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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MODALIDAD: PRESENCIAL
Informe final del Trabajo de Graduación previo a la Obtención del Título de Ingeniero Mecánico TEMA:
“ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE UN PANEL FOTOVOLTAICO FIJO Y MÓVIL DE 50W POLICRISTALINO Y SU INCIDENCIA EN LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE AMBATO”
AUTOR: Leni Wilfrido Sánchez Pérez TUTOR: Ing. Alex Santiago Mayorga Pardo
Ambato – Ecuador 2016
I
………. Ing. Alex Mayorga
TUTOR APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de tutor del trabajo investigativo “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE UN PANEL FOTOVOLTAICO FIJO Y MÓVIL DE 50W POLICRISTALINO Y SU INCIDENCIA EN LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE AMBATO”. Trabajo elaborado por Leni Wilfrido Sánchez Pérez.
Certifico:
Que el presente informe es original de su autor.
Ha sido revisado en cada uno de sus capítulos.
II
AUTORÍA DEL TRABAJO DE TESIS
Yo, Leni Wilfrido Sánchez Pérez con CI: 180387157-1 declaro que los resultados obtenidos y expuestos en el presente trabajo de investigación con el tema. “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE UN PANEL FOTOVOLTAICO FIJO Y MÓVIL DE 50W POLICRISTALINO Y SU INCIDENCIA EN LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE AMBATO”, son absolutamente de mi autoría; a excepción de las referencias bibliográficas que se incluyen en este texto.
Además, que los criterios emitidos en el trabajo de investigación, así como también los contenidos, conclusiones, recomendaciones son de exclusiva responsabilidad de mi persona, como autor del presente trabajo.
………. Leni Sánchez Pérez
III
DEDICATORIA
El presente trabajo de investigación
dedico con mucho cariño a toda mi
familia especialmente a mis padres
William y Zoila, quienes me
brindaron un apoyo moral muy
necesario para la culminación de una
etapa más de mi vida.
IV
AGRADECIMIENTO
A la universidad Técnica de Ambato –
Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
donde recibí educación de calidad.
Además, mi profundo agradecimiento a
esas personas que me ayudaron de una y
otra forma para la culminación de mi
tesis, a mis profesores que me dieron
los conocimientos necesarios para mi
futuro profesional.
A mi familia que con sus consejos fueron
la fuerza tan indispensable, para no
dejar inconcluso el presente trabajo de
investigación.
V
ÍNDICE
GENERAL
Pág. Dedicatoria... III Agradecimiento ... IV Índice general ... V Índice de figuras ... IX Índice de tablas ... XI Resumen ejecutivo ... XII Introducción ... XIIICAPÍTULO I... 1
1 El Problema ... 1
1.1 Tema ... 1
1.2 Planteamiento del problema ... 1
1.2.1 Contextualización ... 1
1.2.2 Análisis crítico ... 4
1.2.3 Prognosis ... 6
1.2.4 Formulación del problema ... 6
1.2.5 Preguntas directrices ... 6
1.2.6 Delimitación del problema ... 7
1.3 Justificación... 8 1.4 Objetivos ... 10 1.4.1 General... 10 1.4.2 Específicos ... 10 CAPÍTULO II ... 12 2 Marco Teórico ... 12 2.1 Antecedentes investigativos ... 12 2.2 Fundamentación filosófica ... 13 2.3 Fundamentación legal ... 13 2.4 Categorías fundamentales ... 15
VI
2.5 Fundamentación teórica ... 15
2.5.1 Sistema fotovoltaico ... 15
2.5.2 Paneles solares ... 16
2.5.3 Curva característica: voltaje vs intensidad de corriente ... 21
2.5.4 Curva característica: temperatura vs intensidad de corriente ... 22
2.5.5 Orientación de los paneles solares ... 23
2.5.6 Inclinación de los paneles fotovoltaicos ... 24
2.5.7 Coordenadas solares ... 27
2.5.8 Energías no convencionales... 28
2.5.9 Energía solar ... 29
2.5.10 Radiación solar ... 30
2.5.11 Componentes de una instalación solar generadora de electricidad ... 32
2.6 Hipótesis ... 36 2.7 Señalamiento de variables ... 36 2.7.1 Variable independiente ... 36 2.7.2 Variable dependiente ... 36 2.7.3 Enlace de conexión ... 36 CAPÍTULO III ... 37 3 Metodología ... 37 3.1 Enfoque Investigativo ... 37 3.1.1 Enfoque cuantitativo ... 37
3.2 Modalidad básica de la investigación. ... 37
3.2.1 Bibliográfica ... 37 3.2.2 Exploratoria ... 38 3.3 Tipo de investigación ... 38 3.3.1 Descriptiva ... 38 3.3.2 Explicativa ... 39 3.3.3 Orientada a la comprobación ... 39 3.4 Población y muestra ... 39 3.4.1 Población ... 39 3.4.2 Muestra ... 40 3.5 Operacionalización de variables ... 42
VII
3.5.1 Variable independiente ... 42
3.5.2 Variable dependiente ... 42
3.6 Plan de recolección de información ... 43
3.7 Plan de procesamiento de la información ... 45
CAPÍTULO IV ... 46
4 Análisis e interpretación de resultados ... 46
4.1 Análisis de resultados ... 46
4.1.1 Análisis de intensidad de corriente en días crítico y óptimo ... 46
4.1.2 Análisis de la temperatura de filo en los paneles... 54
4.2 Verificación de la hipótesis ... 56 CAPÍTULO V ... 59 5 Conclusiones y recomendaciones ... 59 5.1 Conclusiones ... 59 5.2 Recomendaciones ... 60 CAPÍTULO VI ... 62 6 Propuesta ... 62 6.1 Datos informativos ... 62 6.1.1 Tema ... 62 6.1.2 Equipo responsable ... 62 6.2 Antecedentes de la propuesta ... 62 6.3 Justificación... 63 6.4 Objetivos ... 64 6.5 Análisis de factibilidad ... 64 6.5.1 Factibilidad técnica ... 64
6.5.2 Factibilidad económico financiero ... 66
6.6 Metodología ... 67
6.7 Fundamentación ... 67
6.7.1 Diagrama de flujo para el control del módulo solar ... 68
6.7.2 Cálculo de la posición del sol ... 70
6.7.3 Cálculo de consumo... 84
6.7.4 Selección del panel fotovoltaico ... 87
VIII
6.7.6 Dimensionamiento del acumulador ... 91
6.7.7 Selección de conductores... 92
6.7.8 Control de señal de pulsos (Arduino Mega 2560) ... 95
6.7.9 Sensor de inclinación Mma7361 de 3 ejes ... 96
6.7.10 Módulo magnetómetro de 3-ejes HMC5883L... 96
6.7.11 Módulo Rtc Ds3231 reloj de tiempo real ... 97
6.7.12 Interruptores... 98
6.7.13 Selección de los rodamientos ... 99
6.7.14 Selección del motor 1 ... 101
6.7.15 Selección de la caja reductora ... 103
6.7.16 Selección del motor 2 ... 109
6.8 Administración ... 110
6.8.1 Costos de materiales ... 110
6.8.2 Financiamiento ... 112
6.9 Conclusiones del capítulo ... 112
6.10 Recomendaciones ... 113 Bibliografia ... 115 Anexo I ... 119 Anexo II ... 170 Anexo III ... 174 Anexo IV ... 178 Anexo V ... 179 Anexo VII... 182
IX
ÍNDICE
DE
FIGURAS
Pág.
