escuela superior politecnica del litoral · a todas aquellas personas que de una u otra forma,...

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación

“DISEÑO DE UN SISTEMA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS PARA MEJORAR LA

EFICIENCIA EN ÁREAS QUE UTILIZAN CLARABOYAS PARA

ILUMINACIÓN”

TESIS DE GRADO

Previo a la obtención del título de:

INGENIERO EN ELECTRICIDAD ESPECIALIZACIÓN ELECTRÓNICA Y

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Presentado por:

Holguer Humberto Noriega Zambrano

Wilson Daniel Pereira Espinoza

Guayaquil - Ecuador

2014

II

AGRADECIMIENTO

A todas aquellas personas que de una u otra

forma, colaboraron para que se cumplan todos los

objetivos del presente proyecto. Al Ph.D. Guillermo

Soriano, al Ing. Javier Urquizo, a la Ing. Carola

Sánchez, al Ing. José Macías, al Ing. Rubén

Hidalgo, al Ing. Miguel Yapur, al Ph.D. Boris

Vintimilla, al Ph.D. Cristóbal Mera, a Steven

Macías, a Miguel Cuji.

Un agradecimiento especial a Dios, a nuestros

padres y hermana quienes son las luces que guían

nuestras vidas, a nuestro director de tesis el Ph.D

Síxifo Falcones, quien nos guio a lo largo de todo

este recorrido, de igual manera a nuestros amigos

y compañeros por su cariño, apoyo y paciencia.

Y a todos aquellos que con su lucha manifiestan

que es posible fundar otra sociedad basada en

igualdad de oportunidades.

Gracias.

III

DEDICATORIA

Tu lucha te convirtió en héroe, tu valentía fue

ejemplo de liderazgo, y tu amistad te convirtió en

mi hermano. El esfuerzo, sacrificio y dedicación de

este trabajo lo pongo de ofrecimiento en cualquier

parte del universo que te encuentres querido

amigo Jorgge.

Holguer.

IV

TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN

BORIS VINTIMILLA, Ph.D.

PRESIDENTE

SÍXIFO FALCONES, Ph.D.

DIRECTOR DE TESIS

CRISTÓBAL MERA, Ph.D.

VOCAL PRINCIPAL

V

DECLARACIÓN EXPRESA

“La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, nos corresponde

exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la Escuela Superior

Politécnica del Litoral.”

(Reglamento de graduación de la ESPOL)

HOLGUER HUMBERTO NORIEGA ZAMBRANO

WILSON DANIEL PEREIRA ESPINOZA

VI

RESUMEN

El presente trabajo muestra el diseño de un sistema de energía eléctrica

usando paneles fotovoltaicos en forma de persianas para mejorar la

eficiencia energética de los edificios con claraboyas.

El análisis, y la solución del problema se centrarán en reducir el efecto

invernadero de dichos inmuebles. Para esto, se ideará un prototipo- que

simulará las condiciones climáticas y estructurales del edificio principal de la

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación de ESPOL. Este

modelo contendrá a los paneles fotovoltaicos en su parte superior, usará un

circuito electrónico (seguidor solar), que los hará girar de acuerdo al

movimiento relativo del sol.

Con lo antes mencionado, se evitará una radiación solar directa sobre el

interior del prototipo (edificio), disminuyendo así el efecto invernadero,

sumado también a la generación limpia de energía eléctrica. La central de

acondicionador de aire, tendrá menos trabajo de enfriar su interior,

reduciendo el consumo de energía de red, y por tanto su facturación.

También se considera otros factores de mejoras energéticas como: zona

climática, orientación del edificio, materiales de paredes.

Una vez realizadas las pruebas entre un antes y después de la

implementación del prototipo propuesto, se ha obtenido un ahorro energético

VII

de aproximadamente el 30%, siendo así un referente para disminuir los años

de recuperación de la inversión, haciendo viable el proyecto en diferencia de

otros de la misma característica.

Al ser un prototipo que simula condiciones objetivas de edificios con

claraboyas, en un futuro se lo puede aplicar en este tipo de construcciones

alrededor del mundo.

Palabras Claves: paneles solares, radiación solar, eficiencia energética.

VIII

INDICE

AGRADECIMIENTO ....................................................................................... II

DEDICATORIA ...............................................................................................III

TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN .................................................................. IV

DECLARACIÓN EXPRESA ............................................................................ V

RESUMEN ..................................................................................................... VI

ABREVIATURAS ........................................................................................... XI

SIMBOLOGÍA .............................................................................................. XIV

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................. XVII

ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. XXIII

INTRODUCCIÓN ...................................................................................... XXVI

1. CAPÍTULO 1. ......................................................................................... 1

1.1. Antecedentes ..................................................................................... 2

1.2. Descripción del Proyecto ................................................................... 3

1.2.1. Hipótesis y Solución ....................................................................... 6

1.2.2. Etapa de implementación ............................................................... 8

1.2.3. Metodología ...................................................................................10

1.3. Objetivos ...........................................................................................12

1.3.1. Objetivo General ............................................................................12

1.3.2. Objetivos Específicos ....................................................................12

2. CAPÍTULO 2. .......................................................................................14

FUNDAMENTO TEÓRICO .........................................................................14

2.1. Energía Solar ....................................................................................14

2.1.1. Ventajas de sistema de generación de energía solar ....................16

2.1.2. Desventajas de sistema de generación de energía solar ..............17

2.2. Radiación solar .................................................................................18

IX

2.2.1. Radiación solar en el Ecuador .......................................................20

2.2.2. Efecto invernadero ........................................................................25

2.3. Movimiento del Sol ...........................................................................26

2.4. Celdas Fotovoltaicas.........................................................................27

2.4.1. Parámetros fundamentales de la célula solar ................................29

2.4.2. Tipos de célula solar ......................................................................33

2.5. Sistema fotovoltaico ..........................................................................35

2.5.1 Paneles Fotovoltaicos ...................................................................36

2.5.2 Convertidor DC-DC PWM Elevador (Boost) ..................................38

2.5.3 Convertidor DC-AC PWM Monofásico ...........................................39

2.5.4 Rastreo de Punto de Máxima Potencia (MPPT) ............................41

2.6. Herramientas de Simulación .............................................................48

2.6.1. MATLAB ........................................................................................48

2.6.2. Simulink .........................................................................................49

3. CAPÍTULO 3. .......................................................................................77

METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL PROTOTIPO ....................................77

3.1. Dimensionamiento de los componentes del Sistema Fotovoltaico ...77

3.1.1. Cálculo de la Potencia Consumida del Sistema ............................78

3.1.2. Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos ............................80

3.1.3. Diseño de la estructura mecánica .................................................88

3.2. Diseño del Sistema de Control de Posicionamiento .......................120

3.2.1. Modelamiento de la planta...........................................................127

3.2.2. Diseño del Controlador ................................................................131

3.3. Simulaciones del sistema ...............................................................141

3.4. Diseño de pruebas ..........................................................................148

4. CAPÍTULO 4 ......................................................................................158

PRUEBAS DEL SISTEMA ........................................................................158

4.1. Diagrama del sistema completo ......................................................158

4.2. Fotos del sistema implementado ....................................................160

4.3. Medición de carga consumida ........................................................166

X

4.4. Comparación de ahorro de energía antes y después de la

implementación del sistema fotovoltaico ..................................................181

4.5. Cálculo de ahorro y eficiencia .........................................................185

5. CAPÍTULO 5 ......................................................................................187

ANÁLISIS DE COSTO PARA EL ÁREA C – PROFESORES DE LA FIEC

.................................................................................................................187

5.1. Análisis económico del Sistema Fotovoltaico, de Iluminación, de

Climatización y de Automatización ...........................................................188

5.2. Consideraciones económicas .........................................................189

5.2.1. Costos directos e indirectos del proyecto ....................................190

5.2.2. Costos totales ..............................................................................191

5.3 Proyección del tiempo de recuperación de la Inversión ..................194

5.4 Mejoras complementarias y sus costos .........................................201

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................203

BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................206

XI

ABREVIATURAS

AC Corriente Alterna

A/C Acondicionador de Aire

ADC Convertidor Analógico Digital

BEN Beneficio Anual

BTU British Termic Unit

CEE Calidad de la Energía Eléctrica

DC Corriente Directa

GEAD Generación Eléctrica Anual total del Sistema Propuesto

GED Generación Eléctrica Diaria del Sistema Fotovoltaico

GTO Tiristores de desactivación por Compuerta

HZ Hertz

IDC Corriente en el lado DC

XII

IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos

LDR Ligth Depedence Resistor

P.U. Por unidad

PCB Tarjeta de circuito impreso

PFIEC Potencia Demanda de la FIEC

PLC Controlador Lógico Programable

PQ Calidad de Potencia (Power Quality)

PVC Policloruro de Vinilo

PWM Modulación de Ancho de Pulsos

R.P.M Revoluciones por minuto

SAI Sistema de alimentación Ininterrumpida

SCR Rectificadores de Silicio Controlado

SPWM Modulación senoidal por ancho de pulsos

XIII

THD Distorsión Total de Armónicos

TI Texas Instrument

UPQC Periodo de Conmutación

UPS Sistema de Potencia Ininterrumpible

VA Voltios Amperios

VAN Valor Actual Neto

VAC Voltaje en el lado AC

VDC Voltaje en el lado DC

VSR Fuente Rectificadora de Voltaje

XIV

SIMBOLOGÍA

dm Distancia mínima entre los paneles

e Carga del electrón

Ff Factor de forma

Fw Fuerza del Viento

I Irradiación solar

IDC Corriente continua

IL Corriente de la carga

Is Corriente de la fuente

Isc Corriente de cortocircuito

Ih Corriente del panel fotovoltaico ante radiación solar

K Constante de Boltzman

n Eficiencia

XV

P Potencia activa

PPV Potencia del Panel Fotovoltaico

Pigbt Potencia disipada por el IGBT

Pinv Potencia del Inversor

Pm Potencia del motor

Ps Potencia de la fuente

Q Potencia reactiva

Qcc Calor perdido por conducción- convección

Qren Calor sensible perdido por renovación del aire interior

R Resistencia

RL Resistencia de la carga

Rn Radiación neta

S0 Interruptor apagado o abierto

XVI

Sp Superficie expuesta al sol de los paneles fotovoltaicos

t Tiempo

Tap Torque en el punto de apoyo de los paneles solares

THD Distorsión total armónica

Vv Velocidad del viento

VDC Voltaje DC

VIN Voltaje de entrada

VL Voltaje de la carga

VMAX Voltaje Máximo

Vosc Voltaje de circuito abierto

Vout Voltaje de salida

ω Velocidad angular

W Peso de los paneles fotovoltaicos

XVII

ÍNDICE DE FÍGURAS

Figura 1.1. Vista de la Claraboya del Área C - Profesores del Edificio de la

FIEC ................................................................................................................ 4

Figura 1.2. Vista exterior del Área C - Profesores de la FIEC ......................... 4

Figura 1.3. Diagrama de Sistema Fotovoltaico Propuesto .............................. 5

Figura 1.4. Prototipo de Generación de energía eléctrica ............................... 7

Figura 1.5. Control de posición angular de persianas ..................................... 9

Figura 1.6. Diagrama con las dimensiones y distribución de los paneles

fotovoltaicos. Específicamente la claraboya de la FIEC ................................. 9

Figura 1.7. Imagen 3D (vista superior) del prototipo a realizar ......................10

Figura 1.8. Analizador de energía Fluke 43B .................................................11

Figura 2.1 Irradiación Solar en la Superficie Terrestre ...................................16

Figura 2.2. Tipos de radiación que influyen en un panel fotovoltaico ............19

Figura 2.3. Insolación Directa Promedio del Ecuador durante el año 2008. ..21

Figura 2.4. Insolación Global promedio del Ecuador durante el año 2008. ....21

Figura 2.5. Ángulos de influencia en la generación de energía solar ............27

Figura 2.6 Estructura de una celda fotovoltaica . ...........................................28

Figura 2.7. Circuito equivalente de la célula solar..........................................30

Figura 2.8. Influencia de la resistencia Rp sobre la curva I-V de la célula

fotovoltaica ....................................................................................................31

Figura 2.9. Influencia de la resistencia Rs sobre la curva I-V de la célula

fotovoltaica ....................................................................................................32

XVIII

Figura 2.10. Diagrama de bloques de un Sistema Fotovoltaico .....................35

Figura 2.11. Conexión en serie de las celdas en panel fotovoltaico . ............37

Figura 2.12. Elementos de una panel fotovoltaico . .......................................37

Figura 2.13. Circuito fundamental de un convertidor DC-DC PWM Elevador.

.......................................................................................................................38

Figura 2.14. Transferencia de energía de la fuente a la bobina y del

condensador a la carga. ................................................................................39

Figura 2.15. Configuración del inversor monofásico más usado ...................40

Figura 2.16. Curva de Voltaje vs Corriente (Curva de Potencia) . .................42

Figura 2.17. Diagrama Esquemático que muestra la Diferencia entre los Dos

Sistemas de Seguimiento: a) Azimut-Elevación, b) Rotación-Elevación. .......45

Figura 2.18. Seguidor Solar de un eje azimutal . ...........................................46

Figura 2.19. Seguidor Solar de un eje polar . ................................................47

Figura 2.20. Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos

electroquímicos .............................................................................................47

Figura 2.21. Logo de Matlab - Simulink .........................................................48

Figura 2.22. Pantalla de inicio ISIS Proteus v7.9 ...........................................50

Figura 2.23. Pantalla de Inicio mikroC Pro v.5.61 ..........................................51

Figura 2.24. Pantalla de Inicio Autodesk Inventor Professional .....................52

Figura 2.25. Efecto Invernadero en edificios . ................................................56

Figura 2.26 Pantalla de Inicio Fluke View ......................................................76

Figura 3.1. Diagrama de Cuerpo Libre de un Panel Solar. ............................96

XIX

Figura 3.2. Diagrama de bloques del integrado L298N . ................................99

Figura 3.3. Motor de paso Bipolar con caja reductora .................................100

Figura 3.4. Terminología de un sistema de engranajes rectos ....................104

Figura 3.5. Nomenclatura de los elementos geométricos de la cremallera. .104

Figura 3.6. Viste superior del engranaje recto. ............................................108

Figura 3.7. Ventana de Spur Gears Component Generator de Autodesk ....109

Figura 3.8. Ventana de la forma del tren de engranajes ..............................110

Figura 3.9. Pestaña Calculation de la ventana de Spur Gears Component .110

Figura 3.10. Vista Lateral de la ubicación de los piñones y cadenas ...........113

Figura 3.11. Distancia mínima entre filas consecutivas de paneles solares

.....................................................................................................................115

Figura 3.12. Dimensiones de la estructura donde irán montados el sistema de

paneles solares ............................................................................................117

Figura 3.13. Recubrimiento de material aislante a la estructura donde irán los

paneles solares ............................................................................................117


paneles solares ............................................................................................118

Figura 3.15. Plataforma donde irán puestos los paneles solares.................119

Figura 3.16. Chumaceras para la estructura de los paneles solares ...........120

Figura 3.17. Estudio del Dr. Lubits sobre la irradiancia de paneles .............121

Figura 3.18. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL ...............125

Figura 3.19. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL ...............125

XX

Figura 3.20. Diagrama de bloques del Seguidor solar .................................127

Figura 3.21. Fotocelda utilizada ...................................................................128

Figura 3.22. Ubicación de los sensores de luz en el panel solar .................129

Figura 3.23. Estructura donde dentro irán las fotoceldas, para conseguir la

perpendicular de los rayos solares sobre ellas. ...........................................130

Figura 3.24. Posición sobre los paneles de los sensores de luz ..................130

Figura 3.25. Diagrama de bloques del circuito de seguidor solar ................131

Figura 3.26. Diagrama de bloques del sistema de diferencia lumínica y control

.....................................................................................................................132

Figura 3.27. Circuito eléctrico de las fotoceldas del seguidor solar .............133

Figura 3.28. C.I DS1307 ..............................................................................134

Figura 3.29. Diagrama de Flujo de la programación del PIC 16F887 ..........136

Figura 3.30. Módulo L298N .........................................................................137

Figura 3.31. Diagrama de los embobinados del motor de Pasos Bipolar. ...140

Figura 3.32. Simulación en Proteus del Seguidor, etapa de funcionamiento

.....................................................................................................................143

Figura 3.33. Simulación en Proteus del Seguidor solar, en etapa de

funcionamiento. Fotoceldas con valores similares. MOTOR DETENIDO ....144


funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR IZQUIERDA .144


funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR DERECHA ...145

XXI

Figura 3.36. Forma de Onda de los pulsos del PIC hacia las bobinas del

motor. GIRO IZQUIERDO ............................................................................146

Figura 3.37. Forma de Onda de los pulsos hacia las bobinas del motor. GIRO

DERECHO ...................................................................................................147

Figura 3.38.Venta para la conexión entre la PC y el Analizador de Energía

por medio del software FLUKE VIEW. .........................................................150

Figura 3.39. Inicio de la conexión en tiempo Real del Equipo con la PC. ....151

Figura 3.40. Configuración en la transferencia de datos en tiempo Real .....151

Figura 3.41. Para copiar datos a una Hoja de Cálculo. ................................152

Figura 3.42. Para copiar datos a una hoja de cálculo ..................................153

Figura 3.43. Menú Principal del Analizador de Energía Fluke 43B ..............154

Figura 3.44. Panel Frontal del Fluke 43B .....................................................155

Figura 3.45a. Botón Display Trend ..............................................................156

Figura 4.1. . Diagrama Unifilar del Prototipo Propuesto ...............................159

Figura 4.2. Vista Superior del Controlador del Seguidor Solar ....................160

Figura 4.3. Vista Frontal del Controlador del Seguidor Solar .......................161

Figura 4.4. Vista Superior del Dimmer .........................................................161

Figura 4.5. Vista Frontal del Dimmer ...........................................................162

Figura 4.6. Vista Superior del Sensor de luminosidad. ................................162

Figura 4.7. Vista Frontal del Sensor de luminosidad ....................................163

Figura 4.8. Vista Superior del motor a pasos bipolar. ..................................163

Figura 4.9. Vista Iso Superior – Mesa Superior. ..........................................164

XXII

Figura 4.10. Vista Frontal de las dos estructuras del Prototipo. ...................165

Figura 4.11. Vista frontal de la mesa inferior del prototipo. Se aprecia el aire

acondicionado y el policarbonato que hace de las veces de claraboya. ......165

Figura 4.12. Vista Frontal del acople mecánico del motor a pasos. .............166

Figura 4.13. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del

tiempo- sin el Sistema Propuesto- Durante 3 días de Setting Alto del A/C. .169


tiempo- sin el Sistema Propuesto- 20 al 23 de octubre- Setting Medio del A/C.

.....................................................................................................................171

Figura 4.15. Gráfica de Potencia Instantánea Setting Bajo. ........................174

Figura 4.16 Graficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del

tiempo sin el sistema propuesto - Durante Dos días de setting Alto del A/C.

.....................................................................................................................176


tiempo- con el Sistema Propuesto- 6 y 7 de noviembre- Setting Medio del

A/C. ..............................................................................................................178

XXIII

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2.1. Insolación global promedio mensual espol durante el año 2010

.......................................................................................................................23


.......................................................................................................................24


.......................................................................................................................25

TABLA 2.4. Diferencias entre los tipos de células fotovoltaicas.....................34

TABLA 2.5. Absorbividad (α), emisividad (ε), transmisividad (ϯ), y reflectividad

(ϭ) para diferentes tipos de radiación; de cubierta de materiales comúnmente

utilizados como cubierta de invernaderos ......................................................59

TABLA 2.6. Conductividad térmica de algunos materiales de cubierta ..........62

TABLA 2.7. Tasas de renovación de aire por infiltración a través de la

estructura .......................................................................................................63

TABLA 2.8. Conductividad térmica de algunos tipos de suelo, ks .................64

TABLA 3.1. Carga eléctrica del prototipo .......................................................79

TABLA 3.2. Características del inversor ........................................................80

TABLA 3.3. Número de acuerdo a la potencia del inversor ...........................81

TABLA 3.4. Característica del panel fotovoltaico ...........................................82

TABLA 3.5. Ubicación del edificio de la fiec (Guayaquil) ...............................83

TABLA 3.6. Características del inversor Grid Tie de 2500w ..........................84

TABLA 3.7. Característica de torque y potencia del motor ............................98

XXIV

TABLA 3.8. Característica generales del motor bipolar ...............................101

TABLA 3.9. Parámetros de los engranajes obtenidos por autodesk inventor

.....................................................................................................................111

TABLA 3.10. Parámetros de cada engranaje en términos de carga ............112

TABLA 3.11. Característica de los engranajes ............................................113

TABLA 3.12. Datos para el cálculo de distancia entre paneles solares .......114

Tabla 3.13. Altura solar, azimut y angulo inclinación para Guayaquil ..........124

TABLA 3.14. Movimiento en el 21 de cada mes para Guayaquil .................126

TABLA 3.15. Características del motor a pasos bipolar ...............................139

TABLA 3.16. Secuencia de movimiento a la derecha del motor 42sth-

381684a .......................................................................................................141

TABLA 3.17. Secuencia de movimiento a la izquierda del motor 42sth-38684a

.....................................................................................................................141

TABLA 4.1. Cronogramas de mediciones del prototipo ...............................167

TABLA 4.2. Energía consumida por la carga- nivel alto de A/C- sin el sistema

propuesto. ....................................................................................................170

TABLA 4.3. Energía consumida por la carga- nivel medio de A/C- sin el

sistema propuesto. .......................................................................................173

TABLA 4.4. Energía consumida por la carga- nivel bajo de A/C- sin el sistema

propuesto. ....................................................................................................175

TABLA 4.5. Energía consumida por la carga- nivel alto de A/C- con el sistema

propuesto. ....................................................................................................177

XXV

TABLA 4.6. Energía consumida por la carga- nivel medio de A/C- con el

sistema propuesto. .......................................................................................179

TABLA 4.7. Días que comparten similares irradiancia y temperatura externa

.....................................................................................................................182

TABLA 4.8. Comparación del ahorro energético con y sin el sistema. ........183

TABLA 5.1. Materiales físicos para implementación en edificio de la FIEC –

Área C ..........................................................................................................191

TABLA 5.2. Materiales electrónicos para seguidor solar - dimmer ..............192

TABLA 5.3. Mano de obra para implementación – Área C Profesores ........193

TABLA 5.4. Costos directos totales para implementación – Área C Profesores

.....................................................................................................................193

TABLA 5.5. Costos indirectos totales para FIEC– Área C profesores .........193

TABLA 5.6. Costos totales para implementación – Área C profesores ........194

XXVI

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, la búsqueda de nuevas fuentes de energía para la

generación de Electricidad ha conllevado consigo un cambio de mentalidad

en las diferentes sociedades alrededor del Orbe. En muchas naciones,

como Ecuador, se ha implementado políticas gubernamentales para dejar la

dependencia de los hidrocarburos como principio de producción energética.

