SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA MAYOR DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA
ELÉCTRICA EN SENATI
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO
Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica
Tesis para optar el grado de maestro en Gestión del Mantenimiento de Sistemas
Energéticos
Presentado por:
VICTOR ROMERO DE LA CRUZ
Huancayo – Perú
2020
ASESOR:
Mag. WUILBER CLEMENTE DE LA CRUZ
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
ACTA DE SUSTENTACIÓN VIRTUAL DE TESIS N° 001.2020/UPG-FIM
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN GESTIÓN DEL MANTENIMIENTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS.
En la Plataforma Virtual Microsoft Teams - Sustentación de Posgrado FIME de la Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro del Perú, siendo las 14:00 horas del día 10 de noviembre del año 2020, se reúnen los integrantes del Jurado de Sustentación de Tesis conformado por:
Doctor Mario Alfonso Arellano Vílchez: Presidente
Maestro Arturo Huber Gamarra Moreno Secretario
Doctor Rolando Gamaniel Montalván Lozano Jurado
Maestro Wuilber Clemente De la Cruz Jurado
Maestro Arturo Huber Gamarra Moreno Jurado
Se reunieron para la sustentación virtual, oral y pública de la Tesis para optar el grado Académico de Maestro en Gestión del Mantenimiento de Sistemas Energéticos, que solicito el egresado Don: VICTOR ROMERO DE LA CRUZ.
El acto de sustentación comenzó con la lectura de RESOLUCIÓN Nº 001– 2020 – DUPG FIM/EPG – UNCP, de fecha 05 de noviembre del año 2020 por parte del secretario; se hizo la presentación respectiva de la tesis titulada: “SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA MAYOR DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN SENATI-HUANCAYO”
Concluida la exposición del sustentante, se formuló las preguntas y fueron defendidas y absueltas por el graduando; luego de la deliberación del jurado evaluador se dio como resultado que es el siguiente.
CALIFICATIVO:
Siendo las 14:50 horas se da por culminada el acto de sustentación.
Se expide la presente acta en Huancayo a los 10 días del mes de noviembre del año 2020.
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Dr. Mario Alfonso Arellano Vílchez Presidente
Mg. Arturo Huber Gamarra Moreno Secretario
Dr. Rolando Gamaniel Montalván Lozano Miembro del Jurado
Miembro del Jurado
Mg. Arturo Huber Gamarra Moreno
Mg. Wuilber Clemente De la Cruz APROBADO
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DEDICATORIA
A Dios por darme salud, vida y oportunidades, él es mi guía a lo largo de este camino que me toca recorrer.
A Harold, Doménica, mis hijos y a Felícita mi esposa que me apoya en todo momento y que son los motores para ser cada vez mejor como persona y profesional.
Al convenio CARELEC/MEM, por brindarme la oportunidad de acceder a una maestría para obtener nuevos conocimientos y conocer nuevos amigos.
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ÍNDICE
ASESOR ... ii
DEDICATORIA ... iii
ÍNDICE ... iv
RESUMEN ... vi
RESUMO ... viii
INTRODUCCIÓN ... 1
Capítulo 1: ... 3
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ... 3
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 3
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 7
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN ... 7
1.3.1 Objetivo general ... 7
1.3.2 Objetivos específicos ... 7
1.4 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA ... 8
1.4.1 Logros alcanzados ... 8
1.4.2 Beneficios ... 8
Capítulo 2: ... 9
BASES TEÓRICAS... 9
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 9
2.2 BASES TEÓRICAS ... 13
2.2.1 ENERGIA SOLAR ... 13
2.2.2 RADIACION SOLAR. ... 14
2.2.3 Energía Solar Fotovoltaica ... 16
2.2.4 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ... 18
2.2.5 Regulador de carga ... 20
2.2.6 Acumulador electroquímico (batería) ... 22
2.2.7 Inversores o conversores DC/AC ... 31
2.2.8 Carga (consumo)... 34
2.2.9 FORMULAS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 36
2.3 DISEÑO FACTORIAL ... 39
2.3.1 El diseño Ortogonal ... 41
2.4 DISPONIBILIDAD DE ENERGIA ELECTRICA ... 42
2.5 DEFINICIONES CONCEPTUALES Y OPERACIONALES ... 42
vi
2.5.1 Definiciones conceptuales ... 42
2.5.2 Definiciones operacionales ... 43
2.6 MODELO TEÓRICO-CIENTÍFICO DEL PROBLEMA ... 44
2.7 SISTEMA DE HIPÓTESIS ... 45
Capítulo 3: ... 46
ASPECTOS METODOLOGICOS ... 46
3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACION ... 46
3.1.1 Tipo de Investigación ... 46
3.1.2 Nivel de investigación ... 46
3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 47
3.2.1 Método de la investigación ... 47
3.2.2 Diseño de la investigación ... 47
3.3 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES ... 48
3.4 OBJETO DE INVESTIGACIÓN... 49
3.5 Elaboración de la experimentación ... 49
3.6 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS ... 51
3.6.1 Instrumento de análisis experimental ... 53
3.7 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS ... 53
Capítulo 4: ... 55
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ... 55
4.1 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 55
4.1.1 Dimensionamiento y construcción del módulo del sistema fotovoltaico ... 56
4.2 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LOS RESULTADOS ... 61
4.3 PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 68
4.4 ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 69
4.4.1 Análisis factorial ... 69
4.4.2 Análisis de la varianza ... 70
4.4.3 Análisis de residuos ... 70
4.4.4 Discusión de Resultados ... 71
CONCLUSIONES ... 75
RECOMENDACIONES ... 76
BIBLIOGRAFIA ... 77
ANEXOS ... 83
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RESUMEN
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTONOMO PARA MAYOR DISPONIBILIDAD DE ENERGIA ELECTRICA EN SENATI
La investigación realizada es del tipo tecnológico debido a que se internalizaron los conceptos científicos orientada a un hecho real, encaminado a una línea de investigación establecida por el Ministerio de Energía y Minas y la Unidad de post Grado de la Facultad de ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro del Perú, propio al avance de energías renovables tanto en el país como en la región.
El objetivo de esta investigación es fundamentalmente la de evaluar los componentes del sistema solar fotovoltaico, esto en base a la caracterización del controlador para la generación eléctrica del panel fotovoltaico, también la acumulación de energía al utilizar tipos de baterías y asimismo a conversores de energía de tensión continua a energía de tensión alterna para su posterior utilización con diferentes cargas, esto con fines de mejorar la disponibilidad de energía eléctrica, utilizado en ambientes y talleres del SENATI ubicadas en el distrito del Tambo y provincia de Huancayo – Junín.
El método implementado es el sistémico, considerando los componentes de modo interrelacionada y basado en el nivel experimental, en el cual el diseño es factorial 23, toda vez que se tiene tres variables controlables y estos son; el tipo de controlador, tipo de batería y tipo de conversor, los mismos que tendrán cinco tratamientos cada uno, permitiéndonos como resultado ocho combinaciones. Para las mediciones y toma de datos de la variable dependiente, fue realizado en un sistema fotovoltaico situado en el techo del
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edificio del SENATI, en ello, se ejecutaron las pruebas y verificaciones de acuerdo al requerimiento de la prueba de hipótesis.
La investigación que se llevó acabo fue el tipo tecnológico, el nivel de la investigación que se utilizó fue la experimental. Debido al intercambio realizado de los componentes del sistema, el método fue el sistémico.
