Sistema de ventilación de aire alimentado por energía solar

SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGIA SOLAR

LUIS ANGEL VARGAS MARTINEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA

SISTEMA DE VENTILACIÓN DE AIRE ALIMENTADO POR ENERGIA SOLAR

LUIS ANGEL VARGAS MARTINEZ

Proyecto para aplicar al título de ingeniero mecánico

Tutor

Ing. Camilo Arias Henao

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

RESUMEN

En el estudio que se realiza en este trabajo se plantea un diseño y se hace una instalación de un sistema que funcione usando la radiación emitida por el sol, con el fin de reducir el consumo de energía del intercambiador tierra aire “ICTA”, teniendo en cuenta los requerimientos del sistema tales como el sistema de acumulación, de regulación y de generación, además el diseño e instalación del mismo permitirá a los estudiantes una herramienta para el análisis de sistema que funciona con una energía alternativa.

ABSTRACT

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ... 12

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 14

1.2 JUSTIFICACIÓN ... 15

1.3 OBJETIVOS ... 17

1.3.1 Objetivo general ... 17

1.3. Objetivos específicos ... 17

2. ESTADO DEL ARTE Y MARCO REFERENCIAL ... 18

2.1 Estado del arte ... 18

2.2 Marco teórico ... 20

2.2.1 Manómetro de columna de líquido tubo en U ... 20

2.2.2 Módulos fotovoltaicos ... 21

2.2.3 Dimensionado de sistemas fotovoltaicos ... 22

2.2.4 Ventiladores ... 30

3. METODOLOGÍA ... 36

4. RESULTADOS Y CÁLCULOS ... 38

4.1 Perdida de presión en la tubería del sistema ICTA. ... 38

4.2 Curva del sistema ... 39

4.3 Selección del ventilador y estimación del consumo ... 41

4.3.1 Selección del ventilador ... 41

4.3.2 Estimación del consumo ... 44

4.4 Dimensionamiento Sub sistema de generación ... 47

4.5 Disposición de los módulos ... 48

4.6 Dimensionamiento del sub sistema de acumulación ... 48

4.7 Dimensionamiento del regulador – inversor ... 49

5. ANÁLISIS DEL SISTEMA USANDO TRNSYS ... 51

5.1 Metodología ... 52

5.2 Matriz fotovoltaica ... 53

5.3 Banco de baterías ... 56

5.4 Carga (load) ... 58

5.5 Regulador – Inversor ... 59

6. INSTALACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 60

7. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA ... 64

8. CONCLUSIONES ... 67

INTRODUCCIÓN

Actualmente en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica se encuentra instalado un intercambiador de calor tierra – aire “ICTA” para acondicionamiento de aire, el cual se le instala una turbina, la cual es la encargada de generar el desplazamiento volumétrico del aire. Esta instalación tiene como finalidad mitigar la temperatura que se genera en las aulas de computadores, por los equipos que se encuentran en funcionamiento y que están ubicados en el bloque 4, segundo piso.

Debido a la forma de funcionamiento actual del sistema “ICTA” genera un modo poder reducir el consumo que presenta el “ICTA”, ya que lo que se busca es que el sistema automáticamente realice los cambios de conexiones entre la red eléctrica y la energía suministrada por los paneles solares, dependiendo de la capacidad del diseño del sistema que se busca implementar.

Se quiere implementar un sistema que funcione con energía solar, por medio de un panel que transforma la energía solar en eléctrica y de este modo activar unos

ventiladores, cuya función es desplazar el aire que circula por el “ICTA”, y en el

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, está ubicado un intercambiador tierra aire “ICTA” para acondicionamiento de aire, el cual es utilizado para satisfacer la demanda de ventilación del aula de computación, además este funciona con una turbina que se encuentra acoplada a un motor eléctrico, éste realiza un consumo elevado de energía debido a sus características técnicas, ya que a la turbina actual no se le realizo un proceso de selección solo se compró y se instaló sin realizar un proceso de selección. En busca de aumentar el desempeño del sistema, se planea diseñar y construir, en paralelo al sistema actual, un montaje de ventilación el cual sea alimentado por un sistema de energía solar, y de este modo establecer un sistema que tenga un dispositivo de acumulación para brindar un tiempo de autonomía al sistema que se va a instalar, y que trabaje en paralelo con el sistema conectado a la red eléctrica.

1.2 JUSTIFICACIÓN

En la Universidad Distrital se encuentra instalado un intercambiador tierra aire

“ÏCTA” el cual es usado como medio de aire acondicionado para el salón de

informática. Este sistema tiene incorporada una turbina la cual se encuentra sobredimensionada para la función que cumple el “ICTA”, este se realizó con el objeto de poder realizar estudios relacionados con la tubería enterrada para aprovechar el potencial térmico del suelo.

Este proyecto va a permitir una mejora al sistema que se encuentra funcionando actualmente por medio de un sistema que aproveche la radiación solar, además se va a realizar una contribución con la instalación de un sistema solar, con la cual se pueden realizar estudios posteriores por docentes y estudiantes, además las dos metas principales tanto del ejecutor como de la universidad:

Para la universidad:

Las grandes utilidades a nivel académico tanto de información como de aplicaciones técnicas para futuros proyectos que son vitales para el desarrollo de la Universidad ya que estas utilidades técnicas fomentan la investigación y futura documentación para aplicaciones técnicas y profesionales cercanas.

