
FOTOVOLTAICOS:
SECCIÓN
DEL
CABLEADO
Los
paneles se conectan en paraleloyse podrán emplear tantos móduloscomoad
mita el regulador de carga.
El
conductor aemplear nunca deberá tener una sección
menor de conductor
N°
12AWC
yse permitiráuna sección
máxima
de conductor
N®
6AWC.
Para este caso se emplea conductor de calibre
N"
12AWG
para la conexión
en
paralelo
de los
paneles
fotovoltaicos.
INSTALACIÓN DEL BANCO DE BATERÍAS
Para almacenar laenergía eléctrica generada durante las horas de radiación, se em
pleó un Banco
de
Baterías, para su utilización
posterior
en
los
momentos
de
baja o nula insolación,
para
su
conexión
se
empleó conductorcalibre
N^S
AWC.
Losterminales de las ba
terías
se
conectaron
en
paralelo.
Fíg.
2.1
Conexión de las Baterías
INSTALACIÓN DEL REGULADOR
Polo
positivo
Polo
negativo
Para instalar el regulador se requiere desconectarla batería yelcampo
FV
antes de
efectuar
el cableado. Situar el
puente
de selección
de
tensión en
12V
antes
de
su
ministrar
alimentación
al
sistema.
CABLEADO DEL
MODO
DE REGULACIÓN DE CARGA FV
•P Los campos fotovoltaicos generan corriente siempre que la luz incide en su
superficie. Antes de
conectar
el regulador, se
deberá
cubrir o
desconectar
dicho
campo
para
evitar
que
se
genere
corriente.
•P Retirar los
tapones
de paso de la carcasa del regulador ypasar los cables de
conexión
por
ellos.
•p
Conectar
la salida del positivo (+) del
campo
FV
al
borne
marcado
PV
POS/LOAD
situado en la parte inferior de la tarjeta de circuito del regulador y
apretar
las
orejetas.
•P Conectar lasalidadel negativo (-)del campo
FV
al borne
COMMON
NEGATIVES
y
apretar
las
orejetas.
•p Conectarel cable positivo (+) del
banco
de baterías al
borne
marcado
BAT
POS
71
12V
•s.
UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DE
AMBATO
/
INVESTIGACIÓN
Y
DESARROLLO
y
apretar
las
orejetas.
Conectar el cable negativo
(•)
del banco de baterías al borne marcado
COM-
MON
NEGATIVES
y
apretar
las
orejetas.
Sujetar el cableado con abrazaderas contra tirones después de dejar un pe
queño trozo sobrante dentro de la carcasa para evitar daños a latarjeta de cir
cuito
del
regulador.
Positivo
de
la
batería
Positivo
de
la
matnz
FV
-
Negativo
de
la
matnz
FV
Negativo
de
la
batería
Fíg2.2Cableado del modo de regulación de carga
FV
CONEXIÓN ATIERRA
Losreguladores están diseñados para trabajar con sistemas eléctricos con el nega
tivo a tierra y sin tierra.
El
bastidor metálico de
este
regulador se
debe
conectar a
tierra
siempre,
mediante
un
cable
de
cobre
conectado
a un
electrodo
de
toma
de
tierra,
que
puede
ser
una barra
de
toma
de tierra introducida en el suelo.
INSTALACIÓN DEL INVERSOR
Para funcionar con seguridad y eficacia, el inversor necesita los cables y fusibles
apropiados. Debido a la entrada de bajo voltaje y alta corriente es esencial que se
utilice el cableado de baja resistencia entre las baterías y el inversor para entregar
la cantidad máxima de energía usable a su carga, en
este
caso se
debe
utilizar un
conductor de calibre N'S
AWC
para las conexiones en el panel de
DC
yconductor
de calibre
N°12
AWG
para las conexiones en el panel de
AC,
del inversor.
CONEXIONES
DE
CORRIENTE
ALTERNA
Se
puede
conectar
las
cargas
de
CA
directamente
en los receptáculos del panel
de
lantero del inversor. Lapotencia de salida a
cada
receptáculo es limitada
por
un in
terruptor
de 1500W (15A).
CONEXIÓN DETIERRA DELCHASIS
El
Inversor
tiene
un
conector
de tierra del chasis en el panel trasero. Esta se utiliza
para
conectar
el chasis del inversor con el
punto
que
pone
atierra la
CC
del sistema
según
lo
requerido
por
regulaciones para instalaciones. No utilice la tierra
de
CC
para
poner
atierra la
CA.