Figura 2-1: Categorización de variables ... 15
Figura 2-2: Sistema fotovoltaico... 16
Figura 2-3: Célula solar ... 17
Figura 2-4: Estructura de los paneles fotovoltaicos ... 18
Figura 2-5: Células de silicio monocristalino ... 19
Figura 2-6: Células de silicio policristalino ... 20
Figura 2-7: Células de silicio amorfo ... 20
Figura 2-8: Curva V-I de un panel fotovoltaico ... 22
Figura 2-9: Curva corriente - caída de potencia de un panel fotovoltaico ... 23
Figura 2-10: Inclinación de los paneles solares ... 24
Figura 2-11: Trayectoria aparente del sol respecto a un punto P de la superficie terrestre. ... 28
Figura 2-12: Tipos de radiación ... 31
Figura 2-13: Regulador de carga ... 32
Figura 2-14: Acumulador de electricidad ... 33
Figura 2-15: Inversor ... 34
Figura 3-1: Recomendación de inclinación de módulos según latitud ... 41
Figura 4-1 Intensidad de corriente vs horas (día nublado - mañana) ... 49
Figura 4-2: Intensidad de corriente vs horas (nublado - tarde) ... 50
Figura 4-3: Intensidad de corriente vs horas (mañana - soleado) ... 52
Figura 4-4: Intensidad de corriente vs horas (tarde - soleado) ... 53
Figura 4-5: Temperatura de filo (°C) vs horas – día nublado ... 54
Figura 4-6: Temperatura de filo (°C) vs horas – día soleado ... 56
Figura 4-7: Campana de Gauss ... 58
Figura 6-1: Diagrama de flujo ... 69
Figura 6-2: Corrección por refracción astronómica ... 76
Figura 6-3: Oblicuidad de la eclíptica. ... 77
X
Figura 6-5: Ángulo de elevación del sol en el año 2016 a las 07H00... 81
Figura 6-6: Ángulo de azimut del sol en el año 2016 a las 07H00 ... 81
Figura 6-7: Ángulo de azimut del sol en el año 2016 a las 12H00 ... 82
Figura 6-8: Ángulo de elevación del sol para el año 2016 a las 17H00 ... 82
Figura 6-9: Ángulo de azimut del sol para el año 2016 a las 12H00 ... 83
Figura 6-10: Ángulo de azimut del sol para el año 2016 a las 17H00 ... 84
Figura 6-11: Parámetros básicos de algunos módulos solares ... 89
Figura 6-12: Arduino Mega 2560 ... 95
Figura 6-13: Sensor de inclinación Mma7361 De 3 Ejes ... 96
Figura 6-14: Módulo Magnetómetro de 3-ejes HMC5883L ... 97
Figura 6-15: Módulo Rtc Ds3231 ... 98
Figura 6-16: Fin de carrera... 98
Figura 6-17: Diagrama de cuerpo libre para la selección de rodamientos (mm) . 99 Figura 6-18: Díagrama de cuerpo libre para la selección de motor (cm) ... 102
Figura 6-19: Díagrama del recorrido del panel fotovoltaico... 104
Figura 6-20: Ángulo de inclinación del panel a las 7H00... 105
Figura 6-21: Ángulo de inclinación del panel a las 17H00... 105
Figura 6-22: Ángulo de giro del eje diario en el año 2016 ... 106
Figura 6-23: Diagrama de recorrido diario en azimut ... 109
XI
ÍNDICE
DE
TABLAS
Tabla 2-1: Fuentes de energías renovables ... 29
Tabla 2-2: Características principales del sol. ... 30
Tabla 3-1: Orientación variable del panel fotovoltaico de 50W policristalino. ... 42
Tabla 3-2: Captación de energía solar en la ciudad de Ambato. ... 42
Tabla 4-1: Datos de panel móvil - día nublado ... 47
Tabla 4-2: Datos de panel fijo - día nublado ... 48
Tabla 4-3: Máximos, mínimos y promedios de mediciones en panel fijo y móvil ... 48
Tabla 4-4: Diferencia en % de intensidad de corriente – 06/03/2015 ... 50
Tabla 4-5: Datos de panel móvil - día soleado... 51
Tabla 4-6: Datos de panel fijo - día soleado ... 51
Tabla 4-7: Diferencia en % de intensidad de corriente – 19/02/2015 ... 53
Tabla 4-8: Diferencia de temperatura de filo – 06/03/2015 ... 54
Tabla 4-9: Diferencia de temperatura de filo – 19/02/2015 ... 55
Tabla 4-10: Promedios diarios de intensidad de corriente de los sistemas fotovoltaicos con paneles fijo y móvil. ... 57
Tabla 4-11: Prueba t de Student ... 58
Tabla 6-1: Potencias promedios de los dos sistemas ... 65
Tabla 6-1: Presupuesto de proyecto ... 66
Tabla 6-3: Consumo de energía del sistema ... 85
Tabla 6-3: Módulo Exmork 50 W-policristalino ... 90
Tabla 6-4: Capacidad de corriente permisible de conductores sencillos aislados para 0 a 2 000 V nominales al aire libre y temperatura ambiente de 30° C. ... 94
Tabla 6-5: Costos de materiales – directos ... 111
Tabla 6-6: Costos indirectos ... 112
XII
RESUMEN
EJECUTIVO
El objetivo del presente proyecto de investigación fue comparar tecnologías tradicionales de sistemas fotovoltaicos con paneles de 50W policristalino que permanecen fijos con otro sistema de paneles solares capaz de seguir la trayectoria del sol, formando un ángulo de 90° entre la superficie del módulo y los rayos solares; durante todo el día en todas las épocas del año de la ciudad de Ambato, fundamentalmente para saber si la captación de energía solar varia. De la investigación se logró conocer en cuanto se mejora la eficiencia del sistema fotovoltaico.
Se construyó un sistema manual que tiene un mecanismo capaz de orientar los módulos solares con ángulos de azimut y elevación además de otro panel que permaneció fijo, con el propósito de obtener parámetros como la intensidad de corriente suministrada por los paneles; la temperatura en la superficie de los módulos; la irradiación del sol que posteriormente se realizó una comparación y mediante fórmulas estadísticas y se llegó a la conclusión que el sistema con módulo móvil capta mayor radiación solar, por lo que éste proporcionar más intensidad de corriente respecto a los sistemas fotovoltaicos que permanecen en una posición estacionaria todo el tiempo.
Finalmente se realizó el diseño para la construcción de un prototipo capaz de mantener la superficie del módulo fotovoltaico perpendicular a los rayos solares, de forma automática, con ayuda de fórmulas astronómicas.
XIII
INTRODUCCIÓN
Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, siguiendo al sol
Capítulo I: En esta parte se analiza la razón del porque realizar la investigación un
análisis de todas las energías renovables (enfocado siempre en la energía solar fotovoltaico) en diferentes países del mundo; en particular en Ecuador y específicamente en la ciudad de Ambato.
Capítulo II: Se encuentra el marco teórico conformado por los antecedentes o investigaciones previas que se encuentran desarrolladas o similares al tema planteado: “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE UN PANEL FOTOVOLTAICO FIJO Y MÓVIL DE 50W POLICRISTALINO Y SU INCIDENCIA EN LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE AMBATO” además de la fundamentación legal que rigen para el desarrollo de la investigación, todo lo concerniente al marco teórico es utilizado a lo largo de la investigación; y plantear como hipótesis si se mejorará la captación de energía solar si se cambia la orientación del panel fotovoltaico de 50W policristalino de tal manera que la superficie irradiada del módulo y los rayos del sol formen aproximadamente un ángulo de 90° durante el día en la ciudad de Ambato para su posterior verificación.
Capítulo III: Indica la metodología que indica las técnicas e instrumentos a usar para
realizar la investigación, se encuentra un plan sobre la recolección de información sobre su procesamiento y análisis efectuado.