Para el ejecutor:

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo general

Diseñar un sistema de impulsión de aire en paralelo al sistema actual, que funcione con energía solar y energía de la red, para el intercambiador tierra – aire “ICTA” instalado en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica.

1.3. Objetivos específicos

 Calcular las pérdidas de presión de la línea de ventilación actual.  Determinar el número de unidades de ventilación necesaria por línea.  Definir el montaje para la adición de los nuevos movedores de aire.  Desarrollar el montaje eléctrico y mecánico del sistema.

 Desarrollar una simulación en estado transitorio del sistema conectado al espacio.

 Desarrollar pruebas de funcionamiento.

2. ESTADO DEL ARTE Y MARCO REFERENCIAL

2.1 Estado del arte

Como antecedente a este proyecto se revisó una tesis de grado de la universidad libre titulado “Diseño, simulación y análisis de sistema solar fotovoltaico para

suministro eléctrico en zonas rurales” cuyos autores son Andrea Alvarado y

Hernán Carvajal el cual explica lo siguiente: Como un sistema solar fotovoltaico autónomo puede aprovechar el recurso solar disponible en una zona de estudio, sitio de la escuela rural El Cardonal en Tibaná-Boyacá, Colombia, para el suministro de electricidad en atención a la necesidad especial de refrigeración de alimentos en soporte a plan nutricional para escolares pobres. Tomando los datos de radiación en el sitio, se diseñó el sistema y se modeló mediante el software TRNSYS, demostrando su buen funcionamiento de acuerdo a las características de operación de la carga, las condiciones climáticas y el recurso solar disponible en el lugar.

intercambiadores de calor enterrados en la facultad tecnológica los cuales se diferencian por sus dimensiones (longitudes y diámetros).

Otro antecedente referenciado es el proyecto de grado de la Universidad Carlos III de Madrid en el año 2009 titulado “DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN SOLAR TÉRMICA CON APLICACIONES PARA ACS Y CALEFACCIÓN EN UN BLOQUE DE VIVIENDAS UBICADO EN PONTEVEDRA” cuyo autor es Eduardo Martínez el cual explica lo siguiente: consiste en cuatro bloques de viviendas formados por siete chalets cada bloque, haciendo un total de veintiocho chalets. Cada bloque de viviendas está separado del que tiene a continuación por una calle y una carretera de un carril, lo que hizo plantearnos la cuestión de si dar servicio a cada bloque de forma independiente, es decir, cuatro instalaciones independientes, o plantear una solución común produciendo la energía en un único lugar y distribuyéndola a todos los bloques.

Esta segunda opción se basa en crear una red de calor que estaría constituida principalmente por:

 Una central térmica exterior en donde estaría la sala de calderas,

 La red de tuberías de distribución para dar servicio a cada bloque de viviendas mediante una subestación que conectase la red de distribución general con la red de distribución propia de cada bloque de viviendas,  Una subestación en cada bloque de viviendas que consiste en un

intercambiador de calor.

 La instalación solar de cada bloque de viviendas, con sus respectivos

Esta solución conlleva un gran coste principalmente por la construcción de la red general de distribución, y sólo sería viable económicamente si hubiese un mayor número de viviendas a las que dar servicio para así poder amortizarla.

La principal ventaja que se obtendría si se realizase la red de calor para obtener una distribución centralizada es la de obtener un rendimiento más elevado en la producción de calor, ya que toda la demanda se cubriría con una sola caldera.

Por todo ello, la solución que se ha escogido es la de diseñar la instalación solar de forma independiente para cada bloque. Al ser obra del mismo constructor las características constructivas son iguales para cada bloque, pudiendo realizar el proyecto para un solo bloque y aplicarlo exactamente igual al resto.

2.2 Marco teórico

2.2.1 Manómetro de columna de líquido tubo en U

Es usado para para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas diferencias de presión.

Figura 1 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado.

https://juanfrancisco207.wordpress.com/tag/presion-estatica/

2.2.2 Módulos fotovoltaicos

Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por la interconexión de células solares dispuestas en serie y/o en paralelo de manera que la tensión y corriente que finalmente proporcione el panel se ajusta al valor requerido.

2.2.3 Dimensionado de sistemas fotovoltaicos

Para realizar una selección correcta de los componentes a instalar se debe seguir un proceso de diseño del dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Los pasos a seguir en el dimensionado que se propone son las siguientes:

• Paso 1. Estimación del consumo

• Paso 2. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles • Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico

• Paso 4. Dimensionado del sistema de acumulación • Paso 5. Dimensionado del regulador

• Paso 6. Dimensionado del inversor

2.2.3.1 Estimación del consumo

𝐸𝐷𝐶 = 𝛴 𝑃𝑖(𝐷𝐶) ∗ 𝑡𝑑𝑖

 𝐸𝑇: Energía real requerida por el sistema (consumo) (Wh)

 𝜂𝐵𝐴𝑇 : Rendimiento de la batería

 𝜂𝐼𝑁𝑉 : Rendimiento del inversor

La energía real requerida ET, refleja la energía que el sistema demanda en su conjunto en un día, y es un dato importante a la hora de dimensionar el generador fotovoltaico.

2.2.3.2 Disposición de los módulos

estima en un 40% el incremento de la potencia entregada por aquellos módulos que emplean un sistema de seguimiento respecto a los paneles instalados fijos.

