II. CALCULOS JUSTIFICATIVOS
1.0
INTRODUCCION 1.1
OBJETIVO
El presente documento “Cálculos Justificativos”, tiene por objetivo desarrollar el análisis para la selecc selección ión técnic técnica–e a–econ conómic ómica a de equipos equipos y sumini suministro stross princi principal pales; es; el estudio estudio del mercado mercado eléctrico; Cálculos Eléctricos y Cálculos Mecánicos. Sustentar la selección de los materiales de los Sistemas Fotovoltaicos Domiciliarios.
ALCANCES
1.2
1.2.1 1.2.1 Alcanc Alcances es del inform informe e En el presente documento “Cálculos Justificativos” se evalúa la configuración eléctrica más conveniente para el sistema fotovoltaico del proyecto, permitiendo así desarrollar los siguientes puntos: - Introducción - Consideraciones Generales - Selección técnico Económico Económico de equipos y Suministros principales - Estudio de la Demanda Eléctrica - Cálculos de Diseño Eléctrico - Cálculos de Diseño Mecánico
1.3 1.3
ANTE NTECEDE EDENTE NTES DE DEL PRO PROYE YEC CTO
ELECTRO
SUR ESTE S.A.A. es la empresa de distribución eléctrica que tendrá a su cargo la operación, operación, mantenimiento mantenimiento y comercializ comercialización ación del “SER “SER Puerto Maldonado III Etapa”, Etapa ”, y asimismo se hará cargo de las etapas posteriores.
El
planeamiento y desarrollo de la electrificación rural está enmarcada en la Ley de Concesiones Eléctricas y su reglamento; en el Decreto Supremo Nº 026-2007-EM; Ley General de Electrificación Electrificación Rural, Normas Técnicas Rurales, Rurales, así como en la Ley Marco de Moder Moderni niza zaci ción ón de la Gesti Gestión ón del Esta Estado, do, que que crea crea la Dire Direcc cció ión n Gener General al de Electrificación Rural (DGER) mediante la fusión del Proyecto de Mejoramiento de la Electrificación Rural, La Ampliación de Fondos Concursables (FONER) y la Dirección ejecutiva de Proyectos (DEP) del Ministerio de Energía y Minas.
La
Ley Nº 28749, “Ley General de Electrificación Rural” en su artículo 5to, determina que el Ministerio de Energía y Minas a través de su órgano pertinente Dirección General de Electrificación Rural – DGER, es competente en materia de electrificación rural y tiene entre sus funciones el encargo de ampliar la frontera eléctrica en el ámbito nacional, para para llega llegarr con con la energ energía ía eléc eléctr tric ica a a los los cent centros ros pobl poblad ados os del inter interio iorr del país país,, aumentando el coeficiente eléctrico del país y poniendo a disposición de los pobladores el uso intensivo y masivo de la energía para el progreso y desarrollo de los centros poblados de esta parte del país.
También También
es compet competenci encia a de La Direcc Dirección ión General General de Electr Electrifi ificaci cación ón Rural Rural (DGER) (DGER) elaborar y actualizar el Plan Nacional de Electrificación Rural – PNER, de acuerdo a lo
dispuesto por la norma, así como su ejecución, el mismo que se consolida en Planes de Desarrollo concertado con la Región, las Municipalidades Provinciales y las Municipalidades Distritales como Gobierno Local. Dentro
de los Planes de Desarrollo concertado, se encuentran los programas de mejora y expansión de los sistemas eléctricos rurales de las empresas concesionarias de distribución eléctrica, las iniciativas privadas y los programas o proyectos de electrificación rural a ser desarrollados por el Gobierno Nacional.
El
Plan de Electrificación Rural establece entre sus principales metas el incremento de la cobertura del servicio eléctrico a la población no atendida y la mejora técnica y económica de los sistemas eléctricos existentes que brindan deficiente servicio eléctrico, los cuales no permiten el desarrollo de actividades productivas.
1.4
DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DEL PROYECTO
1.4.1 ubicación Geográfica El área de influencia del proyecto se ubica en el departamento de xxx, en la provincia de xxx, entre las coordenadas UTM: 400589 E, 8699372 N; 500589 E, 8699372 N; 500589 E, 8589372 N; 400589 E, 8589372 N; encontrándose dentro del cuadrángulo: hoja 24-x, San Lorenzo hoja 23-y, Puerto Maldonado hoja 26-y, Laberinto hoja 26-x de la carta del Instituto Geográfico Nacional, el SER se desarrolla en la región sierra.