XIV
Capítulo IV: Análisis e interpretación de resultados es el estudio comparativo de los
módulos fotovoltaicos fijo y móvil; donde se sustenta con gráficos y tablas para observar la diferencia entre uno y otro; con el propósito primordial de verificar la hipótesis planteada en el capítulo II.
Capítulo V: Conclusiones y recomendaciones de la comparación de los sistemas
fotovoltaicos con paneles fijos y otro móvil, en base para el planteamiento de la propuesta.
Capítulo VI: Se encuentra el diseño y la selección de componentes que es necesario
para la construcción de un sistema fotovoltaico con paneles solares de 50W policristalinos capaz de seguir la trayectoria del sol a lo largo del día por todo el año.
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CAPÍTULO I
1 El Problema
1.1 Tema
“ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE UN PANEL FOTOVOLTAICO FIJO Y MÓVIL DE 50W POLICRISTALINO Y SU INCIDENCIA EN LA CAPTACIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN LA CIUDAD DE AMBATO”
1.2 Planteamiento del problema
1.2.1 Contextualización
En el siglo XXI los cambios tecnológicos continúan transformando la sociedad, así como el desarrollo de la vida cotidiana y la forma en que pensamos respecto a las energías renovables, una muestra son las tendencias del uso de fuentes tradicionales de energía que contaminan; como son las obtenidas a partir del petróleo, gas natural, carbón, energía nuclear (no contamina durante su generación), entre otras, dando paso a las nuevas energías sustentables, es necesario usar los recursos naturales disponibles en cada región de nuestro planeta, entre ellas se puede citar las más importantes, como son: la solar, eólica, e hídrica; sin dejar de lado la energía que se puede obtener de las olas del mar, o geotérmica, que tienen un bajo impacto
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ambiental por lo tanto ayudan en la conservación de nuestro planeta. El objetivo principal de este cambio es la reducción de la contaminación del medio ambiente. Por otro lado, el problema de estas formas de obtención de energía limpia es que el rendimiento todavía no es la adecuada ni la óptima, entonces se puede mejorar la eficiencia de los componentes que forman los sistemas, desde el punto de vista de Ingeniería Mecánica. (Mander & Heinberg , 2009).
Cada vez más en el mundo los avances tecnológicos se enfocan en el aprovechamiento de las energías renovables; simultáneamente se van mejorando día a día la eficiencia de los sistemas captadores de energía, un claro ejemplo de esto se encuentra en España, un país que ha crecido enormemente en la conversión de energía solar y eólica en energía eléctrica para la utilización masiva en los hogares y empresas, por este rumbo están encaminados la mayoría de países industrializados; sin quedar atrás los países en vías de desarrollo que siguen implementando nuevas formas de obtener energías limpias aunque su costo sigue siendo elevado en comparación con las fuentes de energía tradicionales, lo ideal es obtener energía eléctrica sin impacto ambiental con un rendimiento alto a un costo mínimo por Watt-hora generado. (Sociedad Internacional de Energía Solar, 2010).
En Sudamérica encontramos el Parque Solar Cañada Honda en Argentina. que tiene un total de 98.000 paneles solares con una potencia instalada de 22,232 MWp y una potencia nominal de 20MW; ha sido diseñado utilizando paneles de tipo policristalino montados sobre estructuras fijas. El parque solar puede generar al año más de 40.000 MWh de energía limpia, que equivale al consumo de aproximadamente 14.000 hogares. La energía generada producirá un ahorro de
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12.000.000 m3 de gas al año, equivalente al consumo de 8.000 hogares y evitará la emisión a la atmósfera de 32.900 toneladas de CO2. Con un alto rendimiento de sus equipos usados. (Energía Sustentable, 2015).
Otro país importante en el desarrollo e instalación de paneles solares en el sur de América es Chile que ha invertido enormemente en la instalación de parques solares, por la buena ubicación en la que se encuentra, expertos aseguran que el desierto de Atacama recibe los mayores niveles de radiación solar del mundo. (ENERGÉTICA XXI, 2015).
En Ecuador por su parte desde el año 2011 se han planteado metas, estrategias y objetivos con el propósito de alcanzar cambios en la matriz energética del país a través del Concejo Nacional de Electrificación (CONELEC), en la cual costa un incremento en la utilización de energías sustentables, entre ellas consta la solar; sin dejar de lado al Plan Nacional para el Buen Vivir (PNBV) que algunos de sus objetivos son: a) Garantizar los derechos de la naturaleza, b) promover un ambiente sustentable y sano para los habitantes, mediante la creación de leyes que diversifiquen la matriz energética nacional, incentivando el uso de energías renovables y sostenibles con una eficiencia óptima. (Secretaria Nacional de Planificación y Desarrollo, 2013)
El CONELEC aprobó la instalación y operación de 17 proyectos de generación eléctrica con paneles solares en algunas provincias de Ecuador como son: Imbabura, Pichincha, Manabí, Santa Elena, entre otras, por un total de 272 megavatios (MWh) de potencia instalada. Lo que significa que se puede obtener el
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6% de la capacidad instalada en el país únicamente con la utilización de la energía proveniente del sol. (Ingeniería Verde, 2014).
En el año 2012 en el centro de la ciudad de Ambato en la terraza del nuevo edificio de La Cooperativa Chibuleo se instaló un sistema fotovoltaico que es capaz de generar 7kWp de potencia instalada con la ayuda de 48 paneles Exmork de 155Wp Policristalino y un inversor SMA6000A, además cuando este sistema fotovoltaico (SFV) está conectado y sincronizado con la red eléctrica, por lo cual dicho sistema no consta de baterías para el almacenamiento de energía; estos datos fueron sacados de la página oficial de la empresa PROVIENTO S.A., que hizo la instalación del sistema (Proviento S.A., 2015), Ecuador como país cree en un cambio paulatino pero firme respecto a las nuevas tecnologías sustentables, para lo que se debe tener sistemas altamente eficientes en la captación y conversión de energía solar en eléctrica.
A nivel local y nacional el estudio para mejorar la eficiencia en la captación de energías sustentables es escasa. Específicamente no existen proyectos a largo plazo para la implantación de sistemas fotovoltaicos con paneles capaces de seguir la trayectoria solar, tecnología con la cual se podría incrementar el rendimiento en la captación de energía proveniente del sol.
1.2.2 Análisis crítico
En Ecuador no existen industrias especializadas en el diseño y construcción de equipos aptos para el aprovechamiento de energías renovables, como son los paneles solares o generadores eólicos; únicamente se pueden encontrar empresas
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dedicadas a la importación de equipos que ayudan en la captación y aprovechamiento de las energías no convencionales, lo cual repercute en un aumento significativo del precio final del watt-hora generado por equipos de generación de energía renovable, deteniendo el avance de este tipo de tecnologías en el país.
Los sistemas fotovoltaicos instalados a lo largo del mundo en la actualidad con paneles solares fijos no suministran su máxima capacidad de absorción de radiación porque los rayos solares forman un ángulo de 90° con la superficie del módulo, por un corto periodo de tiempo, reduciendo la capacidad de captación de energía proveniente del sol. (Restrepo Segura, 2013), entonces en base al autor colombiano se puede generalizar que los rendimientos de sistemas fotovoltaicos no dan el máximo potencial posible que pueden ofrecer los módulos policristalinos.
Ecuador depende principalmente de la energía hidroeléctrica, esto se puede convertir en una desventaja ya que es vulnerable en épocas de estiaje; en estos casos las fuentes de energías no convencionales deberían cubrir una parte de las energías tradicionales para minimizar estas pérdidas. (Corporación CENACE, 2014). Por otro lado, en la actualidad existen lugares alejados donde aún no llegan las redes de energía eléctrica, donde estas energías aprovechadas del sol pueden ser las mejores para la utilización.