La orientación de los paneles solares será tal que éstos se dispongan siempre "mirando" hacia el ecuador terrestre. Esto supone orientación sur para aquellas instalaciones situadas en el hemisferio norte terrestre, y orientadas hacia el norte para las instalaciones situadas en el hemisferio sur. No obstante, son admisibles unas desviaciones de hasta ±20º respecto del ecuador del observador sin que se produzcan grandes pérdidas de rendimiento.

En concreto, para las instalaciones que se sitúen en el hemisferio norte, la orientación se define por el ángulo llamado azimut (α), que es el ángulo que forma la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano (orientación sur) del lugar. Toma el valor 0º para módulos orientados al sur, -90ºpara módulos orientados al este, +90º para módulos orientados al oeste.

Figura 2 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado

Por otro lado, el ángulo de inclinación (β) es aquel que forma la superficie del módulo con el plano horizontal (figura2). Su valor es 0º para módulos horizontales y 90º si son verticales

El valor de la inclinación de los paneles solares con respecto a la horizontal, cuando se pretende que la instalación se use todo el año con un rendimiento aceptable, coincide aproximadamente con la latitud del lugar donde se instale. Si la instalación se usa principalmente en invierno, entonces la inclinación óptima de los módulos sería la obtenida de sumarle a la latitud 10º. Y por el contrario, si la instalación va a usarse básicamente en verano, la inclinación que habría que proporcionarle a los módulos sería el resultado de restar a la latitud del lugar 20º. Por último, si se pretende un diseño óptimo que funcione para todo el año, la inclinación que habrá que proporcionarle al panel solar será igual a la latitud del lugar, como se ha dicho.

2.2.3.3 Dimensionado del Generador Fotovoltaico

Una vez que la demanda energética de la carga es conocida, está en condiciones de dimensionar el generador fotovoltaico.

El número total de módulos fotovoltaicos que se deben instalar se puede calcular a partir de la siguiente expresión:

𝑵𝑻 = 𝑬𝑻 /𝑰𝒔𝒄, 𝒓𝒆𝒇

Siendo:

 𝑁𝑇: Número total de módulos.

 𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓: Corriente de corto circuito de referencia (A).

Conociendo el número de total de paneles que forman el generador fotovoltaico y la tensión nominal de la batería, que coincide con la tensión nominal de la instalación, se puede determinar si es necesario agrupar los módulos en serie y en paralelo. El número de módulos que habrá que conectar en serie, se calcula así:

𝑁𝑠 = 𝑉𝐵𝑎𝑡 / 𝑉𝑚

Siendo Np el número de módulos a conectar en paralelo. Los valores de NT, Ns y Np se redondean por exceso, excepto si se aproximan mucho a las cifras por defecto, de manera que se asegure el suministro de potencia que demanda la instalación.

El ángulo de inclinación de los paneles b se calculó anteriormente con el método del mes crítico.

Tras estos cálculos estaría dimensionado el generador fotovoltaico tanto en número de módulos como en la inclinación de los mismos.

Para definir el tamaño del acumulador, se deberán tener en cuenta los siguientes parámetros:

Máxima Profundidad de Descarga: es el nivel máximo de descarga que se le

permite a la batería antes de la desconexión del regulador, para proteger la duración de la misma. En baterías estacionarias de plomo-ácido un valor adecuado de este parámetro es de 0.7, sugerido por los fabricantes.

Días de Autonomía: es el número de días consecutivos que en ausencia de sol, el sistema de acumulación es capaz de atender el consumo, sin sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la batería. Los días de autonomía posibles, dependen entre otros factores del tipo de instalación y de las condiciones climáticas del lugar.

La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe ser capaz de almacenar, para asegurar los días de autonomía. Las expresiones que se utilizan para hallar la capacidad de la misma, tanto en Wh (vatios hora) como en Ah

 Pd: Máxima Profundidad de descarga de la batería

Es importante señalar que los periodos de autonomía cortos como lo son el uso de la batería por algunas horas, alargan la vida de las baterías ya que no se estarían descargando hasta su punto máximo y dan al sistema mayor fiabilidad.

La batería se elegirá de forma que se aproxime al valor de capacidad nominal Cn calculado. Igualmente se tenderá a elegir la batería redondeando el valor Cn por exceso para obtener mejor margen de seguridad.

2.2.3.5 Dimensionado del Regulador

El regulador es el elemento que controla las cargas y descargas de la batería, permitiendo el proceso de carga de la misma desde el generador fotovoltaico y el proceso de descarga a través de los elementos de consumo eléctrico del sistema global.

A la hora de dimensionar un regulador, el objetivo principal es obtener la corriente máxima que va a circular por la instalación. Por lo tanto, se habrá de calcular la intensidades que producen los módulos funcionando a pleno rendimiento:

Siendo:

 IG: Corriente producida por el generador (A)

 IR: Corriente producida por cada rama en paralelo del generador (A)  NR: Número de ramas en paralelo del generador

 Pp: Potencia Pico del módulo fotovoltaico (W)  hm: Rendimiento del módulo será la que se utilice para su elección.

