Universidad Nacional del Centro del Perú
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Generación eléctrica con sistemas fotovoltaicos para reducir el costo por consumo de energía eléctrica de la
Universidad Nacional del Centro del Perú
Vasquez Leon, Henry Esteban
Huancayo 2020
Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Repositorio Institucional - UNCP
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
“ GENERACIÓN ELÉCTRICA CON SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA REDUCIR EL COSTO POR CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
PERÚ ”
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE : INGENIERO ELECTRICISTA
Bch. VASQUEZ LEON HENRY ESTEBAN
HUANCAYO - PERÚ
2020
ii
Asesor
ING. ELVIS DAVID CONDEZO HURTADO
iii
Dedicatoria
La presente tesis desarrollado por mi persona con mucho trabajo, dedicación y entusiasmo se lo dedico a mi papá por ser mi guía en el desarrollo de mi educación.
A mi hermano por su apoyo incondicional en cada momento de mi vida.
A mi alma mater la Universidad
Nacional del Centro del Perú.
iv
Agradecimientos
A los docentes de la Facultad Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional del Centro del Perú, por transmitir sus enseñanzas y formarnos como futuros ingenieros.
Agradezco a mi asesor de tesis, el Ingeniero ELVIS DAVID CONDEZO HURTADO por todo su apoyo a lo largo del desarrollo de mí tesis.
Agradezco a los colaboradores del área de Mantenimiento de la Universidad Nacional del Centro del Perú por su apoyo incondicional en el desarrollo de la presente tesis.
Agradezco a cada uno de mis amigos por su apoyo moral brindado y a todos que han colaborado de alguna u otra manera y no han sido nombrados.
v
Índice
Asesor ... ii
Dedicatoria... iii
Agradecimientos ... iv
Índice ... v
Resumen ... xi
Abstract ... xii
Introducción ... xiii
Capítulo 1 Planteamiento del Problema ... 15
1.1 Tema de investigación ... 15
1.2 Planteamiento del problema ... 17
1.3 Formulación del problema de investigación. ... 18
1.3.1 Formulación del problema general de investigación... 18
1.3.2 Formulación del problema específico de investigación. ... 18
1.4 Objetivos de la investigación ... 19
1.4.1 Objetivo general de la investigación. ... 19
1.4.2 Objetivo específico de la investigación. ... 19
1.5 Formulación de variables. ... 19
1.5.1 Variable Dependiente: ... 19
1.5.2 Variable Independiente: ... 19
1.6 Justificación de la investigación ... 20
1.6.1 Justificación práctica. ... 20
1.6.2 Justificación social ... 20
1.7 Hipótesis. ... 21
vi
1.7.1 Hipótesis general. ... 21
1.7.2 Hipótesis específica. ... 21
1.8 Limitaciones de la Investigación ... 22
Capítulo 2 Marco teórico ... 23
2.1 Antecedentes: ... 23
2.1.1 Antecedente internacional. ... 23
2.1.2 Antecedente nacional. ... 24
2.2 Bases teóricas ... 25
2.2.1. Energía solar ... 25
2.2.2. Radiación solar ... 25
2.2.3 Sistemas fotovoltaicos. ... 26
2.2.3.1 Clasificación de los sistemas Fotovoltaicos ... 27
2.2.4 Módulos (paneles) fotovoltaicos ... 31
2.2.4.1 Célula Fotovoltaica ... 32
2.2.5 Inversor... 33
2.2.6 Energía Eléctrica ... 34
Capítulo 3 Metodología de la investigación ... 36
3.1 Tipo de investigación. ... 36
3.2 Nivel de investigación. ... 36
3.3 Método de investigación. ... 37
3.4 Población y Muestra de investigación. ... 37
3.5 Instrumentos de recopilación de datos ... 37
3.6 Procedimiento de recopilación de datos. ... 38
3.7 Procedimiento de análisis de datos. ... 38
Capítulo 4 Resultados de la Investigación. ... 39
4.1 Determinación de las cargas de los Pabellones C y B. ... 40
4.2 Dimensionamiento de los sistemas Fotovoltaicos ... 46
vii
4.3 Determinación de inversión inicial y tiempo de retorno :... 54
4.4 Discusión de resultados. ... 62
4.5 Prueba de hipótesis. ... 63
Conclusiones ... 64
Recomendaciones ... 66
Bibliografía ... 67
Anexos ... 68
Anexo ... 1
viii INDICE DE FÍGURAS
Figura 1: Diagrama Unifilar del suministro de Energía- UNCP ... 16
Figura 2: Radiación solar directa anual – Sudamérica... 26
Figura 3: Esquema de generación eléctrica de una celda fotovoltaica ... 27
Figura 4: Sistema Fotovoltaico SFCR ... 28
Figura 5: SFCR en edificación ... 29
Figura 6: Sistema Fotovoltaico Autónomos (DC). ... 30
Figura 7: Sistema Fotovoltaico Autónomos (AC). ... 30
Figura 8: Partes de un panel fotovoltaico ... 31
Figura 9: La célula fotovoltaica ... 32
Figura 10: Tipos de células fotovoltaicas ... 32
Figura 11: Eficiencia de las células fotovoltaicas. ... 33
Figura 12: Izquierda(monocristalino), derecha(policristalino) ... 33
Figura 13: Principio de funcionamiento del Inversor... 34
Figura 14: Celdas en BT Subestación Nro. 01 ... 41
Figura 15: Consumo de energía Pab. C -C01... 42
Figura 16: Consumo de energía Pab. C -C09... 43
Figura 17: Consumo de energía Pab. C -C09... 43
Figura 18: Consumo de energía Pab. B - 06 ... 44
Figura 19: Construcción azoteas de los pab. “B” y “C” ... 45
Figura 20: Distribución de los módulos fotovoltaicos sobre el pab. C ... 46
Figura 21: Datos del inversor Fronius de 24 kW escogido ... 47
Figura 22: Esquema de conexionado de conductores... 47
Figura 23: Diagrama unifilar del conexionado eléctrico pab. C ... 51
ix
Figura 24: Distribución de los módulos fotovoltaicos sobre el pab. B ... 51
Figura 25: Selección de inversor pab. B ... 52
Figura 26:Esquema unifilar de conexiones eléctricas pab. B... 54
Figura 27: Resumen de Sistema Fotovoltaico pab. C. ... 55
Figura 28:Diagrama de cash-flow acumulado. ... 57
Figura 29: Resumen de Sistema Fotovoltaico instalado en el pab. B ... 58
Figura 30: Cash-flow acumulado pab. B ... 60
x INDICE DE TABLA
Tabla 1: Operacionalización de variables-Hipótesis General... 21
Tabla 2: Instrumento de recopilación de consumo de energía ... 37
Tabla 3: Celdas de baja tensión de Subestación Nro. 01 ... 40
Tabla 4:Celdas de baja tensión que están alimentando los pabellones “C” y “B” ... 41
Tabla 5: Consumo de energía de los pabellones “C” y “B” ... 44
Tabla 6: Dimensiones superficiales de las azoteas de los Pabellones “B” y “C” ... 45
Tabla 7:Presupuesto económico- Pab. C ... 56
Tabla 8:Presupuesto económico Pab. B ... 59
xi
Resumen
En la actualidad se está aprovechando con mayor tendencia las energías renovables, dando mayor interés a la energía renovables no convencionales como la eólica y la fotovoltaica, dado que no generan contaminación al medio ambiente y es a escala humana inagotable.
En la presente tesis se considera el problema Principal de ¿En cuánto se reduce el costo por consumo de energía eléctrica al implementar una generación de sistema fotovoltaico en la Universidad Nacional del Centro del Perú?