Se logró identificar que la combinación que permite mayor disponibilidad de energía es utilizando el inversor de onda senoidal, batería tipo líquido y controlador C20 A. Asimismo según los datos obtenidos la combinación que otorga menor disponibilidad de energía es con el inversor de onda senoidal modificada, batería tipo gel y controlador C30 A.
Finalmente, para la validación de la hipótesis planteada se utilizaron las técnicas estadísticas como la prueba de significación, ANOVA, prueba de error, y prueba F.
Autor: Víctor Romero De La Cruz.
Palabras claves:
Energía solar, panel fotovoltaico, controlador, batería, conversor.
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RESUMO
SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO PARA MAIOR DISPONIBILIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA NO SENATI
A pesquisa realizada é de natureza tecnológica, pois foram internalizados os conceitos científicos orientados para um evento real, direcionados a uma linha de pesquisa estabelecida pelo Ministério de Energia e Minas e pela Unidade de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Centro Nacional do Peru, propício ao avanço das energias renováveis, tanto no país como na região.
O objetivo desta pesquisa é fundamentalmente avaliar os componentes do sistema solar fotovoltaico, baseados na caracterização do controlador para a geração elétrica do painel fotovoltaico, também no acúmulo de energia no uso de tipos de baterias e também nos conversores de energia de energia de corrente contínua para corrente alternada para uso subsequente com cargas diferentes, isto para melhorar a disponibilidade de energia elétrica, usada em ambientes e oficinas do SENATI localizados no distrito de Tambo e na província de Huancayo - Junín.
O método implementado é o sistêmico, considerando os componentes de forma inter-relacionada e com base no nível experimental, no qual o projeto é fatorial 2³, pois existem três variáveis controláveis; o tipo de controlador, o tipo de bateria e o tipo de conversor, os mesmos que terão cinco tratamentos cada, permitindo assim oito combinações. Para as medições e coleta de dados da variável dependente, foi realizada em um sistema fotovoltaico localizado no telhado do prédio do SENATI, onde os testes e verificações foram realizados de acordo com a exigência do teste de hipótese.
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A pesquisa realizada foi tecnológica, o nível de pesquisa utilizado foi experimental. Devido à troca dos componentes do sistema, o método era sistêmico.
Foi possível identificar que a combinação que permite maior disponibilidade de energia foi a utilização do inversor de onda senoidal, bateria do tipo líquido e controlador C20 A. Ainda, de acordo com os dados obtidos, a combinação que proporciona menor disponibilidade de energia foi com o inversor de onda senoidal modificado, bateria de gel e controlador C30 A.
Por fim, para validação da hipótese proposta, foram utilizadas técnicas estatísticas como teste de significância, ANOVA, teste de erro e teste F.
Autor: Víctor Romero De La Cruz.
Palavras-chave:
Energía solar, controlador de energia elétrica, tipo de bateria, conversor.
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INTRODUCCIÓN
En estos últimos años, una de las grandes prioridades a nivel mundial, es el desarrollo de fuentes alternativas de generación eléctrica que produzcan una baja contaminación ambiental como son las fuentes renovables, debido a que los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), son recursos contaminantes y no renovables. El aumento de la población y de la industria hace que la necesidad energética sea cada vez mayor y su producción debe orientarse a otras opciones como es la eólica, solar, biomasa, etc.
En el Perú generalmente la producción energética está basada en centrales hidroeléctricas y el gas, que siendo el último el contaminante. Actualmente hay una clara decisión gubernamental para incentivar el uso de las energías renovables como es el fotovoltaico, esto fomenta realizar estudios para la instalación de paneles fotovoltaicos en varios lugares del país y uno de los privilegiados es la región de Junín ya que se posee alta radiación solar y se tiene necesidades de este sistema generalmente en zonas rurales para iluminación y bombeo.
La razón fundamental de este estudio es evaluar los distintos componentes que intervienen en el Sistema fotovoltaico a fin de lograr mayor disponibilidad de energía eléctrica que es utilizado en iluminación de talleres en el SENATI- Huancayo. Para este trabajo se manipula las variables relacionadas al controlador, a la batería y al inversor de corriente eléctrica, para así lograr una mayor disponibilidad de energía en estos sistemas y que se hace muy
necesario seleccionar adecuadamente los componentes para obtener el mayor beneficio energético y para esto se construyó un módulo con fines exclusivos de realizar experimentación, toma de datos y luego ser procesados estadísticamente.
El método general aplicado es el método científico, el tipo de investigación es la tecnológica, nivel de estudios de comprobación de hipótesis causal, diseño de investigación experimental, población de estudio está centrado en el módulo implementado por el investigador. El diseño factorial 2
³
, fue utilizado para el análisis de las variables y análisis de residuos y asimismo para validar la hipótesis, el análisis de la varianza y la distribución F.El capítulo dos corresponde al marco teórico que contiene los antecedentes, bases teóricas, definiciones conceptuales y operacionales de las variables. Se tiene en el capítulo 3 sobre la metodología de la investigación, tipo de investigación tecnológica, nivel de estudios, diseño de investigación experimental, diseño factorial 2
³
, la población de estudio está centrado en el módulo diseñado e implementado por el investigador. Se tienen sobre los resultados de la investigación, el análisis estadístico de estos, y la prueba de hipótesis en el capítulo cuatro. Y luego el capítulo cinco corresponde a la interpretación, comparación y evaluación de los resultados, consecuencias teóricas y aplicaciones prácticas. Por último, se mencionan sobre las conclusiones, recomendaciones, la bibliografía y anexos.EL AUTOR
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Capítulo 1:
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La energía eléctrica es uno de los elementos de mayor importancia para el desarrollo de las comunidades, pero muchos pueblos alejados no pueden tener acceso a este servicio y en consecuencia viven en el atraso. La energía eléctrica producida en las centrales hidroeléctricas y térmicas del país generalmente está orientada a los mayores consumidores debido a que económicamente son más rentables. Parte de esta energía producida tiene como componente el gas, que viene a ser un elemento que en el tiempo se agotará y lo peor al utilizarlo se está contaminando la atmosfera que en el poco tiempo producirá el efecto invernadero, lluvia acida y otros efectos ocasionando consecuencias nefastas para la humanidad. En la revista “La industria de la electricidad en el Perú”, se tiene los siguientes datos de la potencia instalada y generada, siendo del sistema hidráulico 4151.8 MW, la térmica de 7701.0 MW, la eólica de 239.8 MW y la solar de 96 MW, lo cual demuestra que el 63.2% corresponde a la térmica.
(Osinergmin, 2017)
En el país los gobiernos de turno le dan cada vez mayor importancia a la generación eléctrica solar tal es que en marzo del 2018, se realiza la inauguración de la Central Fotovoltaica Rubí de 144,48 MW en Moquegua, lo cual hace que actualmente en el país se llegue a una potencia de 240,8 MW en energía fotovoltaica. (Gestion, 2018)
El ministerio de Energía y Minas en su artículo publicado en junio del 2018, el ministro Francisco Ismodes quien participo en un foro de la Alianza Solar Internacional (ISA) en Alemania, indica que hasta la actualidad se tiene 68000 sistemas fotovoltaicos instalados, esto se logró mediante la puesta en marcha del Primer Programa Masivo Fotovoltaico (Ergon), el cual ha instalado 43000 paneles y mediante las actividades de electrificación rural del MINEM 25000 paneles fotovoltaicos. (MINEM, 2018)
Entonces se tiene conocimiento de que cada año aumenta la utilización de sistemas fotovoltaicos para el suministro eléctrico de zonas rurales (autónomos), lo cual nos motiva a investigar sobre los elementos que interviene en un Sistema fotovoltaico, esto para poder elegir los componentes adecuados y poder garantizar la disponibilidad de energía que puede ser almacenada y poder ser utilizado posteriormente.