𝐼𝑅 = 𝑚𝑎𝑥 (𝐼𝐺, 𝐼𝐶)

2.2.3.6 Dimensionado del Inversor

Las características de funcionamiento que definen un inversor o convertidor DC –

AC son:

 Tensión Nominal de Entrada (V)

 Tensión Nominal de Salida (V)

 Frecuencia de operación (HZ)

 Rendimiento (%)

La tensión de entrada en el inversor de una instalación fotovoltaica no será siempre constante, por lo que el inversor debe ser capaz de transformar distintas tensiones continuas dentro de un determinado rango. Ese rango suele ser de un 15 %.

El valor de la tensión nominal es un dato de referencia dentro del intervalo de actuación que sirve para identificar el tipo de convertidor.

A la hora de dimensionar el inversor se tendrá en cuenta la potencia que demanda la carga AC, de forma que se elegirá un inversor cuya potencia nominal sea algo superior a la máxima demandada por la carga. Sin embargo, se debe evitar el sobredimensionamiento del inversor para tratar de hacerlo trabajar en la zona donde presenta mejores eficiencias.

Se puede resumir la potencia del inversor con esta expresión

𝑃𝑖𝑛𝑣 » 𝑃𝐴𝐶

2.2.4 Ventiladores

pérdidas de carga del sistema. En la gran mayoría de los casos el aporte de energía proviene de máquinas denominadas ventiladores aunque, en algunos casos, la ventilación se puede realizar por convección natural sin el uso de los ventiladores.

Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del aire en la industria. Su funcionamiento se basa en la entrega de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta velocidad y que incrementa la energía cinética del fluido, que luego se transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos grandes grupos: los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos.

2.2.4.1 Ventiladores axiales

2.2.4.2 Ventiladores centrífugos

En estos ventiladores el aire ingresa en dirección paralela al eje del rotor, por la boca de aspiración, y la descarga se realiza tangencialmente al rotor, es decir que el aire cambia de dirección noventa grados (90 °).

Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los ventiladores axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de columna de agua (mmcda) y son los empleados, mayormente, en los sistemas de ventilación localizada.

El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el mismo de las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que posee 3 una serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o envoltura.

2.2.4.3 Selección de ventiladores

2.2.4.4 Punto de trabajo

La curva característica del ventilador depende solamente del ventilador, y puede variar si el ventilador funciona a una velocidad de rotación distinta.

Sin embargo, hay que considerar que un ventilador puede funcionar moviendo distintos caudales y comunicándoles distintas presiones, de tal forma que todos los puntos posibles de funcionamiento se hallen representados sobre la curva. En la figura 2 está representada la curva característica de un ventilador, en la figura 3 se pueden ver curvas diferentes. Cada una de ellas representa un valor distinto y su lectura se realiza con las diferentes escalas que están a la izquierda, tres están relacionadas con la presión que da el ventilador para distintos caudales (son las denominadas Pt, Pe, Pd), se puede observar que a descarga libre, es decir cuando la presión estática (Pe) es nula el ventilador suministra el máximo caudal.

Para saber exactamente en qué condiciones funcionará el ventilador, se debe

conocer la curva resistente de la instalación, es decir, la curva que relaciona la

pérdida de carga de la instalación con el caudal que pasa por ella.

Se puede encontrar de forma fácil el punto de trabajo de un ventilador

simplemente superponiendo las curvas características del ventilador y resistente

Figura 3 de la curva característica de un ventilador (2012) Recuperado

http://www.salvadorescoda.com/tecnico/VE/Manual-Ventilacion.pdf

Figura 3 Curva del ventilador y del sistema (2012). Recuperado de

En la figura anterior se puede observar 3 gráficas, en los cuales se indica el

comportamiento del sistema, curva característica de un ventilador, y el resultado

de la unión de las dos gráficas.

Se puede comprobar que la pérdida de carga de una conducción varía

proporcionalmente con el cuadrado del caudal según la fórmula:

𝑃2 = 𝑃1 ∗ (

𝑄2

𝑄1

)

2

por lo que, para encontrar la característica resistente y una vez hallada la pérdida

de carga inicial (P1) a un determinado caudal (Q1), bastará con suponer un

segundo caudal (Q2), para hallar un segundo punto de la curva (P2). Si fuese

necesario se podrían suponer más caudales con los que se hallarían, siempre

para la misma instalación, nuevos puntos de pérdida de carga. Uniendo todos los

puntos encontrados se representará la característica resistente de la instalación

estudiada.

La intersección entre la curva del ventilador y la característica resistente de la

instalación nos dará el punto de trabajo.

2.2.4.5 Tablas con características de los ventiladores

Algunos fabricantes dan a conocer el funcionamiento de los ventiladores mediante sus curvas características.

como ya se ha dicho, la caída de presión total o la caída de presión estática del ventilador, expresadas en milímetros o pulgadas de columna de agua o también

se suelen expresar las presiones en pascales (N/m2).

Las tablas están definidas para el aire en condiciones estándares (21 °C y 1 atm)

que presenta una densidad de 1,2 kg/m^3. Si las condiciones reales son diferentes

a los estándares, se debe realizar una corrección.

En el caso de la altura de Bogotá se usan tablas de propiedades termodinámicas1_,

en las cuales se puede aproximar el valor de la densidad del aire para una altura

de 2630 msnm2_.

Es habitual que las tablas se presenten como tablas de múltiple entrada y en cada una de ellas se indican las características de un ventilador de un tamaño determinado.

3. METODOLOGÍA

Para realizar la evaluación del sistema de acondicionamiento del sistema de aire en primera instancia se realizó una planeación de actividades a desarrollar para alcanzar los objetivos propuestos.