El tipo de investigación es aplicada porque se realizó mediciones de parámetros eléctricos con el analizador PQ-BOX 200, y su software WinPQ mobil (64 Bit) del cual se obtuvo la base de datos de consumo de energía eléctrica en las celdas de baja tensión interesadas, y poder continuar con el diseño del dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos en el software PVSOL -2019.
Se logró determinar la reducción por consumo de energía de la Universidad Nacional del Centro del Perú con la implementación de los sistemas fotovoltaicos sobre las azoteas de los pabellones “C” y “B” que se expresa en la generación de energía total de 146,811 kWh/
año que se traduce en un ahorro económico anual de S/ 27,261.24 (veintisiete mil doscientos
sesenta y uno con 24/100 soles), dividiendo este resultado entre los meses del año, se estima
un ahorro mensual de S/ 2,271.77 (dos mil doscientos setenta y uno con 77/100 soles), que
se reducirían en la emisión del Recibo de Luz.
xii
Abstract
At the present time is taking advantage with bigger tendency renewable energies, giving to bigger interest her unconventional renewable energies like her aeolian and her photovoltaic one, since they do not generate contamination to the environment and is to human inexhaustible scale.
In the present thesis it is considered The Main problem of How much does the billing cost for electric power when implementing a generation of photovoltaic system in the National University of the Center of the Peru decrease in?
The type of investigation is applied because came true measurements of electric parameters with the analyst PQ BOX 200, and his software WinPQ Mobil (64 Bit) of which obtained electric the data base of energy consumption in the cells of low voltage been interested in itself, and being able to go on with the simulation of the scaling of the photovoltaic systems in the software PVSOL - 2019.
The reduction for energy consumption of the National University of the Center of the Peru
with the implementation of the photovoltaic systems on the flat roofs of the pavilions C and
B expresses himself in the generation of total energy of 146.811 kilowatt-hour year that
translates in a cost-reducing saving of S 27.261,24 (twenty seven thousand two hundred sixty
one with 24/100 suns), dividing this result between the months of the year, appreciates
himself a monthly saving of S 2.271,77 (two thousand two hundred seventy one with 77/100
suns), that they would decrease in the emission of the Electric Bill
xiii
Introducción
El territorio peruano se encuentra ubicado en una zona directa de radiación solar en nuestro planeta, en la última década en el territorio peruano se está empezando aprovechar el uso de este recurso para la generación de energía eléctrica, pero aún no se masifica el aprovechamiento de este recurso. Nuestra región no es ajena al alto valor de radiación solar captado durante el día, es por ello que se pretende aprovechar para la generación de energía eléctrica.
El propósito principal de esta tesis es generar electricidad con sistemas fotovoltaico para reducir el costo por consumo de energía eléctrica de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
La presente tesis se divide en cuatro capítulos: en el primer capítulo describe los aspectos generales de la investigación, centrándose en el planteamiento del problema, formulación del problema, objetivos, justificación y limitaciones del estudio.
En el segundo capítulo se centra en los antecedentes, marco teórico, conceptos básicos, definiciones conceptuales, determinación de las variables y operacionalización de las variable dependiente e independiente y planteamiento de la hipótesis
En el tercer capítulo se centra en la metodología de la investigación en donde se define el nivel de investigación, tipo de investigación, método de investigación, recolección de datos y análisis de datos.
En el cuarto capítulo se desarrolla los resultados de la investigación, donde se estima
cálculos, se muestra el comportamiento de las cargas y la simulación de la implementación
de los sistemas fotovoltaicos en las azoteas de los pabellones “B” y “C”, aprovechando su
construcción en dirección al norte geográfico y su inclinación con el apoyo del analizador
de redes PQ-BOX 200, su software WinPQ mobil (64 Bit) y el programa PV-SOL 2019.
15
Capítulo 1
Planteamiento del Problema
1.1 Tema de investigación
El tema de investigación de la presente tesis es la fuente solar perteneciente a la sub línea de investigación Energía Fotovoltaica y la línea de investigación de Fuentes No Convencionales de Energía Eléctrica, de la Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica;
de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Universidad Nacional del Centro del Perú.
La Universidad Nacional del Centro del Perú
cuenta con un suministro eléctrico
convencional en 10kV proveniente de la Subestación Eléctrica de Potencia “Parque
Industrial”, en las inmediaciones de la Universidad está recibe la energía eléctrica en un
Auto transformador de capacidad 2.5 MVA, con niveles de tensión de 10kV y lo
16
CO-02 CO-03
CO-01
SUB ESTACIÓN 2.5 MVA ELECTROCENTRO AUTOTRANSFORMADOR DE
10/13.2KV TRAFOMIX POT. 3X50VA 100/5 A
SUB ESTACIÓN N° 02 PABELLÓN "A"
SUB ESTACIÓN N° 01
PABELLÓN "C" - QUÍMICA SUB ESTACIÓN N° 03
PABELLÓN "F, E, G" SUB ESTACIÓN N° 04 EDIFICIO INTELIGENTE
MEDIDOR
distribuye a 04 transformadores de con niveles de tensión en 13,2kV que se encuentran dentro de igual manera en puntos estratégicos dentro de la institución.
En la figura N° 01 se observa que el sistema eléctrico principal se distribuye en 02 alimentadores principales que llegan a las Subestaciones Eléctricas de Potencia N°
01(Pabellón C) y N° 02 (Pabellón A). posteriormente del circuito de la Subestación N°
02 se distribuye para la Subestación N° 03 (Facultad de Arquitectura) y N° 04 (Edificio Administrativo).
Figura 1: Diagrama Unifilar del suministro de Energía- UNCP
Nota: Se presenta la distribución de los alimentadores para las subestaciones.
Fuente: Anexo01.
Para el mes de abril del año 2018, la Universidad Nacional del Centro del Perú, pago por
concepto de consumo de energía eléctrica S/ 43,244.60 (Cuarenta y tres mil doscientos
cuarenta y cuatro con 60/100 soles), según el Recibo del Luz emitida por la concesionaria
Electrocentro S.A (ver anexo 05).
17 Este consumo de energía eléctrica se debe a la gran cantidad de equipos de iluminación, computadoras, máquinas, equipos portátiles y módulos de enseñanza que están operando en un promedio de 8 horas diarias durante todo el año.
Es por ello que nos ocuparemos de realizar el estudio de la implementación de los sistemas fotovoltaicos en la Universidad Nacional del Centro del Perú, siendo este análisis y aplicación adaptable a cualquier tipo de infraestructura educativa, minera, salud, industrial y comercial. en la región Junín.
Dicho ello, lo mencionado se resume de la siguiente manera:
•
Marco temático: Sistemas Fotovoltaicos
•
Tema general: Implementación de sistemas fotovoltaicos en la Universidad Nacional del Centro del Perú
•
Tema específico: Implementación de sistemas fotovoltaicos sobre las azoteas de los pabellones “C” y “B” de la Universidad Nacional del Centro del Perú, para reducir el costo por consumo de energía eléctrica de dicha institución
.1.2 Planteamiento del problema
La causa que motiva a realizar y proponer consideraciones para implementar sistemas fotovoltaicos, es que al ver el recibo de luz del consumo de energía de la Universidad Nacional del Centro del Perú (anexo 07), se pretende brindar una alternativa para reducir ese monto monetario mediante este tipo de sistema aprovechando la alta incidencia de radiación solar que se da en la ciudad de Huancayo durante la mayor parte del año.