La energía solar fotovoltaica en Ecuador son una alternativa altamente potencial, por posicionarse sobre la línea ecuatorial, con esta ubicación tenemos la ventaja que recibimos casi todo el año los rayos del astro rey en forma perpendicular, lo cual
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contribuye a tener un alto rendimiento en la captación de la energía proveniente del sol siempre y cuando se disponga de los equipos adecuados calibrados para suministrar su máximo potencial. (Renovaenergias S.A., 2015).
1.2.3 Prognosis
En el caso que este proyecto de investigación no se ejecute el rendimiento de captación de energía en los paneles fotovoltaicos no sería la óptima o la más adecuada, porque no se dispondría de una fundamentación si se mejora la captación de la radiación solar con un seguidor solar; como consecuencia de esto no existiría un avance en las tecnologías de aprovechando de energía proveniente del sol en la ciudad de Ambato y el país en general. Además, si el proyecto es viable respecto a los costos de implantación y componentes.
1.2.4 Formulación del problema
¿Existirá diferencia significativa en la corriente generada un panel fotovoltaico policristalino de 50W fijo en comparación con un móvil de las mismas características?
1.2.5 Preguntas directrices
¿Cuál será la intensidad de corriente suministrada por un panel fotovoltaico policristalino de 50W al variar el ángulo de azimut y elevación de captación de irradiación solar?
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¿Cuál será la diferencia de captación de intensidad de corriente entre un panel fotovoltaico policristalino de 50W fijo y otro móvil?
¿La temperatura de superficie entres los paneles solares fijo y móvil serán las mismas?
¿Qué alternativa sería la mejor para realizar el seguimiento solar?
¿Cuál será el costo para la implementación de un proyecto para generación de electricidad a partir de paneles fotovoltaicos con seguidor solar de dos ejes de movimiento?
1.2.6 Delimitación del problema
La finalidad principal de este proyecto de investigación es conocer intensidades de corriente generadas en un panel solar fotovoltaico policristalino de 50Wp en distintas horas del día a intervalos de treinta minutos para analizar si existen diferencias significativas entre sistemas fotovoltaicos con módulo estático y otro móvil, siguiendo la trayectoria del sol.
1.2.6.1 Delimitación de contenido
Para la investigación planteada se ha delimitado el contenido de la siguiente forma:
a. Campo
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b. Área
Energías Renovables
c. Aspectos
Recursos energéticos no convencionales Sistemas de medición y control industrial Electrotecnia
Máquinas eléctricas
Diseño de elementos de máquinas I y II
1.2.6.2 Delimitación Espacial
El presente estudio se llevará a cabo en los exteriores del laboratorio de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato, en la ciudad de Ambato de la provincia de Tungurahua, Ecuador.
1.2.6.3 Delimitación Temporal
El presente trabajo de investigación está planificado para realizarse entre los meses de febrero de 2015 a diciembre de 2015.
1.3 Justificación
Con el desarrollo del presente trabajo de investigación se podrá analizar si es posible mejorar la captación de radiación solar directa que existe actualmente en
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los paneles fotovoltaicos fijos. Además, con este proyecto se podrá obtener datos comparativos entre un sistema captador de energía solar con paneles fijos y otro con seguidor solar en distintas horas del día de la mañana y tarde.
La captación de energía mediante paneles solares aún resulta costosa, esto se debe a que las tecnologías más eficientes son más costosas, por varias circunstancias como es el costo de fabricación de varios componentes necesarios para un sistema colector de energía solar aún no se los realiza en forma masiva dentro el territorio nacional.
Los problemas se los está mejorando de varias formas una de ellas es que los gobiernos de turno han propuesto políticas que designan recursos económicos para las universidades donde se profundiza el estudio de estas alternativas tecnológicas para el aprovechamiento de energías verdes; con esta información obtenida a futuro se podría implantarse fábricas dedicadas a la construcción de equipos captadores y generadores de energía solar, otra manera es aumentando la eficiencia de los componentes existentes que transforman la energía contenida en los rayos solares en energía eléctrica, una solución más es incrementar la superficie que recibe la radiación solar; o que la superficie del panel fotovoltaico reciba la mayor parte del tiempo la radiación solar en la cual este proyecto de investigación se concentra.
El presente trabajo investigativo puede incentivar a la sociedad para el uso de estas tecnologías sustentables, pudiendo en un futuro a mediano o largo plazo reducir el consumo masivo de recursos no renovables como el petróleo, carbono y gas natural que generan una gran contaminación ambiental global significativa.
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Al contar en el laboratorio de control y automatización con varios instrumentos de medición y toma de datos es viable este proyecto de investigación es viable.
1.4 Objetivos
1.4.1 General
Determinar la diferencia de rendimiento en sistemas fotovoltaicos con paneles solares fotovoltaicos policristalino de 50W móvil y fijo con las mismas características; comparando las intensidades dadas por los mismos en la mañana y tarde.
1.4.2 Específicos
Obtener una base de datos de la intensidad de corriente suministrada por paneles fotovoltaicos fijo y móvil policristalinos de 50W, de 09H00 a 11H00 y de 14H00 a 16H00 en intervalos de 30 minutos.
Comparar la intensidad de corriente generada de un panel fotovoltaico policristalino de 50W fijo con un móvil con iguales características.
Indicar en función de porcentaje la diferencia de intensidad de corriente promedio diaria entre un panel fotovoltaico fijo y móvil.
Tomar mediciones de temperaturas de superficie entre los dos paneles solares fijo y móvil.
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Establecer si con la utilización de paneles fotovoltaicos móviles de 50W se puede obtener más intensidad de corriente en promedio por día, que un panel fijo de las mismas características.
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CAPÍTULO II
2 Marco Teórico
2.1 Antecedentes investigativos
Para la realización del presente trabajo se realizó investigación que brinde conocimiento de la existencia de proyectos similares. Es así que se ha acudido a fuentes de información tales como la biblioteca de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato, tanto físicas como virtuales donde se encontró varios trabajos y libros de investigación relacionados con la eficiencia en paneles solares, o montajes de los mismos, también sobre la radiación solar a continuación se cita a cada uno de ellos:
En la tesis de (Guamán, G., 2014). Bajo el tema: “Estudio de la disposición de celdas solares en paneles fotovoltaicos de 10W para analizar su eficiencia de conversión de energía”. Se encuentra datos importantes para la eficiencia de los paneles fotovoltaicos respecto a la orientación de la superficie del panel en relación al sol; finalmente en dicho tema de investigación llega la conclusión que la ubicación de los paneles solares en forma de ZigZAg tiene una eficiencia del 11.08% mayor en la tarde y un 9.95% en la mañana, comparado con los ubicados en forma plana.
Una tesis de los autores (Pabón Herrera, & Tonato Paucar., 2012). Bajo el título: “Diseño e implementación de un sistema electrónico para trazar el perfil de radiación solar en la terraza del edificio “C” de la ESPE extensión Latacunga,
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mediante paneles solares, fijo y móvil”. Se puede apreciar datos comparativos de radíacion solar para un mes específico el de septiempre en la ciudad de Latacunga. Lo cual se dispone de una base para la comparación posterior; en este tema de investigación trazan el perfil de radiación solar con un error del 7.5% a partir de la intesidad suministrada por los paneles.
2.2 Fundamentación filosófica
La presente investigación se fundamentará en el paradigma crítico propositivo, ya que las características del mismo permitirán ser flexibles en cuanto a consideraciones de diseño y métodos de elaboración y toma de datos de la presente investigación.