1.4.2 condiciones climatológicas Las características climatológicas de las zonas del proyecto registradas por el SENAMHI son las siguientes:
Temperatura máxima media (ºC)
38
Temperatura media (ºC)
26
Temperatura mínima media (ºC)
8
Máxima velocidad del viento
90
(km/hr)
La altitud del área del proyecto varía entre
xxx
m.s.n.m
1.4.3 vías de acceso principales Los accesos al xxx son: Por vía terrestre: Arequipa-Caylloma-Arcata-Chocñihuaqui vía asfaltada Aprox. De 10 a 12 Hrs. Trocha carrozable
: Arequipa- Chocñihuaqui. Aprox. De 1.00 Hr. Y 30 minutos
Camino de Herradura
: Comunidad Chocñihuaqui. Aprox. De 7 Hrs. De camino.
Nota: Los caminos de acceso se presentan en el plano Nº GEN-02 del proyecto, las mismas que fueron tomadas con GPS navegadores
1.4.4 localidades beneficiadas el proyecto beneficia a la comunidad de “chocñihuaqui” descrita en el cuadro siguiente:
ITEM DEPARTAMENTO AREQUIPA 1
PROVINCIA
DISTRITO
COMUNIDAD
XXX
Cayarani
Chocñihua qui
NUMERO DE VIVIENDAS
CARGAS ESPECIALES
37
2
CONSIDERACIONES GENERALES
2.0
2.1
NORMAS APLICABLES
Las Normas principales que se han tomado en cuenta son las siguientes: •
•
•
•
•
•
Ley de Promoción y Utilización de Recursos Energéticos Renovables no Convencionales en Zonas Rurales Aisladas y de Frontera del País. D.S. N° 025-2007-EM, reglamento de la Ley General de Electrificación Rural. Dirección de Fondos Concursales: Criterios de presentación y evaluación de Proyectos de electrificación rural con fuentes de Energía Renovables. D. L. 1002, D.L.de la promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables (2008). R.D. N° 0003-2007-EM/DGE, Reglamento Técnico Especificaciones Técnicas y Procedimientos de Evaluación del Sistema Fotovoltaico y sus componentes para Electrificación Rural. Norma Técnica Peruana - N.T.P. 399.403.2006, Sistemas Fotovoltaicos hasta 500 Wp. Especificaciones Técnicas y método para la calificación energética de un sistema fotovoltaico.
Adicionalmente se consulta las siguientes normas internacionales: •
NESC (National Electrical Safety Code).
•
RUS (Rural Utilities Service).
•
U.S. Bureau of Reclamation - Standard Design.
•
VDE 210 (Verband Deutscher Electrotechniker).
•
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
•
CIGRE (Conference International des Grands Resseaux Electriques).
•
•
ANSI (American National Standard Institute). IEC (International Electrotecnical Comission).
2.2
CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Se considera las siguientes características eléctricas: 2.2.1 Equipamiento de Sistema Fotovoltaico.
Los Sistemas Fotovoltaicos estarán compuestas por: •
Panel solar fotovoltaico
•
Regulador o controlador de carga.
•
Convertidor de CC/CA (Inversor para las cargas especiales).
3.0
•
Batería.
•
Tablero de distribución.
•
Estructura metálica Galvanizada para soporte de modulo
•
Cables y accesorios
SELECCIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA PRINCIPALES 3.1
DE
EQUIPOS
Y
SUMINISTROS
SELECCIÓN DE PANEL SOLAR
3.1.1 Celdas de Silicio Mono y Policristalino Las celdas de Silicio monocristalino representan el estado de la tecnología fotovoltaica comercial. Para fabricarlas el silicio es purificado, fundido y cristalizado, ya sea en lingotes o en láminas delgadas; posteriormente el silicio es rebanado en obleas delgadas para formar las celdas individuales, las obleas se pulen por ambas caras. Durante el proceso de corte y pulido se desperdicia casi la mitad del material original. Una vez pulidas, las obleas se introducen por difusión a alta temperatura un material dopante, típicamente boro y fósforo, con lo cual se convierte a la oblea en un semiconductor tipo p si se le añadió boro, o tipo n si se añadió fósforo. La mayoría de las celdas fotovoltaicas producen una tensión de aproximadamente 0,5 V, independientemente del área superficial de la celda, sin embargo, mientras mayor sea la superficie de la celda mayor será la corriente que entregará. El espesor requerido para que se lleve a cabo el efecto fotovoltaico y se evite al máximo la recombinación de portadores de carga es del orden de 3 a 4 μm, por este motivo, la celda se torna extremadamente frágil ocasionando que en el proceso de manufactura se generen más desperdicios. son fabricadas y operan de una manera similar a las monocristalinas. La diferencia es que durante su manufactura se emplea un silicio de menor calidad y costo, esto da como resultado celdas de eficiencia ligeramente menor. Al estar compuesta la celda por una serie de granos de silicio, a nivel microscópico, quedan varios huecos entre las uniones de los granos y por lo tanto en esos microhuecos se interrumpe el fenómeno fotovoltaico. No obstante la diferencia de eficiencias entre el silicio monocristalino y el policristalino es relativamente pequeña y generalmente se absorbe en las evaluaciones de costos. Las celdas policristalinas
Nota: En el mercado también existen paneles fotovoltaicos manufacturados con celdas de tipo silicio laminado, silicio amorfo o de película delgada, que para el presente estudio no se considera por la baja eficiencia q estas proporcionan, que es de aproximadamente el 50% de las celdas cristalinas. Esta tecnología tiende a ser mucho más barata que las cristalinas. Por esta razón el estado actual de la investigación se enfoca hacía el problema de la degradación.