Esfuerzos privados también se han visto envueltos en esta moda de las

energías alternativas al petróleo. Este último sector ha incursionado en la

mejora de la eficiencia energética en construcciones habitacionales,

aprovechando de mejor manera la ubicación del sol. Entre dichos

inmuebles, se pueden ubicar a los edificios con claraboyas.

Una de las mejoras que propone el presente proyecto, es la implementación

de una persiana solar construida de tal forma que, provoque que los rayos

solares golpeen perpendicularmente su superficie. Dicho sistema se ubicará

encima de la claraboya de edificios con esta característica.

Se construyó un prototipo para probar la solución propuesta. Este prototipo

tendrá los paneles solares, ubicados en formas de persianas (persiana solar)-

que estarán dotados con un circuito de seguidor solar, de tal forma que eviten

la incidencia perpendicular del sol, como antes se lo mencionó.

Todo esto, estará montado en una mesa que será móvil, y que estará encima

XXVII

de otra estructura de características similares a un edificio con claraboya.

Para probar la eficiencia del sistema se realizará pruebas de medición de

energía consumida, bajo determinadas cargas que por lo general existen en

los edificios para el confort de sus habitantes- central de acondicionador de

aire y luces.

Las pruebas se realizarán en dos etapas: antes del uso del sistema que se

propone como mejor, y después de la colocación del mismo sobre la

estructura que caracteriza a los edificios con claraboyas.

CAPÍTULO 1

JUSTIFICACIÓN Y PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA

En el presente capítulo, se resalta la importancia de Eficiencia Energética y de

las Energías Renovables actualmente en nuestro país. Se resalta

específicamente el problema de eficiencia de consumo eléctrico actualmente

presente en el área C de Profesores del edificio de Gobierno de la Facultad de

Ingeniería en Electricidad y Computación (FIEC), de la Escuela Superior

Politécnica del Litoral (ESPOL). Se plantea una solución basada en paneles

fotovoltaicos y luces LED para mejorar la eficiencia del área indicada. Se

desarrolló un prototipo que simule las condiciones del lugar para demostrar su

efectividad.

2

1.1. Antecedentes

La eficiencia Energética y las Energías Renovables han despertado el

interés del actual Gobierno y son áreas estratégicas de investigación.

Además, las medidas de Eficiencia Energética que pueden aportar hasta

un 30% de ahorro. La energía solar fotovoltaica adquiere una mayor

importancia en zonas donde la Red Pública de Distribución Eléctrica

Nacional no llega, y su implementación es difícil de realizar.

Económicamente, una vez superados los gastos de inversión, y con un

diseño óptimo de utilización de energía, es más viable este tipo de

energía alternativa, en zonas remotas del territorio ecuatoriano. Sin

embargo, la energía solar se ha convertido en la energía alternativa de

más desarrollo en los últimos años en la ciudad de Guayaquil

destacándose por su implementación en zonas urbano marginales donde

la energía eléctrica convencional adquiere un papel secundario, debido a,

la dificultad en la implementación de redes eléctricas en estas zonas

específicas.

Como Universidad a la vanguardia de la Tecnología de Ecuador, la

ESPOL no se escapa de la realización de este tipo de proyectos de

impacto nacional.

3

1.2. Descripción del Proyecto

Se realizó un diseño de un Sistema de Generación de Energía Eléctrica

basado en Paneles Fotovoltaicos, para lo cual, se desarrolló un prototipo

funcional ideado para áreas que incluyan una claraboya (ver Fig. 1.1.), un

sistema de alimentación fotovoltaico con capacidad de seguimiento solar,

el cual en un futuro se podrá implementar en diferentes áreas de la

Universidad, como por ejemplo, el ÁREA – C PROFESORES de la

Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación, mostrada en la Fig.

1.2.

En esta sección se describe brevemente los componentes del sistema de

generación propuesto: los paneles solares basados en módulos

fotovoltaicos, circuito de seguimiento solar, el uso de un dimmer para el

control de iluminación y el control de temperatura del área mencionada

por medio de una estación meteorológica, tal y como se observa en la

Fig. 1.3. Adicionalmente, la medición de la carga consumida antes y

después de la una posible implementación del prototipo para verificar la

eficiencia energética planteada en el presente proyecto.

4

Figura 1.1. Vista de la Claraboya del Área C - Profesores del Edificio de la FIEC

Figura 1.2. Vista exterior del Área C - Profesores de la FIEC

5

PV11PV21

PV22

PV27

PV28

DRIVE CONTROLSENSORES DE LUZ

Y POSICIÓN

INVERSOR

PV12

PV17

PV18

PV271

PV272

PV277

PV278

SITEMAS DE ENGRANAJES MECÁNICOS

PROTECCIONES MONITOREOPANEL DE

DISTRIBUCIÓN

TUBERÍA ELÉCTRICA

M

Figura 1.3. Diagrama de Sistema Fotovoltaico Propuesto

6

1.2.1. Hipótesis y Solución

Se conoce que el efecto invernadero en edificios con claraboyas, se da

principalmente por la irradiación solar que pasa a través de ella en forma

de luz y calor. Esto obligará al sistema de acondicionador de aire a

trabajar más, por tanto a consumir más energía eléctrica.

Como hipótesis, se espera que al utilizar un sistema que evite que los

rayos solares incidan directamente sobre una claraboya y al que

simultáneamente genere su propia energía eléctrica aprovechando esos

mismos rayos solares utilizando paneles solares para mantener el nivel

de iluminación del área y proveer de fuerza motriz a la estructura, se

obtenga un ahorro de energía eléctrica y por consecuente mejore la

eficiencia.

Para validar esta hipótesis, se construyó un prototipo de un generador de

energía eléctrica basado en módulos fotovoltaicos ubicados en formas de

persianas, con un control posicional basado en el máximo punto de

radiación solar alcanzando de esta forma un mejor aprovechamiento de la

energía eléctrica generada, el cual a su vez será inyectado a la red por

medio de un inversor Grid Tie (ver Fig. 1.4.). La posición de los paneles

(aparte de generación de energía) servirá para evitar el paso directo de

7

los rayos solares y calor al interior del edificio, y mejorar el enfriamiento

del lugar.

Figura 1.4. Prototipo de Generación de Energía Eléctrica

PANEL

FOTOVOLTAICO

INVERSOR CIRCUITOS AC

LED 7W A.A 5000 BTU

RED ELÉCTRICA

8

1.2.2. Etapa de implementación

El proyecto consiste principalmente en el diseño de un generador de

energía solar. Para lo cual se propuso un prototipo, mostrado en la Fig.

1.4. Los paneles solares se montan en forma de persianas las cuales se

moverán despendiendo de la posición del sol, consiguiendo de esta

manera disminuir el efecto invernadero y proveer luz natural en la zona.

Según se observa en la Fig. 1.5., el prototipo constó de un control de

posición de los paneles basado en un drive y un motor de paso bipolar.

Los paneles se moverán en función de la señal emitida por un circuito

controlador (seguidor solar) para lograr obtener la máxima potencia del

sistema, y como resultado, bloqueará la incidencia directa de los rayos

solares.

El proyecto analiza la optimización de los recursos técnicos, económicos

y estéticos, para de esta forma obtener el máximo ahorro energético y por

consecuente económico en el sistema eléctrico mensual ya instalado en

la institución.

Con la financiación necesaria de parte de la Universidad, se podría pasar

del prototipo a un sistema más amplio que abarque el Área C de

profesores (Fig.1.6). En donde se utilizan los paneles de la marca

9

EXMORK que miden 67.0 x 62.0 cm, por consecuente se necesitaran 13

ramales de 4 paneles cada una. Por el costo de inversión en la

adquisición de dichos módulos, y otros equipos, se ha decidido

desarrollar un prototipo el cual constó de tres paneles Exmork de 50W y

de las siguientes cargas eléctricas: un acondicionador de aire de 5000

BTU y dos focos led de 7W cada una (Fig. 1.7.)

RAYOS

SOLARES

CONTROLPOSICION ANGULAR

INTENSIDAD

SOLAR

Figura 1.5. Control de posición angular de persianas

Figura 1.6. Diagrama con las dimensiones y distribución de los paneles fotovoltaicos.

Específicamente la claraboya de la FIEC.

10

Figura 1.7. Imagen 3D (vista superior) del prototipo a realizar.

1.2.3. Metodología

Antes y después de la implementación del sistema fotovoltaico, se realizó

las mediciones de carga del sistema instalado en el prototipo durante diez

horas del día con las diferentes condiciones climáticas y los diferentes

settings (ajuste) de temperatura del acondicionado de aire. Se repitió este

proceso durante 20 días para tener diferentes datos de comprobación

entre el sistema con y sin paneles fotovoltaicos.

Se muestran los resultados en kilovatios hora ahorrados, para verificar la

existencia de ahorro de energía: y el número de meses para recuperar la

inversión. El prototipo mantendrá la temperatura dentro del área cerrada,

y el nivel de iluminación aproximadamente igual a la luz solar.

11

Para realizar estos análisis y mediciones eléctricas, se utilizó un

analizador de energía Fluke 43B, ver Fig.1.8., el cual permitirá monitorear

en grandes períodos de tiempo el consumo de la energía.

Figura 1.8. Analizador de energía Fluke 43B.

12

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo General

Diseñar un sistema solar de generación eléctrica para el

mejoramiento de la eficiencia en el consumo eléctrico para un área

que disponga claraboya para luz natural. El sistema propuesto se

basa en un prototipo con paneles fotovoltaicos para el

aprovechamiento de la energía solar.

1.3.2. Objetivos Específicos

Diseño de los componentes mecánicos del sistema: sistema de

engranajes, montaje de los paneles fotovoltaicos en forma de

persianas.

Selección de los componentes eléctricos y electrónicos del

sistema, entre los cuales están: Sensores de luz, Motor Eléctrico

de paso, circuito de control, Inversor para panel fotovoltaico,

drive para el manejo de motores de paso.

Diseño del control del sistema, en base a la radiación existente

en el área del prototipo, y la ubicación relativa de los paneles

fotovoltaicos con respecto al sol.

Construcción, puesta en marcha y prueba del prototipo.

13

Análisis económico y financiero de la amortización del sistema

para prototipo.

Selección de los componentes mecánicos, eléctricos y

electrónicos para el Área C – Profesores del Edificio de la FIEC.

14

2. CAPÍTULO 2

FUNDAMENTO TEÓRICO

Este capítulo se centrará en estudiar todo lo relacionado a la utilidad de la

energía solar, el funcionamiento de los paneles solares, la mejor opción de

seguidor solar acorde con la ubicación del edificio en el planeta, los diferentes

circuitos electrónicas de transformación de energía, el estudio del efecto

invernadero dentro de edificios.

2.1. Energía Solar

La Energía solar, es la energía obtenida mediante la captación de la luz y

el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede

aprovecharse por medio del calor que produce, como también a través de

la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos. Esta

15

energía tiene como objetivos la contribución a la reducción de gases de

invernadero y el ahorro de energías no renovables.

La potencia de la radiación varía según el momento del día, las

condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede resumir

que en buenas condiciones de irradiación el valor es de

aproximadamente 1000 W/m2 en la superficie terrestre (ver Fig. 2.1).

Esta medida es conocida como irradiación que no es otra cosa que la

potencia luminosa sobre un metro cuadrado, la cual es de gran

importancia para la determinación de la potencia máxima de los paneles

solares.

Otra medida importante en el estudio de la energía solar es la insolación

la cual es la cantidad de radiación solar directa e indirecta sobre una

superficie de un metro cuadrado para un determinado ángulo de

inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar durante la

medición.

16

Figura 2.1 Irradiación Solar en la Superficie Terrestre [1].

Los equipos que utilizan el aprovechamiento de energía solar se

clasifican en dos grandes categorías: sistemas foto térmicos y sistemas

fotovoltaicos. Los últimos serán parte fundamental en la implementación

de nuestro prototipo.

Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente la radiación solar en

energía eléctrica mediante la asociación de células fotoeléctricas

elementales.

2.1.1. Ventajas de sistema de generación de energía solar

Al ser sistemas con dispositivos electrónicos de generación de

energía no produce ningún tipo de contaminación ambiental,

ayudando a la reducción de emisión de gases de CO2.

17

Se lo podría ubicar en cualquier parte de radiación directa solar,

porque trabaja de una manera silenciosa y con un bajo costo de

mantenimiento anual, solamente la limpieza adecuada de las

celdas fotovoltaicas.

La vida útil de los paneles solares es de alrededor de los 25 a

30 años, cantidad de tiempo usada para el análisis económico.

Una solución ideal para suministrar energías a zonas aisladas,

en donde no existen las redes eléctricas, debido a su alto costo

de transmisión, y a su vez se podrá obtener la máxima

eficiencia del sol como por ejemplo los cerros.

2.1.2. Desventajas de sistema de generación de energía solar

Poca eficiencia de los sistemas fotovoltaicos (alrededor del

20%) en relación a los sistemas de generación usualmente

usados.

Generación discontinua de electricidad, debido a, la naturaleza

de la fuente de energía (en la noche no produce electricidad).

Aunque a su vez es de una mejor pronóstico en relación al de

otras energías renovables como la eólica.

A pesar de la ayuda gubernamental existente hacia la

producción de energía verde, la energía solar tiene un costo

18

elevado para la mayoría de la ciudadanía, debido a que los

módulos fotovoltaicos son de fabricación europea, americana o

china.

2.2. Radiación solar

La radiación solar son las radiaciones electromagnéticas emitidas por el

sol. Cuando ésta penetra la atmósfera, tiene lugar un fenómeno de

absorción y dispersión, que depende de la masa, el espesor y densidad

de la capa de aire atravesada, siendo las moléculas de agua y anhídrido

de carbono las que causan un mayor efecto cuantitativo, por lo tanto, la

cantidad de energía absorbida será mayor cuanto más largo sea el

camino óptico.

Sobre una superficie cualquiera, situada en la superficie terrestre,

incidirán los diversos tipos de energía radiante como se puede observar

en la Fig. 2.2.

Radiación directa.- es la radiación más transcendental es el

funcionamiento de un módulo solar, la cual es recibida directamente

desde el Sol, sin que exista ninguna desviación durante su paso por la

atmosfera.

19

Radiación difusa.- es la radiación solar ocasionada por los continuos

choques con los efectos atmosféricos, ocasionando cambios en su

dirección. Además, podríamos considerar que su distribución es casi

uniforme por todo el hemisferio celeste.

Albedo.- también llamada radiación reflejada, es la radiación directa y

difusa que se recibe por la reflexión en el suelo u otras superficies

próximas.

Radiación global.- es la radiación total entre la suma de la directa y

la difusa.

Radiación total.- es la suma de la radiación directa, difusa y albedo.

Figura 2.2. Tipos de radiación que influyen en un panel fotovoltaico [2].

20

2.2.1. Radiación solar en el Ecuador

Estando el Ecuador en plena línea ecuatorial esto le permite recibir

en nuestro país una mayor cantidad de rayos solares, debido a,

que existe una menor distancia entre nuestra ubicación geográfica

territorial y el sol.

Gracias a esto el estado ecuatoriano busca promover el diseño de

políticas, estrategias y medidas para incentivar el mayor uso de

estas energías limpias que promuevan el desarrollo de una cultura

medioambiental en nuestra sociedad.

De esta forma a continuación se procede a presentar varias de las

conclusiones, imágenes y resultados que fueron documentado en

el “Atlas de Radiación Solar del Ecuador con Fines de Generación

de Energía Eléctrica” [5], de donde se puede obtener la insolación

difusa, directa (ver Fig. 2.3.) y global (ver Fig. 2.4.) en el Ecuador

durante cada uno de los meses del año 2008 que se efectuó el

estudio.

Gracias a esta información se tiene un punto de partida la

implementación de diversos procesos productivos

tecnológicamente eficientes orientados a la generación de

21

electricidad a través de energías renovables obteniendo los

respectivos beneficios de ubicación geográfica del Ecuador.

Figura 2.3. Insolación Directa Promedio del Ecuador durante el año 2008. [3]

Figura 2.4. Insolación Global promedio del Ecuador durante el año 2008 [3].

22

Mediante las Tablas 2.1, 2.2, 2.3 se presenta la insolación global

promedio mensual de los últimos tres años en el Campus

Prosperina ESPOL por medio del Laboratorio de Fuentes de

Energías Renovables (LAB. FREE) [4]. Además, se puede verificar

que efectivamente estos datos concuerdan con los datos

mostrados en la Fig. 2.4. del estudio realizado por la CONELEC sin

ser estos realizados durante el mismo año.

23

TABLA 2.1. INSOLACIÓN GLOBAL PROMEDIO MENSUAL ESPOL DURANTE EL AÑO 2010

[4]

Insolación Global Promedio Mensual - Año 2010

MESES Insolación (W.h/m2) Humedad Relativa (%)

Enero 2.993,29 77,03

Febrero 3.555,06 84,76

Marzo 4.182,81 81,94

Abril 4.293,67 81,65

Mayo 3.495,00 79,82

Junio 3.235,34 79,45

Julio 3.581,40 78,64

Agosto 4.216,51 78,31

Septiembre 4.249,78 75,52

Octubre 4.551,09 72,72

Noviembre 3.804,62 74,69

Diciembre 3.214,81 76,56

Promedio 3.781,11 78,43

24


[4]



Enero 3.662,1 76,04

Febrero 4.117,03 81,08

Marzo 4.917,65 67,65

Abril 4.546,95 80,22

Mayo 4.444,70 72,47

Junio 3.100,96 78,37

Julio 2.918,76 79,32

Agosto 3.837,40 77,33


Octubre 4.471,32 73,88

Noviembre 4.234,28 70,35

Diciembre 3.873,37 65,38

Total 4.096,42 74,68

25


[4]



Enero 3.100,19 88,93

Febrero 3.813,31 93,68

Marzo 4.319,70 88,28

Abril 4.473,23 84,07

Mayo 4.380,07 80,07

Junio 3.820,76 74,40

Julio 3.974,12 76,73

Agosto 3.922,32 77,50


Octubre 4.674,20 74,68

Noviembre 4576,41 72,87

Diciembre 3390,21 69,43

Total 4.120,82 81,46

2.2.2. Efecto invernadero

El efecto invernadero es el fenómeno físico por el cual aumenta la

temperatura dentro de un sistema limitado, por presencia de cuerpos en

dichos límites, los cuales son selectivos en dejar entrar y salir ciertas

longitudes de onda del espectro electromagnético de la radiación solar.

Las características de los cuerpos en la línea límite del sistema, es ser

transparente a las longitudes de ondas cortas del espectro y a la vez ser

opacas a las radiaciones infrarrojas de mayor longitud de onda.

26

A manera de ejemplo, se puede mencionar el uso que se le da en los

invernaderos hechos de vidrios u otro material, para el desarrollo de

plantas, pero tomando en consideración también otro factores como

ventilación forzada, ubicación relativa del invernadero con respecto al sol,

presencia de vapor de agua y CO2, etc.

Un impacto negativo del efecto invernadero, ocurre en las viviendas

donde los vidrios de las ventanas actúan como un retenedor de calor,

puesto que dan paso a la luz solar, pero la radiación calórica no visible

que emiten los objetos del interior de las casas, no pueden salir [5]. Otro

ejemplo, es el efecto invernadero atmosférico. La alta atmósfera está

conformada de oxígeno, ozono, y otros gases cuyos niveles cuánticos de

rotación los hace retener energía, como es el caso del anhídrido

carbónico (CO2).

2.3. Movimiento del Sol

El sol dibuja diferentes trayectorias en el año, lo que provoca diferentes

sombras entre las diferentes estaciones, para conocer el movimiento del

sol se utilizara un sistema de coordenadas con dos ángulos (ver Fig. 2.5.)

Altura solar (α).- es el ángulo formado por la posición aparente del

sol en el cielo con la horizontal del lugar.

27

Azimut solar (ψ).- es el ángulo horizontal formado por la posición

solar y la dirección del verdadero sur.

En donde, para conseguir la mayor producción de una instalación interesa

que los paneles solares estén en todo momento perpendiculares a los

rayos solares, para lo cual, el sistema deberá tener dos grados de libertad

[5].

Figura 2.5. Ángulos de influencia en la generación de energía solar [5].

2.4. Celdas Fotovoltaicas

Es el dispositivo capaz de convertir la energía solar en energía eléctrica

de forma directa, sin la necesidad de complementos adicionales, gracias

a la utilización de semiconductores, los cuales cuya conductividad puede

ser modificada, además de producir corrientes eléctrica ya sea con

cargas positivas o negativas.

28

Una célula solar se comporta como un diodo, en donde, la parte expuesta

a la radiación solar es la unión N y su contraparte es la unión P. los

terminales de conexión de la célula se hallan sobre cada una de la partes

del diodo:

La cara correspondiente al semiconductor tipo P se encuentra

metalizada.

La zona del semiconductor tipo N posee un enrejado metálico muy

fino y es donde se fija la llegada de radiación al semiconductor (ver

Fig. 2.6).

Además la celda contiene una película delgada anti reflejante para

disminuir las perdidas y por ende conseguir el voltaje adecuado a las

aplicaciones energéticas.

Figura 2.6 Estructura de una celda fotovoltaica [6].

29

2.4.1. Parámetros fundamentales de la célula solar

Corriente de iluminación (IL).- es la corriente generada cuando

incide la radiación solar sobre la célula.

𝐼𝑃ℎ = 𝐼𝐿 (2.1)

Corriente de oscuridad.- se produce por la recombinación de los

pares electrón – huecos producidos en el semiconductor de la

celda.

𝐼𝐷(𝑉) = 𝐼0 [exp𝑒𝑉

𝐾𝑇𝑐− 1]

(2.2)

Donde:

𝒆. − Es la carga del electrón

𝑲. − Es la constante de Boltzman

𝑻𝒄. − Es la temperatura en grados Kelvin

Tensión de circuito abierto (Vosc).- es el máximo voltaje que

puede soportar la célula solar sin que en sus terminales de salida

estén conectados carga alguna [7].

30

Corriente de cortocircuito (Isc).- es la máxima corriente que

puede soportar la célula solar cuando en sus terminales de salida

están cortocircuitados.

𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 ∗ [1 − 𝑒−𝑒(𝑉𝑂𝐶−𝑉)

𝑚∗𝐾∗𝑇 ] (2.3)

Con estos parámetros podemos definir el factor de forma que se

calcula mediante la fórmula descrita a continuación:

𝑭𝑭 =𝑃𝑚

𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶=

𝑉𝑚𝐼𝑚

𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶

(2.4)

Circuito equivalente de la célula fotovoltaica

A continuación en la Fig. 2.7 se presenta el circuito de una celda

fotovoltaica real, el cual es de vital importancia para determinar

cada una de las curvas para el funcionamiento óptimo de un

sistema fotovoltaico.

IL Rp

Rs

+

-

Vo

Io

Figura 2.7. Circuito equivalente de la célula solar [8].