Actualmente en las instalaciones de sistemas fotovoltaicos realizadas por el Ministerio de Energía y Minas, se tienen problemas de eficiencia, que son ocasionados por factores de diseño que repercuten en el mal funcionamiento del sistema como es la inadecuada ubicación de paneles, orientación, problemas de fabricación y otros, los cuales impiden disponer de esta energía óptimamente a las comunidades rurales. (Salazar, 2017)
Para obtener mayor conocimiento sobre el tema expuesto una de las tesis utilizadas es el “Diseño de un Sistema Eléctrico Fotovoltaico para una Comunidad Aislada” en el cual Prado (2008) realiza un estudio sobre el diseño de un sistema de electrificación híbrido fotovoltaico, en el cual se benefician aproximadamente 130 viviendas con la utilización de la energía eléctrica, localizada en la Isla Cartí en Panamá. Para lo cual inicialmente realiza la recopilación de información para el conocimiento de la conversión de energía solar en electricidad al utilizar celdas solares, posteriormente evalúa los componentes básicos de los paneles fotovoltaicos que son utilizados para formar el generador del sistema eléctrico fotovoltaico. También evalúa el comportamiento de los sistemas fotovoltaicos autónomos, asimismo sus componentes principales que lo constituyen, además menciona las recomendaciones que deben considerarse en el momento del dimensionamiento y la elección adecuada de los equipos a utilizar. La razón de esta investigación es realizar una elección adecuada del sistema fotovoltaico capaz de almacenar y poder obtener mayor disponibilidad de energía eléctrica.
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En un sistema fotovoltaico los componentes como: el panel solar, controlador, batería e inversor determinan la disponibilidad de energía en este sistema. Por lo tanto, estos componentes deben ser adecuadamente seleccionados de acuerdo a sus capacidades y tipos de onda, uno de los componentes más críticos del sistema fotovoltaico es el acumulador de energía (batería) y su vida útil está en función al tipo de controlador de carga y asimismo a la descarga que son sometidos.
Sobre las energías renovables se tiene autores que plantean que estas energías limpias es una gran alternativa para su utilización, y es así que; García (2005), menciona que la gran potencialidad energética solar que se posee en el país debe ser aprovechado para generar energía eléctrica para las zonas rurales, esto debido a que el Perú se encuentra cerca de la línea ecuatorial en donde la radiación solar es alta. Por su parte, Hugel (2009, p.4), establece que el funcionamiento de una batería es afectado con el tiempo de utilización, además, la perdida de agua y sulfatación ocasionada por la elevación de temperatura debido a las sobrecargas, producen fallos prematuros, además menciona que según el tipo y la marca estas baterías soportan una cierta cantidad de cargas y descargas.
Por su parte Horn (2007) menciona que “en un sistema fotovoltaico cualquier tipo de batería puede ser utilizado para la acumulación de energía, que la diferencia está en el costo del kWh producido, siendo la vida útil de 2.5 – 6 años”
Perpiñan (2013) sustenta que los acumuladores utilizados en los SFA son generalmente de la tecnología ácido-plomo, en donde durante la descarga los electrodos que poseen, transforman la materia activa en sulfato de plomo y agua, este proceso ocasiona la disminución del electrolito, además las descargas repetidas ocasiona la perdida de material activo y repercutiendo en la degradación de las placas, también las descargas rápidas le afecta negativamente y si la batería permanece descargada mucho tiempo se cristalizara el sulfato y no es recuperable.
Del mismo modo Díaz (2003), en la tesis titulado “Confiabilidad de los Sistemas Fotovoltaicos Autónomos” menciona que en un sistema fotovoltaico la fiabilidad de los elementos que lo constituyen y su integración conjunta no es satisfactoria
con la excepción del panel solar, también en el estudio se profundiza la calidad técnica de las baterías y reguladores de carga, asimismo se evalúa de qué manera influyen en la producción y suministro de energía eléctrica, para lo cual se ensaya el estudio con 18 baterías y 30 reguladores.
Las instituciones educativas como las universidades e institutos tecnológicos no están ajenas a la investigación y descubrimiento de nuevas fuentes de energía como son las energías renovables. El SENATI como parte de la enseñanza que ofrece posee en sus instalaciones generadores eólicos y fotovoltaicos, esto para conocer su funcionamiento y su utilización, también analizar sus comportamientos y comprender cada vez más de estas energías, asimismo promover su utilización, esto generalmente en zonas rurales donde no se tenga acceso a la energía eléctrica convencional.
El presente estudio se ejecutó utilizando los componentes de uno de los sistemas fotovoltaicos ubicados en la edificación del SENATI del distrito del Tambo y provincia de Huancayo. En la institución se cuentan con módulos fotovoltaicos que son parte de la implementación de la institución que son utilizados para la enseñanza de los alumnos sobre las energías renovables y el aprovechamiento de la alta radiación solar que se tiene en la zona.
Estos paneles fotovoltaicos se tienen instalados en diversos módulos de enseñanza como son: el accionamiento de electrobombas, el carrito solar, para iluminación de panel publicitario y para la iluminación de un laboratorio de electrónica y laboratorio de electricidad, pero este último no funciona adecuadamente ya que la duración oscila de uno a dos horas como máximo, esto debido a que posiblemente no se dimensiono o eligió adecuadamente los componentes que intervienen en este sistema fotovoltaico, actualmente están instalados cuatro paneles de 100w c/u, un controlador de 30A, dos baterías tipo gel de 100 Ah c/u, un inversor de 800w de onda senoidal-modificada y doce fluorescentes tipo led de 16w.
Con el sistema fotovoltaico la disponibilidad de energía, utilizado para la iluminación del laboratorio de electrónica es aproximadamente de 2 horas y en esta investigación se evaluará los componentes para obtener mayor disponibilidad de energía. “La disponibilidad es una medida relevante y útil en los
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casos en que el usuario debe tomar decisiones para elegir un equipo entre varias alternativas”. (Mora, 2009)
Para esta investigación se diseñó un sistema fotovoltaico como módulo de prueba, intercambiando los distintos componentes que intervienen y poder lecturar o medir la producción de energía eléctrica y de esta forma poder determinar la mejor combinación y lograr la mayor disponibilidad de energía eléctrica que es utilizada en iluminación. En el estudio se evaluó el sistema fotovoltaico y la interrelación entre los componentes que lo conforman, el componente crítico en este sistema es el acumulador de energía (batería) y el regulador que controla la carga y el inversor, por lo que se hace necesario su evaluación y análisis de la capacidad de acumular y proporcionar energía a las cargas en el momento en que se requiera.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En base a los fundamentos mencionados, se estableció la siguiente interrogante:
¿Cómo realizar la evaluación de componentes de un sistema fotovoltaico para obtener mayor disponibilidad de energía eléctrica en SENATI- Huancayo?
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo general
Realizar la evaluación adecuada de componentes del sistema fotovoltaico para obtener mayor disponibilidad de energía eléctrica utilizada en iluminación de ambientes en el Centro de Formación Profesional del SENATI-Huancayo.
1.3.2 Objetivos específicos
Dimensionar los componentes que intervienen en el sistema fotovoltaico para determina su funcionamiento de cada uno de ellos. Esto debido a que la instalación existente no permite intercambio de componentes.