3.1.2 Módulos Fotovoltaicos Para la gran mayoría de aplicaciones resulta insuficiente la diferencia de potencial de 0,5 V generada por una celda fotovoltaica. De esta manera las celdas tienen que ser colocadas en serie para que, en conjunto, proporcionen el voltaje adecuado. De la misma manera varias de esas series pueden ser colocadas en paralelo para incrementar la corriente. Posteriormente las celdas interconectadas en serie y sus conexiones eléctricas se encapsulan y se colocan entre dos placas que pueden ser de vidrio, o bien una de vidrio superior y una posterior plástica o metálica. Para absorber esfuerzos mecánicos y con propósitos de montaje se añade un marco metálico. La unidad resultante recibe el nombre de módulo o panel
fotovoltaico, el módulo es típicamente la unidad básica de los sistemas fotovoltaicos. Los módulos pueden interconectarse en serie y/o paralelo para formar un arreglo.
Cuadro Resumen de la Tecnología Fotovoltaica Eficiencia DESCRIPCION Labor Prod. Ventajas Desventajas Fabricantes at.
Cuadro Nº: 1
po de celda
-Siemens (Alemania) (Japón)
Silicio Monocristali no
Silicio Policristal ino
Silicio Laminado
Silicio Amorfo o Película Delgada
19,1
18
15
11,5
12 a 14
11 a 13
11 a 13,2
4a8
-Tecnología bien desarrollada y estable. -Mayor eficiencia. -Se fabrican en celdas cuadradas
-Tecnología bien desarrollada y estable. -Buena eficiencia. -Se fabrican en celdas cuadradas. -Menor costo que las monocristal. -No requiere rebanado. -Menos material desperdiciado. -Potencial para rapidez de buena eficiencia. -Utiliza muy poco material. -Alto potencial y producción muy -Costo bajo, 50% silicio. -Menos afectado por bajos niveles.
-Emplea mucho material caro. -Mucho desperdicio (casi la mitad). -Manufactura costosa.
-Material costoso. -Mucho desperdicio.
-Solec (USA)
-Helios (Italia)
-Solarex (USA) (Japón)
-Hitachi
-Tidelands (USA) (Japón)
-Mitsubishi
-CEL (india) (Japón)
-Kyocera
-Hoxan (Japón) Heliodynámica (Brasil) -PB Solar (UK)
-Bharat (India)
-Pragma ( Italia) (España)
-Isofotón
-Ansaldo (Italia) -Komatsu (Japón) -Nippon Elec. (Japón) -Solarex (USA) -Kyocera (Japón)
-Pragma (Italia) -Manufactura costosa. -Menor eficiencia que -Photowatt (Francia) el monocristal. -AEG (Alemania)
-Complejidad en el -ASE (USA) crecimiento del cristal. -Westinghouse (Francia)
-Degradación pronunciada -Menor eficiencia. -Menor durabilidad.
-Chronar (USA) -Solarex (USA) -Sovonics (USA) (Japón) -Sanyo (Japón)
-Sharp (Japón) -Kaneka (Japón) Taiyo Yuden
3.1.3 Selección del tipo de celda Un panel fotovoltaico es una placa compuesta de células o celdas fotovoltaicas que tienen la propiedad de convertir la energía radiante del sol en energía eléctrica DC. Según el proceso de fabricación, las células y por lo tanto los paneles que las usan, pueden ser de dos tipos: De
silicio monocristalino.
De
silicio policristalino.