Este proyecto de investigación permitirá sostener una correcta compresión, interpretación, y explicación de las variables dependiente e independiente, para tener en cuenta las mediciones que en el desarrollo de la presente investigación se podrán encontrar y producir durante el transcurso del tiempo que se tome en el tema que se está investigando.
2.3 Fundamentación legal
En el Artículo 385 de la sección octava de Ciencia, innovación y saberes ancestrales del capítulo primero de Inclusión y Equidad del Título VII: Régimen del buen vivir de la Constitución de Ecuador del 2008 menciona en el literal 3 textualmente: “Desarrollar tecnologías e innovaciones que impulsen la producción nacional,
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eleven la eficiencia y productividad, mejoren la calidad de vida y contribuyan a la realización del buen vivir.”
En la Norma Ecuatoriana de Construcción-11 en el capitulo 14: Energias Renovables, mensiona requerimientos mínimos para sistemas fotovoltaicos (SFV), de hasta 10kW. También se cuenta con consideraciones técnicas y proporciona valores promedios mensuales de recursos solar en el Ecuador.
Otra normativa es el código de práctica ecuatoriana; el Código Eléctrico Nacional (CEN) capítulo 2, donde disponemos de datos necesarios al momento del diseño, específicamente en la selección de cables para la instalación del sistema fotovoltaico.
Finalmente, otra norma a ser utilizada es la del Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN), CPE INEN 03 Código de Dibujo Técnico-Mecánico para la elaboración de planos.
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2.4 Categorías fundamentales
Figura 2-1: Categorización de variables Fuente: Autor
2.5 Fundamentación teórica
2.5.1 Sistema fotovoltaico
Es un conjunto de varios equipos que captan la energía proveniente del sol, para convertirla mediante paneles solares en energía eléctrica que es almacenada en baterías, estos subsistemas están controlados por un regulador de carga que tiene la
Variable Independiente Variable Dependiente
Coordenadas Solares Orientación e inclinación de Paneles Panel solar Irradiación Solar global Energía solar fotovoltaica Energías no convencionales
Diferencia entre paneles fotovoltaicos: fijo y móvil de 50W policristalino
Captación de energía solar en el cantón Ambato
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función de evitar sobrecargas para aumentar el tiempo de vida de las baterías y proteger las diferentes partes del sistema fotovoltaico, además puede constar de un inversor que convierte la corriente directa de 6V, 12V, 24V, 48V en corriente alterna de 110V o 220V.
Finalmente encontramos la carga donde es aprovechada la energía como son lámparas, televisores, radios, cargadores de celulares o laptops, entre otros aparatos que necesitan un corriente relativamente baja para su funcionamiento, los elementos que forma parte de un típico sistema fotovoltaico son: paneles solares, reguladores de carga, acumuladores, la carga. (Style, 2012). En la Figura 2-2 se observa un sistema fotovoltaico que consta de los elementes anteriormente citados.
Figura 2-2: Sistema fotovoltaico Fuente: (Proyectolatin, 2015)
2.5.2 Paneles solares
Son el elemento primario de los sistemas fotovoltaicos, su función principal es la generación de corriente continua; lo cual se logran transformando la energía que
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tiene la luz del sol (fotones) en energía eléctrica. (Roldán, 2008). En la Figura 2-3 se ve una célula fotovoltaica de silicio.
Figura 2-3: Célula solar Fuente: (IDEA, 2005)
Los paneles solares que reciben la radiación solar (directa y difusa). A su vez se conforman de pequeños paneles elementales con un área generalizada de 100 cm2 donde están células de silicio encerradas por cápsulas transparentes que cumplen la función de protegerlos debido a que son frágiles. Los pequeños paneles están conectados en paralelo, serie y principalmente la unión de las dos formas, para llegar a tenciones nominales que se han estandarizado en 6V, 12V, 24V y 48V. La vida útil según varios fabricantes es de 30 años. (Perpeñán Lamigueiro, 2008). Los paneles fotovoltaicos se conectan en paralelo para alcázar valores de tensión requeridos, en cambio para obtener corriente adecuado se los conecta en serie. (Sánchez, 2011)
La energía que proporcionan los paneles solares o módulos fotovoltaicos es corriente continua (CC) que se puede aprovechar de forma directa, para un posterior
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almacenamiento en acumuladores o baterías, esta CC también se la puede transformar en corriente alterna (CA) por medio de dispositivos adecuados.
2.5.2.1 Estructura de los paneles fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos generalmente están constituidos en capas que forma un “sándwich” para de esta forma proteger a las células fotovoltaicas. Los elementos que lo conforman se los observa en la Figura 2-4 y son los siguientes:
Célula fotovoltaica o celdas solares Cubierta frontal de vidrio
Marco de aluminio Borneras de conexión Diodo de protección
Conexiones eléctricas cubierta posterior Marco de aluminio
Figura 2-4: Estructura de los paneles fotovoltaicos Fuente: (Jaén, 2015)
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2.5.2.2 Células fotovoltaicas
Son parte de los paneles solares estas células fotovoltaicas específicamente son las encargadas de convertir la energía proveniente del sol en energía eléctrica, existen algunos tipos de células a continuación de enumera las principales:
Silicio monocristalino. - El uso de esta célula se inició en 1954, su principal
característica es que tienen un color azul o negro homogéneo, su rendimiento comercial está situado entre un 15% y 18% respecto a la energía irradiada en su superficie. (Hermosillo Villalobos, 1995)
Figura 2-5: Células de silicio monocristalino Fuente: (Sol Na Amazônia, 2015)
Silicio policristalino. - este tipo se lo puede identificar porque tiene diferentes
tonalidades de azul, este tipo de células tienen menos pureza en su composición por lo tanto su eficiencia comercial está entre el 12% y 14%. Pero son las más usadas en relación coste vs beneficio. (Sol Na Amazônia, 2015)
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Figura 2-6: Células de silicio policristalino Fuente: (Sol Na Amazônia, 2015)
Silicio Amorfo. - Con estas células es posible tener paneles solares
flexibles, se los puede encontrar en calculadoras solares, relojes y otros pequeños dispositivos donde no es tan importante la eficiencia porque su rendimiento comercial no alcanza el 10%. (EcoDataHousing 1.0, 2015)
Figura 2-7: Células de silicio amorfo Fuente: (EcoDataHousing 1.0, 2015)
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2.5.2.3 Fenómeno fotovoltaico
Bajo condiciones de circuito abierto el efecto fotovoltaico genera una diferencia de potencial entre la parte superior y la inferior de la estructura, en cambio en condiciones de cortocircuito, el proceso genera una corriente eléctrica que va de la parte positiva a la negativa. (Dirección normal para la corriente eléctrica). (Sánchez, 2011).
2.5.3 Curva característica: voltaje vs intensidad de corriente
La curva característica de un panel fotovoltaico, también llamada curva de intensidad-voltaje (abreviadamente curva I-V), representa los valores de tensión y corriente, medidos experimentalmente, de un típico panel fotovoltaico sometido a unas determinadas condiciones constantes de insolación y temperatura, (ENERGÉTIKA, 2015).
Variando la resistencia externa desde cero a infinito, se pueden medir diversos valores de pares (i-V), que interpolándolos forman la curva característica como se muestra en la Figura 2-8. El punto A es un punto cualquiera que representa el funcionamiento del panel en unas condiciones (determinadas por la resistencia ó "carga" exterior) de Intensidad y Tensión. El panel desarrolla cierta potencia iV, que geométricamente coincide con el área del rectángulo cuyo vértice superior derecho es el punto A. el punto B es el punto de máxima potencia, (ENERGÉTIKA, 2015).