Por otro lado, se hace hincapié que en la actualidad a nivel mundial este tipo de
generación de energía está ingresando con fuerza como alternativa de generación de
energía eléctrica en los hogares, empresas e instituciones públicas y privadas y su
crecimiento viene impulsado por diversos factores tales como, los avances tecnológicos,
18 el aumento de la rentabilidad de la energía renovable y un mejor acceso a su financiamiento.
El mundo está en constante desarrollo tecnológico y las energías no convencionales son las energías del futuro, como país debemos estar preparados, es por ello que las instituciones del Estado primordialmente entidades como MINEN y OSINERGMIN están apostando e incentivando el desarrollo de estas energías.
Un sistema fotovoltaico que opere durante el día te permite:
•
Reducir el consumo de energía puesto que, en estas horas de generación, está reemplaza a la energía convencional.
1.3 Formulación del problema de investigación.
La formulación del problema se evaluó con la siguiente pregunta:
1.3.1 Formulación del problema general de investigación.
¿En cuánto se reduce el costo por consumo de energía eléctrica al implementar una generación de sistema fotovoltaico en la Universidad Nacional del Centro del Perú?
1.3.2 Formulación del problema específico de investigación.
•
¿Cuál es el consumo de energía de las cargas en los pabellones “C” y “B”
de la Universidad Nacional del Centro del Perú determinado con el uso de un equipo de medición eléctrica?
•
¿Cuál es el dimensionamiento del sistema fotovoltaico y cuanto de energía producirá calculado con un programa especializado en este rubro?
•
¿Cuál es la inversión económica y su tiempo de retorno de la
implementación de los sistemas fotovoltaicos calculado con un programa
especializado en este rubro?
19 1.4 Objetivos de la investigación
Los objetivos que se plantearon en la tesis son:
1.4.1 Objetivo general de la investigación.
Reducir el costo por consumo de energía eléctrica al implementar una generación de sistema fotovoltaico en la Universidad Nacional del Centro del Perú
1.4.2 Objetivo específico de la investigación.
•
Medir el consumo de energía de las cargas en los pabellones “C” y “B” de la Universidad Nacional del Centro del Perú con el uso de un equipo de medición eléctrica.
•
Dimensionar los sistemas fotovoltaicos y determinar cuánto de energía producirá con los cálculos realizados en un programa especializado en este rubro
•
Determinar la inversión económica y su tiempo de retorno del sistema fotovoltaico con los cálculos realizados en un programa especializado en este rubro
1.5 Formulación de variables.
Las variables de estudio de la presente tesis, serán :
1.5.1 Variable Dependiente:
Costos por consumo de energía eléctrica
Los costos por consumo de energía eléctrica que se pagan a la empresa Concesionaria Electrocentro S.A, en promedio es de S/ 42 055.20 (cuarenta y dos mil soles cincuenta y cinco con 20/100 soles), por mes.
1.5.2 Variable Independiente:
Sistemas Fotovoltaicos
20 Los sistemas solares fotovoltaicos son un conjunto de elementos que tienen la finalidad de generar energía eléctrica para el consumo y funcionamiento de los aparatos eléctricos
1.6 Justificación de la investigación
El presente proyecto de investigación se justifica porque propone disminuir los costos de servicio básicos en la Universidad Nacional del Centro del Perú y además se pretende colocar a la Institución como abanderada en la región Centro en innovación tecnológica.
Así mismo en el Decreto Legislativo N° 1002 “De la promoción de la inversión para la generación electricidad con energías renovables”, que tiene como objetivo fomentar incentivos económicos para promover la inversión en la generación de electricidad con el uso de fuentes de energía renovable, incentivar la investigación científica e innovación tecnológica, además de la realización de proyectos que califiquen como Mecanismos de Desarrollo Limpio y, de obtener éstos su registro, los respectivos Certificados de Reducción de Emisiones - CRE pueden ser negociables con empresas de los países industrializados que contabilizarán estas reducciones de GEI como parte de las metas cuantitativas a que se comprometieron con el Protocolo de Kyoto
1.6.1 Justificación práctica.
La presente tesis tiene por finalidad proponer un Sistema de Generación Fotovoltaica que al entrar en funcionamiento abastezca de energía eléctrica a las cargas establecidas y con ello se pueda reducir parte del costo de consumo energía eléctrica que figura mes a mes en el Recibo de Luz emitida por la concesionaria Electrocentro S.A.
1.6.2 Justificación social
La presente tesis tiene justificación social porque al implementar los sistemas
fotovoltaicos propuestos y/o mejorarlo a grande escala (> 500 kW) esto beneficiaria a la
población universitaria ya que contará con información de las nuevas tecnologías del
21 mundo aplicadas en los sectores públicos y privados y poder plasmarlo en diferentes sectores que existen en nuestro país.
1.7 Hipótesis.
1.7.1 Hipótesis general.
Si se genera electricidad con sistemas fotovoltaicos se logrará reducir el costo por consumo de energía eléctrica en la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Tabla 1: Operacionalización de variables-Hipótesis General
Variable
Definición conceptual
Definición
operativa Indicador
Sistemas fotovoltaicos.
Variable independiente
Conjunto de
componentes que generan electricidad a partir de la captación de radiación solar.
Panel
Fotovoltaico W
Inversor de
potencia W
Conductores
eléctricos A
Reducir el costo del consumo de energía eléctrica
Variable dependiente
es la disminución del pago por el consumo de energía eléctrica.
Facturación
eléctrica kWh/S/.
Nota: Se presenta una definición clara de las variables, dimensiones y sus indicadores de la hipótesis general.
Fuente: elaboración propia.
1.7.2 Hipótesis específica.
1.- Si se hace uso de un equipo de medición eléctrica, se logrará medir el consumo de energía de las cargas en los pabellones “C” y “B” de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
2.- Si se usa de un programa especializado en este rubro, se determinará el
dimensionamiento del sistema fotovoltaico a utilizar.
22 3.- Si se usa de un programa especializado en este rubro, se determinará la inversión económica y su tiempo de retorno del sistema fotovoltaico.
1.8 Limitaciones de la Investigación
La medición de energía eléctrica en cada subestación de la Universidad Nacional del
Centro del Perú demandaría un costo elevado y un tiempo extenso por lo cual se limitó
el estudio a los pabellones C y B , puestos que tienen la construcción de sus azoteas
orientadas hacia el norte geográfico siendo un factor primordial debido a que se obtiene
la mayor captación de radiación solar durante el día.
23
Capítulo 2 Marco teórico
2.1 Antecedentes:
2.1.1 Antecedente internacional.
Chávez Guerrero Mónica Alejandra (2012): En su tesis titulada “Proyecto de factibilidad para uso de paneles solares en generación fotovoltaica de electricidad en el complejo habitacional San Antonio de Rio Bamba”- 2012. Facultad de Mecánica- Escuela de ingeniería Mecánica-Ecuador. El estudio realizado en esta tesis se ubica en la ciudad de Rio Bamba, ubicado en la sierra de Ecuador, esta zona es de poca humedad y de mayor radiación solar en el país en la que considera los siguientes valores: 4.2 Wh/m2/día con 08 horas de radiación solar directa durante el día.
La autora proyecta un sistema fotovoltaico que genera 11.8 kW con el uso de 09
paneles solares, 01 banco de baterías conformado por 27 unidades y 03 controladores
24 para evitar daños por descargas profundas de las baterías proyectando su vida a los 25 años, para el Complejo Habitacional en el que, al realizar un análisis económico de tasa de retorno, este resulta recuperable a 23 años. Así mismo concluye que el proyecto se justifica por la no agresividad ecológica de la energía solar como también una alternativa viable para la utilización de nuevas fuentes energía dentro de la matriz energética del país.