Para
conectar
el
cable
con
la
tierra
del
chasis:
Asegúrese
que
el
interruptor
de
encendido
ON/OFFdel inversor
esté
en la po
sición
de
apagado.
Afloje el tornillo
de
tierra
del chasis
usando
un
destornillador.
Tirar 3/8" (9,5 mm) del aislamiento apartir de un extremo del cable.
Poner
un
extremo
del
cable
en
tierra.
Apriete la tierra del chasis.
•>
CONEXIONES
DE
CORRIENTE
CONTINUA
Conecte
los
cables
de
la
fuente
de
CC
del
banco
de
baterías
al
inversor.
Instale un fusible y
desconecte
el switch o
breaker
entre
el inversor yel
banco
72
UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DE
AMBATO
/
INVESTIGACIÓN
Y
DESARROLLO
de
baterías.
Una con un conectadorei cable positivo al terminal positivo de corriente con
tinua en el extremo de
CC
del Inversor,yluego una el otro conectador del
ter
minal positivo (+) alfusible o breaker.
Conecte un conector en el cable negativo al terminal negativo en el extremo
de
CC
del inversor. Antes de proceder, compruebe que la polaridad del cable
está correcta, ydespués conecte elotro extremo del cable con signo negativo
(-)al terminal negativo del banco de baterías.
Una
las
cubiertas
de
los
terminales
de
CC.
Antes de continuar,
comprobar
que
se han
conectado
los cables correcta
mente,
positivo con positivo, negativo con negativo.
Girar el
switch
de
desconexión
o el
breaker
del
banco
de
baterías.
Muevael interruptor de encendido
ON/OFF
del inversor a la posiciónde trabajo.
Comprobar la
visualización
delvoltaje de entrada.
Debe
mostrarentre My
13V,
de
pendiendo de lacondición del banco de baterías.
Si
no lohace, comprobar elbanco
de
baterías,
la
conexión
al
inversor
y el
estado
de
la
carga.
CAMPO
FV REGULADOR
MODO
DE
REGULACIÓN
DE
CARGA
FV
PoModib
FV>.
• B
FV+
J
fnrrmT-im
• B
FV-
BATERIA-
w\
.BATERIA+
BrciUf
i
BANCO
DE
BATEMAS
I
ijcA
aiVBtSOH
CARGA
Fíg 2.3 Diagrama del cableado del Inversor al Banco de Baterías y a la Carga.
INSTALACIÓN ELÉCTRICA
En la
instalación
eléctrica
se
debe
contemplar
todos
los
puntos
necesarios
para
poder suministrar la energía eléctrica producida por la central fotovoltaica a las lu
minarias Metal Halide
de
70W ubicadas en el
ágora
de la Facultad. Para ello es ne
cesario dimensionar los conductores según las características de cada uno,
seleccionándose
el
conductor
de calibre N'iz AWG,
que
va
desde
el
inversor
en
la
parte de
AC
a lacarga yse protegió la instalación colocando breakers para
proteger
al sistema frente a riesgos eléctricos.
La
conexión de la carga al inversor va:
Del positivo del inversor en el panel
de
ACal positivo del breaker.
Del negativo del
breaker
al positivo de la carga.
Delnegativo del inversor en el panel de
AC
al negativo de la carga.
Lí.
RESULTADOS
Para utilizar el
máximo
rendimiento
de los
paneles
solares,
se
debe
realizar un
estu
dio
de
la zona
determinando
el mejor sitio
de
ubicación. Los paneles fotovoltaicos
73
UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DE
AMBATO
/
INVESTIGACIÓN
Y
DESARROLLO
se colocaron en laterraza dei edificiode laFacultadde Ingenieríaen Sistemas,
Elec
trónica e Industrial de la Universidad
Técnica
de Ambato
(FISEI
-
UTA).