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Figura 2-8: Curva V-I de un panel fotovoltaico Fuente: (ENERGÉTIKA, 2015)
2.5.4 Curva característica: temperatura vs intensidad de corriente
La temperatura en los para paneles fotovoltaicos de células de silicio afecta en el rendimiento del módulo por ejemplo el voltaje disminuye a razón de 2.3*10-3 V por Cº y célula, además la corriente aumenta a razón de 15 *10-6 por Cº y célula. En la práctica la potencia del panel disminuye aproximadamente un 0,5 % por Cº por encima de 25ºC. lo que causa que el rendimiento del panel baja a un 90 %, como se muestra. (ENERGÉTIKA, 2015).
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Figura 2-9: Curva corriente - caída de potencia de un panel fotovoltaico Fuente: (ENERGÉTIKA, 2015)
2.5.5 Orientación de los paneles solares
La orientación de los paneles solares es necesaria para que el impacto de los rayos provenientes del sol, sobre la superficie del panel sea perpendicular el mayor tiempo posible durante el día y en todas las épocas del año, esto es indispensable para el máximo aprovechamiento de la energía proveniente del sol. (Moro, 2010).
En sistemas fotovoltaicos con paneles solares fijos la superficie del módulo fotovoltaico, debe colocarse de la siguiente forma: si nos encontramos situado en el hemisferio sur como es el caso de la ciudad de Ambato, lo recomendable es ubicar el panel hacia el norte, (Analuisa, 2011), esto implica que anualmente el número de horas de exposición directa a la radiación solar es mayor que si se posicionara en
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forma inversa, para mejor esto es necesario tener de seguidores solares, los cuales se habla y detalla en las siguientes líneas.
2.5.6 Inclinación de los paneles fotovoltaicos
Frente a la opción de emplear un sistema de seguimiento, una solución estática puede resultar suficiente para determinadas aplicaciones. Naturalmente, en este caso la energía colectada no es la máxima posible, pero puede resultar aceptable si se da al colector una determinada orientación, la cual se puede variar con ajustes estacionales para conseguir algunas mejoras.
Figura 2-10: Inclinación de los paneles solares Fuente: (Quintanilla Rodenas, 2015)
La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la radiación. (Quintanilla Rodenas, 2015)
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La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo del año, por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía sobre una base anual. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo mayor, aproximadamente 15º, en beneficio de una mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una peor captación en verano, cuando hay una mayor cantidad de luz. (Quintanilla Rodenas, 2015).
2.5.6.1 Seguidores solares
Generalmente son parte de los paneles solares tienen la función de orientar a la superficie que recibe la energía solar de tal manera que permanezca en forma casi perpendicular a los rayos de irradiación directa, en todo el día, en todos los meses del año; según (Guardado Gutiérrez & Rivera Chávez, 2012) se clasifican de la siguiente manera:
Clasificación por el dispositivo que realiza el movimiento:
a) Seguidor Activo. - Utilizan motores eléctricos, tornillos sin fin, brazos
neumáticos, para el giro.
b) Seguidor Pasivo. - Usan gas que tienen un muy bajo punto de ebullición
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Clasificación por el tipo de sistema fotovoltaico:
a) Sistemas fotovoltaicos concentradores. - Concentran la energía en un
punto o colector especifico, requieren de una gran precisión para obtener el mayor rendimiento posible.
b) Sistemas fotovoltaicos no concentradores. - Son los más comunes en
nuestro medio, puesto que no requieren de una precisión la colocación de los módulos respecto al sol, en este grupo están los sistemas con paneles fotovoltaicos de silicio.
Clasificación por los grados de libertad:
a) De un grado de libertad. - Tienen movimiento en un solo eje de rotación
que puede ser: horizontal, vertical o inclinado.
b) De dos grados de libertad. - Tienen movimiento en dos ejes de rotación
que normalmente forman un ángulo de 90° entre ellos.
2.5.6.2 Modelos matemáticos
Los modelos matemáticos de posición y trayectoria ubican al sol en un punto exacto en la bóveda celeste proporcionando la altura y azimut porque las ecuaciones dependen de la hora solar, de las coordenadas geográficas (latitud y longitud), también del día del año y las mas significante que es la hora exacta.
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2.5.7 Coordenadas solares
Para obtener la posición del sol es necesario calcular las coordenadas angulares que se toma como referencia el plano del horizonte, que el plano tangente a la superficie de la tierra, en un punto concreto. Esta forma proporciona dos ángulos (azimut y altitud) para la ubicación del sol; (azimut y altitud). (Jutglar, 2004)
2.5.7.1 Azimut (σ)
Este ángulo está comprendido entre la dirección norte y la dirección de la proyección del sol sobre el plano horizontal. Los orígenes de los ángulos se sitúan en la dirección norte, llegando a ser negativos los medidos hacia el este y positivos hacia el oeste. (Jutglar, 2004).
2.5.7.2 Altitud o elevación (𝜷)
Es el ángulo comprendido entre la posición del sol y su proyección sobre el plano horizontal. El origen está en el horizonte y son positivos los medidos en forma ascendente. En la Figura 2-11 se muestra gráficamente los ángulos de azimut y elevación respecto a un origen, P.
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Figura 2-11: Trayectoria aparente del sol respecto a un punto P de la superficie
terrestre.
Fuente: (Jutglar, 2004)
2.5.8 Energías no convencionales
Las energías no convencionales son también conocidas como energías alternativas energías verdes, las cuales son una opción más para la generación de energía limpia; tienen un bajo impacto ambiental a largo plazo; y están orientadas a plantearse como una alternativa a las energías convencionales o tradicionales, las cuales tienen un gran impacto ambiental en la actualidad.
Se las cataloga como las fuentes de energías que no aplican la quema de combustibles fósiles de ningún tipo. Según (Roldán, 2008).
Se puede tener varios tipos de energías a continuación el Tabla 2-1. Se detalla cada una de ellas con su respectiva procedencia.
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Tabla 2-1: Fuentes de energías renovables
Tipo de energía Procedencia
Energía eólica Viento
Energía geotérmica Calor interior de la tierra
Energía hidráulica Agua
Energía mareomotriz Agua
Energía solar térmica Sol
Energía fotovoltaica Sol
Energía proveniente de la biomasa Materias agrícolas diversas Energía de gradiente térmico oceánico Mar
Otras energías Origen diverso
Fuente: (Roldán, 2008)
2.5.9 Energía solar
Este tipo de energía en la actualidad es uno de los más estudiados y conocidos, por tratarse de uno de los recursos renovables de energía conocidos; usando los paneles solares fotovoltaicos para captar está energía.
2.5.9.1 El sol
El sol es fundamental para el funcionamiento del sistema fotovoltaico como fuente de energía que necesitamos, por otro lado, también es la estrella más cercana planeta tierra, la cual nos brinda principalmente el calor y luz, según (Phillips, 2001). Está situado a un promedio de 149.5 millones de kilómetros de la tierra según (Roldán, 2008). Su calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas
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indispensables para el efecto fotovoltaico que ocurre en los paneles solares. En la Tabla 2-2 se puede obtener las principales características del sol.
Tabla 2-2: Características principales del sol.
Características Valores
Edad 4,600 millones de años
Periodo de rotación alrededor del
núcleo de la galaxia 225,000,000 años
Diámetro 1.412×1027 (1’300,000 el volumen de la tierra.