Primero se realizó un estudio del sistema de aire acondicionado actual empleado en la sala de computación “ICTA”, al revisar el sistema instalado se observa un deterioro del equipo (figura 5), además no tenía un funcionamiento constante por

1 _{Yunus cengel. Termodinámica (séptima edición), tabla de propiedades A16 (propiedades de la atmosfera a}

gran altitud).

falta de mantenimiento, se enciende y se realiza seguimiento por 1 mes para garantizar un funcionamiento adecuado y datos coherentes del sistema.

Cuando el intercambiador tierra aire (ICTA) se encuentra con un funcionamiento constante, se procede a la toma de datos, como presión estática y caudal, para la selección de la turbina que se conectara en paralelo con la existente.

Figura 5. Sistema ICTA instalado en la universidad distrital facultad tecnológica junio del

2012

El primer dato a conseguir es la perdida de presión en el interior de la tubería, la cual se obtiene por medio de un manómetro de tubo en U, con el cual se mide la presión estática a la entrada del sistema, y a la salida que se encuentra ubicada en el aula de computación.

acoplado al ventilador, ya que este es elemento que coloca la restricción de la carga para la selección de los elemento que componen el circuito fotovoltaico.

Luego de seleccionar el ventilador se calcula los elementos que componen el circuito fotovoltaico, como panel solar, regulador de corriente, inversor de corriente, sistema de almacenamiento (banco de baterías). Ya que se deducen los datos se seleccionan los componentes, luego de tener los elementos

seleccionados se realiza una simulación usando el software trnsys, por medio de

este programa realizamos una simulación en estado transitorio para poder realizar una evaluación del comportamiento del sistema que se quiere implementar.

Al finalizar la parte teórica, en la cual se calcula el sistema fotovoltaico, se procede a realizar la compra de los componentes que se van a instalar (ventilador, paneles, regulador, inversor, baterías, elementos estructurales, sistema eléctrico). En el momento que estén comprados los elementos se instalan se conectan y se coloca el sistema en funcionamiento.

4. RESULTADOS Y CÁLCULOS

4.1 Perdida de presión en la tubería del sistema ICTA.

Para iniciar se tomó la presión estática en la salida del ventilador y la presión en la salida de los ductos del salón de computación, usando un montaje de tubo en U y teniendo en cuenta la variación de altura del fluido en mmca (figura1):

𝑃𝐸𝑒 = 60𝑚𝑚𝑐𝑎 𝑃𝐸𝑠 = 11𝑚𝑚𝑐𝑎

∆𝑷𝑬 = 𝑷𝑬𝒆 − 𝑷𝑬𝒔 (𝟏)

El sistema actual se diseñó para que realizara 4 cambios hora3_{, y para que esto}

Para poder seleccionar el ventilador que se va a instalar en el sistema primero se debe saber cuál es el comportamiento del mismo, para esto se analiza la curva característica del sistema, es decir la curva que relaciona la perdida de carga de la instalación con el caudal que pasa por ella.

En el momento que se obtienen los datos se dibuja una grafica por medio de

 P1: Variación de presión estática entre la entrada y salida del sistema.

Figura 6. Curva del sistema

4.3 Selección del ventilador y estimación del consumo

4.3.1 Selección del ventilador

Para la selección del ventilador se coloca la gráfica de un ventilador que cumpla los requerimientos de trabajo sobre la gráfica del sistema, luego se comparan para saber si la gráfica del ventilador seleccionado pasa por el punto de trabajo que se requiere (las gráficas son suministradas por el proveedor de los equipos).

Para la selección del equipo se usa un programa recomendado por el proveedor

en Colombia de la empresa Sodeca4_{, con el cual es posible realizar la}

4_{SODECA QuickFan Selector (versión 1.11.0.0) [software].(2014):http://www.sodeca.com/es/software Sodeca.}

0.6 2.4

100 200 300 400 500 600 700 800 900

comparación de los equipos, y el proveedor5 _{se encarga de homologar y}

suministrar el equipo seleccionado.

Por medio de SODECA QuickFan Selector se puede identificar las curvas de los mismos y compararlas con la curva de comportamiento del sistema. Para realizar este proceso se necesita la presión estática del sistema y el caudal que debe suministrar, usando estos valores en el programa se obtiene la siguiente gráfica:

Figura 7. Curva del sistema y de distintos ventiladores, proporcionadas por el proveedor

4.3.2 Estimación del consumo

4.3.2.1 Radiación solar disponible

Para el diseño de instalaciones fotovoltaicas, y con el fin de poder evaluar la energía que puede producir la instalación en cada mes de año, se define el concepto de número de horas de sol pico (HSP) del lugar en cuestión, y que representa las horas de sol disponibles a una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m2.

Para este caso en particular se va a emplear la base de datos de la “atmospheric

data center” para obtener los valores de irradiación diaria para la localización del

Agosto 5.07

La carga eléctrica definida para el sistema solar fotovoltaico, está compuesta por el ventilador centrifugo, de 372.85 W (1/2 Hp), el cual va a impulsar aire por los

tubos del ICTA, por decisión del autor está destinado a usarse entre las 6 pm y

las 8 pm. El anterior valor no tiene en cuenta las pérdidas localizadas en los componentes y equipos situados entre los generadores solares, el dispositivo regulador, las baterías y el inversor o convertidor de corriente.