31

En el circuito eléctrico de la Fig. 2.7 se puede concluir lo siguiente:

𝑰𝑳 se la puede denominar como la corriente de iluminación,

debido a, la excitación que producen los fotones en la celda

solar.

𝑫𝒊𝒐𝒅𝒐 representa la oblea del circuito dopado

𝑹𝒑 representan las pérdidas originadas por defectos de

fabricación, el impacto de estas pérdidas es elevado

especialmente cuando se trabaja con una baja irradiación,

afectando al inicio de la curva I-V del sistema como se puede

observar en la Fig. 2.8.

Figura 2.8. Influencia de la resistencia Rp sobre la curva I-V de la célula

fotovoltaica [9].

32

𝑹𝒔 se origina por la oposición a la corriente en el emisor, la

base, los electrodos de la célula solar y los contactos o uniones

entre estos y el semiconductor. En primera aproximación la

resistencia serie puede obtenerse de la curva IV como la

pendiente de la curva en el punto de circuito abierto (ver Fig.

2.9).

Figura 2.9. Influencia de la resistencia Rs sobre la curva I-V de la célula

fotovoltaica [8].

Finalmente se podría decir que la eficiencia se define como el

cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede entregar

a la carga (PM) y la irradiancia incidente (PL) sobre la célula que

es el producto de la irradiancia incidente G por el área de la célula

S [8]:

33

𝜼 =𝑃𝑚

𝑃𝐿=

𝑉𝑚𝐼𝑚

𝐺 ∗ 𝑆

(2.5)

2.4.2. Tipos de célula solar

Las células fotovoltaicas la podemos clasificar de acuerdo al

compuesto que están fabricadas, lo cual incidirá en sus parámetros

de fabricación y por ende en la eficiencia de cada una de ellas.

Monocristalinas: se componen de secciones de un único

cristal de silicio los cuales son reconocibles por su forma

circular u octogonal, además de tener un espesor superior a los

otros dos tipos de células, su principal ventaja se encuentra en

que su eficiencia puede alcanzar el 18% en condiciones de

operación en nuestro sistema y un 24%en condiciones de

laboratorio, llegando a ser de un color azul homogéneo en

apariencia.

Policristalinas: son realizadas por procedimientos más

económicos que los que se usan para las células

monocristalinas, lo cual produce que su solidificación sea

realizada con múltiples cristales, teniendo un menor espesor en

34

relación a las monocristalinas y con una eficiencia no mayor en

condiciones de operación al 14%.

Amorfas: Cuando el silicio no se ha cristalizado, por lo que su

costo es inferior al de los dos tipos anteriormente mencionados.

Sin embargo, tiene graves inconvenientes que las hace muy

poco usadas en las aplicaciones energéticas y son su eficiencia

que es del alrededor del 10% y a su vez la degradación del

rendimiento cuando es expuesta a la radiación.

Diferencias entre los tipos de celdas fotovoltaicas

En la Tabla 2.4 se puede observar cuales son las principales

características entre cada una de las celdas existentes en el

mercado y por ende cuáles serán los beneficios de cada una de

ellas.

TABLA 2.4. DIFERENCIAS ENTRE LOS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS [12]

Celdas fotovoltaicas

Eficiencia Teórica

Eficiencia (%)

Forma Color

Monocristalinas 24 14-18 Forma

ortogonal o cuadrada

Negra, Azulada oscura y metálica

Policristalinas 19 10-15 Forma

rectangular Azulado claro

Amorfas 16 5 - 8 Forma

rectangular Marrón

homogéneo

35

Las celdas monocristalinas tienen una mayor eficiencia, además de

que su valor en el mercado es sustancialmente mayor a las celdas

policristalinas y amorfas, debido principalmente a los costos de

producción más elevados y al ser utilizado para su composición

silicio con una menor cantidad de impurezas

2.5. Sistema fotovoltaico

Lo podemos definir como el conjunto de elementos mecánicos y

eléctricos necesarios para la generación de energía eléctrica (ver Fig.

2.10.) a través de la radiación solar captada por los módulos fotovoltaicos.

Paneles Solares Regulador Inversor

Banco de

Baterias

Carga AC

Carga DC

Figura 2.10. Diagrama de bloques de un Sistema Fotovoltaico.

36

2.5.1 Paneles Fotovoltaicos

Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de

células fotovoltaicas, conectadas eléctricamente en serie como se

observa en la Fig. 2.11, en donde cada una de ellas representa un

diodo equivalente aproximadamente a 0.7 voltios que producen

electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. Además, cada

panel fotovoltaico estará formado de diversos elementos como lo

son: las borneras de conexión o el diodo de protección (diodo

bypass) mostrado en la Fig. 2.12.

En el mercado se pueden obtener paneles de 6, 12, 24, 36 y 48 V

cuya potencia varía directamente del número de celdas, así como,

del material del que fueron construidos y puede ir desde los 5

vatios hasta los 240 vatios normalmente, en donde, el número de

vatios va a ser directamente proporcional al tamaño del panel

fotovoltaico.

37

Figura 2.11. Conexión en serie de las celdas en panel fotovoltaico [14].

Figura 2.12. Elementos de una panel fotovoltaico [15].

38

2.5.2 Convertidor DC-DC PWM Elevador (Boost)

Los convertidores DC-DC o troceadores conmutados utilizan uno o

más interruptores para transformar un nivel de voltaje continuo en

otro, pero este último voltaje es controlado.

El convertidor DC-DC PWM Elevador, o conocido como “Boost

Converter” se lo utiliza cuando se desea un aumento de la tensión

de salida con relación a la tensión de entrada, manteniendo la

polaridad entre estas dos señales. El circuito lo conforman

elementos como: el inductor L, el diodo D, el condensador C,

interruptor S y la carga (R).

DC

CARGA

C

D

V

L

S

Figura 2.13. Circuito fundamental de un convertidor DC-DC PWM Elevador.

El ruido generado en la salida es alto debido a los pulsos de

corriente suministrados al condensador de salida C. A la entrada el

ruido generado es bajo porque la inductancia L, directamente

39

conectada a la tensión de entrada, mantiene la variación de

corriente de entrada sin pulsos, tal y como se observa en la Fig.

2.14.

DC

CARGA

C

D

V

L

S

Figura 2.14. Transferencia de energía de la fuente a la bobina y del condensador

a la carga.

2.5.3 Convertidor DC-AC PWM Monofásico

La función de los convertidores de DC- AC llamados también

inversores es transformar la corriente continua DC en corriente

alterna CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna,

regulando la tensión, la frecuencia o bien ambas. Más

exactamente, los inversores transfieren potencia desde una fuente

de continua a una carga de alterna [16].

Los Inversores monofásicos pueden ser usador para: sistemas de

generación solar y eólica, accionamientos de motores de CA de

40

velocidad ajustable, sistemas de alimentación sin interrupciones

(UPS), sistemas de soldadura, etc.

Si se modifica el voltaje de entrada manteniendo fija la ganancia,

es posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si

se mantiene constante el voltaje de entrada y se varía la ganancia

se puede obtener un voltaje de salida variable. Esto se hace

controlando la modulación del ancho del pulso.

La forma de onda de voltaje de los inversores reales no son

exactamente senoidales, siendo necesarias ondas con muy baja

distorsión armónica para aplicaciones de potencia.

Los inversores se pueden clasificar en dos tipos: monofásicos y

trifásicos. Ambos pueden utilizar dispositivos con activación y

desactivación controlada (BJT, MOSFET, IGBT, GTO). La

configuración a usar para un sistema fotovoltaico es un Inversor

monofásico de medio puente con modulación PWM.

Figura 2.15. Configuración del inversor monofásico más usado [16].

41

2.5.4 Rastreo de Punto de Máxima Potencia (MPPT)

El rastreo del punto de máxima Potencia, denominado MPPT, es

un sistema electrónico que ayuda a los módulos fotovoltaicos a

producir toda su potencia. Hay que diferenciar, que el MPPT no es

un sistema mecánico. Pero el MPPT puede ser usado en

complementación a un sistema de seguimiento mecánico.

Recordemos que la potencia de un panel solar [unidades de Watts]

es el producto del voltaje (Volts) por la corriente (Amperes): [Volts x

Amperes = Watts].

Los controladores de carga con MPPT buscan siempre un equilibrio

entre el voltaje y la corriente (ver Fig. 2.16.), para la cual el panel

solar pueda operar su máxima potencia. El controlador va a buscar

que los paneles operen lo más cerca posible que este equilibrio.

El modo de actuar del MPPT, es muestrear el voltaje de salida de

las células solares y aplicar a base de esto, la resistencia

adecuada (carga) para obtener el máximo de energía para todas

las condiciones ambientales que se presentan.

El sistema MPPT es un sistema que varía el punto de operación

eléctrico (Corriente, Voltaje) de los módulos para liberar la máxima

42

potencia disponible. La potencia adicional obtenida de los módulos

se pone a disposición como un aumento de carga de la batería

actual.

El punto de máxima potencia de cualquier panel está sujeta a

cambios por diversos parámetros como luz incidente, temperatura,

los efectos de sombreados, al momento de control dichos

parámetros es posible alcanzar una alta eficiencia de conversión, lo

que resulta en aumento de la producción de electricidad

fotovoltaica.

Figura 2.16. Curva de Voltaje vs Corriente (Curva de Potencia) [18].

43

Otra forma de encontrar el punto de máximo potencia es mediante

la implementación de seguidor solar, los cuales son dispositivos

mecánico-eléctricos capaces de permitir orientar los módulos

fotovoltaicos para que estos permanezcan perpendiculares a los

rayos de sol durante su trayectoria, de tal manera que aumenten

su irradiación incidente y por ende la generación energética de los

paneles.

El seguidor solar se lo puede clasificar ya sea por algoritmo de

control o por tipo de movimiento. A continuación se detallara la

clasificación de cada uno de ellos.

Seguidores solares por algoritmo de control

Existen dos tipos de seguidores que se los denominan de la

siguiente manera:

1. Por punto lumínico.- basa su funcionamiento en las señales

entregadas por medio de los sensores de luminosidad

instalados en el sistema, entre los cuales, se destacan por su

valor económico y su fácil funcionamiento las fotorresistencias y

los fotodiodos.

44

2. Por posición astronómica.- su funcionamiento depende de

una serie de ecuaciones astronómicas que nos determinan la

posición exacta del sol durante su trayectoria, cabe mencionar

que la implementación del algoritmo representa un alto grado de

complejidad, debido a, la gran integración de ecuaciones.

Además, de que no responde a los cambios climáticos como por

ejemplo la nubosidad.

Seguidores solares por tipo de movimiento

Los seguidores solares por tipo de movimiento que se los

clasifica dentro de dos formas detalladas a continuación:

Seguidor solar de dos ejes

Este tipo de seguidor cuenta con dos ejes (grados de libertad)

que permite mantener siempre el modulo perpendicular a los

rayos de sol, ya que realiza movimiento de rotación y elevación,

alcanzando los niveles más altos de irradiación llegando a

generar hasta un 29% más de energía con respecto a los

sistemas fotovoltaicos sin movimiento [19].

45

Figura 2.17. Diagrama Esquemático que muestra la Diferencia entre los Dos

Sistemas de Seguimiento: a) Azimut-Elevación, b) Rotación-Elevación.

Mecánicamente se los puede clasificar en dos tipos:

Mono Poste.- con un único apoyo vertical en el centro del panel

fotovoltaico.

Carrusel.-varios apoyos distribuidos estratégicamente en su

superficie.

Seguidor solar de un eje

Este tipo de seguimiento representa el movimiento con un grado de

libertad y sobre un eje en particular, en donde, su costo de

implementación es menor que el de dos ejes. La limitación de este

tipo de seguidor consiste en que no puede realizar un seguimiento

completo del sol ya que solo puede seguir ya sea la azimut o la

inclinación solar, pero no ambas [20].

46

Existen tres tipos de seguidor solar de un eje detallados a

continuación:

Seguidor solar de un eje azimutal

El modulo fotovoltaico gira sobre un eje vertical, en donde, su

inclinación es igual a la latitud del lugar de su implementación

(ver Fig. 2.18). El movimiento es determinado por el valor del

ángulo azimut del sol, por ende, la velocidad de giro es variable

a lo largo del día.

Figura 2.18. Seguidor Solar de un eje azimutal [19].

Seguidor solar de un eje polar

Al igual que el seguidor de un eje horizontal su eje está

orientado de norte a sur, con una inclinación igual a la latitud

del lugar de su implementación, en donde, la velocidad de gira

47

va a estar limitado por la velocidad de rotación del sol que

equivale a 15° por hora, tal y como se observa en la Fig. 2.19.

Figura 2.19. Seguidor Solar de un eje polar [20].

Seguidor solar de un eje horizontal

Gira sobre un eje horizontal orientado de norte a sur, en donde,

los paneles fotovoltaicos son colocados de forma paralelo al

eje de rotación. La trayectoria de los módulos se ajusta en un

arco de movimiento de este a oeste para que la normal de la

superficie coincida con el meridiano. (Ver Fig. 2.20).

Figura 2.20. Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos

electroquímicos [20].

48

2.6. Herramientas de Simulación

Es el software especializado para el análisis, simulación y diseño de cada

uno de los respectivos sistemas a implementar en el presente proyecto,

en donde, se procederá a detallar cuál es su uso específico y la

explicación del porque se lo ha elegido para el diseño del controlador y de

la estructura a realizar para su correcto funcionamiento.

2.6.1. MATLAB

Matlab es una herramienta de software matemática con su propio

lenguaje de programación de alto nivel y una gran cantidad de

herramientas orientados al desarrollo de sistemas (ver Fig. 2.21).

Hoy en día es uno de los programas aplicados más usados en el

ámbito de la ingeniería [10], debido a, que su utilización nos

permite tener una gran proyección real de los sistemas diseñados

como por ejemplo: electrónicos, mecánicos, etc.

Figura 2.21. Logo de Matlab – Simulink.

49

2.6.2. Simulink

Es una herramienta adicional que nos provee Matlab, el cual se lo

ha querido tratar como un software adicional, debido a, su gran

importancia en el desarrollo de nuestro proyecto para la creación y

simulación de los diversos sistemas.

Simulink a diferencia de Matlab crea archivos con extensión .mdl.

Además es la única herramienta de Matlab que nos permite una

programación en bloques gracias a su gran diversidad de librerías,

por ende tendremos un entorno ideal para la visualización a tiempo

real de los modelos implementados.

Otros programas utilizados

A continuación se detallara otros de los programas usados en el

proyecto para cumplir con las diferentes etapas de elaboración del

mismo.

Proteus

El software ISIS Proteus (ver Fig. 2.22) es un avanzado simulador

virtual elaborado por la compañía LabCenter Electronics desde la

década de los noventa, en los cuales se ha logrado posicionar

50

como una de las herramientas más poderosas para la simulación

de una gran variedad de microcontroladores, entre los cuales

tenemos ARM, Basic Stamp, Microchip, Atmel, ARM, TI HC11.

Además, de cada uno de sensores utilizados en diversos proyectos

como los son sensores de humedad, sensores de temperatura,

sensores de luz (ldr o diodos emisores de luz) y demás

componentes virtuales.

Otra gran cualidad de este prestigioso software es su herramienta

de ARES (Advanced Routing and Editing Software), la cual permite

a sus usuarios el diseño de placas de circuito impreso facilitando la

creación de los más complejos circuitos electrónicos cumpliendo

las reglas internacionales de diseño implementadas por la IPC

(Association Connecting Electronics Industries).

Figura 2.22. Pantalla de inicio ISIS Proteus v7.9.

51

MikroC Pro

MikroC Pro es un software con una amplia variedad de ayudas y

herramientas (ver Fig. 2.23) elaboradas por la compañía

MikroElektronik desde hace una década, las cuales, nos facilitan la

aplicación de proyectos y aplicativos basados en la utilizando de

microcontroladores. Una de sus principales ventajas es la

utilización del lenguaje C para su programación, ya que al ser este

un lenguaje de alto nivel brinda una mayor comprensión en

comparación al código de máquina que es originario de los PICs.

El compilador MikroC Pro crea automáticamente la extensión *.hex

(código hexadecimal), este archivo es el resultado principal de la

correcta compilación, ya que, facilita la interacción con el software

Proteus anteriormente mencionado.

Figura 2.23. Pantalla de Inicio mikroC Pro v.5.61 .

52

Autodesk Inventor Profesional

Autodesk Inventor es un poderoso software desarrollado por la

compañía Autodesk desde 1999, el cual tiene como principal

objetivo, el modelado paramétrico de sólidos en 3D, comenzando

con el diseño de pequeñas piezas hasta combinarlas para lograr

grandes ensamblajes.

Entre sus principales características se encuentra: Diseño de

sólidos paramétricos de gran complejidad, Manejo de ensambles

de más de 1000 componentes, Creación de Presentaciones y

despieces, Generación automática de planos de fabricación,

Manejo de Tecnología Adaptable, Módulo de Soldadura 3D,

Módulo de Doblado de lámina, Módulo para animación mecánica y

foto-realismo, entre muchas características que lo convierten en

una herramienta de gran poder.

Figura 2.24. Pantalla de Inicio Autodesk Inventor Professional.

53

2.7. Calidad de Energía y medición de cargas

Según La Asociación Ecologista de Defensa de la Naturaleza: “La

eficiencia energética es la obtención de los mismos bienes y servicios

energéticos, pero con mucha menos energía, con la misma o mayor

calidad de vida, con menos contaminación, a un precio inferior al actual,

alargando la vida de los recursos y con menos conflicto”.

La eficiencia energética hace referencia la relación entre la energía útil y

la energía empleada. En términos de “micro-escala” se refiere a la

reducción del consumo de energía para el mismo servicio, bien sea por

avances tecnológicos o mejoras en la gestión según aporta el World

Energy Council en 2004. Esta definición se emplea en procesos o

aparatos tienen relación con el usuario, con magnitudes fácilmente

mesurables, como maquinarias, electrodomésticos o luminarias. Sin

embargo, esta acepción tiene un impacto de “macro-escala” [24].

Durante los últimos años, este término enmarca la optimización

globalizada del uso de energía, y los que esta conlleva para el medio y la

vida, como se expone en la recogida en la campaña Ante el cambio

climático: Menos CO2 [26].

http://habitat.aq.upm.es/temas/a-eficiencia-energetica.html#fntext-2

54

Edificio energéticamente eficiente

Un edificio energéticamente eficiente lleva al mínimo el uso de las

energías convencionales, para cubrir necesidades asociadas a

estándares mínimos de confort de edificios, como el calentamiento del

agua, la refrigeración, la ventilación y la iluminación para con eso ahorrar

el uso racional de las mismas.

Existen muchas voces positivas acerca del concepto de los edificios

energéticamente eficientes, por ejemplo- la Directiva original de eficiencia

energética en edificios del Parlamento Europeo y Del Consejo (Directiva

2002/91/CE) menciona que (…) “La eficiencia debe quedar reflejada en

indicadores cuantitativos teniendo en cuenta el aislamiento, las

características técnicas y de la instalación, el diseño y la orientación, en

relación con los aspectos climáticos, la exposición solar y la influencia de

construcciones próximas, la generación de energía propia y otros

factores, incluidas las condiciones ambientales interiores, que influyan en

la demanda de energía”.

El sector de la construcción de edificios contribuye en gran medida al

gasto energético mundial, estimándolo en 40% del consumo de energía,

pero también este sector de la economía tiene un potencial de ahorro

55

energético que puede superar el 20%. Uno de los aspectos que impacta

negativamente a la eficiencia energética de los edificios, es el efecto

invernadero, que si no se lo utiliza en una manera inteligente es un

enemigo muy peligroso para el ahorro energético.

Efectos invernaderos en edificios

Los edificios para mantener el confort en el interior del mismo, disponen

de vidrios ya sean estos como ventanas o sean éstos como claraboyas.

El vidrio ordinario es transparente para todos los colores de la luz visible,

no obstante, es prácticamente impermeable a las radiaciones ultravioleta

e infrarroja.

La radiación infrarroja (longitud de onda corta) junto con la luz visible del

Sol, atraviesan el vidrio, siendo absorbidas por los objetos se encuentran

detrás de él, en el interior del edifico. Esto origina que, los objetos

expuestos a la luz directa del Sol en el interior se calienten. Estos objetos

ceden ese calor en forma de radiación infrarroja no visible, con una

longitud de onda larga (ya que la temperatura a la que se calientan es

relativamente baja).

Los objetos en el interior de los edificios tienen dificultad de deshacerse

de la radiación infrarroja, pero una pequeñísima parte de esta radiación

56

sale por el cristal del vidrio. El resto de ella, se refleja en las paredes y va

acumulándose en el interior. Por tal, la temperatura interna y la de los

objetos sube a una tasa mucho mayor que la temperatura externa. La

temperatura del interior del edificio aumentará solo hasta que la radiación

infrarroja que se filtra por el vidrio sea suficiente para equilibrar con las

pérdidas que se producen.

Figura 2.25. Efecto Invernadero en edificios [26].

Por la característica del material de la cubierta de los edificios, que por lo

general son de fabricación de vidrio, hace que el calor adicional se

acumula dentro del mismo. Esto se da por la característica del materia, ya

que es transparente a la luz visible pero muy poco a los infrarrojos–lo

anterior es lo que se denomina "efecto invernadero".

Uno de los beneficios del efecto invernadero (si se sabe utilizar) es el uso

en un invernadero, ya es un medio selectivo de la transmisión para

diversas frecuencias espectrales, y su efecto es atrapar energía dentro

57

del edificio. Esto es lo que hace posible la vida de plantas en un clima

favorable, así sea que se encuentre en temperaturas de frío externas.

Balance Energético en edificios

Los términos que intervienen en el balance energético de un edificio

(invernadero) se indican en forma de intensidad de energía. Según el

Primer Principio de la Termodinámica, la energía ganada por el sistema

se equilibra con la energía perdida por el mismo. Sin embargo, cada autor

suele considerar una serie de componentes del balance energético

despreciando otros.

Una forma simplificada de la ecuación del balance de energía [26] es:

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑒𝑟𝑜

𝑅𝑛 + 𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 (𝑊

𝑚2)

𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 − 𝑅𝑛 (𝑊

𝑚2)

(2.6)

Donde:

𝑄𝑐𝑙𝑖 : Energía calorífica que es necesaria aportar (𝑄𝑐𝑎𝑙) o eliminar (𝑄𝑟𝑒𝑓)

del invernadero.

58

𝑄𝑐𝑐: Calor perdido por conducción-convección.

𝑄𝑟𝑒𝑛: Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior.

𝑄𝑠𝑢𝑒: Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo.

Radiación Neta, Rn

𝑠 [𝐼. (𝛼 + 𝛵 ∗ 𝛼𝑠)] + 𝑆𝑐 ∗ 𝜎 ∗ 𝛵𝑡𝑒𝑟(𝐸𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4

− 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊

𝑚2)

(2.7)

Donde:

𝑆𝑆: Superficie captadora de la radiación solar ( 𝑚2).

𝐼: Radiación solar incidente ( 𝑊

𝑚2).