Maltez Romillo Gabriel Ernesto (2012): En su tesis titulada “Diseño de un sistema fotovoltaico para alimentar la red eléctrica de un centro comercial”. Universidad San Carlos de Guatemala. El autor realiza el diseño de un sistema fotovoltaico para generar 1 000kWp, donde incluyen planos del área, tipo de paneles a utilizar, su distribución física, posición y ubicación en el proyecto, para hacer un estudio comparativo entre el tipo de sistema fotovoltaico conectado a red y un autónomo (con el uso de baterías), concluyendo que este último no es viable por diversos factores como encarecimiento del proyecto y falta de espacio físico para almacenar los acumuladores de energía siendo el primer caso el más óptimo con un tiempo de recuperación de la inversión dentro de 12 años.
Concluye que al margen del costo inicial para el desarrollo de un sistema fotovoltaico este ayuda de gran manera al planeta por ser auto sostenible ya que no se requerirá energía proveniente de combustible fósil.
2.1.2 Antecedente nacional.
Héctor Cornejo Lalupú (2013): En su tesis titulada “Sistema solar fotovoltaico de conexión a red en el Centro Materno Infantil de la Universidad de Piura”.
Facultad de Mecánica-Eléctrica – Universidad de Piura.
25 El estudio realizado en esta tesis se ubica sobre la azotea del Centro Materno Infantil de la Universidad de Piura, se proyecta la implementación de un sistema conformado por 24 paneles solares de 250Wp, generando una potencia máxima de 6 kWp que será inyectado de manera directa a la red de energía con previa autorización de la distribuidora eléctrica ENOSA a través de un medidor bidireccional, Finalmente el autor concluye de la siguiente manera: por un lado después de realizar un análisis técnico mientras más próximo se encuentren los equipos de producción a las cargas, menores son las pérdidas por transmisión y distribución de energía eléctrica, por otra parte después de realizar un análisis económico determina que su tiempo de recuperación de la inversión inicial es dentro de 08 años, demostrando que su proyecto es viable .(Lalup, 2013)
2.2 Bases teóricas 2.2.1. Energía solar
La energía solar es la energía obtenida de la captación de luz y la radiación solar, por ello al ser inagotable, renovable, limpia, se está optando como una alternativa al proceso de las energías provenientes de la quema de fósiles, combustibles, entre otros, que destruyen a nuestro planeta.
En el Perú se tiene una alta incidencia de energía solar en todo el territorio nacional y esto no es ajeno en la ciudad de Huancayo.
El sol es una fuente de energía orgánica, constantemente tiene reacciones termonucleares que liberan inmensa energía que lo irradia al espacio y esto llega a nuestro planeta en un porcentaje menor al 15% del total.
2.2.2. Radiación solar
26 El sol es una estrella que nos sirve como una fuente inagotable de energía, tiene un diámetro de 1.39 x 10
9kilómetros y se encuentra a una distancia media 1.5 x 10
11metros respecto a nuestro planeta tierra. Las características más importantes de esta fuente inagotable de energía son:
El diámetro 1,4x 10
9km La masa es 1,9891x 10
30kg Volumen: 1,4123x 10
18Km
3Densidad: 1,409 g/cm
3Temperatura: 5504º C Velocidad: 220 km/s
La energía que se transmite hacia el espacio es generada por la pérdida de la masa del sol, este flujo radiante es de 3,6 x 10
26W, que equivale a una densidad de 62,5 kW/m
2y todo esto solo se puede aprovechar 1,37 kW/ m
2,debido a la distancia de separación que se encuentra entre el sol y la tierra.
Fuente: National Renowable Energy Laboratory
Nota: se muestra el promedio de radiación a nivel de Sudamérica.
2.2.3 Sistemas fotovoltaicos.
Figura 2:Radiación solar directa anual – Sudamérica
27 El sistema fotovoltaico lo conforman equipos eléctricos y electrónicos que sirven para producir energía eléctrica a partir de radiación solar que emite el sol, este sistema fotovoltaico tiene como elemento principal el panel fotovoltaico que a la vez se encuentra conformado por celda de un material específico que transforman la luz en que emite el sol en corriente continua.
En la instalación de los componentes del sistema fotovoltaico se debe dimensionar de manera correcta para que sea posible la transformación la radiación en energía eléctrica que inyectaremos a la red de energía eléctrica.
Fuente: http://www.rise.org.au
Nota: Se muestra el proceso de generación de la celda fotovoltaica.
2.2.3.1 Clasificación de los sistemas Fotovoltaicos
Los sistemas fotovoltaicos de acuerdo a su forma de conexionado, se pueden clasificar en:
a. Sistemas fotovoltaicos de conexión a la red.
Es un sistema fotovoltaico que tiene por objeto generar energía eléctrica para inyectar a la red eléctrica convencional.
Figura 3: Esquema de generación eléctrica de una celda fotovoltaica
28
Figura 4: Sistema Fotovoltaico SFCR.
Estos sistemas están compuestos por un generador eléctrico (Sistema fotovoltaico), que está conectado al inversor-conmutador y este a la red eléctrica, así el generador eléctrico inyecta energía cuando los paneles solares están captando la radiación solar y el inversor entrega energía eléctrica a la red, en caso de que no genere el sistema fotovoltaico debido a diversos factores, el inversor conmuta su estado y deja de operar dando lugar únicamente al abastecimiento de las cargas por red comercial.
Fuente: Libro Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Nota: Se muestra el proceso de generación SFCR
La diferencia fundamental entre un sistema conectado a la red y un sistema autónomo, que se verá posteriormente, consiste básicamente en que este último dispone de un subsistema de acumulación de energía(baterías) y un regulador de carga, y el inversor debe estar en fase con la tensión y frecuencia de la red.
La ventaja de este tipo de conexión radica en que al estar muy cercano a los centros de consumo disminuye considerablemente los diferentes tipos de pérdidas que se dan.
Estos sistemas fotovoltaicos de conexión a la red tienen aplicación en los sistemas asociados a edificación y plantas sobre el suelo.
Existen muchas aplicaciones de los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red:
para edificación bioclimática, en edificio para posterior conexión a la red y para
refuerzo a finales de línea.
29 Los edificios que integran sistemas fotovoltaicos entregan toda la energía generada a la red eléctrica, se montan sobre tejados y cubiertas siendo de pequeño a mediano tamaño, generando una potencia de 5 kW – 200 kW, estos diseños aportan un diseño innovador y moderno al edificio mientras producen electricidad, como se aprecia en la figura.
Fuente: http://www.rise.org.au
Nota: Se muestra la implementación de SFCR en la fachada de un edificio.
b. Sistemas fotovoltaicos autónomos de electrificación.
Un sistema fotovoltaico tipo Autónomo genera energía eléctrica para cargas no conectadas a la red convencional, para ello emplea un sistema que acumule energía (acumuladores o baterías) para situaciones en donde el tiempo de la generación de energía eléctrica es menor al del consumo.
El principio de funcionamiento de este tipo de generación es de recargar las baterías durante el día o cuando la incidencia de la radiación solar es alta, para suministrar de energía a las cargas eléctricas durante la noche o cuando ya no se cuente con generación de energía.
Figura 5: SFCR en edificación.
30
Figura 6: Sistema Fotovoltaico Autónomos (DC).
Figura 7: Sistema Fotovoltaico Autónomos (AC).
De acuerdo al diseño de las dimensiones del sistema fotovoltaico, se diseña el tipo de acumulador que se va instalar donde un parámetro importante es los días de autonomía (en caso no exista generación de energía eléctrica por diferentes motivos) y el porcentaje de descarga profunda.
Fuente: Libro Diseño de Sistemas Fotovoltaicos.
Nota: Se muestra el esquema de conexión de SFA DC.