A continuación se indica los rendimientos considerados para cada uno de los dispositivos anteriores:

Rendimiento regulador

η

baterías

η

inversor

η

= 0.90

;

El consumo estimado diario se determinó por la potencia del equipo durante las 2 horas de funcionamiento.

𝑪𝒆𝒅 = 𝑷𝒗 ∗ 𝒕/

𝜼

Fac - dc = 1,2

𝐸𝑑𝑐 = 𝐶𝑒𝑑 ∗ 𝐹𝑎𝑐 − 𝑑𝑐 (5)

𝐸𝑑𝑐 = 828.56 ∗ 1.2 = 994.27𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎

Se considera un pico de carga del motor monofásico como máximo de un 300%, ya que el

motor debe vencer la inercia, y en esta fase el equipo puede consumir hasta un 3 veces el

valor de la potencia nominal, de esta forma el factor de arranque del motor seria:

𝐹𝑎 = 300% = 3

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑛𝑚 ∗ 𝐹𝑎 (5)

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 372.85 ∗ 3 = 1118.55 𝑊

La energía diaria (Ecuación 6) se determinó por la carga estimada en DC y el voltaje del sistema establecido para todos los elementos en 12 V).

𝐸𝑑 = 𝐸𝑑𝑐/𝑉𝑜𝑝 (6)

𝐸𝑑 =924.27

12 = 77.02 𝐴ℎ 𝑑𝑖𝑎

La carga total diaria, es la relación entre la energía diaria y el de seguridad por pérdidas en todos los elementos.

FS = 1,2

𝐸𝑇 = 𝐸𝑑 ∗ 𝐹𝑠 (7)

4.4 Dimensionamiento Sub sistema de generación

Para las características de los módulos fotovoltaicos, se determinó la corriente máxima del sistema solar fotovoltaico (Ecuación 8), en relación a la carga total diaria de corriente y a las horas de sol pico disponible.

HSP=4.6 celdas de silicio mono cristalino son las más usadas a nivel mundial.

De acuerdo a las especificaciones del fabricante poseen siguientes valores de potencia, voltajes y corriente.

𝑁𝑃 = 𝐼𝑝

𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓 (9)

𝑁𝑃 =20.1

9.59= 2.12

4.5 Disposición de los módulos

La orientación correcta de los módulos para que obtengan un mayor rendimiento seria mirando hacia el ecuador, en este caso mirando hacia el sur, debido al lugar disponible para la instalación se van a dejar mirando hacia el norte, y con una inclinación aproximada de 15 grados, esto se debe a la sombra que produce el edificio del bloque 3-4 y que provocaría una pérdida de rendimiento del sistema.

4.6 Dimensionamiento del sub sistema de acumulación

Debido a que el sistema funciona actualmente con energía de la red y para efectos de estudio se considera un tiempo de funcionamiento de 2 horas con una autonomía de 1 día (ND=1), ya que la autonomía depende de la capacidad de generación, y de las baterías, lo que incrementaría los costos al momento de definir la cantidad y los requerimientos de los equipos.

Se determinó la capacidad del banco de baterías de acuerdo a la carga total diaria de corriente y a los días de reserva (ecuación 10).

𝑄𝐵 = 𝐸𝑇 ∗ 𝑁𝐷 (10)

𝑄𝐵 = 92.42 ∗ 1 = 92.42 𝐴ℎ

Para evitar descargas profundas en el acumulador y que esto reduzca la vida útil de las baterías, se estipuló una profundidad de descarga máxima del 50%.

Por lo tanto, la capacidad total del sistema de acumulación (Ecuación 11), fue establecida por la capacidad del banco de baterías, considerando la profundidad de descarga es realizar con estas una configuración serie y/o paralelo, en donde los acumuladores deben ser del mismo tipo, con la misma capacidad e idéntico potencial eléctrico (UPME, 2003). Por lo tanto se estimaron dos baterías, cada una con una capacidad de 150 Ah a 12V

4.7 Dimensionamiento del regulador – inversor

Para que el Regulador-Inversor pueda manejar la potencia requerida por la carga sin forzar el equipo, la capacidad de este, debe ser mayor que la potencia máxima de la carga que produce el generador y la máxima carga de consumo, la mayor de las dos es la potencia de referencia.

𝐼𝐶 =

0

12

+

372.85

110

= 3.4𝐴

𝑃𝑟𝑒𝑔 > 𝐼𝑐, 𝑚𝑎𝑥

Por lo tanto se estimó la potencia del Regulador- Inversor como:

𝑃𝑟𝑒𝑔 = 1000𝑊 𝑦 2000𝑊 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜

En la figura 6 se muestran las características de los elementos requeridos para el sistema solar fotovoltaico de acuerdo al diseño calculado.