-Sharp
Los más recientes y confiables son los de silicio monocristalino y de silicio policristalino. Los paneles se fabrican de una amplia variedad de potencias sin embargo se ha seleccionado
sistemas con paneles solares de 50 Wp (paneles existentes) y 80 Wp (ver siguiente punto) debido a que son potencias representativas para los diferentes usos. Se ha seleccionado el panel con células de silicio Policristalino ya que cumple con los 20
años de vida útil, y resulta más económico que el panel con células de silicio monocristalino.
3.1.4 Selección de la potencia del panel (Wp) En cuanto a la selección de los paneles, se ha evaluado la oferta de paneles existentes en el mercado, seleccionado un valor Wp que permita un intercambio de paneles entre los diferentes módulos definidos, así como un condicionamiento a todas las marcas ofertadas en el mercado, teniendo en cuenta que no existe una estandarización de Wp para la fabricación de los mismos, motivo por el cual se ha recurrido a un panel compatible en potencia. Teniendo las restricciones mencionadas y ventajas de confiabilidad se opto por el panel de 80 Wp, puesto que tiene mayor oferta como demanda en el mercado, y satisface los requerimientos del usuario. Con respecto a los tipos de módulos considerados, se espera a futuro que los módulos básicos de 50 y 80 Wp en 12 V DC, representen aproximadamente un 90% del total de los SFV instalados a nivel nacional, módulos orientados a usuarios domésticos rurales de bajos recursos económicos, motivo por el cual se les considera como inversión inicial única las instalaciones interiores en 12 V DC; mientras que el 10% restante corresponderá a los módulos de 160, 240 y 320 Wp, destinado a cargas de uso general (posta médica, colegios, escuelas, iglesia, etc.), cargas de uso comerciales o usuarios que deseen tener mayor disposición de energía. Entonces debido a la incidencia en cantidad, es conveniente utilizar el modulo básico de 80 Wp (existente en el mercado) para obtener las potencia de 160=2x80 Wp, 240=3x80Wp y 320=4x80Wp, de manera que si el panel falla o siniestra por causas externas, solo se reemplace la unidad de 80 Wp averiada, y se utilice el concepto de inter-confiabilidad entre módulos y obtener un beneficio adicional, en lo referente a economía de escala en las compras masiva de un solo tipo de panel solar.
3.1.5 Especificación Técnica del Panel Solar (para el final) Car acterísticas Físicas
Dimensiones LxAxE Peso Número de células en serie Número de células en paralelo Tamaño de las células
1 224x545x39, 5 9 Kg 36
Car acterísticas Eléctricas
Modelo Tensión nominal (Vn) Potencia 12 Vcc máxima (Pmax) Corriente de 80 Wp (± corto circuito (Isc) Tensión 10%) circuito abierto (Vcc) 5,00 A Intensidad punto máx. 21,6 V potencia (Impo) 4,62 A Tensión punto máx. 17,3 V En condiciones estándar (STC) Irradiancia 1000
Características constructivas
Células Contactos Laminado Cara frontal Cara posterior Marco Cajas de conexión Toma de Tierra Certificados Garantía de Potencia
Poli cristalinas Redundantes, múltiples en cada célula EVA ((Etilen-vinil Acetato Vidrio Templado Protegida con Tedlar de varias capas Aluminio Anonizado 1xIP-65 con diodo de By-PAss Si CE, ICE-61215, ICE-61730, clase II 10 y 25 años (90 y 80%)
3.1.6 ESTRUCTURA SOPORTE. El soporte para panel solar es tan relevante como lo puede ser su batería, un módulo que no lo posea no podrá trabajar correctamente porque, la instalación del dispositivo no será posible. Se propone postes y tubos de metal (Fe) galvanizado, que tienen una vida útil de 30 años.
3.2
SELECCIÓN DE BATERÍA La batería es el elemento encargado de almacenar la energía eléctrica generada por los módulos durante los periodos de sol. Normalmente, las baterías se utilizan durante las noches o periodos nublados, el intervalo que incluye un periodo de carga y uno de descarga, recibe el nombre de ciclo. Idealmente las baterías se recargan al 100 por ciento de su capacidad, durante el periodo de carga de cada ciclo. Si existe un controlador, las baterías no se descargarán totalmente durante el ciclo, de igual manera no corren el peligro de sobrecargarse durante periodos de poco uso. 3.2.1
TIPO DE BATERIA
Existen varios tipos de batería para este fin. Así se tiene:
Plomo-Acido.
Sumergidas (húmedas) o de liquido aereado.