Fuente: Libro Diseño de Sistemas Fotovoltaicos.
Nota: Se muestra el esquema de conexión de SFA DC
Estos sistemas fotovoltaicos tienen aplicación en sistemas de telecomunicaciones,
balizas, equipos móviles, electrificación rural con proyectos o programas de
31 mejoramiento de servicios básicos, sistemas aislados, iluminación vial y en señalización.
2.2.4 Módulos (paneles) fotovoltaicos
Los módulos fotovoltaicos están conformados por la integración de varias células que pueden estar conectado en serie o en paralelo. La conexión en serie se realiza para obtener más corriente eléctrica y las conexiones en paralelo son para incrementar el voltaje del sistema.
Son las encargadas de captar la energía proveniente del sol en forma de radiación solar y convertirla en energía eléctrica.
Los módulos fotovoltaicos se fabrican bajo ciertas normas internacionales como:
•
IEC 61730-Photovoltaic (PV) module safety qualification
•
IEC 61215- Crystalline silicon terrestrial photovoltaic
(PV) modules- design qualification and type aproval
.
Fuente: https://ingemecanica.com
Nota: Se muestra los componentes internos del panel fotovoltaico.
Figura 8: Partes de un panel fotovoltaico
32 2.2.4.1 Célula Fotovoltaica
La célula fotovoltaica es el componente más importante de módulo solar, este elemento transforma la luz solar emitida por el sol en corriente eléctrica, estas células están fabricadas por un semiconductor de silicio en la gran mayoría de los casos.
Figura 9: La célula fotovoltaica Fuente: https://pt.solar-energia.net.
Nota: Se muestra la forma de una célula fotovoltaica.
Actualmente se fabrican innumerables tipos de células con diferentes tecnologías y lo ideal es saber escoger de acuerdo a las necesidades que se tiene que tener en una instalación. Estas células tienen características con son: La cristalinidad, el coeficiente de absorción y el costo.
Figura 10: Tipos de células fotovoltaicas.
Fuente: http://www.renovgal.es/solar_fotovoltaica Nota: Se muestra los tipos de células fotovoltaicas.
Las eficiencias de las células fotovoltaicas se muestran en la siguiente figura teniendo
como más eficiente a la célula silicio tipo mono cristalina, que asimismo le da la
33 ventaja de tener una mayor proyección de vida útil pero una de sus desventajas es que tiene un alto valor económico en el mercado.
En la actualidad los tipos de módulos fotovoltaicos más comerciales son los policristalinos y monocristalinos en ese orden.
Figura 11:Eficiencia de las células fotovoltaicas.
Fuente: https://blog.bluesol.com.br.
Nota: Se muestra el porcentaje de eficiencia de cada tipo de célula fotovoltaica.
Figura 12: Izquierda(monocristalino), derecha(policristalino) Fuente: www.isofoton.com
Nota: Se muestra los tipos de módulos fotovoltaicos más comerciales.
2.2.5 Inversor.
El inversor es el equipo electrónico que permite suministrar la potencia generada a la
red eléctrica, siendo su principal función el de convertir la corriente continua
34 producida por el generador eléctrico (sistema fotovoltaico) en corriente alterna para abastecer la demanda.
Los inversores pueden ser para sistemas monofásico y también trifásicos y frecuencias de 50 o 60 Hz. Estos inversores se clasifican en función al voltaje de salida y pueden ser: Onda cuadrada, onda modificada y onda senoidal.
Los inversores se fabrica, diseña y se probará de acuerdo a las siguientes normas internacionales:
•
IEC 61000-3-15 Assement of low frecuency electromagnetic inmunity and emission requirements for dispersed generation system in LV networks
•
IEC 62116- Utility- interconnected photovoltaic inverters- Test procedure of islanding prevention measures.
Figura 13:Principio de funcionamiento del Inversor.
Fuente: Laboratorio de energía solar fotovoltaica (Hidr & Mediante, 2007) Nota: Se muestra la forma de conversión de onda en la salida.
2.2.6 Energía Eléctrica
La energía es la capacidad para realizar un trabajo y/o movimiento realizando cambio en ellos mismos o en otros cuerpos.
De acuerdo a la norma DGE Terminología, la magnitud de medida para la energía
eléctrica esta expresada en kWh (kilo watt hora).
35
En el Perú cada vivienda familiar posee equipos eléctricos que consumen energía
eléctrica (desde los focos ahorradores, electrodomésticos, aparatos quipos
electrónicos, entre otros), por lo que las empresas concesionarias de Distribución (en
Huancayo la empresa Electrocentro S.A), instalan los medidores de energía eléctrica
(contadores) en las viviendas que solicitan la instalación de la energía eléctrica para
fijar la cantidad consumida y de acuerdo a ello evaluar el pago que debe realizar cada
usuario por mes.
36
Capítulo 3
Metodología de la investigación
3.1 Tipo de investigación.
El presente trabajo de tesis es del tipo aplicada, porque presenta una solución a un problema practico de interés innovador y tecnológico, basándose en cálculos y simulaciones de los sistemas fotovoltaicos a implementar para determinar los componentes y la potencia a generar.
3.2 Nivel de investigación.
El nivel de investigación de la presente tesis es descriptiva correlacional porque
haremos uso de conocimientos teóricos de sistemas fotovoltaicos y tarifación en el
Perú.
37 3.3 Método de investigación.
El método de la investigación es analítico puesto que a partir de los cálculos realizados donde se determinar la superficie disponible y la radiación incidente, además de hallar el consumo de energía de los circuitos convenidos en el lugar de estudio se determinará el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos a implementar.
El diseño de la investigación será descriptivo – analítico, para lo cual se hará uso herramientas computacionales con los softwares: PV SOL 2019, Autocad y Excel. Los mismos que nos permiten desarrollar la presente tesis.
3.4 Población y Muestra de investigación.
Población: Consumo de energía mensual de las cuatro subestaciones de la Universidad Nacional del Centro del Perú
Muestra: consumo de energía eléctrica de la subestación N° 01, que alimenta a los pabellones B y C.
3.5 Instrumentos de recopilación de datos
El instrumento para la recopilación de datos de las cargas eléctricas en los pabellones B y C es mediante la base de datos del programa Microsoft Excel en el que se realizó un cuadro de datos; reporte de inventario, planos de la Universidad Nacional del Centro del Perú, datos meteorológicos de la Nasa, Recibos de luz promedio en un año de la Universidad Nacional del Centro del Perú, el analizador de Redes PQ-BOX 200 y su base de datos para determinar el consumo de energía de las alimentadores a estudiar, y por último el programa PVSOL-2019 donde se simulo los sistemas fotovoltaicos.
Tabla 2: Instrumento de recopilación de consumo de energía
Item Fecha Hora E L1 (15 min) E L2 (15 min) E L3 (15 min) E total (15 min)
38
Fuente: Elaboración propia
Nota: Se muestra la tabla donde se introduce el consumo de energía por pequeños períodos del PQ BOX
3.6 Procedimiento de recopilación de datos.
Los procedimientos de la recopilación de datos fueron de la siguiente manera:
•
Solicitud a la universidad para entrega del recibo de luz de la Universidad.
•
Recojo de datos de los circuitos de la subestación eléctrica de Potencia Nro.
01(Pabellón C) de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
•
Obtención del consumo de energía eléctrica de las celdas en baja tensión de los circuitos que comprenden el pabellón C y la celda que alimenta el pabellón B, con el apoyo del analizador de redes PQ-BOX 200.
Simulación técnica y económica de la implementación de los sistemas fotovoltaicos en los pabellones C y B, con el programa PV-SOL 2019.