𝛼: Coeficiente de absorción de la cubierta para la radiación.

Τ: Coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación.

𝑆𝐶: Superficie de suelo cubierta ( 𝑚2).

𝜎: Constante de Stefan- Boltzman (5.76 x 10−8 𝑊

𝑚2.𝐾4 ).

59

TABLA 2.5. ABSORBIVIDAD (Α), EMISIVIDAD (Ε), TRANSMISIVIDAD (Ϯ), Y REFLECTIVIDAD

(Ϭ) PARA DIFERENTES TIPOS DE RADIACIÓN; DE CUBIERTA DE MATERIALES

COMÚNMENTE UTILIZADOS COMO CUBIERTA DE INVERNADEROS

Materiales

utilizados en

cubiertas simples,

en dobles paredes

o como pantallas

térmicas

Espesor Radiación solar (300-

2500 nm)

Radiación visible

(380- 760 nm)

Radiación térmica

(2500- 40000 nm)

(mm) α=ε Ϯ ϭ α=ε Ϯ ϭ α=ε Ϯ ϭ

Vidrio 4 0.03 0.89 0.08 0.01 0.91 0.08 0.90 0.00 0.1

Poliéster (PRV) 1 0.01-

0.02

0.89-

0.92

0.07-

0.09

0.01 0.93 0.06 0.64-

0.69

0.27-

0.32

0.04

PVC rígido 18 0.11 0.62 0.27 0.02 0.61 0.37 0.92 0.01 0.07

Policarbonato 4 0.08-

0.11

0.78 0.14-

0.15

0.06-

0.10

0.75-

0.79

0.15 0.89-

0.98

0.02-

0.03

0.09

PVC plastificado 0.1 0.02 0.91 0.07 0.01 0.92 0.07 0.62 0.06 0.32

PVC amado 0.15 0.06 0.73-

0.74

0.20-

0.21

0.03 0.73-

0.76

0.21-

0.25

0.53-

0,76

0.09-

0.32

0.15

60

Calor perdido por conducción-convección, 𝑸𝒄𝒄

En los intercambios de energía por conducción y convección entre el

interior del edificio y el ambiente externo, el calor por unidad de superficie

de cubierta, puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

𝑄𝑐𝑐 = 𝑆𝐷 ∗ 𝐾𝐶𝐶 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒) (𝑊

𝑚2) (2.8)

Donde:

𝑆𝐷: Es la superficie de la cubierta del edificio (𝑚2).

𝑇𝑖: La temperatura interna (°C).

𝑇𝑒: La temperatura del exterior (°C).

𝐾𝐶𝐶: es el coeficiente global de pérdidas de calor por conducción-

convección:

𝐾𝑐𝑐 = 1

1ℎ𝑖

+𝑒𝑐𝜆𝑐

+1

ℎ𝑒

(2.9)

Donde:

𝒆𝒄: Espesor del material de cubierta (m).

61

𝛌𝐜: Conductibilidad térmica del material de cobertura W

m2.K4.

He: coeficiente superficial de convección para el ambiente exterior del

edificio.

𝚫𝑻: Salto térmico entre el interior y exterior del edificio (K).

V: Velocidad del viento (m/s).

L: Longitud del edificio.

El coeficiente superficial de convección para el interior en función de la

cubierta y del aire es:

ℎ𝑖 = 1.95(𝑇𝑒 − 𝑇𝑖)0.3 W

m2.K para (Te-Ti) ≤ 11.1°𝐶

(Papadakis et al., 1992)

ℎ𝑖 = 7.2 W

m2.K para (Te-Ti) > 11.1°𝐶

(Garzoli y Blackwell, 1987)

(2.10)

62

TABLA 2.6. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES DE CUBIERTA,

Calor sensible y latente perdido por la renovación del interior, 𝑸𝒓𝒆𝒏

La entrada de aire del exterior, produce una pérdida o ganancia de calor-

dependiendo de la diferencia de temperatura y humedad externa e

interna.

𝑄𝑟𝑒𝑛 = 𝑉𝑒𝑑𝑖𝑓 ∗𝑅

3600∗ 𝜌

∗ [𝐶𝑝𝑎 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑒) + 𝜆𝑜 ∗ (𝑋𝑖 − 𝑋𝑒) + 𝐶𝑝𝑣

∗ (𝑋𝑖 ∗ 𝑇𝑖 − 𝑋𝑒 ∗ 𝑇𝑒)]𝑊

𝑚2

(2.11)

Donde:

𝑉𝑒𝑑𝑖𝑓: Volumen del edificio.

Material λc (W/m.K)

Polietileno de baja densidad 0.45

Copolímero etileno y acetato de vinilo 0.45

Polietileno de alta densidad 0.33

Policarbonato ondulado 0.19

Vidrio 0.76

63

𝐶𝑝𝑎: Calor específico del aire (a 0°C es 1006.92540 𝐽 ∗ 𝑘𝑔−1 ∗ 𝐾−1).

𝐶𝑝𝑣: Calor específico del vapor recalentado (a 0°C es 1875.6864

𝐽 ∗ 𝑘𝑔−1 ∗ 𝐾−1).

La densidad del aire es función de la temperatura y la presión.

𝜌 =100 ∗ 101325𝑃𝑎

1.02187(𝑡 + 273.16) (2.12)

El calor latente de vaporización se calcula como (Brooker, 1967).

𝜆𝑜 = 2502535.259 − 2385.76424 ∗ 𝑡 (𝐽

𝐾𝑔) (2.13)

TABLA 2.7. TASAS DE RENOVACIÓN DE AIRE POR INFILTRACIÓN A TRAVÉS DE

LA ESTRUCTURA

Tipo de cubierta R (1/h)

Láminas de plástico 1-2

Vidrio o fibra de vidrio 2-4

64

Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo, 𝑸𝒔𝒖𝒆

𝑄𝑠𝑢𝑒 = 𝐾𝑠 ∗ 𝑆𝑐 ∗𝑇𝑖−𝑇𝑠

𝑝

𝑊

𝑚2 (2.14)

Donde:

𝐾𝑠: Coeficiente de intercambio térmico a través del suelo 𝑊

𝑚2°𝐶.

𝑇𝑠: Temperatura del suelo del edificio (°C).

P: profundidad a la que estima la diferencia de temperatura (m).

TABLA 2.8. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS TIPOS DE SUELO, KS

Cálculo del Balance energético dentro del prototipo

Dentro de las ecuaciones de balance energético dentro de edificios que

tienen características similares a invernaderos, hay muchos términos por

Material Ks (W/m.K)

Arena de cuarzo 7.7

Arena de río 4.4

Arena de granito 2.7

Tierra húmeda 2.0

Tierra seca 1.0

65

considerar- pero los más importantes son: las características del material

de recubrimiento, la temperatura y humedad externa e interna del edificio.

Se hará una diferencia teórica a bases de las ecuaciones antes

mencionada, para observar “ahorros energéticos” usando paneles solares

(material silicio) y sin el uso de ellos (material policarbonato o vidrio).

Cubierta con policarbonato

Partiremos de la ecuación de balance energético basado en la Primera

Ley de Termodinámica:

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑑𝑎

= 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑎𝑑𝑒𝑟𝑜

𝑅𝑛 + 𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 (𝑊

𝑚2)

𝑄𝑐𝑙𝑖 = 𝑄𝑐𝑐 + 𝑄𝑟𝑒𝑛 + 𝑄𝑠𝑢𝑒 − 𝑅𝑛 (𝑊

𝑚2)

(2.14)

Para lo cual, primero se calculará cada término de la ecuación pasada:

66

Radiación Neta, Rn

𝑅𝑛 = 𝑆𝑠 [ 𝐼. (𝛼 + 𝛵 ∗ 𝛼𝑠)] + 𝑆𝑐 ∗ 𝜎 ∗ 𝛵𝑡𝑒𝑟(𝐸𝑎𝑡𝑚 ∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4

− 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊

𝑚2)

(2.15)

Donde:

Ss: superficie captadora de la radiación solar ( m2):

𝑆𝑠 = 2.41𝑚 ∗ 0.87𝑚 = 2.1𝑚2 (2.16)

I: radiación solar incidente ( W

m2) en el Campus Gustavo Galindo de

ESPOL- Guayaquil:

𝐼 = 421 𝑤

𝑚2

α: coeficiente de absorción de la cubierta para la radiación solar.

α = 0.03

Τ: coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación

solar:

T = 0.89

67

Sc: superficie de suelo cubierta ( m2):

Sc = Ss = 2.1m2

σ: constante de Stefan- Boltzman (5.76 x 10−8 W

m2.K4 ).

Τter: coeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación

térmica:

Tter = 0

Eter: Emisividad del material de cubierta para la radiación térmica:

Eter = α = 0.03

Tc: temperatura absoluta de la cubierta (K):

Tc = 298K

Entonces con los datos anteriores la Radiación neta a través del vidrio

común será:

𝑅𝑛 = 2.1 [421 (0.03 + 0.89 ∗ 0)] + 2.1 ∗ 5.76 x 10−8 ∗ 0(𝐸𝑎𝑡𝑚

∗ 𝑇𝑎𝑡𝑚4 − 𝐸𝑡𝑒𝑟 ∗ 𝑇𝑐4) (𝑊

𝑚2)

𝑅𝑛 = 26.52 (𝑊

𝑚2)

(2.17)

68

Calor perdido por conducción-convección, 𝐐𝐜𝐜

Qcc = Sd*Kcc*(Ti-Te) (W

m2)

(2.18)

Donde:

Sd: es la superficie de la cubierta del edificio (m2):

Sd = Ss = 2.1m2

Ti: la temperatura interna (°C):

Ti = 26ºC

Te: la temperatura del exterior (°C):

Ti = 35ºC

Kcc: es el coeficiente global de pérdidas de calor por conducción-

convección:

Kcc = 1

1hi

+ecλc

+1

he

(2.19)

Donde:

ec: espesor del material de cubierta (m):

ec = 0.035m

69

𝝀𝒄: Conductibilidad térmica del material de cobertura W

m2.K4:

λc = 0.76 W

m2. K4

he: coeficiente superficial de convección para el ambiente exterior del

edificio:

he = 2.8 + 1.2 (10000m

s.) = 12002.8

𝜟𝑻: Salto térmico entre el interior y exterior del edificio (K).

V: velocidad del viento (m/s).

L: longitud del edificio.

El coeficiente superficial de convección para el interior en función de la

cubierta y del aire es:

hi = 1.95(Te − Ti)0.3 W

m2.K para (Te-Ti) ≤ 11.1°C (Papadakis et al., 1992).

hi = 7.2 W

m2.K . Para (Te-Ti) > 11.1°C (Garzoli y Blackwell, 1987).

Entonces Kcc sería:

Kcc = 1

17.2 +

0.0350.76 +

112002.8

(2.20)

70

Kcc = 5.404

Entonces con los datos anteriores lel Calor perdido por conducción-

convección, Qcc a través del vidrio común será:

Qcc = 2.1 ∗ 5.404 ∗ (26 − 35) (W

m2)

Qcc = −102.1355 (W

m2) (2.21)

Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior, Qren

Qren = Vedif ∗R

3600∗ ρ

∗ [Cpa ∗ (Ti − Te) + λo ∗ (Xi − Xe) + Cpv

∗ (Xi ∗ Ti − Xe ∗ Te)]W

m2

(2.22)

Donde:

Vedif: volumen del edificio.

Vedif = 2.1m2 ∗ 1.1 m = 2.31m3 (2.23)

71

Cpa: calor específico del aire (a 0°C es 1006.92540 J ∗ kg−1 ∗ K−1).

Cpv: calor específico del vapor recalentado (a 0°C es 1875.6864

J ∗ kg−1 ∗ K−1).

Xi,Xe: humedades absolutas interiores y exteriores:

Xi = 0.5

Xe = 0.74

La densidad del aire es función de la temperatura y la presión (Donatelli

et al., 2006).

ρ =100 ∗ 101325Pa

1.02187(35 + 273.16)

ρ = 324.628

(2.24)

El calor latente de vaporización se calcula como (Brooker, 1967).

λo = 2502535.259 − 2385.76424 ∗ (35 + 273) (J

Kg)

λo = 1767720.44(J

Kg)

(2.25)

Entonces con los datos anteriores el Calor sensible y latente perdido por

la renovación del aire interior cubierto de vidrio, Qren es:

72

Qren = Vedif ∗R

3600∗ ρ ∗ [Cpa ∗ (Ti − Te) + λo ∗ (Xi − Xe) + Cpv ∗

(Xi ∗ Ti − Xe ∗ Te)]W

m2 /1000

Qren = 2.31 ∗2

3600∗ (324.628) ∗ [1006.2 ∗ (−9) + 1767720 ∗

(−0.24) + 1875.68 ∗ (0.5 ∗ 299 − 0.74 ∗ 308)]W

m2 /1000

Qren = −241.25W

m2

(2.26)

Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo, Qsue

𝑄𝑠𝑢𝑒 = 𝐾𝑠 ∗ 𝑆𝑐 ∗ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑠)/𝑝 𝑊

𝑚2 (2.27)

Donde:

Ks: coeficiente de intercambio térmico a través del suelo W

m2°C:

Ks = 1.16W

m2°C

Ts: Temperatura del suelo del edificio (°C):

Ts = 30ºC

P: profundidad a la que estima la diferencia de temperatura (m):

p = 1.1m

73

Entonces con los datos anteriores el Flujo de calor perdido por

conducción a través del suelo, Qsue cubierto por el vidrio es:

Qsue = 1.16 ∗ 2.1 ∗ (26 − 30)/1.1 W

m2

Qsue = −8.86 W

m2

Entonces una vez calculados cada término de la ecuación de balance

energético en edificios, tomando en cuenta la cubierta de vidrio (sin

paneles), La Energía calorífica que es necesaria aportar (Qcal) o eliminar

(Qref) del edificio Qcli :

Qcli = Qcc + Qren + Qsue − Rn (W

m2)

Qcli = −102.12 − 8.86 − 241.25 − 26.52 (W

m2)

Qcli = −378.76 (W

m2)

(2.28)

Podemos realizar un análisis teórico en base a las ecuaciones de balance

energético en invernaderos, y tendremos los siguientes resultados:

74

TABLA 2.9. Energía promedio por hora- considerando la temperatura interior y exterior

de la estructura, con y sin la implementación de la solución propuesta

Situación Temp.

Exterior (°C)

Temp. Interior

(°C)

Energía Sin

paneles (Wh)

Energía Con

paneles (Wh)

% Reducción

A 35 25 -795.4 -523.8 34.14

B 38 25 -917.7 -602 34.40

2.7.1. Equipos para el monitoreo de la calidad de energía

Analizador de Energía Fluke 43B

Como Analizador de calidad de la energía eléctrica, está

optimizado para medidas industriales en la frecuencia fundamental

de 50 Hz. El Fluke 43B es el único instrumento que combina las

funciones de un Analizador de calidad de la energía eléctrica, un

osciloscopio de 20 MHz, un multímetro y un registrador de datos.

Puesto que su rango de frecuencia fundamental se extiende de 10

a 400 Hz, resulta ideal también para aplicaciones aeronáuticas,

navales y ferroviarias [21].

75

Características del Fluke 43B

Medida de energía (W, VA, VAR) y factor de potencia (PF DPF)

Energía y factor de potencia en cargas trifásicas equilibradas

Armónicos de tensión, corriente y potencia hasta el orden 51º.

Medida de fluctuaciones durante un máximo de 24 horas del día

Captura automática de hasta 40 transitorios en tan sólo 40 ns.

Mide corriente de arranque de motores. Medida con cursores

Cubre un rango de frecuencia amplio (10 a 400 Hz).

2.7.2. Equipos para la medición de carga instalada y consumida

A continuación, se presentara el software de simulación y descarga

de datos perteneciente al Fluke 43B, en donde, se podrá analizar

datos de armónicos, y otras lecturas a lo largo del tiempo, para de

esta forma poder realizar un correcto análisis de la calidad de

energía que estamos produciendo.

FlukeView

El software FlukeView permite transferir datos desde un

instrumento digital de comprobación compatible (como por

ejemplo, Fluke 43B) directamente a base de datos creados en una

computadora. Así se evita fallos de registro, reduce la posibilidad

76

de errores manuales y le permite recolectar, organizar y presentar

los datos del medidor en un formato adecuado [21].

Figura 2.26 Pantalla de Inicio Fluke View

77

3. CAPÍTULO 3

METODOLOGÍA DEL DISEÑO DEL PROTOTIPO

En la presente sección, se analizará la selección de los componentes de un

sistema fotovoltaico “Grid-Tie” (conexión directa y sincronizada a la red eléctrica)

como lo son: paneles fotovoltaicos, inversores solares y elementos del circuito

de control de posicionamiento solar de un solo eje- para nuestro prototipo.

3.1. Dimensionamiento de los componentes del Sistema Fotovoltaico

Debido a que, el sistema va a estar sincronizado (al ser la tesis

principalmente orientada a demostrar la disminución del efecto

invernadero dentro de edificios con claraboyas) con la potencia de la red

78

eléctrica suministrada por la Empresa Eléctrica (CELEC EP) no es

necesario la utilización de elementos costosos como: regulador de carga

y baterías (que proporcionan energía constante a los sistemas

fotovoltaicos aislados).

3.1.1. Cálculo de la Potencia Consumida del Sistema

Al usar en nuestro proyecto un sistema solar Grid-Tie, no es necesario

cubrir toda la potencia consumida del sistema (Tabla 3.1); debido al

suministro de la red eléctrica pública.

El sistema fotovoltaico no es indispensable pero su generación si es de

ayuda a sistemas con grandes cargas como por ejemplo: motores

industriales o en nuestro caso un sistema de acondicionador de aire.

A continuación se presenta la carga de nuestro prototipo la cual constará

exclusivamente de un acondicionador de aire y un sistema de iluminación

en el interior, en donde, tendremos a consideración las condiciones

meteorológica y de construcción del Área C – Profesores del edificio de la

FIEC de ESPOL. En la figura 2.16, se observa el uso de los diferentes

elementos eléctricos del sistema propuesto.

79

A continuación en la Tabla 3.1 se procede a una explicación detallada del

consumo del prototipo, considerando 8 horas de consumo diario

promedio.

TABLA 3.1. CARGA ELÉCTRICA DEL PROTOTIPO

Usando paneles de 50 W y asumiendo que estamos en una zona

ecuatorial con ocho horas útiles de radiación solar, de (3.1) se puede

concluir que para mantener con un óptimo funcionamiento la carga- con la

cual está compuesto el prototipo, se necesita aproximadamente un

sistema integral de 12 paneles solares de 50 W.

Carga del sistema

Elemento Carga Horas consumo Wh

Acondicionador de

aire 5000 BTU

547.1W 8 4376.8

Sistema de

iluminación LED

21 W 8 168

Motor de paso 4.7 W 8 37.6

Total 4582.4

80

𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ∗ 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑁𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =4582.4 𝑊ℎ

50𝑊 ∗ 8 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜= 11.45 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

(3.1)

Como el objetivo del presente proyecto es mejorar la eficiencia energética

en edificios con claraboya y considerando que los costos de construcción

del prototipo, se dispuso realizar un sistema fotovoltaico con conexión a la

red, el cual no será dimensionado por la potencia de la carga sino por el

inversor a utilizar.

3.1.2. Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos

Este dimensionamiento será dado por la potencia del inversor a

utilizar, en donde, al ser un prototipo que toma en cuenta la

eficiencia de un seguidor solar en lugares con claraboyas

escogeremos el inversor de menor tamaño existente en el mercado

para lo cual se eligió el siguiente modelo:

TABLA 3.2. CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR

Marca Potencia Voltaje de

entrada

Voltaje de

salida

Solar Grid Tie Micro

Inverter 200 W 10.8 - 30 VDC 90 – 130 VAC

81

De (3.2) se puede conocer la cantidad de paneles solares a base

de la potencia del inversor.

𝑁 =𝑃𝑖𝑛𝑣

𝐹𝑠 ∗ 𝑃𝐹𝑉 (3.2)

En donde el Fs va a depender exclusivamente de la zona

geográfica y está comprendido, para la zona ecuatorial entre 0,85

(número máximo de paneles) y 1 (número mínimo de paneles):

La recomendación anterior es válida para sistemas orientados al

Sur e inclinados un ángulo aproximadamente igual a la latitud del

lugar.

TABLA 3.3. NÚMERO DE ACUERDO A LA POTENCIA DEL INVERSOR

Potencia

nominal

del inversor

Potencia del

panel fotovoltaico

Nmax de

paneles (0,85)

Nmin de

paneles

200 10 23,53 20

200 50 4,71 4

200 95 2,48 2,11

200 100 2,35 2

Los valores de la Tabla 3.3 se los obtiene de (3.2), junto con el

análisis de diferentes potencias de paneles (10W, 50W, 95W,

100W) y la potencia del inversor de 200W. También se considera

82

que para el óptimo funcionamiento del inversor, la potencia de

entrada de este debe ser aproximadamente el 85% de su potencia

nominal (3.3).

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ≈ 85% 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 ≈ (0.85)(200𝑊)

50𝑊 ∗ 3 ≈ 170𝑊

150𝑊 ≈ 170𝑊

(3.3)

Basado en estas consideraciones se eligió tres paneles

fotovoltaicos (Tabla 3.4), los cuales estará orientados al sol, de

acuerdo a la latitud de la ciudad en donde serán colocados (Tabla

3.5).

TABLA 3.4. CARACTERÍSTICA DEL PANEL FOTOVOLTAICO

Marca Potencia Voltaje N de paneles

Exmork 50W 18V 3

83

TABLA 3.5. UBICACIÓN DEL EDIFICIO DE LA FIEC (GUAYAQUIL)

Dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos sobre la

claraboya del Área c – Profesores del edificio de la FIEC

A continuación se procede a la selección de los números de

paneles correspondiente al edificio de la Facultad de Ingeniería en

Electricidad y Computación de la ESPOL, para el cual se debe

utilizar un inversor de mayor potencia. Debido a la mayor demanda

energética por el edificio- se debería instalar paneles fotovoltaicos

de 50W y un inversor Grid Tie de 2500W (ver Tabla 3.6).