Realizar el montaje del sistema fotovoltaico que es utilizado como prototipo para su evaluación y análisis.
Realizar mediciones horarias para tomar datos de cada combinación de componentes del sistema fotovoltaico, esto durante 40 días soleados.
Evaluar los resultados para determinar cuál es la combinación que permita mayor disponibilidad de energía del SFV.
1.4 JUSTIFICACION E IMPORTANCIA 1.4.1 Logros alcanzados
En este trabajo de investigación se ha logrado determinar la mayor disponibilidad de energía del sistema fotovoltaico, variando el tipo de controlador, batería e inversor, presentando de esta manera una alternativa en la utilización de controladores, baterías e inversores para la mayor disponibilidad de energía del SFV.
1.4.2 Beneficios
Permitió evaluar los sistemas de control, almacenamiento y conversión de energía que puede ser aplicables en lugares donde se tenga necesidad de instalar y utilizar sistemas fotovoltaicos, asimismo seleccionar el controlador, acumulador y convertidor DC/AC que cumplan esta función en forma satisfactoria.
En base a esta experimentación se identificó la elección adecuada del controlador, acumulador y conversor que está relacionada directamente con la disponibilidad de energía eléctrica.
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Capítulo 2:
BASES TEÓRICAS
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Habiendo revisado y evaluado diversas investigaciones relacionados a las variables del presente estudio, se presenta como antecedentes los siguientes:
En la Universidad del Centro del Perú se tiene registrada la tesis de grado:
“Optimización del Sistema Solar Fotovoltaico para la Generación de Energía Eléctrica” siendo el autor Clemente (2014), en cuyo trabajo de investigación realiza la descripción de los componentes que involucran a un Sistema Fotovoltaico, para luego optimizar la posición de la estructura del sistema solar fotovoltaico, utilizando un diseño del tipo factorial con ocho combinaciones para lo cual controla tres variables como son la elevación, el acimut del panel, y la ubicación del controlador de carga, esto trabajando con dos niveles. Todo ello fue realizado con fines de generación eléctrica para las viviendas aisladas de las comunidades constituidas en los distritos de Yanacancha, esto perteneciente al departamento de Junín. Esta tesis permite que la presente investigación también se realice del tipo factorial con ocho combinaciones controlando tres variables como son: el controlador, la batería y el inversor, los cuales tuvieron dos niveles.
Asimismo se tiene a Salazar (2017) en su tesis titulada: “Diseño de un Sistema Fotovoltaico Autónomo para Abastecimiento Eficiente de Energía” en dicho trabajo menciona que, para ser eficiente un sistema fotovoltaico se debe elegir los componentes adecuados y un correcto modo de operación para lo cual se construyó un prototipo tomando datos por 30 días y para su experimentación compara su diseño con el diseño del Ministerio de Energía y Minas, demostrando un sistema de generación fotovoltaica eficiente para el sector rural.
También en la Universidad Nacional del Callao – Perú se encuentra registrada la tesis: “Energía Solar Fotovoltaico en el distrito de Orcotuna - Región Junín”, cuyo autor es Tacsa (2011) en cuyo estudio de investigación analiza la importancia de generar electricidad utilizando la energía solar, en donde menciona que “la luz solar al incidir sobre el panel fotovoltaico es transformada en energía eléctrica de corriente directa y es conducida hasta un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar esta energía hasta el banco de baterías, y para utilizarla es convertida en corriente alterna”. Además, dentro de sus conclusiones menciona que el mantenimiento que se requiere es básicamente controlar el nivel del electrolito de la batería y agregarle agua destilada cada vez que requiera. La batería del tipo estacionario tiene una durabilidad aproximada de 10 a 15 años, pero la duración de los paneles fotovoltaicos es hasta los 25 años. Al utilizar una fuente de energía renovable (la radiación solar), se entiende que a la escala temporal humana es inagotable, siendo lo contrario con las fuentes de energía del tipo convencional que está en función de un recurso que es limitado (petróleo, carbón, gas natural, etc.).
Por otro lado, Cristin (2004), en su tesis de maestría titulada “Determinación del Estado de Carga de Baterías Plomo-Ácido Utilizando Redes Neuronales”, en el Centro de Investigación CENIDET de Cuernavaca; menciona que la utilización de paneles fotovoltaicos es viable para generar electricidad para lugares alejados y también poder garantizar sistemas de alta disponibilidad. La energía no utilizada durante el día se almacenan en baterías de plomo-acido (BPA), para que estas baterías funcionen en forma óptima se utilizan controladores de carga que evitan la sobrecarga y descarga fuera de los valores establecidos, para las pruebas y simulación del estado de carga de las baterías se ha implementado el controlador de carga con un microcontrolador en donde como señales de entrada utiliza; la tensión, temperatura, y el estado de carga anterior de la batería, como conclusión menciona que para el control del estado de carga de las baterías es mejor la utilización de redes neuronales en comparación a la técnica de conteo de amperes.
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Castro (2009) en su tesis de doctorado titulada “Análisis del Comportamiento de la Batería Utilizada en Pequeños Sistemas Fotovoltaicos”, en la Universidad del Estado Paulista “Julio de Mesquita Filho” realiza el estudio del almacenamiento de energía eléctrica en baterías de plomo generado por una instalación fotovoltaica utilizando dos sistemas; el sistema convencional fijo y otro de posicionamiento automático con respecto al sol, plantea las curvas de carga, descarga, capacidad de la batería, determina la tasa de tiempo, la reacción de la autodescarga y otras evaluaciones que permita mayor duración de las baterías. Para esto utiliza datos de tensión, corriente, potencia, energía y como herramienta de modelamiento, circuitos equivalentes haciendo la simulación del comportamiento de la batería en situaciones de carga y descarga, para luego determinar la configuración que permite la operación de la batería en condiciones más favorables, asimismo el resultado obtenido indica que la batería conectada al sistema móvil proporciona 36% más de energía que el sistema fijo.
Guasch (2003) en su tesis de doctorado titulada “Modelado y Análisis de Sistemas Fotovoltaicos”, en la Universidad Politécnica de Catalunya; menciona que la obtención del nuevo modelo de batería orientado hacia sistemas dinámicos, para el análisis de batería toma como modelo un circuito eléctrico equivalente, considerando el concepto de nivel de energía. Además de la batería, plantea modelos de paneles fotovoltaicos, reguladores de carga e inversores, al obtener los modelos, estos se integran a un banco de librerías de Matlab/Simulink, asimismo a través de ensayos empíricos se contrastó el comportamiento de forma sistemática realizado en un laboratorio de sistemas fotovoltaicos. En esta investigación se utilizó un sensor, que mediante un divisor de corriente minimiza interferencias, con el conocimiento sobre la correlación entre impedancia, tensión, corriente, temperatura, nivel de energía y estado de salud que aporta al nuevo modelo, permitió determinar el nivel de energía y estado de salud de las baterías gracias a la utilización de un sensor de precisión para aumentar la confiabilidad de las instalaciones y con la posibilidad de mejorar el diseño de nuevas instalaciones fotovoltaicas.