3.7 Procedimiento de análisis de datos.
Los procedimientos del análisis de los datos fueron de la siguiente manera:
•
Los datos fueron procesados en hojas de Excel para los cálculos.
•
Los datos del sistema eléctrico fueron dibujados para su interpretación en el AutoCAD.
•
Se realizaron los cálculos numéricos en hojas de Excel para ingresar datos en
el programa PV-SOL 2019 y pueda entregar resultados de diseño técnico y
económico.
39
Capítulo 4
Resultados de la Investigación.
En este capítulo se presenta los datos y resultados de la investigación de la implementación de los sistemas fotovoltaicos, como:
El número de cargas y el consumo de energía de los pabellones “B” y “C” durante el mes, el diseño de los Sistemas Fotovoltaicos sobre las azoteas de los mismos con el fin de reducir el costo por consumo en el recibo de luz general de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Por último, se mostró la tabla de flujo de caja emitido por el programa PV-SOL 2019, que indica el tiempo de recuperación de la inversión económica de la implementación de los Sistemas Fotovoltaicos en caso sea un proyecto de ejecución directa.
Para determinar el consumo de energía mensual de las cargas de los Pabellones “B” y “C”
se realizó con el Analizador de Redes Modelo PQ-BOX 200, instrumento que determina
40 diferentes parámetros eléctricos como tensión, potencia, energía, armónicos, entre otros, siendo instalado en las celdas de Baja tensión de la Subestación Eléctrica Nro. 01
4.1 Determinación de las cargas de los Pabellones C y B .
La Subestación Eléctrica de Potencia Nro. 01, se ubica en el patio sur del Pabellón C (Facultad de Ingeniería Química, Eléctrica y Sistemas) de la Universidad Nacional del Centro del Perú, que cuenta con las siguientes características:
Potencia del transformador: 500 KVA Nivel de tensión : 13,2/0,23kV Tipo de conexionado : Dy5
Pararrayo de óxido de Zinc 13.2 Kv
03 Fusibles F63A, I1 25KA, Un 25kV, Imin 315A Seccionador de Potencia FELMEC
Seccionador de Tierra
02 transformador de Corriente S/C
Interruptor de 1250 A Sin Marca y características 10 interruptores S/C antiguos para circuitos de salida Medidor KLEMSAN
Esta subestación distribuye sus circuitos en celdas en baja tensión, de la siguiente manera:
Tabla 3: Celdas de baja tensión de Subestación Nro. 01
ÍTEM CELDA DE BAJA TENSIÓN
00 PRINCIPAL
01 AULAS ELECTRICA Y SISTEMAS 02 PAB. INTELIGENTE
03 COMEDOR Y PISCINA 04 SIN CARGA
05 LAB ANALIT. CUALITATIVA 06 PAB. A Y B
07 MEC. TRANSPORTE
08 ELECTRONICA LAB. NO CERAMICOS Y LOPU
41
09 QUIMICA 2 10 LAB QUIMICA
Fuente: Elaboración propia
Nota: Se muestra los circuitos activos que son alimentados por la Subestación 01.
En la siguiente figura se aprecia la instalación del analizador de redes PQ BOX en las celdas de baja tensión estudiadas .
Figura 14: Celdas en BT Subestación Nro. 01 Fuente: Elaboración propia
Nota: Se muestra el analizador de redes PQ BOX en la subestación 01.
Al revisar los alimentadores se determina los circuitos que están dentro del pabellón “C”
y “B”, siendo:
Tabla 4:Celdas de baja tensión que están alimentando los pabellones “C” y “B”
Fuente: Elaboración propia Nota: Se muestra las celdas a estudiar.
PABELLON NRO. DE CELDA
C C. 01 – C.09
B C.06
42 Con las celdas identificadas, se hace uso del analizador de redes PQ-BOX, en el caso de las celdas C.01 y C.06, debido al uso de las aulas de manera constante durante todo el día en los 05 días hábiles de la semana, por contar con aulas de estudio, centros de computo, auditorios, decanato, asuntos académicos, es que se procedió de manera conveniente realizar una medición prolongada (9 días), resultando:
-Pabellón “C” – C01:
Figura 15: Consumo de energía Pab. C -C01 Fuente: PQ BOX
Nota: Se muestra el comportamiento del consumo de energía durante 9 días.
En el caso de los laboratorios de la Facultad de Química se procedió a medir con el
analizador de redes PQ BOX los dos días con mayor actividad académica, siendo estos
los días (jueves y viernes), de acuerdo a conversaciones con los encargados de los
laboratorios y los horarios establecidos.
43
Figura 16: Consumo de energía Pab. C -C09 Fuente: PQ BOX
Nota: Se muestra el comportamiento del consumo de energía 1er día
Figura 17: Consumo de energía Pab. C -C09 Fuente: PQ BOX
Nota: Se muestra el comportamiento del consumo de energía 2do día
44 -Pabellón “B” – C06:
Figura 18: Consumo de energía Pab. B - 06 Fuente: PQ BOX
Nota: Se muestra el comportamiento del consumo de energía durante 9 días.
Este analizador PQ BOX tiene un programa Win PQ mobil, que genera una base de datos exportable en el programa Excel, donde se muestra el consumo de energía de las celdas estudiadas en un intervalo de 15 minutos durante los 9 días, con lo que se procede a determinar el consumo real.
De acuerdo a los resultados entregados por el analizador de redes en su base de datos (ver anexo 03), se tiene:
Tabla 5: Consumo de energía de los pabellones “C” y “B”
Fuente: Elaboración propia
Nota: Se muestra el consumo mensual de cada celda.
PABELLON NRO. DE CELDA CONSUMO DE ENERGIA (kWh/mes)
ENERGÍA TOTAL (kWh/mes)
C C. 01 1,882.14
4,427.30
C. 09 2,545.16
B C.06 3,725.86 3,725.86
45 Una vez determinado la energía de consumo de los pabellones “C” y “B” se procederá con el cálculo de las dimensiones de sus azoteas, que fueron escogidos como lugares óptimos por las siguientes características:
- La construcción civil de las azoteas de los pabellones en mención está orientados al norte geográfico con lo que se reduce en gran medida el diseño y costo de las estructuras de soporte galvanizado, además tienen una inclinación hacia el norte geográfico que permite una mayor captación radiación solar directa durante todo el día.
Figura 19:Construcción azoteas de los pab. “B” y “C”
Fuente: Google Earth
Nota: Se muestra la orientación de las azoteas al norte geográfico.
En relación a las dimensiones superficiales de acuerdo a las dimensiones de los planos de construcción civil de cada pabellón de la Universidad Nacional del Centro del Perú (anexo 01), se tiene:
Tabla 6: Dimensiones superficiales de las azoteas de los Pabellones “B” y “C”
PABELLON ANCHO(m) LARGO(m) AREA DE LA AZOTEA(m2)
P-C(FIEE) 7.50 63.00 472.50
P-B(FIM) 7.50 48.00 360.00
46
Fuente: Elaboración propia.
Nota: Se muestra la orientación de las azoteas al norte geográfico.
4.2 Dimensionamiento de los sistemas Fotovoltaicos
Con estos resultados se simuló un proyecto de implementación de Sistemas Fotovoltaicos en el programa PV SOL 2019, obteniendo los siguientes resultados:
-Para el Pabellón “C”
Se seleccionó el módulo fotovoltaico Canadian Solar de 265 Wp por tener garantía técnica y ser viablemente económico, se distribuyó un total de 216 unidades en doce bloques sobre la azotea del pabellón C, llegando a instalarse una Potencia Máxima de 57.24 kWp.