ai
Fíg
3.1
Fachada
frontal
del edificio
de
FISEI
-
UTA
Fig 3.2 Terraza del edificio
FISEI
-
UTA
DETALLE
DE
LA
CARGA
LaIluminación
que
se implementa con energíafotovoltaica
consta
de
tres
luminarias
Metal Halide de
7CW/115V
ACc/u, con un funcionamiento promedio
de
4horas dia
rias,
sustituyendo
las
tres
luminarias
de
sodio
de
150W
existentes,
destinadas
al
alumbrado
del
ágora
de
la Facultad, las luminarias
se
deben
conectar
en
forma
in
dependiente,
con
todas
las
protecciones
y
equipos
de
control
necesarios
para
man
tener
las
condiciones
operativas
de
manera
eficiente.
i
^arga
Instalada
actualmente
en
FISEI- UTA
SELECCIÓN DE LOS MÓDULOS
Los
tres
módulos
de la instalación
son
fabricados
en
silicio policristalino,
modelo
ETP-636100
con
potencia
nominal de 100 Wp. Adicional a
esto
y
por
motivo
de
do
nación
se
instalan
siete
módulos
de
silicio
amorfo
de
una
potencia
promedio
de
lOWp.
74
UNIVERSIDAD
TÉCNICA
DE
AMBATO
/
INVESTIGACIÓN
Y
DESARROLLO
Fíg3.4 Módulos Fotovoltaícos Instalados
TIPO DE CONEXIÓN
Se escoge un arreglo fotovoltaico conectado en paralelo. Conesta configuración,
laconexión eléctrica del arreglo tienen una potencia nomina! de 370WP, proporcio
nando una tensión máxima al campo fotovoltaico de i7,5Vccy una intensidad má
xima
de
17,70 A.
BANCO DE BATERÍAS
Para almacenar laenergía eléctrica generada durante las horas de radiación, se em
pleó un Banco de Baterías, para su utilización posterior en los
momentos
de baja o
nula
insolación.
3-5 Ubicación
del
Banco
de
Baterías
En
este
proyecto se utilizan 4 baterías de plomo acido (Pb-ácido)
SELLADAS
marca
Coopower, modelo
CP12V
-
105AH,
con un voltaje de
almacenamiento
de
12V
y una
profundidad máxima de descarga profunda u ocasional de 0,6 (PDmáx). Estas ba
terías
tendrán
que
ser
capaces
de suministrar energía eléctrica a las luminarias de
la Facultad
durante
un
periodo
de 3 días de
forma
autónoma.
REGULADOR
CONTROLADOR
DE
CARGA
El
regulador de carga realiza un ciclo rápido de activación ydesactivación de la
fuente
de
corriente para controlar la corriente y la
tensión
de
la batería. Enel caso
de una desconexión, el regulador se rearmará automáticamente transcurridos diez
minutos (si no persisten las condiciones de sobrecarga).
AI
utilizarlo como contro-
lador de carga solar, el regulador
puede
controlar el funcionamiento de
grupos
de
12,
24 ó 48
VCC.
El
regulador utilizado es marca
XANTREX
40Amp/i2V, modelo C40.
SELECCIÓN DEL INVERSOR
Lainstalación de los
módulos
fotovoltaícos
produce
una
potencia
nominal instalada
75
UNIVERSIDADTÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓNYDESARROLLO
de
370Wp,
por
lo
que
se decide instalar un inversor, con potencia nominal
de
2,5kW.
De
esta
forma
sobredimensionamos
la instalación para posibles ampliaciones sin la
necesidad de cambiar ninguno de sus elementos. Simplemente se tendría que añadir
más panelesfotovoltaicos para una proyección futura.
El
inversor escogido es
Xan-
trex
i2Vdc/nsVac, de 2500WOnda senoidal modificada Modelo Xpower 3000 Plus.
SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES
PASO
DE
[.ACORRIENTE
CONTINUA(CC):
Los
conductores
usados para la conexión
son
de aislamiento simple ytensión de 600V. Laconexión del Campo Fotovoltaico
hacia el Regulador, es
de
cable flexible, bipolar de sección nominal (#) 3,3imm^
de
Calibre (#)
12AWG.
Laconexión
entre
el regulador y el
banco
de batería es
de
cable
flexible, bipolar
de
sección nominal (#) 3,3imm^ de Calibre (#)
12AWG
y del
banco
de
baterías al Inversor, es de cableflexible, bipolar
de
sección nominal
(^)
8,37mm^
de
Calibre (#)
8AWG.