Banda (2017) en su tesis que lleva por título “Estudio de viabilidad técnica y económica de un sistema fotovoltaico autónomo en las instalaciones de la USCP” realizada en la Universidad Católica San Pablo de Arequipa, este estudio es para energizar con un sistema fotovoltaico 24 dispositivos (laptops, celulares y tablets) y 6 luminarias LED para este estudio considera 7 horas de radiación solar. Menciona que se determinaron un 20.67%, como perdidas por temperatura, orientación e inclinación en el generador y una eficiencia mínima de 74.35% desde el controlador hacia las cargas, es decir se tiene un 25.65%
de perdidas (batería, controlador e inversor) pero se determinó que la eficiencia desde los paneles hacia las cargas es de 58.978%. Llega a la conclusión que, en la ciudad de Arequipa la implementación de un sistema fotovoltaico de tipo autónomo es viable técnicamente, pero no económicamente aun sabiendo que en esta región el potencial energético solar es mayor.
Pulgarin (2014) en su tesis de maestría titulada “Potencial de generación eléctrica con sistemas híbridos fotovoltaico-eólico en zonas no interconectados”, realizada en la Universidad Pontificia Bolivariana, menciona según el procedimiento planteado en el modelo de cálculo, en la primera etapa se realiza la simulación del sistema, con un tamaño de batería mínimo necesario esto para cumplir con los días de autonomía necesarios además con la profundidad de descarga permitida. Se considera a la probabilidad de que las baterías dimensionadas en el primer período estén sub dimensionadas afectando que una buena cantidad de la energía que se produce no sea almacenada, por eso es necesario hacer un proceso iterativo de revisión de resultados para encontrar la capacidad óptima de almacenamiento. Asimismo, se observa el porcentaje de carga del banco de baterías (SOC) y el desperdicio energético, esto se debe a que el banco de baterías está diseñado con base en la demanda energética, no en el potencial de generación que tiene el proyecto.
También plantea que el aumento de la temperatura ocasiona la disminución del voltaje de salida de los paneles, esto se verifica con el modelo de cálculo planteado. Propone hacer un análisis puntual y detallado de los proyectos de generación hibrida, teniendo en valor la situación presente y la capacidad de expansión de la demanda energética, de la capacidad de
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generación y de almacenamiento para llegar a un banco de baterías optimo debido a que el costo del sistema de baterías puede convertir inviable un proyecto teniendo en cuenta que este debe ser cambiado 3 o 4 veces durante la vida útil del sistema.
Piriz (2013) en su tesis de maestría “Energía solar térmica y fotovoltaica aislada para pequeñas comunidades en Perú”, el estudio se realizó en un prototipo diseñado dentro de la universidad nacional agraria la molina, considerando la instalación de paneles fotovoltaicos para la iluminación y de un equipo para la calefacción de agua. Para lo cual se han realizado mediciones para valorar la eficiencia y rendimiento de los equipos así como el análisis económico y financiero para evaluar la viabilidad económica, este trabajo de investigación realizado fue en 12 días de medición, en el periodo de tiempo de las 11:00 hasta las 14:00, se determinó la potencia solar en el día 1 y de la misma manera para cada uno de los 11 días restantes, se sacó un gráfico general de potencia y energía, comparando la originada por el sol con la generada por el módulo FV, asimismo se observa la energía del módulo con todas las cargas y sin ellas, lo que se entiende que las cargas consumen el 30 % de la energía originada y permitiendo la autonomía de los 3 días que se plantea o asimismo poder reducir la autonomía e incrementar el consumo.
2.2 BASES TEÓRICAS 2.2.1 ENERGIA SOLAR
El sol es una estrella cercana a la tierra y que la temperatura en su núcleo es de 15 millones de grados Celsius y al llegar cerca a la atmosfera la temperatura es aproximada de 5770ºC, esta energía que nos envía el sol es de origen nuclear, debido a que en su interior se producen reacciones de fusión nuclear, esta estrella ilumina hace 4600 millones de años y se cree que seguirá existiendo un periodo similar, por lo tanto, se considera como una fuente inagotable. (Mazón, 1993, p.23)
Anualmente el sol incide en el planeta tierra una energía de 1.559.280 TWh, lo cual es aproximadamente 15.000 veces más de energía que la consumida en todo el planeta en ese mismo tiempo, pero esta energía del sol que irradia al
espacio solamente una ínfima porción llega a la tierra. (Carta, Calero, Colmenar y Castro, 2009, p.27)
Figura 2.1: Distribución de la energía solar incidente en la tierra Fuente: Carta, Calero, Colmenar y Castro ( 2009) 2.2.2 RADIACION SOLAR.
La radiación solar viene a ser la potencia radiante que incide en la superficie de un determinado plano, y su unidad esta dado en W/m², se tiene la radiación directa, que llega en forma lineal a una superficie, la radiación difusa que llega en forma indirecta que puede ser por efecto de las nubes y la radiación reflejada que puede ser procedente por el reflejo de la radiación solar en la superficie y otros objetos. (Enseñat, Martinez y Ahedo, 2007, p.11)
La radiación electromagnética de la energía producida por el sol que se desplaza a través del espacio, una parte de esta energía a la atmosfera llega, de esta energía una parte es absorbida por la atmosfera y el suelo, a su vez esta es reflejada por el suelo al espacio, entonces a la superficie terrestre llega por lo menos la mitad de esta radiación solar, siendo esta parte utilizable con fines energéticos en nuestro planeta. (Schallenberg, Gonzalo y Hernandez, 2008, p.50)
Gasquet (2004) indica que “la insolación es la cantidad completa de radiación solar (directa y reflejada) que es captado en un punto determinado del planeta, sobre una superficie de 1 m2, con ángulo de inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar”, para realizar una medición de insolación diaria los datos son tomados utilizando colectores fijos, a distintos ángulos de inclinación con respecto a la horizontal, asimismo para seguir la trayectoria del
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sol son utilizados colectores con movimiento automático. La emisión de datos para diferentes países del mundo sobre la insolación media para un plano horizontal es realizada por el centro de estudios de la energía solar (CENSOLAR), y como unidad de medida utiliza el Kilowat-hora por metro cuadrado, (kWH/
m2).
La energía que recibe la tierra proveniente del sol es en forma de radiación electromagnética, lo cual está constituida básicamente por luz y calor, durante el día la irradiancia recibida en un captador varía a cada instante, los valores mínimos se registran en el amanecer y atardecer; además menciona que “la insolación, es el valor acumulado de la irradiancia en un tiempo dado y su unidad esta dado en Watts-hora por metro cuadrado (WH/m²)”, se deduce que la energía recibida en un lapso de una hora conocida como pico solar, viene a ser una irradiancia promedio de 1.000 W/m², por lo tanto un sistema fotovoltaico produce energía eléctrica en función a la insolación que recibe.(Romero, 2001, p.16)
Figura 2.2: Grafico de insolación Fuente: (Romero, 2001)
Angulo Solar: Es la ubicación de la radiación solar con relación a la tierra, realizando la tierra un giro sobre su eje cada 24 horas, completando una revolución entorno del sol en un período aproximado de 365,25 días, el giro que realiza es de forma elíptica, siendo la distancia Sol-Tierra, R, en el perihelio (distancia más corta, enero 3) y afelio (larga distancia, julio 4) y está dada por: R = ɑ(1±e)
Donde α= es la distancia media del sol a la tierra=149.5985x106km.
El signo en la ecuación, es la distancia del sol a la tierra cuando la tierra está en la posición de afelio y el signo menos para la posición de perihelio.