4.8 Selección de componentes

Para realizar la selección de los componentes se utilizan los datos que se obtienen al momento de calcular el sistema fotovoltaico, para este diseño son los siguientes:

 Potencia pico del panel 150 W

 Capacidad de las baterías 150 Ah (2 baterías)  Capacidad del regulador 3.4 A

 Potencia del inversor 1 Kw

Al momento de cotizar los elementos a nivel comercial, disponibilidad los elementos y costo, se obtienen los siguientes elementos:

 2 paneles de 150W  2 Baterías de 150 Ah  1 Regulador de 20A

 1 Inversor con capacidad de 1 KW (2 Kw potencia pico)

5. ANÁLISIS DEL SISTEMA USANDO TRNSYS

5.1 Metodología

Usando la interfaz simulation estudio se puede realizar una gran variedad de

simulaciones de análisis energético, por medio de su biblioteca de componentes,

cada una de las cuales modela el rendimiento de una parte del sistema. La biblioteca estándar incluye aproximadamente 150 modelos que van desde bombas a edificios multizona, turbinas eólicas a electrolizadores, procesadores de datos meteorológicos a rutinas económicas. Los modelos se construyen de tal manera que los usuarios pueden modificar los componentes.

Figura 7. Modulo del sistema transitorio desarrollado en TRNSYS V17

5.2 Matriz fotovoltaica

El TYPE 94a, modeló los módulos solares fotovoltaicos de silicio mono cristalinos mediante un seguimiento al punto de máxima potencia. Empleó ecuaciones para un tipo de circuito equivalente empírico que predijo las características de corriente y voltaje de un solo panel y luego las extrapoló para predecir el rendimiento de una matriz multi-módulo (TRNSYS 17-Mathematical Reference, 2012).

Teniendo en cuenta la corriente de corto circuito entregada por el fabricante para cada módulo fotovoltaico, se estableció la corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico (ecuación 14).

𝐼𝑠𝑐𝑇 = 𝐼𝑠𝑐, 𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝑁𝑃 (14)

𝐼𝑠𝑐𝑇 = 9.59 ∗ 2 = 19.18𝐴

La corriente en el punto máxima potencia de la matriz fotovoltaica (ecuación 15), está definida por la corriente en el punto de máxima potencia según las condiciones de referencia y el número de paneles conectados en paralelo.

𝐼𝑚𝑝𝑇 = 𝐼𝑚𝑝, 𝑟𝑒𝑓 ∗ 𝑁𝑃 (15)

𝐼𝑚𝑝𝑇 = 8.34 ∗ 2 = 16.68𝐴

El comportamiento de voltaje y corriente, a la salida del arreglo de módulos fotovoltaicos, se presenta en la Figura 8.

(168 horas), ya que este rango de tiempo es suficiente para tener una idea clara del comportamiento de los equipos.

Al analizar la información se observa que el día con mayor radiación solar fue el quinto, donde el punto máximo de voltaje se encontró a las 9 horas. En este instante, el voltaje de circuito abierto es 21.16 V, muy próximo al voltaje de circuito abierto establecido por el fabricante.

Figura 8. Compotamiento voltaje y corriente

de referencia . Y la corriente en el punto de máxima potencia para este instante de módulos fotovoltaicos para las 168 horas que comprenden los días analizados, se observa en la Figura 9, donde la variación de potencia tiene variaciones dependiendo de la hora del día y es nula cuando no hay radiación solar (noches).

Figura 9. Potencia generada por los paneles solares

5.3 Banco de baterías

El modelo matemático del acumulador describió la relación entre el voltaje, la corriente y el estado de carga. El TYPE 47b es un modelo de una batería de plomo-ácido, que operó conjuntamente con la malla fotovoltaica y con componentes de acondicionamiento de potencia, los cuales funcionan con la energía generada por los paneles solares y el sistema de acumulación (baterías)

Figura 10. Comportamiento del sistema de acumulación (baterías)

El voltaje máximo de carga Charge., se mantuvo constante en 15 V, muy cercano

al valor estimado como voltaje máximo para cargar el acumulador VB. La tensión

mínima de descarga Discharge, también muestra un comportamiento permanente

en 10.8 V.

El voltaje de operación, presentó 3 estados de carga durante cada día. Durante la primera etapa, el voltaje aumentó hasta alcanzar 13.02V el punto de saturación, en este momento el acumulador llega al 100 % de carga, y es entonces cuando el regulador reduce el paso de tensión a la batería.

En la última fase, el regulador permitió la descarga del acumulador en un valor levemente mayor a 11.83 V, este periodo se mantuvo hasta que la potencia generada por los módulos solares pudo recargar nuevamente la batería.

5.4 Carga (load)

Para el modelo de la cargas se genera un perfil de encendido De acuerdo a los

requerimientos eléctricos del motor, teniendo en cuenta el tiempo en el cual va a estar

encendido.

Diariamente el tiempo en el cual la instalación esta Inactiva, desde las 0 horas hasta

las 16 y desde las 18 horas hasta 24 horas. El tiempo de actividad se genera desde

las 16 hasta las 18 horas, para realizar las actividades anteriores se generó un perfil

de tiempo en el cual el sistema se encuentra en funcionamiento cuando la gráfica

indica 1, cuando indica 0 el sistema no está activo o esta solo generando (figura 10).

5.5 Regulador – Inversor

En esta subrutina se analizó en forma general el comportamiento de todo el sistema, debido a que el Regulador-Inversor distribuye la energía a través de los elementos que lo conforman.

La Figura 11 presenta la salida de potencia del Regulador- Inversor desde o hacia la batería (cuando la potencia aumenta, indica el paso de energía en dirección al acumulador y cuando esta disminuye el regulador controla la descarga de la batería).

Durante las horas del día en que se presentó radiación solar, la potencia generada por el arreglo fotovoltaico fue enviada desde el regulador para abastecer la carga.