Ciudad 𝝓 =Latitud Longitud

Guayaquil 02°15′S 79°52′W

84

TABLA 3.6. CARACTERÍSTICAS DEL INVERSOR GRID TIE DE 2500W

ESPECIFICACIONES

Modelo POWER JACK 2500

Potencia de operación normal 2500 W

Rango de voltaje de entrada DC 50-90

Máxima Corriente de ingreso 80 A

Voltaje de salida AC 230 VAC

Rango de Frecuencia de operación 45-65 Hz

Eficiencia 94%

THD 5%

85

Número máximo y mínimo de paneles

𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑖𝑛𝑣

𝐹𝑠𝑀𝐼𝑁 ∗ 𝑃𝐹𝑉

𝑁𝑚𝑎𝑥−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =2500

0.85 ∗ 50= 59 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

(3.4)

𝑁𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑖𝑛𝑣

𝐹𝑠𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝑃𝐹𝑉

𝑁𝑚𝑖𝑛−𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =2500

1 ∗ 50

= 50 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

(3.5)

Número máximo de módulos por ramal

𝑇𝑃 = 𝑇𝑎 + [𝑇𝑂𝑁𝐶 − 20

800] 𝐼

𝑇𝑃 = 2.43 + [49 − 20

800] 104.21

𝑇𝑃 = 6.20 𝐶

Donde:

(3.6)

86

𝑇𝑝 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜

𝑇𝑂𝑁𝐶 = 𝑇𝑒𝑚𝑝. 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 𝑉𝐶𝐴(𝑆𝑇𝐶) − [(25 + 𝑇𝑃) ∗ ∆𝑉]

𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 22 − [(25 + 6.20) ∗ −0.08]

𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁) = 24.5

Donde:

𝑉𝐶𝐴(𝑆𝑇𝐶) = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜

∆𝑉 = 𝐷𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑜𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙

(3.7)

𝑁𝑀𝐴𝑋 =𝑉𝑀𝐴𝑋(𝐼𝑁𝑉)

𝑉𝐶𝐴(𝑇𝑀𝐼𝑁)

𝑁𝑀𝐴𝑋 =100

24.5= 4.08 ≈ 4

(3.8)

87

Número mínimo de módulos por ramal

Viene limitado por la tensión mínima de entrada al inversor y la

tensión en el punto máximo de potencia del módulo a una

temperatura de 85 grados centígrados.

𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋) = 𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑆𝑇𝐶) + [(𝑇𝑀𝐴𝑋 − 25) ∗ ∆𝑉]

𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋) = 17.5 + [(85 − 25) ∗ −0.08] = 12.7

(3.9)

𝑁𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑃𝑀𝑃(𝐼𝑁𝑉)

𝑉𝑃𝑀𝑃(𝑇𝑀𝐴𝑋)

𝑁𝑚𝑖𝑛 =40

12.7= 3.14 ≈ 3

(3.10)

Número máximo de ramales en paralelo

Es la relación entre la corriente de cortocircuito máximo de un

ramal y la corriente máxima del inversor.

𝑁𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝐼max (𝐼𝑁𝑉)

𝐼𝐶𝐶(𝑅𝐴𝑀𝐴𝐿)

𝑁𝑟𝑎𝑚𝑎𝑙𝑒𝑠 =80

3.08= 25.97 ≈ 26

(3.11)

88

3.1.3. Diseño de la estructura mecánica

A continuación se detalla cada una de las piezas diseñadas, así

como los cálculos respectivos para su óptimo funcionamiento y los

diferentes fenómenos naturales que pueden afectar el movimiento

mecánico del sistema propuesto.

El diseño mecánico del seguidor solar de un eje se desarrolló en

base a las condiciones ambientales y de ubicación del edificio de la

FIEC de la Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL). La

selección de los materiales para su construcción, fueron escogidos

en base a sus condiciones de movilidad, peso, termodinámica y

sus costos de elaboración.

Los criterios para el diseño y la implementación del prototipo fueron

la minimización de los costos y el aprovechamiento del espacio, en

el cual se cuenta únicamente con el área de la claraboya.

Basándose en la ubicación del edificio seleccionado, la

funcionalidad que debe cumplir en la zona ecuatorial donde el

movimiento relativo entre la tierra y el sol es de aproximadamente

de 2.15° hacia el norte, debido a la latitud en la que se encuentra la

ciudad de Guayaquil (Tabla 3.5).

89

Determinación de las fuerzas que actúan sobre la estructura

del panel solar, para el dimensionamiento del motor que

moverá la estructura

Una vez decidido la cantidad de paneles fotovoltaicos a utilizar

(Tabla 3.4), se procede a determinar las fuerzas que actuarán

sobre la estructura de dichos paneles, para poder dimensionar el

motor que con ayuda del control, moverá la estructura solar.

Las fuerzas a considerar son:

Fuerza del viento

Peso total de los paneles fotovoltaicos

Para determinar la fuerza del viento, nos valdremos de la siguiente

ecuación:

𝑭𝒘 = 𝑞𝑧 ∗ 𝑆𝑝𝑤 (3.12)

El factor 𝑞𝑧, lo obtendremos de la siguiente ecuación:

𝒒𝒛 = 0.613 ∗ 𝑘𝑧 ∗ 𝑘𝑧𝑡 ∗ 𝑘𝑑 ∗ 𝑉2 ∗ 𝐼 [𝑁/𝑚2] (3.13)

90

Y también utilizaremos el “Código Modelo De Construcción Para

Cargas De Viento” de la ACS (Association of Caribbean States)

para determinar los factores (3.13).

Donde:

𝑲𝒅 = 0.85 Factor de direccionalidad del viento.

𝑲𝒛 = 0.85 Coeficiente de exposición de presión de la velocidad del

viento.

𝑲𝒛𝒕 = Factor topográfico definido como:

𝑲𝒛𝒕 = (𝟏 +∗ 𝑲 𝟏 ∗ 𝑲𝟐 ∗ 𝑲𝟑) ∗ 𝟐

Donde

𝑲𝟏 = 0.29, 𝑲𝟐 = 1 y 𝑲𝟑 = 1

(3.13)

𝑰 = 0.87 Factor de importancia.

𝑽 = 27.7𝑚

𝑠𝑔 Velocidad del viento en condiciones normales del día.

Entonces el factor qz sería:

91

𝒒𝒛 = 0.613 ∗ (0.85) ∗ (1 + 0.29 ∗ 1 ∗ 1)2 ∗ (0.85)

∗ 27.72 ∗ (0.87)

𝒒𝒛 = 491.99 [𝑁/𝑚2]

(3.14)

Para la obtención del factor Sp, se considera que el viento actúa en

un plano horizontal mientras que los paneles están en el peor de

los casos con una inclinación de 67.5º sobre la horizontal.

Así se tiene una superficie perpendicular Sp obtenida de la

siguiente ecuación:

𝑺𝒑 = Á𝑟𝑒𝑎𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝜃

𝑺𝒑 = (0.67𝑚) ∗ (0.62𝑚) ∗ 𝑠𝑒𝑛67.5°

𝑺𝒑 = 0.3837 𝑚2

(3.15)

Por último la fuerza del viento por panel sería:

92

𝑭𝒘 = (491.99𝑁

𝑚2) ∗ (0.3837 𝑚2)

𝑭𝒘 = 188.78 𝑁 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙

(3.16)

El movimiento de rotación del planeta Tierra ocurre cada 24 horas

en 360°, por lo que se establece que cada hora recorre 15° (360°/

24hr = 15°/hr), que es lo que recorre el Sol en una hora visto desde

el plano terrestre.

Se considerará un intervalo de 20 minutos de reposición que

corresponde a una rotación de 5° de la rotación de la Tierra.

Sumado al tiempo anterior, se asignará un tiempo de 15 segundos

para que los motores actúen entre las reposiciones.

Se sabe que en el caso de máximo trabajo (en verano,

especialmente en el solsticio), el eje acimutal del seguidor

recorrerá durante 11.5 horas del día unos 228.88º, mientras que el

eje horizontal recorrerá unos 37.5º hacia arriba y otros 67.5º hacia

abajo.

Entonces se calculará el recorrido angular medio que tiene que

hacer cada eje cada 20 minutos:

93

𝜕𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙

= (37.5° + 67.5°) ∗ 1

12ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

∗1ℎ𝑜𝑟𝑎

60 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠∗ 20 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

𝜕𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 2.92°

(3.17)

Tomando en consideración los 15 segundos de la reposición del

motor, se necesitarán las siguientes velocidades de giro en los

ejes:

𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧 = (2.92°) ∗ 1

15 𝑠∗

1 𝑟𝑒𝑣

360°∗

60 𝑠

1 𝑚𝑖𝑛

𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧 = 0.032 𝑟𝑝𝑚

(3.18)

Para determinar el momento crítico del sistema, en donde, las

fuerzas del viento y del peso van a ser mayores se procede a

encontrar el ángulo de máxima inclinación en el movimiento del

módulo fotovoltaico.

94

La fuerza del viento sobre los 3 paneles:

𝐹𝑤 = 188.78 𝑁

El peso provocado por tres paneles

𝑾 = 𝒎 ∗ 𝒈

𝑊 = 3 ∗ 8 𝑘𝑔 ∗ 9.8 𝑚𝑠𝑔2⁄

𝑊 = 235.2 𝑁

(3.19)

Para encontrar el ángulo donde ocurrirá el mayor torque sobre un

panel, plantearemos la ecuación (3.20) de momentos, localizada

en una posición (Tap central del módulo) donde pueden ocurrir las

peores condiciones de torque.

95

𝑀𝑇 = 𝑀𝑊 + 𝑀𝑊

𝐹𝑇 = 𝑊𝑐𝑜𝑠(𝛼)𝑑

4+ 𝐹𝑠𝑒𝑛(𝛼)

𝑑

2

𝒅𝑭𝑻

𝒅𝜶= 𝟎

−𝑊𝑑

2𝑠𝑒𝑛(𝛼) + 𝐹

𝑑

2𝑐𝑜𝑠(𝛼) = 0

𝐹𝑑

2𝑐𝑜𝑠(𝛼) = 𝑊

𝑑

2𝑠𝑒𝑛(𝛼)

tan 𝛼 =𝐹

𝑊

𝛼 = tan−1(2.45)

𝛼 = 67.45

(3.20)

Se realizará el Diagrama de Cuerpo Libre (DCL) de los paneles

solares a 67.5° de inclinación sobre la superficie, en donde, el eje

principal estará a 400 mm de distancia del suelo produciendo el

libre movimiento de los módulos fotovoltaicos, y se calculará el

torque necesario para la rotación del eje horizontal.

96

Figura 3.1. Diagrama de Cuerpo Libre de un Panel Solar

Recordemos que:

El torque necesario en el punto de apoyo 𝑎𝑝:

𝑇𝑎𝑝 = 𝑇𝑓𝑤 + 𝑇𝑤 (3.21)

Potencia del motor:

𝑃𝑚 = 𝑇𝑎𝑝 ∗ 𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 (3.22)

Si el punto de apoyo 𝑎𝑝, está en la mitad del panel, tendríamos:

El torque por la fuerza del viento 𝐹𝑤:

97

𝑇𝑓𝑤 = 𝐹𝑤 ∗ (0.62𝑚 ∗ 0.5) ∗ 𝑠𝑒𝑛 67.5°

𝑇𝑓𝑤 = 188.78 ∗ (0.31𝑚) ∗ 𝑠𝑒𝑛 67.5°

𝑇𝑓𝑤 = 54.06 [𝑁𝑚]

(3.23)

El torque por la fuerza del peso de los paneles:

𝑇𝑤 = 𝑊 ∗ (0.62𝑚 ∗ 0.5) ∗ 𝑐𝑜𝑠 67.5°

𝑇𝑤 = 235.2𝑁 ∗ (0.31𝑚) ∗ 𝑐𝑜𝑠 67.5° = 27.9 [𝑁𝑚]

(3.24)

Entonces el torque en el punto de apoyo ap, será:

𝑇𝑎𝑝 = 𝑇𝑓𝑤 + 𝑇𝑤

𝑇𝑎𝑝 = 54.06 𝑁. 𝑚 + 67.36 𝑁. 𝑚

𝑻𝒂𝒑 = 𝟏𝟐𝟏. 𝟒𝟐 𝑵. 𝒎

(3.25)

Y la potencia del motor sería:

𝑃𝑚 = 𝑇𝑎𝑝 ∗ 𝜔 𝑒𝑗𝑒ℎ𝑜𝑟𝑖𝑡𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙

𝑃𝑚 = (121.42 𝑁. 𝑚) ∗ (0.032𝑟𝑝𝑚)

(3.26)

98

𝑷𝒎 = 𝟑. 𝟖𝟖𝟓 𝑾

Basándonos en esta potencia y considerando las posibles fuerzas

de fricción del sistema mecánico, se decidió escoger un motor a

pasos bidireccional con gear box de 4.704 W como potencia

nominal.

Basándonos en estos datos se procedió a la elección de un motor

a pasos bipolar con mayores prestaciones de las necesitadas (ver

Tabla 3.7). Además de su alto torque y de su increíble precisión

con un bajo consumo de energía. Entre las demás características a

tener en cuenta para su correcto control serán detalladas en la

tabla siguiente.

TABLA 3.7. CARACTERÍSTICA DE TORQUE Y POTENCIA DEL MOTOR

Parámetros Datos

teóricos

Datos del motor a

pasos bipolar

Datos del motor

a pasos bipolar

(con Gear Box)

Par o torque 121.42 N.m 4.8Kg.Cm=0.47 N.m 46.53 N.m

Potencia 3.885 W 4.704 W 4.704 W

99

Es necesario un circuito puente H para cada bobina, es decir dos

en total para el motor en sí, el cual consiste en un arreglo de ocho

transistores arreglados como se en la fig. 3.2 los cuales permiten

obtener una mayor ganancia de corriente y una frecuencia de

conmutación muy altas en comparación a los interruptores

mecánicos, en cada una de las bases de los transistores se

pueden enviar los pasos o señales de corriente para los motores a

pasos o servomotores.

Figura 3.2. Diagrama de bloques del integrado L298N [28].

Para un correcto funcionamiento, la energización de los

transistores que componen el puente H debe ser en forma

diagonal, para de esta forma no ocasionar un cortocircuito en el

bobinado del motor o simplemente, no energizarlo al no poder

100

cerrar el circuito entre los puntos 1 y 2 en el caso del puente H

número 1, o entre los puntos 3 y 4 para el puente H número 2.

Como los motores a paso bipolares no tienen el doble bobinado de

los unipolares (recordemos que en éstos todo el tiempo se está

utilizando sólo una de las bobinas duplicadas, mientras la otra

queda desactivada y sin ninguna utilidad), los motores bipolares

ofrecen una mejor relación entre torque y tamaño/peso. Las

características específicas del motor a utilizar estarán dadas en la

Tabla 3.8.

Figura 3.3. Motor de paso Bipolar con caja reductora.

101

TABLA 3.8.CARACTERÍSTICA GENERALES DEL MOTOR BIPOLAR

Características Motor Bipolar

Tipo Motor a pasos

Bipolar

Angulo de paso 1.8 grados

Numero de pasos por vuelta 200 pasos

Holding torque 4.8 kg.cm

Rated Torque 4.8 kg.cm

Voltaje 2.8 V

Corriente 1.68

Máxima velocidad 6.2 (44) rpm

Descripción del sistema y piezas del Seguidor Solar

A continuación se encuentra una descripción detallada de cada

una de las piezas que componen el mecanismo del seguidor solar

de un eje horizontal, comenzando por el diseño y cálculo de los

sistemas de movimiento y terminando con la descripción detallada

de las piezas fijas del equipo

Diseño del Sistema de engranajes

Para cumplir con los requerimientos del torque necesario para la

movilidad de los módulos fotovoltaicos, se procedió al diseño de un

102

sistema reductor de velocidad basado en un diseño mecánico de

tren de engranajes, el cual fue diseñado en el software de edición y

simulación de Autodesk Inventor.

La condición a cumplir es que el sistema mecánico tenga un torque

mayor a los 121.42 N.m correspondiente al torque de apoyo de los

paneles fotovoltaicos.

También se sabe que el motor bipolar con su caja de engranajes

(de relación 1:99) tiene una potencia de 46.53 N.m., lo cual no es

suficiente para mover el torque que tienen los módulos

fotovoltaicos. Por tal razón, se hizo necesario contar con un tren de

engranajes, los cuales serán dimensionados como sigue:

𝑛𝑇 =𝑁1

𝑁2=

𝑁𝑚

𝑁𝐿

𝑛𝑇 =𝑇𝑃𝑆

𝑇𝑚=

121.42 𝑁𝑚

46.53 𝑁𝑚

𝑛𝑇 = 2.6

(3.27)

Por lo cual se escogió dos tipos de engranajes que su relación de

dientes sea casi igual o mayor a la relación de torques. Así

103

tenemos que los engranajes deben ser de 30 y 10 dientes

respectivamente:

𝑛𝐷 =𝑁2

𝑁1=

30 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

10 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

𝑛𝐷 = 3

(3.28)

Lo anterior queda correctamente dimensionado ya que se cumple

con: 𝑛𝐷 ≥ 𝑛𝑇. Al cambiar la relación de torques, la velocidad de los

paneles solares con respecto al motor disminuye:

𝜃𝑝𝑠 =1

𝑛𝑇𝜃𝑚 − −> 𝜔𝑝𝑠 =

1

𝑛𝑇𝜔𝑚 (3.29)

Entonces tenemos que la relación entre la velocidad angular del

panel (𝜔𝑝𝑠) con respecto a la velocidad angular del motor (𝜔𝑚) es:

𝜔𝑝𝑠 = 0.33𝜔𝑚 (3.30)

Debido a que se necesita reducir la velocidad, para efecto de

cálculo se procede a realizar un sistema reductor de velocidad el

cual se basa en un sistema de engranajes rectos los cuales son

diseñados con la ayuda de Autodesk Inventor.

104

A continuación se presenta el trabajo matemático realizado para la

obtención de las medidas de los dos tipos de engranaje.

Figura 3.4. Terminología de un sistema de engranajes rectos.

En la Fig. 3.4 - 3.5 se observan los términos que se incluyen en el

proceso matemático, antes descrito.

Figura 3.5. Nomenclatura de los elementos geométricos de la cremallera.

Primero se partió del valor default de Autodesk inventor:

𝒎 = 4.00 𝑚𝑚

105

Para posteriormente realizar los cálculos para cada uno de los

engranajes del sistema:

𝒎 =𝒅

𝑵= 4.00 𝑚𝑚

𝒅

𝑵= 4.00 𝑚𝑚

Donde

𝒅 = 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑎𝑙

𝑵 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠

(3.31)

Engranaje mayor Engranaje menor

𝒅 = 𝟒. 𝟎𝟎 ∗ 𝑵

𝒅 = 4.00 ∗ 30

𝒅 = 120 𝑚𝑚

𝒅 = 𝟒. 𝟎𝟎 ∗ 𝑵

𝒅 = 4.00 ∗ 10

𝒅 = 40 𝑚𝑚

(3.32)

106

Addendum.- altura de la cabeza del diente


𝒂 = 𝟏 ∗ 𝒎

𝒂 = 1 ∗ 4.00

𝒂 = 4.00 𝑚𝑚

𝒂 = 𝟏 ∗ 𝒎

𝒂 = 1 ∗ 4.00

𝒂 = 4.00 𝑚𝑚

(3.33)

Dedendum.- altura del pie del diente.


𝒃 = 𝟏. 𝟐𝟓 ∗ 𝒎

𝒃 = 1.25 ∗ 4.00 𝑚𝑚

𝒃 = 5.00 𝑚𝑚

𝒃 = 𝟏. 𝟐𝟓 ∗ 𝒎

𝒃 = 1.25 ∗ 4.00 𝑚𝑚

𝒃 = 5.00 𝑚𝑚

(3.34)

Paso circular.- es la distancia total que va desde un punto

determinado de un diente hasta otro punto idéntico en el diente

continuo.

107


𝑷𝑪 = 𝝅 ∗ 𝒎

𝑷𝑪 = 𝜋 ∗ 4.00

𝑷𝑪 = 12.56 𝑚𝑚

𝑷𝑪 = 𝝅 ∗ 𝒎

𝑷𝑪 = 𝜋 ∗ 4.00

𝑷𝑪 = 12.56 𝑚𝑚

(3.35)

Espesor.- el ancho que debe tener cada uno de los engranajes.


𝒆 =𝑷𝒄

𝟐

𝒆 =12.56 𝑚𝑚

2

𝒆 = 6.28 𝑚𝑚

𝒆 =𝑷𝒄

𝟐

𝒆 =12.56 𝑚𝑚

2

𝒆 = 6.28 𝑚𝑚

(3.36)

Finalmente calculamos la distancia entre los centros del sistema de

engranaje, no sin antes realizar los cálculos respectivos de cada

engranaje ver la Fig. 3.6.

108

Figura 3.6. Viste superior del engranaje recto.

Diámetro exterior.- se lo define como la sumatoria del diámetro

primitivo más la altura de la cabeza del diente


𝑫𝒆 = 𝑫𝒑 + 𝟐 ∗ 𝒎

𝑫𝒆 = 120.00 + 2 ∗ 4.00

𝑫𝒆 = 128.00 𝑚𝑚

𝑫𝒆 = 𝑫𝒑 + 𝟐 ∗ 𝒎

𝑫𝒆 = 40.00 + 2 ∗ 4.0

𝑫𝒆 = 48.00 𝑚𝑚

(3.37)

Diámetro de fondo.- se lo define como el diámetro del engranaje

hasta la base del diente.

109


𝑫𝒇 = 𝑫𝒑 − 𝟐. 𝟓 ∗ 𝒎

𝑫𝒇 = 120.00 − 2.5 ∗ 4.00

𝑫𝒇 = 110.00 𝑚𝑚

𝑫𝒇 = 𝑫𝒑 − 𝟐. 𝟓 ∗ 𝒎

𝑫𝒇 = 40.00 − 2.5 ∗ 4.00

𝑫𝒇 = 30.00 𝑚𝑚

(3.38)

Simulación de los engranajes

Basándonos en los cálculos realizados se procede a la simulación

de los engranajes en Autodesk Inventor ingresando los valores

respectivos (ver Fig. 3.7).

Figura 3.7. Ventana de Spur Gears Component Generator de Autodesk.

110

De esta forma se puede crear de una forma automática el sistema

de engranajes con un alto porcentaje de efectividad como se

observa en la Fig. 3.8.

Figura 3.8. Ventana de la forma del tren de engranajes.

Después se verifica que el diseño de nuestros engranajes cumple

de una forma eficiente con los parámetros mostrados al principio

de los cálculos (ver Fig. 3.9.)

Figura 3.9. Pestaña Calculation de la ventana de Spur Gears Component.

111

Finalmente se obtienen los valores de diseño de la simulación, los

cuales deben ser similares a los obtenidos en los cálculos

realizados desde las ecuaciones (3.28) hasta (3.35).

Engranajes

TABLA 3.9. PARÁMETROS DE LOS ENGRANAJES OBTENIDOS POR

AUTODESK INVENTOR

Engranaje 1 Engranaje 2

Number of Teeth Z 10 ul 30 ul

Pitch Diameter D 40,000 mm 120,000 mm

Outside Diameter da 48,000 mm 116,035 mm

Root Diameter df 30,000 mm 130,000 mm

Base Circle Diameter db 37,588 mm 112,763 mm

Work Pitch Diameter dw 40,000 mm 120,000 mm

Facewidth B 20,000 mm 20,000 mm

Facewidth Ratio br 0,5000 ul 0,1667 ul

Addendum a* 1,0000 ul 1,0000 ul

112

Figura 3.9. Figuras obtenidas de Autodesk Inventor en relación a la Tabla 3.8.