Para mayor detalle del módulo fotovoltaico se adjunta la ficha técnica en el anexo 02
Figura 20: Distribución de los módulos fotovoltaicos sobre el pab. C Fuente: PV SOL
Nota: Se muestra los módulos fotovoltaicos.
El inversor es uno de los principales componentes en el diseño, una de sus principales funciones es la de actuar como un sincronizador entre el generador fotovoltaico y la red comercial.
Cuenta con el seguidor MPPT para entregar siempre la máxima de potencia en la salida.
47 Se seleccionó 02 Inversores Fronius de 24 kW para cada grupo de módulos fotovoltaicos, generando una potencia a la salida de 48 kW.
Se recomienda que la potencia instalada del inversor sea menor un 20% en relación al Sistema fotovoltaico, porque la potencia pico que garantizan los paneles solares difícilmente se cumplen por diferentes motivos como no llegan a las condiciones ideales de irrandiancia y temperatura (1000W/m2 y 25°C), así mismo existen pérdidas de potencia en los conductores por desajuste, aislamiento, entre otros, que hacen que la potencia de entrada al inversor sea menor a la generada.
Figura 21: Datos del inversor Fronius de 24 kW escogido Fuente: PV SOL
Nota: Se muestra la cantidad de inversores a usar.
Las conexiones eléctricas se realizarán desde los módulos fotovoltaicos hasta el Tablero de la red comercial de cada pabellón, dándose el siguiente esquema:
Figura 22: Esquema de conexionado de conductores.
Fuente: PV SOL
48
Nota: Se muestra el procedimiento cálculo para conexionado de conductores.
Para el cálculo de los circuitos en corriente continua es recomendable la utilización de conductores unipolares de 0.6/1 kV con doble aislamiento, en el que la corriente máxima admisible del conductor sea superior a la corriente que circule por ella, además de permitir una caída de tensión máxima de 2% en corriente alterna y 1% en corriente continua.
Para cálculos en corriente continua, se da la siguiente ecuación(Lalup, 2013):
𝑆 =
2∗𝐿∗𝐼𝑐𝑐
δ∗𝑒∗𝑉
………..(1) Donde:
S: Sección del conductor L: Longitud del trayecto
Icc: Corriente de cortocircuito de los módulos fotovoltaicos e: Caída de tensión permitida, máxima 0.5%
C: Conductividad del cobre, 56 m/Ω*mm2 V: Tensión del ramal
-Calculo eléctrico de T1-CC:
Donde L=30m
𝑆 = 2 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼𝑐𝑐 δ ∗ 𝑒 ∗ 𝑉 𝑆 = 2 ∗ 80 ∗ 9.23
56 ∗ .005 ∗ (18 ∗ 37.7)= 2.91 mm2 =<> 4 𝑚𝑚2
Para TI-CC, el calibre del conductor sería de 2.91 mm
2, pero se considera una sección normalizada superior que es 4 mm
2, garantizando así una caída de tensión de 0.5%.
-Calculo eléctrico de T2-CC:
Donde: L: 50 m
e: Caída de tensión permitida, máxima 0.5%
𝑆 = 2 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼𝑐𝑐(𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜) δ ∗ 𝑒 ∗ 𝑉
49
𝑆 = 2 ∗ 40 ∗ (9.23 ∗ 6)56 ∗ .005 ∗ 18 ∗ 37.7 = 23.31 𝑚𝑚2
Para T2-CC, el calibre del conductor sería 23.31 mm
2, pero se considera la sección normalizada superior que es 25 mm
2, para satisfacer una caída tensión máxima de 0.5%.
-Calculo eléctrico de T3-CA:
Para el caso de corriente alterna se da la siguiente fórmula:
𝑆 =
2∗𝐿∗𝑃δ∗𝑒∗𝑉
……….(2) Donde:
S: Sección del conductor L: Longitud del trayecto (50m) P: Potencia del inversor (24 kW)
e: Caída de tensión permitida, máxima 2% (4.4 V) δ: Conductividad del cobre, 56 m/Ω*mm2
V: Tensión de servicio
𝑆 =2 ∗ 𝐿 ∗ 𝑃 𝛿 ∗ 𝑒 ∗ 𝑉
𝑆 =2 ∗ 50 ∗ 24000
56 ∗ 4.4 ∗ 220 = 44.27 𝑚𝑚2
Para T3-CA, el calibre del conductor sería de 44.27 mm
2, pero se toma en consideración la sección normalizada superior que es 50 mm
2.
Para salvaguardar los equipos, los conductores y el personal de trabajo, se instalarán dispositivos de protección en la caja de conexión (para cada ramal del sistema fotovoltaico) y el espacio donde se instale el inversor, siendo:
Nro. módulos enseriados= 18 Nro. ramas en paralelo = 6
Vmáx cada ramal=37.7*18(módulos) =678.60 V
DC•
Magnetotérmicos en los ramales para protección contra sobreintensidades:
50 Para proteger contra sobrecorrientes se usará magnetotérmicos; de acuerdo al calibre del conductor de 4 mm2, este tiene como corriente máxima permisible 20 A y siendo la corriente de operación del módulo de 8.66 A, se tiene:
I
sal modulos< In < I
máx sop conductor………(3) 8.66 <In< 20 → In=15 A
Por consiguiente, se utilizará en cada uno de los doce ramales un magnetotérmico bipolar de 15 A.
•
Varistores en la caja de conexión:
Para proteger los módulos solares fotovoltaicos contra sobretensiones generadas de manera directa como indirecta, se usará varistores o descargadores de sobretensión De acuerdo al diseño se tendrá una tensión máxima de 678.60 V
DC.
Por lo que se requiere un varistor con tensión de trabajo superior al máximo (754 V
DC), En el mercado se encontró el varistor en la marca Finder, el modelo 7P.26.9.000.x015, con una tensión máxima de 1020 VDC.
V
ramal módulo< V
máx op. varistor………(4) 678.60 V
DC<1020 V
DC•
Protección para conexión con la red de distribución
Para proteger la salida del inversor se usará dispositivos de protección como el magnetotérmico.
Si la corriente de salida del Inversor Fronius Eco es de 28.9 A y los conductores de conexión del inversor a la red son de calibre 50 mm
2que permiten una corriente máxima de 80 A.
De la ecuación (3) tenemos: I
sal Inversor< In < I
máx sop conductor28.9 A < In< 80 A → In=40 A
Se usará 01 magnetotérmico bipolar de 40 A en la marca Schneider.
51
Figura 23: Diagrama unifilar del conexionado eléctrico pab. C Fuente: PV SOL
Nota: Se muestra el procedimiento cálculo para conexionado de conductores.
Para el Pabellón “B”
Se seleccionó el módulo fotovoltaico Canadian Solar de 265, se distribuyó un total de 80 unidades en cuatro bloques sobre la azotea del pabellón B, llegando a instalarse una potencia Máxima de 21.20 kWp.
Figura 24: Distribución de los módulos fotovoltaicos sobre el pab. B Fuente: PV SOL
NOTA: En esta imagen se muestra la distribución de los módulos sobre la azotea del pab. B
Se seleccionó 01 Inversor Fronius de 10 kW para cada grupo de módulos fotovoltaicos,
generando una potencia máxima de salida de 21.20 kWp.
52
Figura 25: Selección de inversor pab. B Fuente: PV SOL
Nota: En esta imagen se muestra los datos del inversor seleccionado.