Plomo-Acido reguladas por válvula, VRLA (selladas)
Lámina de fibra de vidrio absorvente (AGM).
Gel.
Placa plana.
Placa tubular.
Las baterías más empleadas en aplicaciones fotovoltaicas son las de PLOMO-ÁCIDO, éstas tienen la ventaja de ser más económicas que las formadas por otros compuestos. Adicionalmente, dada la gran familiaridad que el público en general tiene con las baterías automotrices, su potencial comercial es muy elevado. Estas baterías se fabrican mediante diversas aleaciones de plomo en una solución de ácido sulfúrico que actúa como electrolito. El material de las placas es una aleación de plomo con otro material, ya que el plomo puro es débil físicamente.
3.2.2
CAPACIDAD DE LA BATERIA
La capacidad en Amperios-hora (A-h) es simplemente el número de amperios que la batería puede descargar, multiplicado por el número de horas en que se entrega dicha corriente. Este parámetro determina cuánto tiempo el sistema puede operar una carga determinada sin que haya necesidad de recarga. Esto es: Q (Ah) = I (A). T (h)
La capacidad y el modelo de la batería que se utilizara en el desarrollo del proyecto, estará definido de acuerdo a los cálculos eléctricos que se muestran con detalle más adelante.
3.3
CONTROLADOR DE CARGA Los controladores se incluyen en los sistemas fotovoltaicos para proteger a las baterías contra sobrecargas y descargas excesivas. La mayoría de los controladores detectan el voltaje de la batería y actúan de acuerdo con los niveles de la tensión. Los controladores no son aparatos muy simples, ya que el estado de recarga de la batería depende de muchos factores y es difícil de medir.
3.4
CABLES DE CONEXIÓN
3.5
RELACION DE COMPONENTES POR TIPO DE SITEMA FOTOVOLTAICO Con un equipamiento principal compuesto por un (1) panel solar de 80 Wp, un (1) controlador de carga de 20 A y una (1) baterías de 150 Ah, dentro de este modulo, también se considera el suministro de equipamiento complementario compuesto por un (1) soporte del módulo y un (1) tablero de distribución para albergar los accesorios. Adicionalmente se considera tres (3) lámparas fluorescentes de 12 Vcc de 11 W, materiales y accesorios de instalación. Cuadro Nº: 2
Equipamiento del Sistema Fotovoltaico de 80 Wp
Equipamiento Principal
Panel solar 80Wp Regulador de carga de 20A Batería Solar de 12 VDC, 150 Ah
Cant
Equipamiento Complementario
Cant.
1
Soporte de modulo
1
1
Tablero de distribución
1
1
Materiales y accesorios de instalaciones
1
Lámpara Fluorescente compacta DC, 12 V, 11 W Cables, conectores, tomacorriente, enchufe, interruptor y accesorios
3 1
4.0
ESTUDIO DE MERCADO ELECTRICO 4.1
GENERALIDADES
La estimación de la máxima demanda de potencia y de energía eléctrica en el área de estudio, se realizó identificando en forma previa las localidades: sus nombres, categoría política, ubicación, población y número de viviendas; así como los diferentes tipos de cargas especiales. La proyección de la máxima demanda se realiza año por año, en base a factores de carga adecuados y coeficientes de electrificación en concordancia con los planos de ubicaciones de las viviendas y los radios de acción de los transformadores de distribución con el grado de dispersión de las viviendas y las condiciones socioeconómicas de la zona del proyecto. Para el estudio de la demanda se asume las siguientes premisas: El suministro de energía será continuo y confiable, sin restricciones de orden técnico (calidad de servicio) y con óptimos niveles de tensión (calidad de producto), y a costo razonable, de tal manera que cubra la demanda de la localidad.
En el análisis se consideran todas las viviendas ubicadas en el área de influencia del proyecto, cuya determinación se efectuó previo reconocimiento y evaluación de la zona geográfica.
Se realiza la proyección de la demanda de potencia y energía para las localidades del proyecto,
4.2
FUENTES DE INFORMACIÓN
Para esta parte del estudio se recopiló datos de campo, previa visita a todas las localidades en la cual se realizó encuestas, asimismo se recopilo información de fuentes confiables de carácter demográfico, económico y productivo, incluyendo las actividades económicas: agrícola, ganadera, comercial, industrial, forestal, minera, etc.; y de cualquier otra actividad que tenga impacto en el consumo de la energía eléctrica, ya sea por su utilización como insumo o como uso final. Para la estimación de la demanda, se ha tomado en cuenta también la siguiente información: Información
histórica del consumo de energía y potencia de las localidades similares a las del proyecto, información proporcionada por ELECTRO SUR ESTE S.A.A. Información histórica del consumo de energía de localidades con servicio eléctrico de las Empresas de Distribución ELECTRO SUR ESTE S.A.A.