(Kalogirou, 2009)
Figura 2.3: Movimiento anual alrededor de la tierra Fuente: (Kalogirou, 2009)
2.2.3 Energía Solar Fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica se fundamenta en la utilización de células solares o fotovoltaicas, están elaboradas con materiales semiconductores cristalinos que, por efecto fotovoltaico, originan corriente eléctrica en el tiempo en que se aproximan a los mismos, generalmente el material más utilizado para la fabricación de estos paneles es el silicio. El sol emite radiación en todas las direcciones y una parte es obstruida por la tierra, de tal manera que puede definirse una magnitud llamada constante solar, que viene a ser la energía por unidad de tiempo y la unidad de superficie perpendicular a la trayectoria de dispersión de esta radiación, asimismo indica que “para la distancia media entre el sol y la tierra el valor de la constante puede estimarse tomando al sol como un cuerpo oscuro a una temperatura de 5.762 º K; obteniéndose así un valor de la constante solar de 1.359 W/m2”. (Carta et al., 2009, p.236)
“El cambio de la radiación del sol en energía eléctrica es mediante un elemento denominado célula fotovoltaica y el proceso que realiza esta transformación se denomina efecto fotovoltaico, que produce cuando la radiación solar incide sobre un material semiconductor”. (Pareja, 2010, p.12)
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Figura 2.4: Célula fotovoltaica Fuente: (ingemecanica.com/tutorial-192)
Sala (2002) menciona que la energía solar fotovoltaica es una tecnología en el cual se utilizan semiconductores para generar corriente continua, esto es cuando son iluminados por un haz de fotones, actualmente se tienen en la tierra y en el espacio células fotovoltaicas que siguen generando desde hace 30 años. Esta energía es limpia, pero la desventaja que tiene es de difícil almacenamiento, debe ser adecuadamente diseñado para mejorar su fiabilidad. En la figura siguiente se identifica las ventajas e inconvenientes de este sistema.
Figura 2.5: Ventajas y desventajas de un sistema fotovoltaico Fuente: (Sala Pano, 2002)
Sistema Fotovoltaico Aislado
Se conoce como sistema auto-abastecedor a un sistema fotovoltaico autónomo o aislado, porque se beneficia de la irradiación solar para generar energía eléctrica necesaria para el abastecimiento de una instalación, por ejemplo; vivienda, pozo, telecomunicación, sistema de riego. (Pareja, 2010)
Figura 2.6: Sistema básico de una instalación fotovoltaica aislada para electrificación vivienda
Fuente: (Pareja Aparicio, 2010)
2.2.4 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Panel solar:
Tiene como función principal proporcionar energía eléctrica a la instalación, por medio de la irradiación solar, aprovechando el efecto fotoeléctrico. Estos paneles fotovoltaicos en su constitución poseen células solares que permiten generar valores de corriente y tensión muy pequeños, por lo tanto, para aumentar el voltaje y la intensidad se interconectan varias células constituyendo una única estructura.
La fabricación de células solares o fotovoltaicas son realizadas con materiales semiconductores cristalinos, que producen corriente eléctrica por efecto fotovoltaico, esto cuando la radiación solar incide sobre estos, su valor típico es de decenas de miliamperios (10 mA - 35 mA) por cada centímetro cuadrado, siendo su máxima tensión en las células de Si del orden de 0,6 V mientras que en las de GaAs es de 1V. (Carta et al., 2009, p.272)
19 Tipos de paneles
Figura 2.7: Modulo fotovoltaico Fuente: (ingemecanica.com/tutorial-p.192)
Las células solares, o células fotovoltaicas, más utilizadas son las compuestas por la conexión P-N y fabricadas con silicio (Pareja, 2010, p.11). La fabricación de estas células es mediante la cristalización de silicio, y se tienen tres tipos principales que son los siguientes:
• Monocristalino: una estructura cristalina completamente ordenada posee internamente, su fabricación es de silicio puro fundido y tiene un dopaje de material de boro. La monocromía azulada oscura y metálica que presenta lo diferencia de los otros tipos de paneles (fig. 2.8).
Figura 2.8: Panel solar de silicio monocristalino Fuente: (Pareja Aparicio, 2010)
• Policristalino: tiene una estructura ordenada y separada por
regiones, la disminución del rendimiento se debe a que posee zonas irregulares, estos paneles se fabrican de la misma forma que el monocristalino, pero con menos fases de cristalización, se diferencian debido a que se puede identificar en su superficie diferentes tonos de azules y grises metálicos (ver figura 2.9).
Figura 2.9: Panel solar de silicio policristalino Fuente: (Pareja Aparicio, 2010)
• Amorfo: internamente contiene un alto grado de desorden, presentando un gran número de defectos estructurales en su combinación química, además es menos costoso el proceso de fabricación en comparación a los anteriores (se deposita en forma de lámina delgada sobre vidrio o plástico), se identifica por un color homogéneo que posee. (Pareja, 2010)
Figura 2.10: Capa fina (Amorfo) Fuente: https://www.damiasolar.com 2.2.5 Regulador de carga
Es un equipo electrónico que en una instalación fotovoltaica tiene dos funciones
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principales que es la de proteger la batería y tratar de obtener en cada momento la máxima potencia de los módulos fotovoltaicos. La función del regulador de tensión es la de controlar la carga de la batería e interrumpir la conexión con los paneles si la carga está completa y de forma inversa cuando su carga desciende por debajo de un cierto umbral, en el caso de una descarga profunda interrumpe la conexión con la red de consumo, previniendo el daño del acumulador. (Solar Energia, 2016)
Figura 2.11: Regulador de carga de batería.
Fuente: autosolar.es/reguladores de carga.
Cuando se alcanzan determinados umbrales regularmente definidos por la tensión en bornes de la batería un regulador de carga es el que evita la sobrecarga y la descarga excesiva de la batería. El regulador desconectará al panel de la batería (regulador serie) o puede derivar la corriente del generador hacia otro lugar, puede ser a un disipador (regulador shunt o paralelo), esto para proteger frente a la sobrecarga, esta última opción posee un diodo de bloqueo entre la batería y el panel y así evitar descargas de ésta sobre el camino alternativo que ofrece el regulador. (Perpiñan, 2013)
Figura 2.12: Esquema eléctrico de un regulador de carga.
Fuente: (Perpiñan Lamingueiro, 2013)
La desconexión por sobrecarga de la batería de los equipos de consumo ejecuta el regulador cuando la tensión alcanza el umbral que es definido por
Usd. Posteriormente la batería será sometida a un proceso de carga por el generador fotovoltaico, subiendo la tensión a partir de esta desconexión.
Cuando ésta alcance el valor de reconexión definida por Urd, conecta de nuevo la batería a los equipos de consumo. La desconexión de voltaje de la batería debe ser el adecuado en la práctica, esto para permitir obtener la máxima energía utilizable acumulada (valores bajos de desconexión que maximizan la disponibilidad de energía), y para la protección de la batería y otros componentes del sistema (para alejar el riesgo de sobredescarga valores altos de desconexión). (Perpiñan, 2013)
(a) Carga (b) Descarga
Figura 2.13: Histéresis de protección frente a sobrecarga y sobredescarga en un regulador.