Carga

TABLA 3.10.PARÁMETROS DE CADA ENGRANAJE EN TÉRMINOS DE

CARGA

Engranaje 1 Engranaje 2

Potencia P 0,005 kW 0,005 kW

Velocidad n 9,55 rpm 3,18 rpm

Torque T 4,700 N m 13,817 N m

Eficiencia η 0,980 ul

Fuerza radial Fr 85,527 N

Fuerza tangencial Ft 234,983 N

Fuerza normal Fn 250,063 N

113

Basado en estas consideraciones se tiene lo siguiente:

TABLA 3.11. CARACTERÍSTICA DE LOS ENGRANAJES

E

E

Elementos de transmisión de movimiento sincrónico

Debido a que el objetivo planteado sea la semejanza de

movimientos de los paneles solares con persianas, se hará uso de

cadenas de paso 40 (Fig. 3.11.) que unirán también los piñones-

de números de dientes antes determinados.

Figura 3.10. Vista Lateral de la ubicación de los piñones y cadenas.

Numero de

dientes

Diámetro

Pitch

Diámetro

Exterior Paso

Engranaje

uno 10 41.097 46.736 12.70

Engranaje

dos 30 121.49 128.52 12.70

114

Cálculo de distancia entre módulos fotovoltaicos

Para evitar la pérdida por sombras que se producen en los paneles

fotovoltaicos, se calcula una distancia mínima entre los módulos.

Esta distancia se debe optimizar para garantizar costos de

montajes y máxima generación eléctrica.

Para encontrar la distancia mínima entre paneles se utilizó la

siguiente fórmula.

𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝑳 +𝐬𝐢𝐧(𝟗𝟎 − 𝒍𝒂𝒕 + 𝜹 + 𝜷)

𝐬𝐢𝐧(𝟗𝟎 − 𝒍𝒂𝒕 + 𝜹) (3.39)

También nos ayudaremos de datos importantes, que aparecen en

la Tabla 3.12.

TABLA 3.12. DATOS PARA EL CÁLCULO DE DISTANCIA ENTRE PANELES

SOLARES

Latitud -2,17

Día juliano 141

Declinación, δ 20,14

Ho 112,30

Inclinación paneles, β 22.31

Longitud del panel, L (m) 0,67

115

Encontraremos el ángulo 𝛽 entre el panel y la horizontal, que

garantice la distancia mínima (ver Fig.3.11.). Hacemos uso de la

derivada de la distancia con respecto a 𝛽, y su igualdad con cero.

𝒅 𝒅𝒊𝒔𝒕

𝒅 𝜷= 𝟎

𝐿

sin(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿)∗ cos(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽) = 0

cos(90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽) = 0

90 − 𝑙𝑎𝑡 + 𝛿 + 𝛽 = 90

−𝛽 = +2.17 − 20.14 = 17.97

(3.40)

Figura 3.11. Distancia mínima entre filas consecutivas de paneles solares [29].

116

Procedemos a calcular la distancia mínima entre paneles, usando

manejo de geometría de ángulos.

𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝒃 + 𝒂

𝑑𝑚𝑖𝑛 = 𝐿 ∗ cos 𝛽 + 𝐻 ∗ tan ℎ𝑜

𝑑𝑚𝑖𝑛 = 𝐿 ∗ cos 𝛽 + (sin 𝛽 ∗ 𝐿) ∗ tan ℎ𝑜

𝑑𝑚𝑖𝑛 = 0.637 + (0.207) ∗ −2.43

𝒅𝒎𝒊𝒏 = 𝟎. 𝟏𝟑𝟐𝟐 𝒎

(3.41)

Estructura del prototipo de características similares al edificio

de la FIEC

Esta estructura irá en la parte inferior de otra que tendrá el

seguidor solar de nuestro prototipo. Su construcción está hecha de

hierro forjado (por su durabilidad con ángulos cuadrados de una

pulgada), la cual tendrá como medida 2373 x 730 mm (ver

Fig.3.12). Además, el arreglo tendrá un recubrimiento de plywood

117

de 8mm para evitar una considerable transferencia de calor entre

el exterior e interior (Fig. 3.13).

Por último, se la cubrirá con una plancha de policarbonato de 6mm

de espesor, y de 2373x 730mm de dimensiones (este material

simula al recubrimiento de las claraboyas del edificio de la FIEC).


paneles solares.

Figura 3.13. Recubrimiento de material aislante a la estructura donde irán los

paneles solares.

118

Estructura del seguidor solar

Al igual que el arreglo inferior, esta estructura está elaborado de

hierro forjado con ángulos cuadrados de una pulgada, la cual

tendrá como medida 2430 x 930 mm (ver Fig. 3.14), debido al

espacio para la ubicación correcta de los módulo fotovoltaico,

como también la disminución de las pérdidas por sombra. De igual

forma tendrá un recubrimiento de plywood de 8mm, pero en este

caso para evitar el paso de la luz solar (Fig. 3.13.). Este arreglo irá

encima de la estructura de características similares del edificio de

la FIEC.


paneles solares.

119

Diseño de la plataforma para los Módulos Fotovoltaicos

Contendrá el módulo fotovoltaico, que se junta mediante una

chumacera a la estructura del seguidor solar. Al ser esta

plataforma la que transmita el movimiento desde el conjunto de

engranajes hacia el módulo fotovoltaico, se tomó como principal

consideración el peso del material a utilizar, por lo que se la diseñó

y construyó de tubo cuadrado de aluminio con cuatro pernos de 3/8

pulgadas ubicados en el centro de dos de los cuatro lados, además

se colocara un eje horizontal para la rotación del módulo, tal como

se observa en la Fig. 3.15.

Figura 3.15. Plataforma donde irán puestos los paneles solares.

120

Chumaceras

Permite el soporte por la rotación del eje mostrado en la Fig. 3.15,

está compuesto por una parte rotativa y una parte fija. Las

chumaceras pueden ser construidas de plástico, acero o aluminio,

que en nuestro caso se lo fabricó de acero inoxidable, por motivos

de durabilidad. La medida de las chumaceras será determinada por

el diámetro del eje que es de 2.5cm (ver Fig.3.16).

Figura 3.16. Chumaceras para la estructura de los paneles solares.

3.2. Diseño del Sistema de Control de Posicionamiento

Para cumplir con el objetivo de proporcionar una mayor irradiación hacia

nuestro sistema, en el presente subcapítulo se presenta el diseño,

desarrollo y construcción del control de posicionamiento. Diversos

estudios han demostrado que los seguidores solares pueden proveer

alrededor de un 3% de mayor energía solar en relación al seguidor solar

de un eje.

121

Sin embargo, gracias a su costo de manutención y de potencia requerida

para el movimiento del segundo eje se determina que su productividad a

largo plazo no es económicamente rentable. En la Fig. 3.16 se puede

observar el estudio del Dr. David Lubitz resumiendo la captación de

irradiación de los diferentes tipos de seguidores solare en Norte América.

Figura 3.17. Estudio del Dr. Lubits sobre la irradiancia de paneles [30].

Basados en la localización geográfica de ESPOL, se determinar realizar

un prototipo de seguidor solar horizontal de un solo eje con punto

lumínico, de mayor eficiencia en el ecuador, el cual se basa, en el cálculo

de la diferencia de la luminosidad incidente entre los sensores colocados

en nuestro sistema, en donde, con la ayuda de las ecuaciones descritas a

122

continuación se procede a verificar que el diseño del seguidor solar de un

eje horizontal es la mejor opción.

Ecuación de declinación

𝛿 = 23.45° sin [360° (284 + 𝑛

365)]

𝛿 = Declinacion

23.45° = Declinación máxima

360° = Grados de la circunferencia

284 = Constante de corrección

𝑛 = Número del día

365 = Número total de días

(3.42)

123

Ecuación del Ángulo de la Altura Solar

sin 𝛼 = sin 𝜑 ∗ sin 𝛿 + sin 𝜑 ∗ sin 𝜔

𝛼 = Altura solar

𝜑 = Latitud del lugar del cálculo

𝛿 = DeclinaciÓn

(3.43)

𝜔 = (ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 − 12) ∗ 15°

𝜔 = Ángulo horario

(3.44)

Ecuación del Ángulo de Azimut

sin 𝛾 =cos 𝛿 ∗ sin 𝜔

cos 𝛼 (3.42)

Resultados de la aplicación de las ecuaciones para la ciudad de

Guayaquil en el día 21 de junio de 2014 serán descritos en la Tabla 3.13.

124

Tabla 3.13. ALTURA SOLAR, AZIMUT Y ANGULO INCLINACIÓN PARA GUAYAQUIL

Hora ω cos ω sen ω sen α α Cos α Sen ϒ ϒ

6 -90 0,0000 -1,0000 0,0226 1,2949 0,9997 -0,9996 -88,3794

7 -75 0,2588 -0,9659 0,0213 1,2204 0,9997 -0,9655 -74,9060

8 -60 0,5000 -0,8660 0,0176 1,0084 0,9998 -0,8656 -59,9500

9 -45 0,7071 -0,7071 0,0116 0,6646 0,9999 -0,7067 -44,9670

10 -30 0,8660 -0,5000 0,0039 0,2234 0,9999 -0,4997 -29,9801

11 -15 0,9659 -0,2588 -0,0051 -0,2922 0,9999 -0,2586 -14,9870

12 0 1,0000 0,0000 -0,0148 -0,8480 0,9998 0,0000 0,0000

13 15 0,9659 0,2588 -0,0245 -1,4038 0,9996 0,2587 14,9870

14 30 0,8660 0,5000 -0,0335 -1,9197 0,9994 0,4999 29,9801

15 45 0,7071 0,7071 -0,0413 2,3669 0,9991 0,7072 44,9670

16 60 0,5000 0,8660 -0,0472 -2,3669 0,9991 0,8662 59,9500

17 75 0,2588 0,9659 -0,0509 -2,9176 0,9987 0,9665 74,9060

125

Las ecuaciones nombradas nos permiten realizar la carta geográfica para

el edificio de la FIEC – AREA C PROFESORES la cual se detalla en la

Fig. 3.18 y Fig. 3.19.

Figura 3.18. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL.

Figura 3.19. Carta geográfica para el edificio de la FIEC-ESPOL.

126

TABLA 3.14. MOVIMIENTO EN EL 21 DE CADA MES PARA GUAYAQUIL

Desplazamiento norte-sur

Fecha 𝛿 𝛾 Grados Sentido

Enero – 21 -20.14 27.9995 1.8134 Sur

Febrero – 21 -11.23 29.3707 1.3712 Sur

Marzo – 21 -0.40 30.0048 0.6341 Sur

Abril – 21 11.58 29.3289 0.6759 Norte

Junio – 21 20.34 29.9801 0.6512 Norte

Julio – 21 23.45 27.3202 2.6599 Norte

Agosto – 21 20.44 27.9538 0.6336 Norte

Septiembre – 21 12.10 29.2791 1.3253 Norte

Octubre – 21 4.61 29.9008 0.6217 Norte

Noviembre – 21 -7.34 29.7325 0.1683 Sur

Diciembre – 21 -17.38 28.5018 1.2307 Sur

127

Gracias a los resultados obtenidos se puede concluir que para la ciudad

de Guayaquil, y en general para el área geográfica cerca de la línea

ecuatorial (latitud cero) como es el caso del país, los desplazamientos

norte a sur del Sol no son representativos, debido a que el arco del sol a

través del cielo es menos variable durante el día y durante las estaciones

del año, y por tanto no es conveniente la utilización de seguidores solares

de dos ejes. Por lo que se ratifica la decisión del diseño de una matriz

fotovoltaico con movimiento en un eje.

3.2.1. Modelamiento de la planta

El modelo del seguidor solar de un eje propuesto consta de dos

secciones específicas como se puede observar en la Fig. 3.20, en

donde, en la fila superior es la parte de control electrónico y en la

parte inferior es el diseño mecánico.

Figura 3.20. Diagrama de bloques del Seguidor solar.

Circuito de control

Etapa de potencia

Motor a pasos bipolar

Sistema reductor de velocidad

Sistema de transmisión de

movimiento Carga mecanica

128

La primera parte está enmarcada por el diseño del sensor de

irradiación el cual determina el sentido de giro del motor a pasos

bipolar. Este diseño debe ser cuidadosamente elaborado para

obtener la mayor exactitud posible junto con una mejor resolución.

La segunda parte la compone del conjunto mecánico: “motor –

sistema de engranajes y transmisión de movimiento”. Este grupo

se basa fundamentalmente por obtener el torque suficiente para

vencer la inercia del peso de paneles y la fuerza del aire, por lo que

la velocidad del movimiento pasa a segundo plano ya que el sol se

mueve solamente 15 grados por uso horario.

Sensor de luminosidad

Para el prototipo se eligió a las fotoceldas como sensor de

luminosidad, por su comportamiento con respecto a una radiación

(ver Fig. 3.21.). Su cambio en forma exponencial de la resistencia

con respecto a luz, lo hace un elemento de rápida acción.

Figura 3.21. Fotocelda utilizada.

129

Pero para una mejor exactitud y mayor sensibilidad el sensor será

colocado en el medio del eje del panel fotovoltaico tal como se

puede observar en la Fig. 3.22.

Figura 3.22. Ubicación de los sensores de luz en el panel solar.

Teniendo a consideración que la radiación incide a las fotoceldas

de forma directa, entonces se ha diseñado una pequeña estructura

para que los rayos solares lleguen de forma perpendicular a estos

sensores. Este arreglo consta de un tubo PVC de 10 cm de largo y

3.65 cm de diámetro (ver Fig. 3.23). Se usarán dos fotoceldas que

serán posicionados a 45° y 135° grados respectivamente con

respecto a la horizontal (90° de separación entre ellas) como se

observa en la Fig. 3.24. Cuando la luz se proyecta al panel

130

fotovoltaico, las fotoceldas generaran un voltaje diferencial

suficiente para mandar la señal al circuito de control, por tanto

mover el panel y ubicarlo perpendicular a la posición del sol.

Figura 3.23. Estructura donde dentro irán las fotoceldas, para conseguir la

perpendicular de los rayos solares sobre ellas.

Figura 3.24. Posición sobre los paneles de los sensores de luz.

131

3.2.2. Diseño del Controlador

El controlador principal de nuestro sistema, está compuesto por

dos partes principales las cuales son las encargadas de la correcta

diferenciación de los voltajes emitidos por los sensores lumínicos y

del óptimo control de movimiento del motor a pasos bipolar, tal

como se observa en la Fig. 3.25, para finalmente obtener una

correcta visualización de datos para la mejor interpretación de los

resultados.

MICROCNTROLADORPIC16F887

SENSOR LDR - DERECHA

SENSOR LDR - IZQUIERDA

MOTOR A PASOS BIPOLAR

DRIVE POTENCIA –L298N

Figura 3.25. Diagrama de bloques del circuito de seguidor solar.

132

Sistema de diferenciación lumínica

Este sistema tendrá como entradas principales el reloj digital

DS1307 y los sensores analógicos colocados a los extremos del

panel solar central de nuestro prototipo y como salidas las señales

de control para el driver del motor a pasos y la visualización

constante de los datos relevantes del sistema, tal y como se

observa en la Fig. 3.26.

PIC 16F887

Sensores de irradiancia

Reloj digital

Señales de controlMotor a pasos

LCD

entrada analógica

BITS BITS

Señaldigital

Sistema de diferenciación lumínica y control

Figura 3.26. Diagrama de bloques del sistema de diferencia lumínica y control

En esta parte en particular se procederá con la adquisición de las

señales de voltajes emitidas por las fotoceldas (sensores

lumínicos), las cuales, deben estar correctamente acondicionadas

a nuestro sistema de control, tal y como lo detallaremos a

continuación:

133

Acondicionamiento del sensor de iluminación

Debido a que el microprocesador a utilizar no soporta más de cinco

voltios en sus pines de entrada, se ha optado para un divisor de

voltaje con la alimentación principal de cinco voltios de nuestro

sistema en paralelo con una resistencia de 10KΩ (ver Fig. 3.27.)

garantizando un óptimo funcionamiento con una sensibilidad

aceptable.

De esta forma se procedió a la medición de la resistividad de cada

uno de los ldr obteniendo resultados muy cercanos entre si los

cuales son:

𝑅𝑙𝑢𝑧 = 100Ω

𝑅𝑜𝑠𝑐𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 = 10𝐾Ω

Figura 3.27. Circuito eléctrico de las fotoceldas del seguidor solar.

134

Por lo tanto se obtendrá como voltaje de salida lo siguiente:

𝑉𝑜𝑢𝑡 =5 ∗ 𝑉𝐿𝐷𝑅

𝑉𝐿𝐷𝑅 + 10𝐾Ω (3.43)

Reloj Digital DS1307

Es un reloj serial a tiempo real o también llamado RTC (Ver Fig.

3.28), proveniente de la compañía Dallas Semiconductor, este chip

es muy utilizado cuando se requiere trabajar con eventos de gran

exactitud a tiempo real, además de ser un dispositivo de muy bajo

consumo de potencia, preparado para ofrecer hora real hasta el

año 2100 con las respectiva utilización de una batería de tres

voltios.

Figura 3.28. C.I DS1307.

135

Entre las principales características de este chip tenemos:

Contabiliza segundos, minutos, horas, días, meses y años

hasta el año 2100.

56 bytes.

I2C Interface serial (programación).

Tiene un consumo menor a 500 nA. Rango de temperatura

industrial de -45 C a 85 C.

Diagrama de flujo

El microcontrolador usado para la seguidor solar por punto

lumínico es el PIC 16F887, el cual tiene un convertidor ADC que

será posteriormente detallado durante el capítulo, para su

codificación primeramente se procedió a realizar un diagrama de

flujo mostrado en la Fig. 3.29 que nos permite tener una mayor

comprensión de la función de nuestro programa.

136

Inicio

Configurar los registros analógicos ADCON y ADCON1

Determinar las entradas y salidas analogicas del

controlador

Leer las señales provenientes de los sensores

Convertimos las señales analógicas a digitales

Inicializamos la pantalla LCD y el reloj DS1307

6:00 < Hora < 18:00

SI

LDR1 > LDR2SISeteamos RC0 como

alto=1NO

Seteamos RC0 como bajo=0

Inicializamos el PWM y seteamos su valor de TON

NO

Figura 3.29. Diagrama de Flujo de la programación del PIC 16F887.

137

Etapa de potencia –Modulo L298N

El módulo L298N es un drive específico para el control de motores

a pasos bipolares, tal y como se lo observa en la Fig. 3.30. Está

diseñado para operar a paso completo, medio paso y hasta 1/16

pasos ganando de esta forma una mayor resolución pero

obteniendo una disminución en su torque y con un voltaje de salida

de hasta 36 V y 2 A, permitiéndonos manejar 25W de potencia

nominal, la resolución dependerá exclusivamente de la secuencia

emitida mediante el circuito de control permitiéndonos alcanzar el

máximo torque de movimiento para nuestro sistema.

Figura 3.30. Módulo L298N.

138

Conexiones de potencia

El circuito contiene dos entradas correspondientes a las fuentes de

voltaje, tal y como se observa en la Fig. 3.30, las cuales serán

detalladas a continuación:

La primera corresponde al circuito de control relacionado a la

entrada VDD o también denominado en el drive +5 Power.

La segunda corresponde a la entrada del voltaje del motor con

un voltaje máximo de 35 V perteneciente a la entrada VDD, esta

entrada deberá ser determinada con el datasheet del motor a

utilizar, en nuestro caso será de 12 voltios.

Motor pasó a paso

El motor paso a paso está diseñado para girar un determinado

ángulo proporcional a la codificación de tensiones aplicadas a sus

entradas, permitiéndonos de esta forma controlar en cada instante

la codificación respectiva en el circuito de control, lo cual nos

permite realizar desplazamientos angulares más precisos,

dependiendo el ángulo de paso o también llamado resolución

angular del motor .

139

Características del motor – 42STH-381684A

Por motivos de precisión, alto torque y eficiencia energética se ha

elegido un motor bipolar integrado con un sistema reductor basado

en engranajes llegando a obtener un máximo torque de 250 kg/cm

con una corriente máxima de 1.6 amperios. A continuación se

podrá observar las principales propiedades del motor elegido.

TABLA 3.15. CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR A PASOS BIPOLAR

Propiedades del motor

Angulo de paso 1.8 grados

Precisión de paso 5 %

Holding Torque 4.8 kg/cm

Máxima velocidad 6.2 RPM

Propiedades eléctricas

Voltaje recomendado 12 VDC

Corriente por bobina 1.7 A

Resistencia por bobina 1.7 Ω

Propiedades sistema de

engranaje

3:1

Gear Ratio 99.5 : 1

Error de precisión 1 ½ grados

Máxima carga eje radial 98.1 N

140

Secuencia de control

La secuencia de control será determinada en función de las

bobinas presentadas en el diagrama de conexiones internas (ver

Fig. 3.31) del datasheet del motor 42STH-381684A. Para el

correcto movimiento del motor, el microcontrolador por medio del

drive L298N debe enviar las señales a las bobinas del motor de

una forma adecuada, tal como se observa en las tablas 3.13 y 3.14

Figura 3.31. Diagrama de los embobinados del motor de Pasos Bipolar.

141

Para que el motor rote hacia la derecha, el PIC debe enviar la

siguiente secuencia dada por el fabricante.

TABLA 3.16. SECUENCIA DE MOVIMIENTO A LA DERECHA DEL MOTOR

42STH-381684A

Pasos A C B D

1 +VMOT +VMOT

2 +VMOT +VMOT

3 +VMOT +VMOT

4 +VMOT +VMOT

Para que el motor gire hacia la izquierda, se debe enviar la

siguiente secuencia.

TABLA 3.17. SECUENCIA DE MOVIMIENTO A LA IZQUIERDA DEL MOTOR

42STH-38684A

Pasos A C B D

1 +VMOT +VMOT

2 +VMOT +VMOT

3 +VMOT +VMOT

4 +VMOT +VMOT

3.3. Simulaciones del sistema

Se realizará las simulaciones del circuito electrónico principal del

proyecto, esto es el Seguidor Solar. Para esto, haremos uso del

simulador Proteus.

142

Simulaciones de Proteus

Con este programa, mostraremos el circuito electrónico del

Seguidor Solar y su posterior gráfico de formas de Onda.

Simulaciones del Seguidor Solar

Para el análisis de las simulaciones del Seguidor Solar, lo

dividiremos en dos etapas, la primera dependiendo de la hora del

día. Y la segunda, dependiendo de la señal que envíen las

fotoceldas (en simulación LDRs) el movimiento del motor (derecha

o izquierda).

En las simulaciones del seguidor solar, observaremos la pantalla

LCD que muestra diferentes mensajes como: la fecha (en formato:

Día Semana- Día- Mes- Año), la hora exacta del día, y el valor de

cada fotocelda (LDR1, LDR2), y por último la dirección de giro del

motor. También se contará con un motor para ver su movimiento,

el mismo que tiene que estar en concordancia con la lectura que se

muestra en la pantalla LCD.

En la Figura 3.32 observamos la simulación en el momento de no

operación (de 18:00 hasta 6:00).