4.3 HORIZONTE DE EVALUACIÓN El horizonte de evaluación del proyecto es de 20 años , y se toma como año 1 (2011) hasta el año 20 (2030). 4.4
CALCULO DE LA DEMANDA DE ENERGIA
4.4.1 Calculo de la demanda de Energía por usuario (domestico) La tabla siguiente muestra cada uno de los equipos y su potencia a los que podrán acceder las familias en el transcurso de la vida útil del proyecto, y las horas de uso por día. Para determinar estos datos también se ha tomado en cuenta los resultados del estudio preliminar socioeconómico donde su muestra bajo ingreso monetario mensual de las familias. Cuadro Nº: 3
Estimación de la energía requerida por familias
Demanda en los 20 Lámpara fluorescente TV Radio grabadora TOTALES
Unidades W
Horas/dia Días/semana W max
3.0
10.0
3
7
30.0
1.0
35.0
2
7
35.0
1.0
15.0
2
7
15.0 80.0
4.4.2 Calculo de la demanda de Energía por uso general (cargas Especiales) Se ha estimado que la escuela requiere 781 wh/día de energía para cubrir su demanda. En esta caso se ha tomado en cuenta la iluminación para dormitorios de los profesores que por lo general se quedan a pernotar en la comunidad, para la escuela se ha estimado que a lo largo del vida del proyecto va a contar y usar dos computadoras, radiograbadora, TV, DVD, herramientas básicas de apoyado para dictado de clases. Cuadro Nº: 4
Estimación de la energía requerida en la escuela
Artefacto I.E.
Unid. Pot. (W)
Luminarias
6
Cargador celular
3
Radio Grabador
1
30
1
100
Impresora
1
100
Computador
2
200
TV+DVD
11 5
Horas días Rend. horas/día prom. / día /semana
157.1
66
0.9
14.3
15
90%
1.1
38.1
30
4
90%
1.1
127.0
100
1
4
90%
0.6
63.5
100
2
3
90%
0.9
381.0
400
781.0
711
3
5
90%
2
3
90%
2
4
2
2.14
446
bgfgvbg
5.0
5.1
Wh / W día maxi prom.
CALCULO DE DISEÑO ELECTRICO
FACTORES CONSIDERADOS EN EL DISEÑO Cuadro Nº I FACTORES Máxima caída de Tensión permisible Factor de Potencia Factor de Demanda Voltaje del Sistema (voltios)
SERVICIO 4% 1.0 0.9 12
5.2
CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA 5.2.1 RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL CONDUCTOR Considerando la temperatura de trabajo del conductor. Se tiene: R2 = R1(1+∞((T2-T1)) Donde: R2 : R1 : ∞ : T1 : T2 :
5.3
Resistencia final a la temperatura de operación (Ohm/Km). Resistencia a 20°C. (Ohm/Km). Coeficiente de dilatación térmica a 20º C= 0.00384/"C. Temperatura (20°C). Temperatura de operación del conductor.
CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS El sistema debe soportar las tensiones de operación nominal y además. Aquellas sobre tensiones momentáneas que pueden ser de origen externo o interno sin que llegue a producir flameo. Considerando que las instalaciones se hallan a la intemperie y que la altura promedio es de 492 m.s.n.m., el nivel de aislamiento seleccionado para los equipos deberá tener presente estas condiciones así como el sistema de puesta a tierra y de protección.
FACTOR DE CORRECCION POR ALTURA La altura de operación promedio es de 492 m.s.n.m., por tanto, es necesario establecer el factor de corrección por altitud, el mismo que viene dado por la expresión: Fh = 1 + 1.25 (H - 1000)x10-4 Donde: Fh
: Factor de corrección por altitud.
H
: Altura sobre el nivel del mar.