Masa 1.99×1030 Kg (332,946 veces la masa de la tierra
Densidad 150 veces la del agua
Temperaturas
En el centro: 16×106 K
En la corona: ×106 K
En la superficie: 500,000 K
Giro del sol El sol gira 1 vez cada 27 días cerca del ecuador, pero una vez cada 31 días cerca de los polos
Distancia desde la tierra
Mínima: 147 ×106 Km
Medía: 150 ×106 Km
Máxima: 152×106 Km
Energía 3.83×1026 J/s
Energía recibida sobre la atmosfera
exterior de la tierra 1367 W/m2
Velocidad de la luz 300,000 Km/s
Fuente: (Roldán, 2008)
2.5.10 Radiación solar
Es la energía que recibe la tierra proveniente y generada en el sol, mediante reacción nuclear en el núcleo de estrella. Esta principalmente se distribuye espectralmente en radiación: ultravioleta, luz visible e infrarroja. (Roldán, 2008). La irradiación es la cantidad de energía por superficie y por unidad de tiempo siendo KW/m2/día la
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unidad más utilizada. Existen diferentes tipos de radiación solar las cuales llegan a la superficie de la tierra, a continuación, las detallo:
Radiación directa. - Es la energía que llega a la tierra, sin sufrir
perturbación alguna. (Tejada C., 2012).
Radiación difusa anisotrópica. - Es la energía que atraviesa por las nubes,
llegando a la superficie terrestre con distintas direcciones. (Torres, 2015).
Albedo. - Esta energía es reflejada por la superficie de la tierra, en dirección
de las nubes, y de vueltas hacia abajo, también esta puede ser reflejada por el entorno como son árboles o edificios circundantes. (Torres, 2015).
Global. - Son la suma de la radiación directa con la difusa.
Total. - Es la suma de todas las irradiaciones.
Figura 2-12: Tipos de radiación
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2.5.11 Componentes de una instalación solar generadora de electricidad
En un sistema fotovoltaico existen una gran variedad de dispositivos necesarios para la captación, conversión, almacenamiento y distribución de la energía eléctrica. Pero en resumen se los puede agrupar en el sistema captador, sistema regulador de energía, sistema de acumulación, y controladores de carga. (Roldán, 2008). En las siguientes hojas del presente texto se hablará de los componentes más importantes de cada sistema que conforma una típica instalación fotovoltaica.
2.5.11.1 Regulador de carga
La función del regulador es controlar la carga y descarga de las baterías, éste está ubicado entre el sistema generador y el de acumulación. En los dispositivos se debe introducir los parámetros dados por los fabricantes de baterías como la tensión de carga fina, tensión de carga cíclica, tensión de ecualización, tensión de desconexión, tensión de rearme; en otros tipos de reguladores incorporan sensores de tensión o temperatura que se auto-programan la mayoría de parámetros necesarios para mantener el tiempo de vida útil de los aduladores, que están en la ficha técnica dado por los fabricantes. (Roldán, 2008).
Figura 2-13: Regulador de carga
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2.5.11.2 Sistema de acumulación de electricidad
El componente representativo de este sistema son las baterías, las cuales acumulan energía en las horas del día donde normalmente la energía sobrepasa para el consumo, y la entrega en las horas que el sol no da energía alguna (las noches). Para un sistema solar se debe instalar baterías que se descarguen de una forma constante y regular. Ya dependerá de la aplicación a usar para seleccionar el tiempo de duración en el descargue de la batería. (Domínguez Gómez, 2008).
Figura 2-14: Acumulador de electricidad
Fuente: Autor
2.5.11.3 Inversores
Este componente convierte la corriente continua de 12V, 24V, o 48V proveniente de los paneles solares o de los acumuladores en corriente alterna de 110V o 220V, a frecuencias de 50 o 60 Hz, dependiendo del continente donde esté en funcionamiento, fundamental para la utilización en aparatos eléctricos en un hogar unifamiliar. (Heras León, 2014)
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Una de las características más importantes a tener en cuenta en un inversor para la captación y conversión de energía solar es la potencia eléctrica suministrada por él, además existen otras especificaciones y características técnicas que se las enumera en la siguiente lista:
Forma de onda. - Puede ser senoidal o semisenoidal
Tensión nominal de entrada. - Tensión que en la entrada del inversor
Tensión de salida. - Valor nominal de tensión alterna de salida.
Frecuencia. - Valor de la corriente alterna.
Rendimiento. - Porcentaje del rendimiento del inversor, es el cociente entre
las potencias de entrada y salida.
Consumo en reposo. - Consumo por el mismo inversor con las salidas
abiertas.
Figura 2-15: Inversor
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2.5.11.4 Eficiencia en la captación de radiación solar por el panel fotovoltaico
Es la relación de energía entregada por el panel fotovoltaico y por la energía irradiada total sobre la superficie, esta puede ser afectada porque las células policristalínicas no convierten en su totalidad en energía eléctrica a los fotones de luz provenientes del sol, además de otros factores como suciedad acumulada en las capsulas protectoras de los paneles, o la mala orientación, entre otras. (Martín Martín, 2004).
Para este cálculo se toma en cuenta el área del módulo como espacios entre cada pequeño panel, también el espacio que existen entre las células fotovoltaicas, así como la superficie del marco. Se puede sacar la eficiencia también tomando en cuenta solo el área de las células fotovoltaicas, por ejemplo, con esta área sacan la eficiencia de los paneles en los laboratorios que evidentemente son mejores que en la práctica.
La eficiencia se puede calcular con la ecuación 2-1.:
𝜂𝐴.𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑚á𝑥
𝐴𝑇×𝐸𝑇 Ec. 2-1
Donde,
𝜂𝐴.𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Eficiencia respecto al área total del panel, (%). 𝑃𝑚á𝑥 Potencia máxima que puede dar el panel (W). 𝐴𝑇 Área total del panel, (m2).
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2.6 Hipótesis
Se mejorará la captación de energía solar si se cambia la orientación e inclinación del panel fotovoltaico de 50W policristalino de tal manera que la superficie irradiada del módulo y los rayos del sol formen aproximadamente un ángulo de 90° durante el día en la ciudad de Ambato.
2.7 Señalamiento de variables
2.7.1 Variable independiente
Orientación variable del panel fotovoltaico de 50W policristalino.
2.7.2 Variable dependiente
Captación de energía solar.
2.7.3 Enlace de conexión
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CAPÍTULO III
3 Metodología
3.1 Enfoque Investigativo
En el presente trabajo de investigación se realizará un muestreo dirigido a la obtención de intensidades de corriente proporcionadas por los paneles solares, (panel fijo y panel móvil); todo ello estará respaldados en los resultados obtenidos de las investigaciones realizadas en los exteriores de los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, las cuales se obtendrán principalmente de fuentes primarias y secundarias, realizando posteriormente un análisis de la información recopilada.
3.1.1 Enfoque cuantitativo
Se destaca lo cuantitativo, ya que la actual investigación debe manejar datos numéricos, los mismos que deberán a estar en un rango admisible de error, para tener una investigación significativa.
3.2 Modalidad básica de la investigación.
3.2.1 Bibliográfica
La investigación bibliográfica proporciona información que ayuda en las diferentes etapas del presente proyecto, se usa información de libros físicos y electrónicos,
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páginas WEB, revistas especializadas, artículos científicos. Esta modalidad de investigación se usó principalmente para el marco teórico del presente proyecto.
3.2.2 Exploratoria
La investigación es también la actividad de exploración, de observación para el estudio de la captación de energía por panel fotovoltaico policristalino de 50W fijo y móvil. Este trabajo se realizará en base a datos obtenidos mediante observación y toma de datos, que provean los siguientes instrumentos de medición: nivel digital, termómetro digital, piranómetro, voltímetro digital, termómetro infrarrojo, y amperímetro que será efectuado por Leni Sánchez Pérez (autor), de acuerdo a la necesidad y circunstancias que se presentó dentro del presente trabajo de experimentación.