Estos cables se
conectan
en los propios módulos y en los
per
files del
sistema
de
sustentación
a
través
de
grapas
metálicas. Como la
corriente
prevista para el
campo
Fotovoltaico es de 17,70 A y la distancia máxima
de
cada
tramo
del
cable
es de
aproximadamente
5
mts
del
campo
fotovoltaico
al
regulador
y
imts
del
regulador
hacia el
banco
de
baterías y del
regulador
al inversor respecti
vamente,
el
uso
de
estos
cables
mantiene
una
caída
de
tensión
inferior
al
1%.
PASO
DE
CORRIENTE
ALTERNA
(AC):Los
conductores
que
se usan para la conexión
de lasalida del inversor a la carga, son monofásicos (fase yneutro) con aislamiento
doble y de
tensión
de
600V, con sección nominal (#) 3,3imm^
de
Calibre (#)
12AWG.
Como
la
corriente
de
salida
máxima
del
inversor
es
de
i,82A
y la
distancia
entre
el
inversor y la carga es de
aproximadamente
2omts, los cables escogidos
mantienen
una
caída
de
tensión
inferior
al 1%.
PROTECCIÓN
PASO
DE
CORRI
ENTE
CONTINUA
(CC):
Laprotección usada entre el campo fotovol
taico y el
regulador
es un fusible con el aislamiento para 600V de 32A,y
entre
el re
gulador yel banco de baterías es de 20A.
»
Fíg.3.6 Detalle
de
protección
en
CC.
PASO
DE
CORRI
ENTE
ALTERNA
(AC):
Laprotección usada
entre
el inversory la carga,
en
el
tramo
del circuito
de
corriente
alterna
es
un fusible
con
el
aislamiento
para
500V
de
100A. Laconexión va del positivo del inversor en la placa
de
CC
al fusible
de
100A
que
protege
al circuito
tanto
contra
sobrecargas
como
contra
cortocircui
tos.
Esta protección también sirve para abrir el circuito, aislando la producción fotovol-
taica
restante
de
la instalación y
haciendo
posible
el
mantenimiento
de
los
equipos
de
corriente alterna sin riesgos al sistema.
76
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO / INVESTIGACIÓN YDESARROLLO
(CENI)
de la
FISEI,
el encargado de la promociónde esta tecnología. Esteempren-
dimiento
tendrá
vigencia debido al
hecho
de
que
permanentemente
se incorporara
nuevos
elementos
al sistema, así
como
el mantenimiento yoperación
de
los ya exis
tentes,
necesitando
una
capacitación
permanente
de
los
estudiantes
y
operadores
del
sistema.
5.
RECOMENDACIÓN
Esrecomendable que la
FISEI
de la mano de la Universidad motive ycomience a ge
nerar mas proyectos basados en energías renovables,
esto
generará a más de un
ahorro económico una vinculación directa con la nueva tecnología y
por
ende
con
la
sociedad.
5. REFERENCIAS
Información Básica: Introducción yConceptos Básicosde Energías Renovables
♦
Energía Solar en el mundo (2007). Disponibleen: http://www.energias-reno-
vables.com/paginas/ ContenÍdoseccÍones.asp?ID=i58cCod=i8&Tipo=&Nom-
bre=Solar%20fotovoltaica.
^
Presentación
Solar
Ceneratfon
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http://www.google.com.ec/#q=presentaci%C3%B3n-solar-
generation.pdf&hl=es&biw=i440&bih=683&source=!nt&sa=X&ei=0-
HSTMOgMoOB8gaBzZ34Dg&ved=oCAYQpwU&fp=ac6b563i97909ii
^
Junta
de
Castilla y León. Guia de usuário de Energía Solar fotovoltaica. Dispo
nible en:
http://www.res-
regions.Ínfo/fileadmin/res_e_regÍons/WP_2/EREN_Project_developersJeafle
t_WP2_Guide_S0lar_PV_EREN.pdf
♦
Conductores
Eléctricos
Concepto
yTipos. Disponible
en:
http://www.proco-
bre.org/archivos/peru/conductores_electricos.pdf
http://www.retscreen.net/es/d_data_w. php
♦
Pascual A.Sistemas
de
enrgía solar. Disponible en: http://www.it46.se/cour-
ses/wÍreless/materials/es/i5_Energia-Comunicaciones/i5_es_energia_solar_co-
municaciones_dimensionado_rci.pdf
1 I f
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