Fuente: (Perpiñan Lamingueiro, 2013) 2.2.6 Acumulador electroquímico (batería)
La batería conocido también como acumulador electroquímico es el que almacena energía eléctrica mediante una transformación en energía electroquímica, esta batería al sistema fotovoltaico el que permite dar autonomía, independientemente de la generación, satisfaciendo en cualquier momento los requerimientos de consumo, contribuyendo al buen desempeño del sistema para lo cual aporta picos de intensidad superiores a los que proporciona el generador FV y estabilizar la tensión del sistema, evitando fluctuaciones dañinas en los equipos de consumo, los acumuladores que se emplean en los SFA se basan, en su mayoría en la tecnología de ácido- plomo . (Perpiñan, 2013)
Definiciones
Se considera las siguientes definiciones previas para comprender el desarrollo de este apartado:
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Capacidad nominal (Cb) es la carga eléctrica que puede ser extraída de una batería hasta llegar a la descarga total.
Estado de carga (SoC), se refiere a la capacidad de una batería parcialmente cargada, fragmentada por su capacidad nominal, y su valor será 0 < SoC < 1.
Máxima Profundidad de Descarga: Está definido como el nivel máximo de descarga que debe tener la batería antes de la desconexión del regulador, para resguardar la duración de la misma. En baterías de plomo-ácido estacionarias es de 0.7v. un valor conveniente de este parámetro.
Eficiencia energética: Viene a ser la ratio entre la energía extraída durante la descarga y la energía requerida para restablecer el estado inicial. (Perpiñan, 2013, p.94)
Figura 2.14: Estado de carga y profundidad de descarga de batería.
Fuente: (Foster, 2010)
Carga de batería, el electrolito en una batería cargada tiene mayor peso en comparación que un electrolito de una batería descargada. En peso, el electrolito en una carga completa de la batería es de aproximadamente 36% de ácido y 64% de agua. El agua tiene un peso específico de 1.000, pero el ácido es 1.835 veces más pesado que el agua. La mezcla electrolítica de agua y ácido tiene una gravedad específica de 1.270, que generalmente se indica como "doce y setenta". (Sullivan, 2015)
Figura 2.15: Contenido proporcional de electrolito de una batería.
Fuente: (Sullivan, 2015)
Relación de Tensión con carga, la tensión medida en circuito abierto de una batería, está relacionado con el porcentaje de carga, una vez realizado la carga se debe desconectar y luego de algunos minutos hacer la medición, en donde la batería debe medir igual o mayor a 12,4v si la batería mide 12,3 voltios o menor a esta necesita proceder a su carga. (Sullivan, 2015)
% of charge 12.6v = 100%
12.4v = 75%
12.2v = 50%
12.0v = 25%
11.9v = 0%
Figura 2.16: Tensión con respecto a porcentaje de carga de batería.
Fuente: (Sullivan, 2015) Tasa de carga en baterías tipo GEL
Una batería de celda de gel requiere un tiempo de carga más corto el siguiente son valores recomendados.
Voltaje: 13.8 a 15.0 voltios Corriente: 10 amperios máximo Tiempo: 8 horas máximo.
En las baterías tipo GEL la sobrecarga puede hacer que las válvulas de seguridad se abran y los gases de la batería ocasionan un fallo prematuro.
(Sullivan, 2015, p.25)
Efecto en la capacidad de descarga rápida, La capacidad de la una batería
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depende de la velocidad de descarga. Cuanto más rápida sea, será menor la capacidad disponible en Ah. Normalmente, la capacidad nominal se cita por una etapa de descarga de 20 horas (corriente de descarga I = C / 20). En la segunda columna de la siguiente tabla se observa la capacidad nominal citada por el fabricante con el tiempo de descarga asociado. A menudo esto es de 20 horas, pero también puede ser de 10 horas o 5 horas. También se puede observar que en las baterías AGM, la capacidad cae abruptamente con el aumento de la corriente de descarga (especialmente la batería de placa cilíndrica) funcionan mejor que las baterías de gel bajo corrientes de alta descarga. (Vader, 2011)
Tabla 2.1: Capacidad en función a la corriente
Fuente: (Vader, 2011).
Capacidad y temperatura, la capacidad efectiva de una batería varía en proporción inversa a la temperatura:
Tabla 2.2: Temperatura con respecto a capacidad
Temperatura - 10°C 10°C 15°C 20°C 25°C 30°C
Capacidad 80 % 92 % 95 % 100 % 103 % 105 %
Fuente: (Vader, 2011).
“Al incrementarse la temperatura cada 10°C, se reduce la mitad el tiempo de vida de la batería. Pero por cada 10°C que se reduce la temperatura, la capacidad de la capacidad se reduce en 10%”. (Foster, 2010)
Modelo eléctrico, un acumulador o batería de ácido-plomo puede ser modelada por dos parámetros como es una fuente de tensión VBI, conectada
en serie con una resistencia RBI, estos dos están relacionados con el electrolito, es decir su densidad y temperatura. “Un incremento en la concentración del ácido provoca un aumento en VBI y una disminución en RBI, ya que las reacciones se producen más fácilmente. Por el contrario, con la disminución de la densidad VBI disminuye y RBI aumenta”. En el proceso de carga la que rige la tensión de salida de la batería viene a ser la siguiente ecuación. (Perpiñan, 2013) VB = VBI + IC.RBI
Figura 2.17: Modelo eléctrico de batería Fuente: ((Perpiñan, 2013)
“Durante la descarga, la tensión VBI disminuye y la resistencia RBI aumenta, de forma que la tensión en bornes de la batería, VB, disminuye durante el proceso”. Este comportamiento se visualiza en el siguiente gráfico, en donde la tensión de la batería en bornes evoluciona de forma lineal durante todo el proceso, pero al acercarse a la descarga total decrece abruptamente.
(Perpiñan, 2013)
2.0
1.5
1.0
0.4 0.6 0.8 1.0
Profundidad de descarga (PD)
Figura 2.18: Relación entre la tensión y la profundidad de descarga de una batería Fuente: (Perpiñan, 2013)
Tensión de descarga (V)
27 Ciclado. Mecanismos de degradación
Se denomina ciclado cuando la batería es sometida a un proceso continuo de cargas y descargas, este proceso según sus características tendrá unas consecuencias determinadas sobre la vida de la batería. Los principales mecanismos de degradación asociados al ciclado son la disminución de material activo y la estratificación, estos dos son ocasionados por las descargas repetidas. “Cuando se inicia una carga, la densidad de corriente en la zona inferior de las rejillas será superior dado que la mayor densidad de electrolito es sinónimo de menor resistencia eléctrica (RBI)”. (Perpiñan, 2013, p.97)
Baterías de Ciclo Profundo
En sistemas de iluminación la capacidad de las baterías, guardan cierta semejanza con las cargas aplicadas y también algunas suelen ser muy pequeñas al respecto de la capacidad de la batería. Se toma energía por debajo de la capacidad de la misma. Se tienen por ejemplo a una batería de 65 amperes, teniendo una carga que toma 3 amperes a lo largo de 10 horas, estas baterías que permiten ser descargadas en un 90 % son conocidas como de ciclo profundo. Se requiere alta corriente para el arranque de los vehículos entre 300 y 600 amperes en unos 3 a 5 segundos y es necesario que la batería pueda ceder esa energía en corto tiempo, para que luego la batería se recarga velozmente, a este proceso se le conoce como un ciclo corto.