143

Figura 3.32. Simulación en Proteus del Seguidor, etapa de funcionamiento.

En la figuras 3.33, 3.34 y 3.35, el circuito está en tiempo de

operación (6:00:01 a 17:59:59). Se observará que dependiendo de

la señal de cada fotocelda (LDR1, LDR2), se apreciará el estado

del motor con su respectivo mensaje en la pantalla LCD (MOTOR

STOP, MOTOR GIRO IZQUIERDA o MOTOR GIRO DERECHA).

144


funcionamiento. Fotoceldas con valores similares. MOTOR DETENIDO.


funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR IZQUIERDA.

145


funcionamiento. Fotoceldas con valores diferentes. MOTOR DERECHA.

En la figuras 3.36 y 3.37, se observará la forma de onda de los

pulsos hacia la bobina del motor bipolar, correspondiente a la

secuencia DERECHA o IZQUIERDA.

146

Figura 3.36. Forma de Onda de los pulsos del PIC hacia las bobinas del motor.

GIRO IZQUIERDO.

Figura 3.36b. Identificación de los channels (colores) de las bobinas del motor.

Cada “Channel” es una bobina.

147

Figura 3.37. Forma de Onda de los pulsos hacia las bobinas del motor. GIRO

DERECHO.

Figura 3.37b. Identificación de los channels (colores) de las bobinas del motor.

Cada “Channel” es una bobina.

148

3.4. Diseño de pruebas

En este subcapítulo se explica, el uso y conexiones del instrumento que

se usó para las mediciones de energía eléctrica del prototipo- el cual fue

el Analizador de Energía FLUKE 43B, el manejo del software asociado a

dicho instrumento- FLUKE VIEW software, y el método matemático para

el cálculo de la energía consumida del prototipo con y sin el sistema- a

base de los datos recogidos durante un período de tiempo.

Metodología de las mediciones.

Las mediciones se hicieron con el Analizador de Energía Fluke 43B y se

obtuvo los datos y su posterior análisis en Hojas de Cálculos de PC, con el

Software Fluke View.

Las mediciones se hicieron en dos etapas:

Primera Medición.- Solo se realizó con la estructura inferior. Esta

estructura estuvo expuesta durante 10 horas diarias, por dos semanas

bajo diferentes condiciones climatológicas (días nublados, días

soleados, etc.). Se mantuvo conectada una carga (acondicionar de aire

de 5000 BTU) todo el día. Aquí se conectó el Fluke 43B.

149

Segunda Medición.- Se utilizó otra estructura que contiene el sistema

de paneles solares propuesto. Este arreglo estará colocado

exactamente encima del arreglo inferior mencionado en la primera

medición. También estos dos conjuntos, estará expuestas durante 10

horas diarias, por dos semanas bajo diferentes condiciones

climatológicas (días nublados, días soleados, etc.). También se

mantendrá conectada la carga utilizada anteriormente pero además se

usará focos leds dimerizables – es decir, luces y acondicionador de

aire de 5000 BTU.

Adicionalmente se efectuó un período más de pruebas sin el sistema de

paneles propuesto, pero cubriendo la claraboya de nuestro prototipo.

Las mediciones que realiza el equipo son cada 128 segundos (2.13

minutos).

Medición en tiempo Real con el Analizador Fluke 43B

Los instrumentos a utilizar son: PC, cable óptico de datos, Fluke 43B.

a. Encender el Analizador de Energía Fluke 43B, presionando el botón

verde de ON

b. Hacer doble clic en el Software Fluke View.

150

c. Una vez abierto la ventana principal de FLUKE VIEW software,

seleccionar el puerto deseado y presionar Connect (ver Fig. 3.38). Se

debe cerciorar que el cable óptico del Equipo esté conectado a un

puerto USB.

Figura 3.38.Venta para la conexión entre la PC y el Analizador de Energía por medio del

software FLUKE VIEW.

d. Se debe estar seguro que las conexiones físicas del FLUKE 43B estén

hechas correctamente. Luego presionar Menú Instrument Star

logging Reading. (ver Fig. 3.39.)

151

Figura 3.39. Inicio de la conexión en tiempo Real del Equipo con la PC.

Figura 3.40. Configuración en la transferencia de datos en tiempo Real

e. Una vez seleccionado Star logging Reading, aparecerá la ventana

Logging of readings selection. Aquí se seleccionará Continuos logging,

y se pondrá 0 segundos en el recuadro de Interval time between

updates. Por último se hará click en Start, tal y como se observa en la

Fig. 3.40. Lo anterior, nos ayudará en obtener los datos en tiempo real

de las mediciones.

152

Figura 3.41. Para copiar datos a una Hoja de Cálculo.

f. Una vez detenida la recolección de datos, para pasar la información

de la gráfica (sea esta, datos y forma de onda) a una tabla de

análisis, se hace click derecho y se se selecciona Copy Graphics o

Copy Data.(Fig 3.41.)

g. Una vez los datos estén copiados, pegarlos en la hoja de cálculo de

preferencia, así como Microsoft Excel (Fig. 3.42.)

153

Figura 3.42. Para copiar datos a una hoja de cálculo.

Medición desde el menú del Analizador de Energía Fluke 43B

a. Encender el Analizador de Energía Fluke 43B, presionando el

botón verde de ON del panel frontal del equipo (ver Fig.3.38).

b. Una vez encendido el Analizador, presionar el botón Enter, para

salir de la Pantalla Inicial del equipo e ir al Menú del Mismo.

c. Entre las opciones del Menú, ir a Fluctuaciones. Se navega por las

diferentes opciones de menú con las teclas direccionales. Y para

entrar a los diferentes menús, se presiona la tecla Enter (ver

Fig.3.43).

154

Figura 3.43. Menú Principal del Analizador de Energía Fluke 43B.

d. En Fluctuaciones, se selecciona el tiempo de Registro: De 4, 8, 16,

30, min; o de 1, 2, 4, 8, 16, 24, 48 horas; o de 4, 8 días, e inclusive

infinito. Luego presionar Enter.

e. Una vez seleccionado el tiempo de medición, por medio de la tecla

Enter presionar en Iniciar. Esperar el tiempo seleccionado para el

término de las mediciones

f. Una vez terminado el tiempo de mediciones, presionar la tecla Save.

Si se desea detener las mediciones antes del periodo

seleccionado, presionar la tecla Hold y luego Save (si se sale al

menú principal sin guardar los datos – Observar el mensaje- se

155

perderán), ver Fig.3.44. Las imágenes se guardarán como

imágenes en la memoria interna del Analizador.

Figura 3.44. Panel Frontal del Fluke 43B.

g. Conectar el cable óptico del Equipo a un puerto USB de la PC.

Mantener encendido el equipo de aquí en adelante.

h. Hacer doble clic en el Software Fluke View.

i. Una vez abierto la ventana principal de FLUKE VIEW software,

seleccionar el puerto deseado y presionar Connect. Se debe

cerciorar que el cable óptico del Equipo esté conectado a un puerto

USB.

j. En el equipo ir al menú Ver/ Borrar Memorias, y colocarse sobre la

imagen de la forma de onda a adquirir los datos. En la barra de

Menú del software, presionar el botón Display Trend (Ver Fig.

156

3.45a). Esto hará que los datos medidos durante el periodo de

tiempo- seleccionado anteriormente, pasen a la memoria del

software. También se puede adquirir los datos en forma de

fotografía, para esto presionar en la barra de menú Display

Instrument Screen (Ver Fig. 3.45b).

Figura 3.45a. Botón Display Trend.

Figura 3.45b Botón Display Instrument Screen.

h. Una vez detenida la recolección de datos, para pasar la información de la gráfica (sea

esta, datos y forma de onda) a una tabla de análisis, se hace click

derecho y se selecciona Copy Graphics o Copy Data (Fig. 3.43).

i. Una vez los datos estén copiados, pegarlos en la hoja de cálculo de

preferencia, así como Microsoft Excel (Fig. 3.42)

157

Medición física del Analizador de Energía Fluke 43B

La medición física del Analizador de Energía, se refiere a las correctas

conexiones de la punta de voltaje y la pinza de corriente en el prototipo.

La punta de voltaje irá conectada a la entrada de 120Vac de la Red. La

pinza de corriente irá alrededor del cable de entrada que se conecta a la

Red pública.

158

4.

5.

6.

7.

8.

9. CAPÍTULO 4

PRUEBAS DEL SISTEMA

Durante todo este capítulo, se muestra el prototipo implementado por medio de

fotos, diagramas eléctricos, electrónicos y mecánicos; el proceso de recolección

de datos de energía eléctrica para probar la hipótesis antes planteada, y el

cálculo en términos de eficiencia energética obtenida por el sistema propuesto.

4.1. Diagrama del sistema completo

Para tener una mejor visualización se procede a realizar el diagrama

unifilar del prototipo de generación de energía fotovoltaica (ver Fig. 4.1),

en el cual, se observa el sistema distribuido de cargas través de todo el

prototipo.

En la Fig. 4.1 se puede identificar dos zonas de conexiones detalladas:

159

Mesa superior.- Se encuentran las cargas representadas por el

circuito del seguidor solar tanto de control (PCB), así también de

fuerza (motor a pasos)

Mesa inferior.- Se localizan las cargas eléctricas más representativas

en términos de potencia eléctrica del sistema: aire acondicionado e

iluminación led.

Esta separación de las cargas, nos permite realizar las pruebas eléctricas

con y sin el sistema propuesto.

AA

Linea 110V

Breaker Principal

Dimmer Automatico

Breaker Aire Acondicionado

Luces LEDS

Aire Acondicionado

Inversor

Fuente de alimentación Circuito de control

Fuente de alimentación Motor

Mesa superior Figura 9.1. Diagrama Unifilar del Prototipo Propuesto.

160

4.2. Fotos del sistema implementado

En este subcapítulo, se hará la presentación digital de la implementación

del prototipo propuesto. Se hará diferenciación entre los circuitos

eléctricos y el diseño físico del mismo.

Circuitos Eléctricos

Las imágenes de estos circuitos eléctricos, serán las correspondientes al

Circuito eléctrico del Seguidor Solar, del Dimmer. También se tomará en

cuenta al motor de pasos bipolar y el sensor.

Figura 9.2. Vista Superior del Controlador del Seguidor Solar.

161

Figura 9.3. Vista Frontal del Controlador del Seguidor Solar.

Figura 9.4. Vista Superior del Dimmer.

162

Figura 9.5. Vista Frontal del Dimmer.

Figura 9.6. Vista Superior del Sensor de luminosidad.

163

Figura 9.7. Vista Frontal del Sensor de luminosidad.

Figura 9.8. Vista Superior del motor a pasos bipolar.

164

Diseño Físico

Las imágenes del diseño físico del prototipo corresponden a la estructura

de acero de los dos arreglos a utilizar en el prototipo- el inferior, que

tendrá el acondicionador de aire y el sistema de luces; y el superior, que

contendrá a los paneles solares-, como también al sistema de engranajes

para mover los paneles. Se hará énfasis en la ubicación de los paneles

solares en forma de persianas solar.

Figura 9.9. Vista Iso Superior – Mesa Superior.

165

Figura 9.10. Vista Frontal de las dos estructuras del Prototipo.

Figura 9.11. Vista frontal de la mesa inferior del prototipo. Se aprecia el aire

acondicionado y el policarbonato que hace de las veces de claraboya.

166

Figura 9.12. Vista Frontal del acople mecánico del motor a pasos.

4.3. Medición de carga consumida

Como se venía analizando en la sección 3.4, para un correcto análisis del

ahorro energético del prototipo propuesto, las pruebas se realizaron en

dos partes:

Primera Medición: Carga consumida por el prototipo sin el sistema

de generación con paneles solares propuesto.

Segunda Medición: Carga consumido por el prototipo conectado al

sistema de generación fotovoltaica por punto lumínico.

167

Medición adicional: Carga consumida por el prototipo sin el sistema

propuesto, y solo cubriendo las claraboyas del mismo.

TABLA 9.1. CRONOGRAMAS DE MEDICIONES DEL PROTOTIPO

Cronograma de mediciones

Octubre -Primera Medición- Noviembre- Segunda Medición-

20 21 22 23 24 27 28 29 30 31 4 5 6 7 10 11 12 13

A/C nivel medio

X X X X X X

A/C nivel alto

X X X

A/C nivel bajo

X

Sistema + A/C nivel medio

X X X X X X X X

Primera Medición: Carga consumida por el prototipo sin el sistema

de generación de paneles solares propuesto.

Para obtener datos de todas las posibles configuraciones de enfriamiento

del acondicionador del aire propuesto- nivel bajo, medio y alto- se ha

decidido un cronograma de pruebas (ver Tabla 4.1), en donde cada una

de las mediciones se las realizó entre las ocho de la mañana (8 a.m.)

168

hasta las seis de la tarde (6 p.m.) cumpliendo 10 horas de mediciones

diarias aproximadamente.

Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Alto

Para tener un correcto análisis de energía de la carga consumida por el

aire acondicionado a su máximo setting de temperatura se procedió a

obtener la potencia durante diez horas, y calcular la energía consumida

por todo el día.

En la Fig.4.13 se puede observar las gráficas de Potencia Instantánea

(cada 128 segundos) vs el tiempo de medición (de 10 horas

aproximadamente) de los tres días de medición, en donde se destaca el

constante accionamiento del compresor, volviéndose más prolongado

cuando tenemos una mayor irradiancia y temperatura ambiente durante

un periodo del día.

169


tiempo- sin el Sistema Propuesto- Durante 3 días de Setting Alto del A/C.

De la gráfica se puede deducir lo siguiente:

En condiciones similares se obtienen gráficas equivalentes, en donde,

su mayor diferencia se radicará en función de las condiciones

ambientales a las que trabaja.

En la tabla 4.2 se presenta la energía consumida- en cada día de

medición- por la carga, sin el sistema fotovoltaico propuesto. Esto fue

obtenido en función del análisis numérico evaluado en Matlab.

170

TABLA 9.2. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL ALTO DE A/C- SIN EL

SISTEMA PROPUESTO.

Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Medio

La temperatura ocasionada por la posición de setting medio del

acondicionador de aire, es tal vez la más aproximada a la de confort

(20°C). Se mostrará las gráficas de potencia instantánea en función del

tiempo durante el periodo de tiempo desde el 20 al 22 de octubre

(Fig.4.14a), como también las del 23, 24 y 27 de octubre (Fig.4.14b).

Energía consumida nivel alto A/C

Día de la medición Energía

consumida (Kwh)

Temperatura promedio (oC)

Irradiancia promedio

(W/m2)

28 de Octubre de 2014

2.5497 27.25 380.4


2.3038 25.05 299.6


2.3560 25.4 276.5

171

Figura 9.14. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- sin el

Sistema Propuesto- 20 al 23 de octubre- Setting Medio del A/C.

172

Fig. 4.14b.Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- sin el

Sistema Propuesto- 23, 24, 27 de octubre- Setting Medio del A/C.

173

TABLA 9.3. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- SIN EL SISTEMA PROPUESTO.

Energía consumida nivel medio A/C

Día de la medición

Energía

consumida

(Kwh)

Temperatura

promedio

(oC)

Irradiancia

promedio

(W/m2)

20 de Octubre de 2014 2.8339 27.12 271.67

21 de Octubre de 2014 3.2576 28.61 501.42

22 de Octubre de 2014 2.5262 25.15 225.90

23 de Octubre de 2014 2.6939 25.50 332.52

24 de Octubre de 2014 2.4331 24.11 166.28

27 de Octubre de 2014 3.095 27.67 454.56

Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Bajo

A pesar de que al posicionar el setting de temperatura en la posición más

mínima tendremos la posición de confort menos favorable. Sin embargo,

se decidió realizar la medición por un día durante diez horas para de esta

manera cubrir todos los posibles casos que nos permite el prototipo.

En la Fig.4.15 se puede observar las gráficas de potencia instantánea en

función del tiempo (color rojo) durante el 31 de octubre, en donde además

se puede observar la tendencia de los datos adquiridos (color azul).

174

Figura 9.15. Gráfica de Potencia Instantánea Setting Bajo.

De la gráfica se puede concluir lo siguiente:

Durante la medición del 31 de octubre se puede presenciar un

aumento en la energía consumida, debido que durante gran parte del

día estuvo soleado, originando el encendido constante del compresor,

ya que debe mantener la temperatura ambiente dentro del prototipo.

Como resultado en la Tabla 4.4. se presentara la energía consumida

por nuestro sistema en el día 31 de octubre, la cual fue obtenida en

función del análisis numérico evaluado en Matlab.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550ENERGIA 31-10-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

nta

nea

data 1

6th degree

175

TABLA 9.4. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL BAJO DE A/C- SIN EL SISTEMA PROPUESTO.

Segunda Medición: Carga consumida por el prototipo con el sistema

de generación de paneles solares propuesto

Una vez terminadas las pruebas del prototipo sin el sistema de mejora

propuesto, se procedió a ubicar la mesa superior del arreglo de paneles

con el seguidor solar de punto lumínico (ver Tabla 4.1), y observar el

comportamiento energético del mismo. Las mediciones de igual forma, se

las realizó entre las ocho de la mañana (8 a.m.) hasta las seis de la tarde

(6 p.m.)- cumpliendo 10 horas de mediciones diarias aproximadamente.

Se tomaron datos del Nivel alto del A/C y del nivel medio, pero se tomará

en cuenta para términos de análisis de la eficiencia, solo el último setting-

ya que es el que garantiza una temperatura de confort (20°C).

Energía consumida nivel bajo A/C

Día de la medición

Energía

consumida

(Kwh)

Temperatura

promedio

(oC)

Irradiancia

promedio

(W/m2)

31 de Octubre de 2014 4.3236 26.74 408.48

176

Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Alto

Se Mostrará dos días de mediciones en este nivel, los cuales son los días

4 y 5 de noviembre.

En la Fig.4.16 se puede observar las gráficas de Potencia Instantánea

(cada 128 segundos) vs el tiempo de medición (de 10 horas

aproximadamente) de los dos días de medición, en donde se destaca el

encendido y apagado constante del acondicionador de aire. Además, se

puede verificar la energía consumida durante cada uno de los días de la

medición en la Tabla 4.5.

Figura 9.16 Graficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo sin el sistema propuesto - Durante Dos días de setting Alto del A/C.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400ENERGIA 4-11-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

nta

nea (

W)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400ENERGIA 5-11-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

nta

nea (

W)

177

TABLA 9.5 ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL ALTO DE A/C- CON EL

SISTEMA PROPUESTO.

Mediciones de Carga consumida- Nivel de A/C Medio

La temperatura ocasionada por la posición de setting medio del

acondicionador de aire, es tal vez la más aproximada a la de confort

(20°C). Se mostrará las gráficas de potencia instantánea en función del

tiempo durante el 6 y el 7 de noviembre (Fig.4.16a), como también las del

10 al 13 de noviembre (Fig.4.16b).

Energía consumida nivel alto A/C

Día de la

medición

Energía consumida

(Kwh)

Temperatura

promedio (oC)

Irradiancia

promedio (W/m2)

4 de noviembre

de 2014 2.0481 26.8 387.72

5 noviembre de

2014 1.6001 24.76 176.22

178

Figura 9.17. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- con el

Sistema Propuesto- 6 y 7 de noviembre- Setting Medio del A/C.

Fig. 4.17b.Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo- con el

Sistema Propuesto- del 10 al 13 de noviembre- Setting Medio del A/C.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400ENERGIA 6-11-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

ntá

nea (

W)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400

500ENERGIA 7-11-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

ntá

nea (

W)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

200

400ENERGIA 10-11-2014

Tiempo (sg)Pot

enci

a in

stan

táne

a (W

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

200

400ENERGIA 11-11-2014

Tiempo (sg)

Pot

enci

a in

stan

táne

a (W

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

200

400 ENERGIA 12-11-2014

Tiempo (sg)Pot

enci

a in

stan

táne

a (W

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

200

400ENERGIA 13-11-2014

Tiempo (sg)

Pot

enci

a in

stan

táne

a (W

)

179

TABLA 9.6. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- CON EL

SISTEMA PROPUESTO.


Día de la medición Energía consumida

(Kwh)

Temperatura

promedio (oC)

Irradiancia

promedio (W/m2)

6 de noviembre de

2014 1.8345 27.17 409.55

7 de noviembre de

2014 2.0427 29.1 399.08

10 de noviembre de

2014 1.92637 28.41 580.41

11 de noviembre de

2014 2.2448 27.08 363.98

12 de noviembre de

2014 2.0004 28.11 415.55

13 de noviembre de

2014 1.6364 27.75 300.06

Tercera Medición: Carga consumida por el prototipo tapada la

claraboya y sin el sistema de generación de paneles solares

propuesto

Para cubrir las diferentes alternativas de medición que envuelven a

nuestro proyecto se decidió realizar una medición adicional, en donde, se

procede al tapado de la claraboya del prototipo y consecuentemente a la

medición de carga del prototipo teniendo como resultado la Tabla 4.7 y la

referencia grafica 4.18

180

Figura 9.18. Gráficas de Potencia Instantánea del prototipo en función del tiempo 28 de noviembre y 5 de diciembre- Setting Medio del A/C y cubierta la claraboya.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400

500ENERGIA 28-11-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

ntá

nea (

W)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 104

0

100

200

300

400

500ENERGIA 05-12-2014

Tiempo (sg)

Pote

ncia

insta

ntá

nea (

W)

181

Tabla 9.7. ENERGÍA CONSUMIDA POR LA CARGA- NIVEL MEDIO DE A/C- CLARABOYAS

CUBIERTAS


Día de la medición Energía consumida

(Kwh)

Temperatura

promedio (oC)

Irradiancia

promedio (W/m2)

28 de noviembre de

2014 2.0411 26.29 178.72

5 de diciembre de

2014

2.4221

28.96 224.96

12 de diciembre de 2014

2.6971

29.81 341.37

13 de diciembre de

2014

2.5823

27.66 276.31

16 de diciembre de

2014 2.7704 28.48 405.59

17 de diciembre de

2014 3.0693 30.40 545.27

4.4. Comparación de ahorro de energía antes y después de la

implementación del sistema fotovoltaico

Para conocer el éxito del presente proyecto, se hará un cálculo numérico

de ahorro energético como también de eficiencia del sistema, por el uso

de nuestro prototipo- diseño de un sistema de generación de energía

eléctrica basado en paneles fotovoltaicos en forma de persiana.

Para el cálculo del ahorro energético, la variable a considerar será la

energía demandada por las diferentes cargas (acondicionador de aire y

182

sistema de luces led), antes y después de utilizar el sistema propuesto.

Estos eventos serán comparados uno con el otro, teniendo en cuenta los

días que mantengan las mismas características, principalmente

determinadas por la irradiancia de la zona (ESPOL), como la temperatura

externa del ambiente. Se formarán parejas de días (uno sin el sistema, y

el otro con este). Para facilidad de cálculos se tomará en cuenta los días

medidos con solo el setting medio del A/C tanto para los días tomados

con y sin el sistema de paneles (Ver Tabla 4.8).