Cada mañana de acuerdo a la potencia excedente generada por los paneles solares, el acumulador comenzó a ser recargado (figura 12). A las 16 horas, cuando aumenta el requerimiento de potencia durante periodo de actividad del sistema se genera el consumo desde las baterías, en este momento la potencia del sistema fotovoltaico es muy bajo el acumulador se convierte en la única fuente de alimentación para la carga, este proceso se repite cada vez que se genera la demanda de energía.

6. INSTALACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO

El lugar que se definió para la instalación del sistema es sobre el lugar donde ya se encuentra instalado el “ICTA”, por facilidad para la instalación y por disposición de espacio.

Lo primero es realizar una limpieza de la caseta para poder disponer de espacio para la instalación de los componentes (figura 13)

Figura 13. Limpieza a caseta del ICTA.

En el momento que el espacio se encuentra en óptimas condiciones se procede a realizar la instalación, esta consiste en colocar una estructura sobre la caseta actual que sea capaz de soportar el peso de los paneles y además que oriente los paneles al lugar deseado (figura 14).

Cuando la estructura ya está lista se procede a realizar el montaje del ventilador que va a funcionar en paralelo con el sistema que ya se encuentra instalado (figura 15).

Figura 14. Estructura para soportar los paneles universidad distrital facultad tecnológica

Figura 15. Instalación ventilador que funciona con paneles solares

Antes Después

Cuando se tiene lista la estructura y acoplado el ventilador con el sistema se instala el circuito eléctrico, el cual es el encargado de realizar los cambios entre el ventilador actual y el que se instala con los paneles por medio de un temporizador, y de este modo manejar los tiempos de funcionamiento que se acordaron (figura 16).

Figura 16. Tablero eléctrico de control del ICTA

Para finalizar se colocan los paneles fotovoltaicos en la estructura, además se aprovecha para aplicar pintura a la caseta del sistema, ya que la que tenia se encontraba en pésimas condiciones, en las figura 17-18 se puede observar el sistema que se encontraba instalado y el sistema actual.

Figura 17. Estado inicial de la caseta del ICTA.

7. COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA

Usando un piranómetro (instrumento meteorológico utilizado para medir la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra) se mide la radiación sobre el sistema ya instalado durante 1 día en intervalos de tiempo, en la figura 19 se observan los datos obtenidos.

La cantidad de energía disponible se obtiene por medio de la ecuación 18

 

   

. . * . 18

P disponibleV disponible V C disponible A .

Figura 19. Datos del sistema instalado duran un periodo de 9 horas

3:30 p.m. 624 14.1 59.22 13.4 3.6 48.24

Al comparar los datos de la figura 19 y figura 20 con los obtenidos por medio del software en la figura 8 (en un periodo de 24 horas), se observar que las variaciones no son significativas. Respecto al voltaje el comportamiento depende de la capacidad de generación de los paneles, y de la radiación, el voltaje que está suministrando los módulos es muy parecido al que arroja el software.

Figura 20. Radiación disponible y voltaje generado en un periodo de 9 horas. Fuente del autor.

0

9:00:00 9:30:00 _{10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00}

Como se puede observar en la tabla anterior el rendimiento del sistema instalado varía en cada intervalo de tiempo, debido a distintos factores como la radiación, debido a que dependiendo de la época del año la posición del sol varia y la

8. CONCLUSIONES

Una vez completado el desarrollo del proyecto, en este capítulo se expondrán las conclusiones generales que se obtuvieron a lo largo de la investigación en la cual se calcula y se instala un sistema fotovoltaico, el cual sirve para disminuir la demanda eléctrica del “ICTA”.

 Debido al sistema actual instalado, se decide optar por 1 ventilador que

impulsara el aire desde la entrada, hasta el salón de computación, ya que instalar más de 1 por tramos necesitaría una adecuación extra al sistema donde se instalen, además de la acometida necesaria para su conexión y de mantenimiento a más equipos.

 La turbina del sistema ICTA tiene un ventilador centrifugo que se encuentra conectado a la red eléctrica, y tiene un consumo de 1.5 Hp, para mejorar estas condiciones se realizó un proceso de selección del ventilador, por medio un punto de trabajo y teniendo en cuenta criterios como costos, dimensiones, punto de trabajo, se encuentra un equipo con un consumo de 0.5 HP, que se encuentra en funcionamiento por un periodo de 2 horas y de este modo se aprovechar la energía solar emitida por los paneles.

 La autonomía del sistema depende de la cantidad de paneles solares y la capacidad de almacenamiento del sistema de acumulación, en el desarrollo del proyecto se evidencio que para un tiempo de 2 horas para la carga estipulada (1/2 Hp), se requieren 2 baterías de 150 Ah, las cuales tienen un

costo promedio de 600 000 COP, dependiendo del proveedor, además los

 El análisis en estado transitorio realizado en el módulo de TRNSYS SIMULATION STUDIO de TRNSYS V17, permitió determinar el comportamiento del sistema fotovoltaico, durante un periodo de tiempo seleccionado de 1 semana (168 horas), los resultados obtenidos permitieron evidenciar el comportamiento del sistema con los elementos escogidos, en las figuras 8, figura 9, figura 10 y figura 12.

9. BIBLIOGRAFIA

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 SODECA QuickFan Selector (versión 1.11.0.0)

[software].(2014):http://www.sodeca.com/es/software Sodeca.