Fh = 1 + 1.25 (H - 1000)x10-4 Fh = 0.94
5.4
Calculo de Potencia Instalada y máxima Demanda Por cada vivienda:
CARGAS
CANTIDA D
POTENCI A (W)
Lámpara Fluorescente
3
10
Televisión
1
35
Radio
1
15
TOTAL 30 35 15
CONSUMO TOTAL
80 W
Potencia Instalada = 80W
Máxima Demanda = (0.9)*80W = 72W
Por carga especial:
CARGAS
CANTIDA D
POTENCI A (W)
Lámpara Fluorescente
10
10
Televisión u otro
1
15
Radio
1
15
TOTAL 100 15 15 130 W
CONSUMO TOTAL Potencia Instalada = 130 W
Máxima Demanda = (0.9)*140W = 117W
5.5
Cálculo del Número de Paneles Solares y Banco de Baterías En primer lugar estimaremos los consumos eléctricos diarios de los equipos eléctricos que vayan a operar de continuo en la instalación. Para vivienda:
CARGAS Lámpara Fluorescente Televisión Radio
CANTIDA D
POTENCI A (W)
HORAS (h)
3 1 1
10 35 15
3 2 2
CONSUMO ENERGETICO TEORICO (Et)
ENERGIA (W-h) 90 70 30 190
Para carga especial:
CARGAS Lámpara Fluorescente Televisión u otro Radio
CANTIDA D
POTENCI A (W)
HORAS (h)
10 1 1
10 15 15
3 1 1
CONSUMO ENERGETICO TEORICO (Et)
ENERGIA (W-h) 300 15 15 330
A partir del consumo energético teórico Et (W-h), deberemos calcular el consumo energético real E (W-h), necesario para hacer frente a los múltiples factores de pérdidas que van a existir en la instalación fotovoltaica, del siguiente modo:
E =
E
t
R
Donde: R
: Parámetro de rendimiento global de la instalación fotovoltaica
k R = (1 − k b − k c − k v ). 1 − a .N p d Los factores de la ecuación son los siguientes: Kb : Coeficiente de pérdidas por rendimiento del acumulador. 0,05 : Coeficiente de pérdidas en el convertidor. 0,01 Kc : Coeficiente de pérdidas varias (efecto joule, rendimiento en Kv red) 0,05 : Coeficiente de autodescarga diario: 0,005 Ka : Números de días de autonomía de la instalación 2-10 días de N referencia. : Profundidad de descarga diaria de la batería. <80% capacidad Pd nominal del acumulador. Suponemos 50% de descarga diaria. Reemplazando estos valores en la ecuación se tendrá R= 0.8633 Entonces hallamos el consumo energético: Para vivienda E=220.1 W-h Para carga especial E=427.78 W-h
La Energía promedio necesaria calculada de los equipos es de 190 Wh/día para cubrir la demanda de los usuarios, y xxx para cubrir la demanda de las cargas especiales. Datos importantes para determinar la potencia (Wp) requerida del panel considerando el potencial solar expuesto en la tabla.
CALCULO DEL TAMAÑO DE LA BATERIA
Tamaño
=.
Aut
× E
Re nd × Desc
Donde: AUT E REND DESC
: Autonomía- días sin brillo solar. : Consumo Energético Diario (W-H) : eficiencia de la batería. 80% para el presente estudio. : descarga de la batería
Entonces el tamaño de la batería será = (3 x 220.1)/(0.8 x 0.5) = 1650.75 W-h Una vez definido el tamaño de la batería, se puede calcular la capacidad del mismo expresado en A-h del siguiente modo:
C
(w
Tamaño =
h)
−
V (voltios
)
Reemplazando los datos obtenidos y la tensión de 12 V tendremos: Para vivienda C=137.5 A-h Para carga especial C=254.63 A-h
FALTA CONCLUCION de batería a utilizar. De acuerdo a los resultados anteriores, la mejor alternativa es…
CALCULO DE LA IRRADIACION Una vez definida la batería calcularemos los paneles solares para lo cual es necesario los valores de irradiación solar diaria media en la superficie inclinada H (kWh/m2). Factor por
Insol. Horiz.