(Cavasassi, 2009)
Días de Autonomía: Se refiere al sistema de acumulación que está en la capacidad de atender el consumo energético, en número de días sucesivos cuando no se tiene sol, pero sin sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la batería. Los días de autonomía, está en función del tipo de instalación y de las circunstancias climáticas del lugar. La capacidad de las baterías es la cantidad de energía que debe ser apto de acumular, para asegurar los días de autonomía. Además, cabe destacar la importancia de los periodos de autonomía cortos, esto porque prolongan la duración de las baterías y dan al sistema mayor fiabilidad. (Perpiñan, 2013)
Grados de Capacidad: La energía acumulada en la batería es expresada como el número de los amperes que se pueden conceder por concluido un
periodo de tiempo, determinado en minutos u horas, “los Amperes-hora miden la cantidad total de energía que una batería puede ceder, antes que la batería alcance 10,5 voltios” Una batería de 200 amperes-hora estará agotada cuando trabaja con un consumo de 10 amperes por 20 horas. Por ejemplo, “una batería de ciclo- profundo puede poseer un índice de minutos de reserva de 160, significando que funcionará con un consumo de 25-amp por 2 horas y 40 minutos”. (Cavasassi, 2009)
CAUSAS DE ENVEJECIMIENTO PREMATURO DE BATERIAS
a). – Descarga profunda de las baterías, cuanto más profunda es la descarga de una batería, más rápido se envejecerá debido al desprendimiento de las placas al sulfatarse. Además, si la batería se deja descargada, las placas comenzarán a sulfatarse, una batería envejece incluso cuando se mantiene cargada y no se utiliza, esto debido a la oxidación de la rejilla de placa positiva. “Una batería es considerada que ha llegado al final de su vida útil cuando la capacidad se ha reducido al 80% de su capacidad nominal”.
(Vader, 2011, p.17)
Tabla 2.3: Numero de ciclos carga/descarga
Fuente: (Vader, 2011).
Si bien la mayoría de las baterías se recuperarán de una descarga completa, no obstante, es muy perjudicial para su vida útil. Las baterías nunca deben ser totalmente descargadas, y ciertamente no se dejan en estado descargado.
También debe observarse aquí que el voltaje de una batería que está en uso no es una buena medida para su nivel de descarga. “La tensión de la batería
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caerá rápidamente cuando esté casi completamente descargada (DoD 80% a 90%)”. (Vader, 2011, p.17)
b). - Carga demasiado rápida, las baterías se pueden cargar rápidamente, y absorberán una corriente de carga alta hasta que el voltaje de gasificación sea el máximo. Si bien la carga con una corriente tan alta podría funcionar bien varias veces, pero esto acortará la vida útil de la mayoría de las baterías, esto se debe a la pérdida acelerada de cohesión del material activo, lo que da como resultado el desprendimiento. Por lo general, es recomendable mantener la corriente de carga a un máximo de C/5, es decir, un quinto o un 20% de la capacidad nominal. “Cuando la batería está cargada a corrientes superiores de C/5, su temperatura puede aumentar abruptamente afectando negativamente a la batería”. (Vader, 2011, p.17)
c). - Carga insuficiente, se producirá la sulfatación cuando una batería se deja en estado completamente descargado, asimismo cuando una batería es parcialmente descargada. Por consiguiente, se recomienda no dejar nunca una batería de más del 50% descargada y regularmente se debe recargar al 100%
por ejemplo, cada 30 días. “Junto con una descarga demasiado profunda, y una carga no completa es la principal causa de envejecimiento prematuro de una batería”. (Vader, 2011, p.18)
d). - Sobrecarga, también una de las causas de la reducción de la duración de una batería es la sobrecarga al producirse un gaseo excesivo y por consiguiente la pérdida de agua. En la pérdida de agua en baterías inundadas a través de gaseo excesivo puede simplemente ser repuesto (sin embargo, se produce la corrosión acelerada de las placas positivas). Sin embargo, en baterías, selladas en la que el gas en exceso no puede ser repuesto, son mucho más susceptibles a la sobrecarga. (Vader, 2011, p.18)
e). - Temperatura, la temperatura de una batería puede variar por diversos motivos, uno de ellos puede ser afectado por la ubicación de la batería, una temperatura de trabajo regularmente alta provoca un envejecimiento acelerado. “Los fabricantes de baterías detallan la vida útil a 20 °C de temperatura ambiente”. (Vader, 2011, p.18)
Tabla 2.4: Vida útil de baterías a diferentes temperaturas
Fuente: (Vader, 2011, p.19)
f).- Autodescarga, una batería en reposo pierde capacidad como consecuencia de la autodescarga. La tasa de autodescarga depende del tipo de batería y temperatura.
Tabla 2.5: Autodescarga de una batería
Fuente: (Vader, 2011, p.19)
Cuando no estén en uso, las baterías de plomo-antimonio abiertas deben ser recargadas cada 3 a 4 meses como máximo. “Las baterías selladas pueden dejarse sin recarga por un período de 6 a 8 meses, pero cuando la batería no está en uso durante un largo período de tiempo, se debe desconectar del sistema eléctrico”. (Vader, 2011, p.19)
Para la elección del tipo de batería, “se debe tener en consideración no sólo criterios meramente técnicos sino también aspectos del costo del sistema, recursos de mantenimiento durante la vida del sistema, y asimismo la disponibilidad de reposición en el mercado local”. (Perpiñan, 2013, p.101)
31 2.2.7 Inversores o conversores DC/AC
Es un equipo electrónico que permite proporcionar la energía generada similar a la red comercial. Tiene por función principal convertir la corriente continua producida por el generador fotovoltaico en corriente alterna con características establecidas por la red, es decir a una frecuencia de 60 Hz y una tensión de 220 voltios. “En el mercado se tienen diferentes tipos de inversores, y se recomienda escoger en función del tamaño de la instalación o del consumo”.
(Schallenberg, et al., 2008)
La potencia de referencia que toma el inversor viene a ser la potencia nominal del sistema y esta expresada en vatios (W). La sumatoria de las potencias de todos los módulos fotovoltaicos que constituyen una instalación se denomina potencia pico, y tiene como unidad el Wp (watt pico). “Generalmente la potencia del inversor debe ser entre un 10% y un 20% menor que la potencia pico de la instalación”. (Schallenberg, et al., 2008)
Se tiene inversores de un menor rendimiento constituidos por IGBT, pero generalmente la mayoría de inversores han de estar por encima del 90%, siendo para inversores de onda senoidal un 94% y en el caso de onda cuadrada un 60% de rendimiento. “El rendimiento del inversor varía dependiendo de la potencia que se genera, con inversores de nuevas tecnologías se puede alcanzar rendimientos del 85% al 10% de la carga nominal”. (Alonso, 2001, p.42)
Figura 2.19: Inversor senoidal.
Fuente: www.opalux.com.pe
Según Alonso (2001) los inversores pueden clasificarse por la forma de onda de la tensión de salida:
• De onda cuadrada.
• De onda modificada o quasi-senoidal.
• De onda senoidal (similar a la onda de la red eléctrica).
Inversores de onda cuadrada: estos inversores generalmente se basan en un
“chopeado” básico de la entrada de potencia en tensión continua. “Este tipo de onda posee un gran contenido de armónicos no deseados, es decir es bastante elevada la distorsión armónica total (THD), alrededor del 40%, siendo su rendimiento en torno del 50-60%”. (Alonso, 2001, p.39)
Inversores de onda senoidal modificada: la forma de la onda es modificada, posee dos escalones y se acerca en su forma a una onda senoidal. “Presentan una THD del 20% con rendimiento alrededor del 90%, generalmente son utilizados en electrificación rural para alimentar los electrodomésticos más habituales, ordenadores y diferentes equipos”. (Alonso, 2001, p.39)
Los inversores de onda senoidales: son inversores que poseen un buen filtrado de la señal generada, esto para obtener una senoidal perfecta, además no presenta ningú