Las conexiones eléctricas se calculan de la siguiente manera:
Para cálculos en corriente continua, se repite la ecuación (1)
𝑆 =
2∗𝐿∗𝐼𝑐𝑐δ∗𝑒∗𝑉 (1)
-Calculo eléctrico de T1-CC:
Donde L=40m
𝑆 = 2 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼𝑐𝑐 δ ∗ %𝑒 ∗ 𝑉
𝑆 = 2 ∗ 40 ∗ 9.23
56 ∗ 0.005 ∗ (20 ∗ 37.7)= 3.49 mm2 =<> 4 𝑚𝑚2
Para TI-CC, el calibre del conductor sería de 3.49 mm
2, pero se considera una sección normalizada superior que es 4 mm
2, garantizando una caída de tensión menor al 0.5%.
-Calculo eléctrico de T2-CC:
Donde: L: 50 m
e: Caída de tensión permitida, máxima 0.5%
𝑆 =2 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼𝑐𝑐 δ ∗ 𝑒 ∗ 𝑉
53
𝑆 = 2 ∗ 50 ∗ (9.23 ∗ 2)56 ∗ .005 ∗ 20 ∗ 37.7= 8.74 𝑚𝑚2
Para T2-CC, el calibre del conductor sería 8.74 mm
2, pero se considera la sección normalizada superior que es 10 mm
2, para satisfacer una caída tensión máxima de 0.5%.
-Calculo eléctrico de T3-CA:
Para el caso de corriente alterna se repite la ecuación (2)
𝑆 =
2∗𝐿∗𝑃𝛿∗𝑒∗𝑉
(2)
𝑆 =2 ∗ 50 ∗ 10,00056 ∗ 4.4 ∗ 220 = 18.45 𝑚𝑚2
Para T3-CA, el calibre del conductor sería de18.45 mm
2, pero se toma en consideración la sección normalizada superior que es 25 mm
2Para salvaguardar los equipos, los conductores y el personal de trabajo, se instalarán dispositivos de protección en la caja de conexión (para cada ramal del sistema fotovoltaico) y el espacio donde se instale el inversor, siendo:
Nro. módulos enseriados= 20 Nro. ramas en paralelo = 2
Vmáx cada ramal=37.7*20(módulos) =754 V
DC•
Magnetotérmicos en los ramales para protección contra sobreintensidades:
Para proteger contra sobrecorrientes se usará magnetotérmicos; de acuerdo al calibre del conductor de 4 mm2, este tiene como corriente máxima permisible 20 A y siendo la corriente de operación del módulo fotovoltaico de un ramal (20 und.) de 8.66 A, se tiene:
I
sal módulos< In<I
máx sop conductor(3) 8.66<In<20 → In=15 A
Por consiguiente, se utilizará en cada ramal (2) un magnetotérmico bipolar de 15 A.
•
Varistores en la caja de conexión:
54 Para proteger los módulos fotovoltaicos contra sobretensiones generadas de manera directa como indirecta, se usará varistores o descargadores de sobretensión
De acuerdo al diseño se tendrá una tensión máxima de 754 V
DC, por ramal (20 und.) Buscando un dispositivo con una tensión mayor se encontró el varistor en la marca Finder, el modelo 7P.26.9.000.x015, con una tensión máxima de 1020 VDC.
V
ramal módulo<V
máx op. varistor ……..(4)→ 754V
DC<1020 V
DC•
Protección para conexión con la red de distribución
Para proteger la salida del inversor se usará el dispositivo magnetotérmico.
Si la corriente de salida del Inversor Fronius es 26.5 A y los conductores de conexión del inversor a la red son de calibre 25 mm
2que permiten una corriente máxima de 60A.
I
sal Inversor< In<I
máx sop conductor26.5 A < In< 60 A → In=32 A
Se usará 01 magnetotérmico bipolar de 32 A en la marca Schneider.
Figura 26:Esquema unifilar de conexiones eléctricas pab. B Fuente: PV SOL
NOTA: En esta imagen se muestra el procedimiento cálculo para conexionado de conductores.
4.3 Determinación de inversión inicial y tiempo de retorno :
-Para el Pab. C55 Después de haber analizado cada componente principal de un sistema fotovoltaico y habiéndose plasmado en el programa PV-SOL 2019, se procederá a calcular la reducción del costo por consumo de energía en la Universidad Nacional del Centro del Perú en este generador fotovoltaico.
De la siguiente fórmula:
𝐸 = 𝑃𝑚𝑒 ∗ 𝐻𝐹𝑃 ∗ 360 (𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜) (5)𝐶𝐸 = 𝐸 ∗ 𝑇𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 (6)
Donde:
E: Producción de la energía durante el año, se mide kWh/año.
H: Horas durante el día con alta incidencia de radiación solar (5-6h) Resolviendo tenemos:
CE: Costo de energía ahorrado durante un año de operación
T: Tarifa MT4, impuesta por la concesionaria Electrocentro (0.21 S/ kWh) Reemplazando valores se tiene:
𝐸 = 48,000 ∗ 5.48 ∗ 360= 106,385.00 𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜
C𝐸 = 𝐸 𝑥 𝑇𝑎𝑟𝑖𝑓𝑎 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 = 106,385𝑥0.21 = 22,340.94 𝑆𝑜𝑙𝑒𝑠.
Figura 27: Resumen de Sistema Fotovoltaico pab. C.
Fuente: PV SOL
Nota: Se muestra los resultados de Energía producida de la simulación en el programa PV SOL-2019
56 Al estar en funcionamiento el sistema fotovoltaico sobre la azotea del pabellón “C”, este produce una energía de
106,385.00 𝑘𝑊ℎ/𝑎ñ𝑜, que se traduce en un ahorro económicoanual de ahorro de S/ 22,340.94 𝑆𝑂𝐿𝐸𝑆 (Veintidós mil trescientos cuarenta con 94/100 soles), que se expresa en un ahorro mensual de S/ 1,869.25 (mil ochocientos sesenta y nueve con 25/100 soles).
El importe que genera la implementación del sistema fotovoltaico sobre el pabellón “C”
por los costos de los equipos, materiales y mano de obra es:
Tabla 7:Presupuesto económico- Pab. C
ITEM DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD PRECIO
UNITARIO PRECIO TOTAL 1 Módulos fotovoltaicos Canadian
Solar 265 Wp Und 160 S/ 622.00 S/ 99,520.00 2 Bastidores metálicos de fierro
galvanizado de 20 casilleros und 4 S/ 1,000.00 S/ 4,000.00 3 Inversores FRONIUS de 20 kW Und 2 S/ 18,000.00 S/ 36,000.00 4 Interruptor magnetotérmico C15A Und 8 S/ 35.00 S/ 280.00 5 Varistores o protectores de
sobretensión FINDER Und 8 S/ 90.00 S/ 720.00 6 Interruptor magnetotérmico C40A
trifásico Und 1 S/ 90.00 S/ 90.00 7 Interruptor diferencial 45A trifásico Und 1 S/ 140.00 S/ 140.00 8 Caja de conexión Und 4 S/ 50.00 S/ 200.00 9 Conductor Unipolar de 4mm2 x2 rollo 1 S/ 150.00 S/ 150.00 10 Conductor Unipolar de 10 mm2 x2 rollo 1 S/ 250.00 S/ 250.00 11 Conductor Unipolar de 35 mm2 x 3 m 300 S/ 15.00 S/ 4,500.00 12 Tubo PVC de 3/4 corrugado X 100m rollo 1 S/ 50.00 S/ 50.00 13 Cintillos de fijación de 300 mm color
negro Bls 2 S/ 5.00 S/ 10.00 14 Pernos de expansión-acerado de
1/2x3/4" Und 180 S/ 1.50 S/ 270.00 15 Pernos inox de 1/4"X1" incluye
arandela de presión, plana y tuerca Und 180 S/ 0.50 S/ 90.00 16 Tablero de control y potencia Und 2 S/ 450.00 S/