Insol Panel
Inclinación
(KWH/M2)
(KWH/M2)
Enero
0.923
5.0
4.6
Febrero
0.963
5.5
5.3
Marzo
0.993
6.0
6.0
Abril
1.045
5.0
5.2
Mayo
1.048
5.0
5.2
Junio
1.123
4.5
5.1
Julio
1.113
4.5
5.0
Agosto
1.068
4.5
4.8
Septiembre
1.015
5.0
5.1
Octubre
0.963
5.5
5.3
Noviembre
0.923
6.0
5.5
Diciembre
0.913
5.5
5.0
PROMEDIO
1.01
5.17
5.18
Mes
Es necesario las horas de pico solar HPS(h) definido como las horas de luz solar por día equivalentes pero definidas en base a una irradiancia I(kW/m2) constante de 1 kW/m2, a la cual esta siempre medida la potencia de los paneles solares. Entonces se tiene. H (kWh/m2)= I(1kW/m2)* HPS(h)
HPS Mes h Enero
4.6
Febrero
5.3
Marzo
6.0
Abril
5.2
Mayo
5.2
Junio
5.1
Julio
5.0
Agosto
4.8
Septiembre
5.1
Octubre
5.3
Noviembre
5.5
Diciembre
5.0
PROMEDIO
5.18
CALCULO DEL TAMAÑO DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO El tamaño de un sistema FV está dado por el Watt Pico (Wp). Esta es la salida máxima de un panel FV bajo condiciones estándar que son: temperatura ambiente de 25°C y 1000 Watt/m2 de irradiación. Para determinar el tamaño del panel solar fotovoltaico, se utiliza la siguiente formula: E w = 1200 * Id p
Donde : Wp : Es la potencia pico de cada panel (W). E : Consumo energético diario (KWh/día). Id : Irradiación (KWh/m2/día). Factor : 1200 (W.m2). De acuerdo a la irradiación estandar mas un 20% de perdidas. La fórmula supone una eficiencia del sistema de aproximadamente 8% que se basa en la eficiencia del panel (10%) y la eficiencia de la batería (80%). Otro dato que se asume es la potencia proporcional de los paneles por metro cuadrado de 100 Wp. En promedio los paneles FV están en aproximadamente 100 Wp por m2 o, para decirlo de una manera diferente, los paneles solares tienen una eficiencia promedio del 10%. Reemplazando valores se tiene:
w
Para vivienda
p
w
p
=1200*220.1/5.18
=50.988 W
En base al resultado anterior, comprobamos que el uso de un panel solar Fotovoltaico de 80 Wp es adecuado para el proyecto. Para carga especial
w
p
=1.15 »
CALCULO DEL CONTROLADOR DE CARGA
El controlador debe tener suficiente capacidad para controlar la máxima corriente producida por el conjunto fotovoltaico. Se recomienda que la sobrecorriente ocasional no sobrepase 1,25 veces la corriente de cortocircuito del controlador de carga. Por lo tanto el calculo del Regulador de Voltaje. REGULADOR = CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO*CANTIDAD DE PANELES
Regulador
= 7.2*(1) = 7.2 Amp
Por lo tanto el Regulador de 20Amp podrá trabajar para 03 paneles.
5.6
COORDINACION DE PROTECCION 5.6.1 Generalidades Con el objeto de brindar la máxima seguridad a los equipos de las instalaciones. Tales como equipos electrónicos, cables. etc. se ha previsto limitar el efecto de la corriente de falla mediante la utilización de dispositivos de protección adecuadamente seleccionados y coordinados. Pararrayos y Puesta A Tierra R<=3 Ohmios.
6.0
CALCULO DE DISEÑO MECÁNICO
6.1.1 GENERALIDADES El cálculo mecánico de soportes permite establecer las características de los postes y armados a ser empleados para que sirva de soporte a los Paneles Solares y se realizan. Tomando en cuenta los esfuerzos de rotura de Fluencia (deformaciones permanentes) e inestabilidad, así como los valores de resistencia mecánica estipulados por el C.N.E. (Tomo IV).
6.1.2 UBICACION DE LOS SOPORTES La ubicación de los soportes se realizara de izquierda a derecha, teniendo presente los siguientes lineamientos: Se aprovechará adecuadamente el perfil topográfico para alcanzar una buena iluminación del sol hacia los Paneles Solares.
6.1.3 BASES DE CALCULO Velocidad del viento Presión del Viento (Pv)
: :
Longitud del poste (H)
:
45 Km/h 0.05 Kg/m 3m
Carga trabajo en la punta (Kg)
:
300Kg
6.1.4 CALCULO DE POSTES
Hm = 2.40 H = 3.0 m
He=0.60
Donde: H Hm He
: : :
Longitud total del poste altura libre a la superficie de la tierra (m) Altura de empotramiento del poste
6.1.5 ALTURA DE EMPOTRAMIENTO He=H/10 m
(con macizo de concreto)
He=H/10 + 30 m (sin macizo de concreto)
6.1.6 ANGULO DE INCLINACION Se tiene la ubicación técnica de la zona donde se ejecutara el proyecto.
Longitud Latitud UTM
: 72º 45’ 50.63” W : 12º 23’ 16.55” S : 743105 E, 8629531 N
Entonces para determinar la inclinación adecuada del panel solar fotovoltaico se tiene: Inclinación (º) = Max ( |ψ| + 10º ) Donde: ψ
= Latitud del Lugar
Para este caso el ángulo de inclinación es: 22º Horas de Sol Promedio (H)
5.17