TABLA 9.8. DÍAS QUE COMPARTEN SIMILARES IRRADIANCIA Y TEMPERATURA

EXTERNA

DÍAS SIN SISTEMA DE PANELES

PROPUESTO

DÍAS CON SISTEMA DE PANELES

PROPUESTO

20 de octubre de 2014 6 de noviembre de 2014






183

Para los cálculos se utilizará la ecuación de ahorro energético (4.1), y se

analizará cada par de días de similares características, para luego

obtener conclusiones acerca del éxito del proyecto.

𝐴𝐸 =𝐾𝑤ℎ𝑆𝑖𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 − 𝐾𝑤ℎ𝐶𝑜𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠

𝐾𝑤ℎ𝑆𝑖𝑛𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑥 100% (4.1)

De la Tabla 4.9 se puede observar que durante casi todos los días

medidos, existe un ahorro energético de alrededor del 30%, salvo ciertas

excepciones como la comparación entre el 21 de octubre y 10 de

noviembre. Cabe recalcar que justo este par de días, son de

características de alta temperatura e irradiación.

Se tomaron mediciones adicionales (ver Tabla 4.8), cada uno con una

características particulares diferentes. El setting del acondicionador de

aire estuvo en nivel medio durante estas pruebas. Estas mediciones

fueron realizadas cubriendo la claraboya del prototipo (es decir sin el

sistema propuesto). Los datos obtenidos, muestran que la idea de solo

cubrir las claraboyas no solucionan los problemas de eficiencia

comparados al usar el sistema propuesto de paneles-seguidor (ver Tabla

4.10).

184

TABLA 9.9. COMPARACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO CON Y SIN EL SISTEMA PROPUESTO.

Días sin sistema

de paneles

propuesto

Energía

consumida- sin

paneles (kwh)

Días con sistema de

paneles propuesto

Energía consumida-

con paneles (kwh)

Ahorro

energético

20 de octubre

de 2014 2.8339

6 de noviembre

de 2014 1.8345 35.26%

24 de octubre

de 2014 2.4331

7 de noviembre

de 2014 1.6001 34.23%

21 de octubre

de 2014 3.2576

10 de noviembre

de 2014 2.2448 31.09%

23 de octubre

de 2014

2.939

11 de noviembre

de 2014 2.1155 28.02%

27 de octubre

de 2014 3.095

12 de noviembre

de 2014 2.0004 35.25%

22 de octubre

de 2014 2.5262

13 de noviembre

de 2014 1.6364 35.22%

185

TABLA 9.10. COMPARACIÓN DEL AHORRO ENERGÉTICO SIN EL SISTEMA PROPUESTO Y CUBRIENDO LAS CLARABOYAS.

Días sin sistema

de paneles

propuesto

Energía

consumida- sin

paneles (kwh)

Días con claraboyas

cubiertas

Energía consumida-

claraboyas cubiertas

(kwh)

Ahorro

energético

20 de octubre

de 2014 2.8339 13 de diciembre

de 2014 2.5823 8.88%

24 de octubre

de 2014 2.4331 28 de noviembre

de 2014 2.0411 16.11%

21 de octubre

de 2014 3.2576 17 de diciembre

de 2014 3.0693 5.78%

23 de octubre

de 2014

2.939 12 de diciembre

de 2014 2.6971 8.23%

27 de octubre

de 2014 3.095

16 de diciembre de 2014

2.7704

10.49%

22 de octubre

de 2014 2.5262

5 de diciembre de

2014 2.4221 4.12%

4.5. Cálculo de ahorro y eficiencia

Para el cálculo de la eficiencia del sistema, nos ayudaremos de (4.2). Las

variables a considerar es la potencia nominal de los paneles solares

dadas por el fabricante de los paneles, como también la eficiencia del

inversor Tie-Gried, como también la corriente medida por los instrumentos

de medición del lado AC del inversor. La medición se hará en la máxima

intensidad solar.

186

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑥 100% (4.2)

La medición de la corriente generada en el lado AC del inversor cuando

existe una mayor irradiación es 1.06Aac y considerando la eficiencia del

inversor de 96%, se obtiene que los 3 paneles solares conectados en

paralelos (18Vdc) generan 6.78 Adc (4.3).

1.06𝐴𝑎𝑐 ∗120𝑉𝑎𝑐

18𝑉𝑑𝑐∗ 96% = 6.78𝐴𝑑𝑐 (4.3)

Entonces la eficiencia de todo el sistema propuesto sería 81.36% (4.4).

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =6.78 𝐴𝑑𝑐 ∗ 18𝑉𝑑𝑐

150𝑊 𝑥 100% = 81.36% (4.4)

187

5. CAPÍTULO 5

ANÁLISIS DE COSTO PARA EL ÁREA C –

PROFESORES DE LA FIEC

El análisis económico del proyecto consiste en el cálculo de la rentabilidad del

mismo a lo largo del periodo de la actividad. De su posterior evaluación, junto

con el resto de ventajas, inconvenientes y riesgos, se obtiene la viabilidad real

del proyecto.

El objetivo de una instalación pública con las características proyectadas es el

beneficio económico originado por la disminución del consumo energía. Este es

el motivo por el que la rentabilidad es el factor más determinante para la

ejecución de este tipo de proyectos.

188

En el siguiente estudio, se mostrará una previsión de resultados de la instalación

durante los 30 años de vida útil de los módulos fotovoltaicos impuesto por el

fabricante, se toma en cuenta el flujo de caja anual y se estimarán los

parámetros V.A.N (Valor Actual Neto), T.I.R (Tasa Interna de Retorno) y el

Período de recuperación de la inversión, indicadores habituales para el correcto

análisis de este tipo de inversiones. Se toma en consideración la adquisición del

inversor por una sola vez.

5.1. Análisis económico del Sistema Fotovoltaico, de Iluminación, de

Climatización y de Automatización

El correcto análisis de viabilidad económica de un proyecto es

fundamental, no solo para determinar la conveniencia de efectuar una

inversión, sino también para predecir el posible comportamiento de la

misma, pudiendo así evitar o limitar perjuicios económicos importantes

para los inversionistas.

Para el correcto análisis de un sistema fotovoltaico grid tie se tiene en

consideración los siguientes aspectos:

El costo de un KWH impuesto por el Gobierno Ecuatoriano.

Costos de mantenimiento anuales de los elementos que conforman un

sistema fotovoltaico, en lo que hay que destacar que al ser un sistema

189

fotovoltaico Grid Tie, existe un ahorro en la inversión inicial ya que no

se adquieren elementos como baterías y reguladores de carga.

La vida útil de los módulos fotovoltaicos.

La radiación solar promedio sobre los paneles solares, así como

también su localización.

El consumo energético anual (Kwh) del área a implementar el sistema,

en el Área C del edificio de la FIEC.

El ahorro energético obtenido por implementar el sistema de paneles

solares en forma de persianas, obtenido mediante mediciones de

energía en un período de tiempo (Ver Tabla 4.7).

Inflación anual en la economía ecuatoriana.

5.2. Consideraciones económicas

Al no ser Ecuador un país pionero en tecnología solar, los costos de

venta al público- generados por recargos a la importación- de los

elementos que son parte de un sistema fotovoltaico, son altos, en

comparación a países del hemisferio norte. Y en mayoría de los casos,

solamente este tipo productos representa más del 50% de la inversión

inicial.

190

El análisis económico del presente proyecto está particionado en costos

directos, indirectos y sus costos totales para de esta forma obtener un

análisis preciso de la rentabilidad del mismo.

5.2.1. Costos directos e indirectos del proyecto

Costos directos

Los costos directos son aquellos que intervinieron específicamente

en la creación del prototipo, como también del proyecto futuro en el

edificio de la FIEC. Entre estos costes están la fabricación de los

circuitos electrónicos, la estructura física donde irían montados los

paneles y el sistema, y la mano obra. (Ver Tablas 5.1. 5.2, 5.3,

5.4).

Costos indirectos

Los costos indirectos son aquellos que no surgen durante el tiempo

de la obra, y que deben ser solucionados para no paralizar los

trabajos. Entre estos están los imprevistos, montaje de equipos, y

diseño de ingeniería (Ver Tabla 5.5).

191

5.2.2. Costos totales

Es la suma de todos los costos directos e indirectos. Ver Tabla 5.6

TABLA 5.1. MATERIALES FÍSICOS PARA IMPLEMENTACIÓN EDIFICIO FIEC – AREA C

MATERIALES

ÍTEM DENOMINACIÓN CANTIDAD P. UNITARIO TOTAL

1 Panel Fotovoltaico Exmork 50W 52 142 7384

2 Inversor grid tie 2500 W 1 550 550

3 Focos Led 10 W - 110 V 18 4 72

4

Motor a pasos bipolar Gearbox 2,8V -

1,68 1 55 55

5 Chumaceras de piso 3/4 de diámetro 26 11 286

6 Perfiles de estructura para eje 104 6 624

7 Tubo cuadrado 1 1/4 X 1.8 mm 35 11 385

8 Tubo de acero 39 5,6 218,4

9 Plywood de 9mm 16 7,2 115,2

10 Prisioneros P. 3/8 x 1/2 26 0,2 5,2

11 P. 3/8 x 11/2, anillo de presión 4 3,7 14,8

12 P. 1/4x 3/4 4 1,8 7,2

14 Cable eléctrico dual #12 THW 100 1,2 120

15 Cable eléctrico #22 telefónico 20 1,2 24

16 Piñón para cadena #40 de 30 dientes 25 8,5 212,5

17 Piñón para cadena #40 de 10 dientes 1 7,35 7,35

18 Boquilla para foco led 10W 26 3,5 91

19 Cadena #40 metálica 20 2,5 50

20 1 Breaker 95A DC 2 polos 1 35 35

21 1 Breaker 12A AC 2 polos 1 13 13

22 Interruptor 1 1,6 1,6

23 Paquete de amarra plástica 1 2,5 2,5

24 Fusible 15 A 1 3,7 3,7

25 Pintura para madera 5 7,3 36,5

26 Pintura anticorrosiva para metal 4 4,5 18

TOTAL 10339,45

192

TABLA 5.2. MATERIALES ELECTRÓNICOS PARA SEGUIDOR SOLAR - DIMMER

MATERIALES ELECTROCNICOS

ÍTEM DENOMINACIÓN CANTIDAD P. UNITARIO TOTAL

1 PIC 16F887 1,00 6,80 6,80

2 PIC 16F877A 1,00 10,00 10,00

3 Fotocelda 10,00 0,70 7,00

4 Batería 3V SONY 1,00 1,00 1,00

5 MOC 324 1,00 0,70 0,70

6 Triac BT136 1,00 6,00 6,00

7 Resistencias 1/2 W 12,00 0,10 1,20

8 Transformador 12V 1 A 1,00 10,00 10,00

9 Integrado L298N 1,00 6,00 6,00

10 Puentes Rectificadores 2A 2,00 0,90 1,80

12 Borneras 3 pines 2,00 0,50 1,00

13 Integrado LM7812 1,00 1,00 1,00

14 Integrado LM7805 1,00 1,00 1,00

15 Integrado DS1307 1,00 1,50 1,50

16 Capacitor 1000 uf/25V 2,00 0,25 0,50

17 Capacitor 470 uf/25V 2,00 0,25 0,50

18 Leds de 5mm 5,00 0,25 1,25

19 Pantalla Led 16x4 1,00 14,20 14,20

20 Zócalo 20 pines por lado 2,00 0,50 1,00

21 Zócalo 4 pines por lado 1,00 0,50 0,50

23 Cristal 32 KHz 1,00 0,55 0,55

24 Cristal 4 MHz 1,00 0,55 0,55

26 Potenciómetro 10K 1,00 0,50 0,50

27 Impresión de placas 2,00 12,00 24,00

28

Cajas acrílicas circuitos

eléctricos 2,00 15,00 30,00

TOTAL 135,10

193

TABLA 5.3. MANO DE OBRA PARA IMPLEMENTACIÓN – ÁREA C PROFESORES

MANO DE OBRA

ÍTEM DENOMINACIÓN

HORAS

HOMBRE

COSTO

HORA TOTAL

1 Ayudante eléctrico 32 3 96,00

2 Pintor (estructura y plywood) 16 3 48,00

3 Ayudante electrónico (soldadura) 8 2 16,00

4 Ayudante mecánico 80 4 320,00

5 Transporte componentes del sistema 2 100 200,00

TOTAL 680,00

TABLA 5.4. . COSTOS DIRECTOS TOTALES PARA IMPLEMENTACIÓN –

ÁREA C PROFESORES

COSTOS DIRECTOS TOTALES

ÍTEM DENOMINACIÓN PRECIOS

1 Materiales 10339,45

2 Materiales Electrónicos 135,10

3 Mano de Obra 680,00

11154,55

TABLA 5.5. COSTOS INDIRECTOS TOTALES PARA FIEC– ÁREA C

PROFESORES

COSTOS INDIRECTOS TOTALES


1 Imprevistos Costos directos 50,00

2 Montaje de Equipos 100,00

3 Diseño de ingeniería 1000,00

4 Combustible 100,00

1250,00

194

TABLA 5.6. COSTOS TOTALES PARA IMPLEMENTACIÓN – ÁREA C

PROFESORES

COSTOS TOTALES


1 Costos Directos Totales 11154,55

2 Costos Indirectos Totales 1250,00

12404,55

5.3 Proyección del tiempo de recuperación de la Inversión

Para una correcta y efectiva proyección del tiempo de recuperación de la

inversión solicitada se debe utilizar el siguiente método dinámico de

evaluación de inversiones.

Criterio actual del valor neto (V.A.N)

Antes de calcular el V.A.N primero se debe realizar los cálculos

estimados de producción diaria (5.1) y anual (5.2) del sistema fotovoltaico

(52 paneles), en donde, se determina el ahorro económico en función del

costo real por Kwh consumido en la red y de la eficiencia del inversor a

utilizar y del sistema a implementar.

195

𝐺𝐸𝐷 = 𝐻𝑃𝑆 ∗ 𝑊𝑝 ∗ 𝜂𝐼𝑁𝑉 ∗ 𝜂𝑆𝐼𝑆𝑇𝐸𝑀𝐴

𝐺𝐸𝐷 = 10 ∗ 50 𝑊 ∗ 0.94 ∗ .08136

𝐺𝐸𝐷 = 382.392 𝑊ℎ/𝑑𝑖𝑎

(5.1)

𝐺𝐸𝐷𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 382.392𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎∗ 52 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 19884.384

𝑊ℎ

𝑑𝑖𝑎

𝐺𝐸𝐷𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 19.884 𝐾𝑤ℎ

𝑑𝑖𝑎

𝐺𝐸𝐴𝑇 = 19884.384𝑊. ℎ

𝑑𝑖𝑎∗

365 𝑑𝑖𝑎

𝑎ñ𝑜∗

1𝐾𝑤ℎ

1000𝑊ℎ

𝐺𝐸𝐴𝑇 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ

𝑎ñ𝑜

(5.2)

Una vez calculada la energía estimada a producirse diaria y anualmente

por los paneles solares se procede a obtener el valor económico

energético producido anualmente por el sistema de generación

fotovoltaica, el cual va a estar en función del precio energético por KWH

establecido por el CONELEC.

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 𝐺𝐸𝐴𝑇 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝐾𝑊𝐻 (5.3)

196

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ

𝑎ñ𝑜∗ 0.07

𝑈𝑆𝐷

𝐾𝑤ℎ

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎 7 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = $508.05

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠27 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻 = 𝐺𝐸𝐴𝑇 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜𝐾𝑊𝐻

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 = 7257.8 𝐾𝑤ℎ

𝑎ñ𝑜∗ 0.27

𝑈𝑆𝐷

𝐾𝑤ℎ

𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑎 27 𝑐𝑡𝑣𝑜𝑠 𝐾𝑊𝐻

= $1959.61

(5.4)

Criterio actual del valor neto (V.A.N.)

Este indicador nos permite obtener el valor presente de un determinado

número de cajas futuras producidas por la inversión, en donde para poder

comprobar la factibilidad positiva del proyecto se debe observar:

El monto de la inversión

197

El costo de oportunidad del dinero, donde en Ecuador se usa la

inflación anual del país.

La vida útil del proyecto a invertir

El V.A.N. viene originado por la siguiente fórmula:

𝑉𝐴𝑁 = ∑𝐹𝑛

(1 + 𝐶𝑜𝑝)𝑛

𝑛

𝑛=1

− 𝐹𝑜 (5.5)

Donde:

𝑭𝒐 = Flujo en el año cero = Inversión del proyecto

𝑭𝒏 = Flujo en el año n

𝑪𝒐𝒑 = Costo de oportunidad = Tasa de referencia = Valor del dinero

Una vez obtenido el resultado pasamos a obtener las conclusiones del

proyecto basado en los siguientes parámetros:

Por medio de la función VNA (tasa inflación, rango de flujos) de la hoja de

cálculo Excel, se puede calcular el VAN de un proyecto de Inversión

durante el tiempo. Lo que se necesita es la tasa de interés vigente del

10% de acuerdo a los datos del fondo de desarrollo del Banco Nacional

de Fomento, el valor de la inversión inicial, los costos de mantenimiento y

198

operación anual y el beneficio anual por el ahorro energético y la

generación de los paneles solares. Ver Tabla 5.7 y 5.6, para costos de 7

centavos (por la característica de la ESPOL como contribuyente especial

en el pago de energía eléctrica) y 27 centavos el kwh (si es que ESPOL

pagara como una residencia de acuerdo al plan tarifario del gobierno

ecuatoriano según consumo, para el 2014), respectivamente.

Considerando un pago de $0.07 el kwh, tendremos que el Valor Actual

Neto (VAN) para el año 30 – último año de duración del proyecto- es:

𝑉𝐴𝑁 = −$8651.39 (5.6)

Este valor es negativo, lo que implica que durante el tiempo de vida del

proyecto no se recuperará la inversión inicial.

199

TABLA 5.7. COSTES Y BENEFICIOS DEL PROYECTO DURANTE EL TIEMPO $0.07 EL KWH

PROYECTO: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS EN FORMA DE PERSIANAS.

Energía Costo KWH No Años Flujo de ingresos Flujo de egresos Flujo efectivo neto

0 -12404,55 -12404,55

7257,8 0,07 1 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 2 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 3 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 4 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 5 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 6 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 7 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 8 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 9 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 10 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 11 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 12 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 13 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 14 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 15 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 16 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 17 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 18 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 19 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 20 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 21 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 22 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 23 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 24 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 25 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 26 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 27 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 28 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 29 508,05 100 408,05

7257,8 0,07 30 508,05 100 408,05

200

TABLA 5.8. COSTES Y BENEFICIOS DEL PROYECTO DURANTE EL TIEMPO $0.27 EL KWH

PROYECTO: IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BASADO EN PANELES FOTOVOLTAICOS EN FORMA DE PERSIANAS.

Energía Costo KWH No Años Flujo de ingresos Flujo de egresos Flujo efectivo neto

0 -12404,55 -12404,55

7257,8 0,27 1 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 2 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 3 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 4 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 5 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 6 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 7 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 8 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 9 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 10 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 11 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 12 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 13 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 14 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 15 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 16 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 17 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 18 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 19 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 20 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 21 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 22 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 23 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 24 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 25 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 26 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 27 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 28 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 29 1959,61 100 1859,61

7257,8 0,27 30 1959,61 100 1859,61

201

Considerando un pago de $0.27 el kwh, tendremos que el Valor Actual

Neto (VAN) para el año 30 – último año de duración del proyecto- es:

𝑉𝐴𝑁 = $5032.34 (5.7)

Este valor es positivo, lo que implica que durante el tiempo de vida del

proyecto se recuperará la inversión inicial, por lo que la inversión es

plausible.

5.4 Mejoras complementarias y sus costos

Para mejorar el sistema fotovoltaico diseñado se propone realizar la

implementación del sistema en funciona con la cogeneración de otras

energías renovables como en el caso específico de la ESPOL puede ser

la eólica.

Mejoras y trabajos futuros

El regulador de voltaje desarrollado presenta pérdidas muy considerables

por lo que se debe mejorar y migrar en tecnología al uso de convertidores

conmutados más eficientes.

Este nuevo desarrollo debe realizarse en conjunto con el ESPOL de

manera que las especificaciones de diseño puedan adaptarse para la

obtención de mejores resultados.

202

Se nota también la necesidad de utilizar la energía generada, el sistema

podría producir más de lo utilizado y al cargarse completamente las , esa

energía dejará de crearse.

Es factible continuar la línea de investigación, aportando con el diseño del

control sobre procesos de generación de energía eléctrica o

desarrollando tecnología propia para el resto de los componentes del

sistema: módulos fotovoltaicos, regulador de carga y baterías.

203

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

1. Una vez comparando la energía consumida por las cargas entre días de

características similares, se concluye que no importa si el día es nublado

(poca irradiación) o es soleado (mucha irradiación), el ahorro energético

específico para nuestro prototipo es de alrededor del 30%. Además la

eficiencia del sistema de generación solar presentado es de 81.36%.

2. El tiempo de recuperación de la inversión para el futuro proyecto a

implementar en la FIEC, depende principalmente por el valor del kwh y el

gasto inicial del proyecto. Principalmente este gasto es representado por

el costo de los paneles solares a usar. Para un valor de 7 centavos de

dólar el kwh- que es lo que pago la ESPOL como contribuyente especial,

la inversión no se recuperará en el tiempo de duración del proyecto.

204

3. Cubrir solo las claraboyas solo produce un ahorro energético máximo del

15%, la mitad aproximadamente (alrededor del 30%) si se compara con el

ahorro al utilizar el sistema de paneles solares en forma de persianas

planteado.

RECOMENDACIONES

1. Por el ahorro energético obtenido por la implementación del prototipo, se

recomienda su instalación como solución complementaria a problemas de

consumo energético innecesarios en edificaciones con claraboyas.

2. Al evitar que los rayos solares incidan directamente sobre la claraboya, y

esto generar sombras dentro de la estructura- y por tanto perder la

característica de la claraboya de iluminar con luz natural, se recomienda

implementar un circuito dimmer para regular la intensidad de iluminación

dentro de la edificación si la oscuridad generada fuera un problema.

3. Hay que considerar el peso de cada panel y la velocidad del viento, para

poder dimensionar el sistema mecánico de movimiento, como también la

potencia del motor. Es recomendable, utilizar un motor a pasos con caja

205

reductora- mientras los cálculos lo permitan- ya que su consumo

energético sería bajo.

4. Se utilizó paneles solares para contribuir con energía eléctrica al

consumo de las cargas, pero el proyecto gira principalmente en evitar la

irradiación directa y perpendicular sobre la claraboya de la estructura

inferior. Por tal, en vez de paneles solares se pudo utilizar alguna otra

estructura rectangular. Es importante utilizar materiales que eviten

intercambio de calor del exterior al interior, y viceversa.

206

BIBLIOGRAFÍA

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escuela superior politecnica del litoral · a todas aquellas personas que de una u otra forma,...

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