3.3 Tipo de investigación
3.3.1 Descriptiva
Se dará a conocer cada una de las partes que conforman un sistema de obtención de energía del solar.
También se expondrá los diferentes tipos de radiación solar que existen para una compresión del lector.
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3.3.2 Explicativa
Esta investigación en base a las variables tanto dependiente como independiente ya antes mencionadas se desarrollará dando explicaciones en el montaje del sistema colector de radiación solar, así como en la forma de toma de datos, para una mejor explicación serán descritas en base a fotografías.
3.3.3 Orientada a la comprobación
En este trabajo debe comprobarse cada uno de los objetivos planteados, tanto como la hipótesis formulada.
3.4 Población y muestra
3.4.1 Población
La población o universo del presente trabajo de investigación son todas las posiciones (ángulo de elevación y azimut) del panel solar a las cuales se puede colar respecto al sol, con lo cual se tiene una variación de día a día, mes a mes, año a año. Por ende, la población es un año completo (365 días), aclarando que el sol también tiene leves cambios de coordenadas solares respecto año a año, (calculado con fórmulas investigadas por el autor, que se presentan en el capítulo VI, empieza en la página 69), al ser pequeñas estas variaciones, se considera un año como la población.
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3.4.2 Muestra
Se optó por una muestra no aleatoria, la cual permite obtener una muestra de acuerdo a los criterios del investigador dependiendo del tiempo necesario para la recolección de datos; o los gastos que conlleva la investigación; según: (Sáenz López, 2012).
Aplicando la fórmula estadística ecuación 3-1 con un margen de error del 19%, una población de 365 días, se calcula que la muestra es de 25 días. (López, 2004).
m = N
(N−1)∗k2+1 Ec. 3-1
Donde,
𝑚 Tamaño de la muestra. N Población.
𝑘 Margen de error de la muestra.
Entonces la muestra fueron 5 lecturas diarias: por la mañana de 09AM hasta las 11AM y 5 muestras en la tarde de 14PM a 16PM en intervalos de 30 minutos en un lapso de 25 días laborables (un mes calendario) en los exteriores del laboratorio de La Facultad de Ingeniería Mecánica de la carrera de Ingeniería Mecánica; el motivo, para tomar las mediciones desde las nueve hasta las cuatro de la tarde son porque el laboratorio permanece abierto en dicho intervalo de tiempo; además se decidió no tomas muestras al medio día porque los dos paneles estarían en los mismos ángulos de azimut y elevación.
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Se observó y registró parámetros de los dos distintos paneles solares fotovoltaicos policristalinos de 50W fijo y móvil; se recolectó información de lo siguiente: temperatura ambiental, temperatura de superficie de los paneles, intensidad de corriente, irradiación, y condición ambiental.
El panel móvil para cada medición se ubicó la superficie del módulo en forma perpendicular a los rayos solares para lo cual se usó uso del Anexo II donde está en detalle los ángulos necesarios para la ubicación del panel de los 25 días de experimentación. El Panel fijo tuvo una inclinación de 12.5°; ver Figura 3-1; en dirección al norte; y un ángulo de azimut de 150° medido desde el sur magnético durante el tiempo que dure la recolección de datos. (Style, 2012)
Figura 3-1: Recomendación de inclinación de módulos según latitud Fuente: (Style, 2012)
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3.5 Operacionalización de variables
3.5.1 Variable independiente
Tabla 3-1: Orientación variable del panel fotovoltaico de 50W policristalino.
Conceptualización Dimensión Indicadores Ítem Técnica Instrumentos
Es la posición de la superficie irradiada por los rayos solares del panel fotovoltaico que toma respecto al sol, en los paneles fijos la configuración es la misma a lo largo del día y del año, en cambio los paneles con algún tipo de seguidor solar intentan que la normal de la superficie del panel este alineado con la radiación directa todo el tiempo.
Posición Panel fotovoltaico Mañana Azimut: >30° <150° Elevación: >30° <70° Ficha de observación Tarde Azimut: >220° <320° Elevación: >25° <70°
Realizado por: Autor Fuente: (Style, 2012)
3.5.2 Variable dependiente
Tabla 3-2: Captación de energía solar en la ciudad de Ambato.
Conceptualización Categoría Indicadores Índice Herramientas
Es la cantidad de radiación solar convertida en energía eléctrica (intensidad de corriente), de la totalidad recibida en la superficie del panel fotovoltaico policristalino de 50W. Intensidad de corriente Baja Medía Alta <1A >1A ^ <2A >2A Fichas de observación. Herramientas de medición radiación solar Baja Medía Alta 3600-2400 2400-4920 4920-5800 (Wh/m2/día)
Realizado por: Autor Fuente: (CONELEC, 2008)
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3.6 Plan de recolección de información
Por medio de la operacionalización de variables de la presente investigación, la recopilación de información se realizó por medio de las siguientes técnicas:
Observación: Directa, con la utilización de equipos adecuados para cada caso se
tomaron mediciones de intensidad de corriente, velocidad de viento, temperatura ambiental, temperatura de superficie de los módulos, estos datos fueron registrados en las fichas de observación correspondientes para cada sistema que se encuentran en el anexo II; luego de colocar al panel fotovoltaico móvil en una posición concreta para el día y hora de la observación; haciendo uso de los ángulos de azimut y elevación (desde el 9 de febrero del 2015 hasta el 13 de marzo del mismo año) que se adjuntan en el Anexo II; se obtuvo de la página de internet especializada en otorgar herramientas para el diseño solar (SunEarthTools, 2015). Conservando la posición del panel fijo con un solo ángulo de elevación y azimut por todo el tiempo de toma de datos. Esto se realizó en los dos sistemas fotovoltaicos, con la única variación de los ángulos solares.
Se tabularon los resultados a la par se fue comparando con los datos obtenidos de los dos sistemas fotovoltaicos; como se obtendrá una base de datos para un futuro estudio.
Para medir la irradiación solar se emplea un piranómetro facilitado en el laboratorio de Control y Automatización de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, para todas las mediciones el mencionado instrumento estuvo calibrado para obtener la mejor lectura de radiación proveniente del sol.
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Para la temperatura ambiente instantánea se utilizó un termómetro digital, el cual estuvo a una distancia de dos metros sobre el nivel del suelo para cada lectura tomada.
Los ángulos del panel solar móvil se orientaron de la siguiente manera: para el azimut con una escala graduada en los tubos de la estructura de los paneles y un nivel digital para la colocación del ángulo de elevación del módulo, el cual se ubica sobre la superficie del panel, haciendo uso de los ángulos que se adjuntan en el Anexo II.
Para la temperatura de superficie de panel se empleó una pistola de temperatura infrarroja, también conocida como pirómetro, donde se posicionaba a una distancia donde los dos ‘rayos láser se juntaban, tal cual recomienda el fabricante del instrumento de medición.
En la medición de la intensidad de corriente se usó un amperímetro digital; el cual se conectó en seria entre el regulador de carga y la carga, para la observación de la corriente.
Finalmente, la condición ambiental fue un parámetro que se basó en la apreciación del autor, se calificó tomando en cuenta la presencia de nubes como resultado se presentó días: totalmente nublados, parcialmente nublados, parcialmente despejado y totalmente despejado.
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3.7 Plan de procesamiento de la información
De la base de datos obtenida en la observación, adjunta en el Anexo II y toma de resultados se tabuló en gráficos de dispersión XY, para indicar las diferentes intensidades de corriente entregadas por los paneles fotovoltaicos de silicio policristalino de 50W. Se hicieron gráficas comparativas de:
Intensidad de corriente vs hora del día. Temperatura de filo vs Tiempo
