Geraldin Muñoz López Cristian Andrés López Osorio. Director: Oscar Gómez Carmona. Pereira, 19 de Noviembre de 2015

Transcripción

1 Diseño de un Sistema Fotovoltaico para Atender la Demanda de Iluminación de Áreas Comunes y Baños del Bloque 1B de la Universidad Tecnológica de Pereira Geraldin Muñoz López Cristian Andrés López Osorio Director: Oscar Gómez Carmona Pereira, 19 de Noviembre de 2015

2 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar el sistema fotovoltaico para atender la demanda de iluminación de zonas comunes y baños del edificio 1B de la Universidad Tecnológica de Pereira OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar la carga de iluminación demandada por el bloque 1B. Realizar los estudios de irradiación incidente sobre la superficie de interés. Realizar los cálculos necesarios para determinar cada uno de los elementos del sistema (módulos fotovoltaicos, acumuladores, inversores, protecciones, etc.). Calcular los costos y tiempo de recuperación de la inversión del sistema fotovoltaico.

3 INTRODUCCION SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

4 REPRESENTACION GRAFICA DEL SISTEMA A IMPLEMENTAR Recuerde: las diapositivas son un guía para el desarrollo de su exposición, busque la armonía entre el texto, las imágenes, los colores y los gráficos. Recomendamos no sobresaturar La diapositiva de información.

5 IRRADIACION SOLAR Recuerde: las diapositivas son un guía para el desarrollo de su exposición, busque la armonía entre el texto, las imágenes, los colores y los gráficos. Recomendamos no sobresaturar La diapositiva de información.

6 ESTACIÓN METEOROLÓGICA UTP Consola Davis Vantage Pro Estación meteorológica UTP

7 Irradiacion [W/m2] DATOS OBTENIDOS Calculo irradiación promedio. Irradiación promedio= 1n irradiacion [dia i,hora h ] n Radiación mes de enero 2014 n: número de días en el mes. h: hora o instante a evaluar. Radiación mes de Enero de :00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00 Tiempo [hora-minuto]

8 DATOS OBTENIDOS Determinación de la radiación solar diaria W m 2 mes Gi: Dato de Irradiación de la unidad meteorológica en el tiempo i. Gi+1: Dato de Irradiación de la unidad meteorológica en el tiempo i + 1.

9 DATOS OBTENIDOS Irradiación estación meteorológica UTP Mes Promedio Radiación HPS kw m 2 mes Enero 4.1 Febrero 4.2 Marzo 4.4 Abril 4.5 Mayo 4.1 Junio 4.4 Julio 4.4 Agosto 4.5 Septiembre 4.4

10 DIMENSIONAMIENTO Piso 1 bloque 1B UTP Piso 2 bloque 1B UTP

11 Dimensionamiento de la carga Piso 1 bloque 1B UTP Carga Numero de lámparas Piso 2 bloque 1B UTP Total número de lámparas Potencia (W) Potencia total (W) Horas de uso diario Energía diaria AC del sistema W.h Áreas comunes Baños Carga Numero de lámparas Total número de lámparas (W) Potencia (W) Total Potencia total (W) Horas de uso diario Energía diaria AC del sistema W.h Áreas Comunes Total Potencia carga AC Energía diaria AC del sistema W W.h

12 INVERSOR P Inversor W = Pcarga AC W Factor de seguridad Pcarga AC: W P Inversor= W Factor de seguridad: 125% Características del inversor cargador OUTBACK 2.500W Modelo Potencia nominal a la salida Voltaje nominal a la salida AC Frecuencia AC Corriente de salida máxima Inversor OUTBACK W 120V 60 Hz 20,8 A Eficiencia máxima del inversor 92 % Regulación de voltaje de salida +-2%

13 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Energía DC fotovoltaica Wh = Energía AC del sistema: Wh Eficiencia del regulador: 92% Eficiencia del inversor: 90% Energía DC fotovoltaica: ,91304 Wh Energía AC del sistema (Wh) Efic. del regulador Efic. en el inversor P sistema fotovoltaico W = Energia DC fotovoltaica (Wh) HPS mes mas critico HPS: 4,1 Potencia del sistema fotovoltaico: 2.969, W

14 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Características módulo fotovoltaico Kyocera KD330GX-LFB Módulo KD330GX-LFB Tensión nominal (V) 36,4 Potencia máxima (W) 237 Intensidad de corriente máxima (A) 6,52 Tensión a circuito abierto (V) 46,6 Intensidad de corriente en cortocircuito (A) 7,12 Tolerancia +5/-0%

15 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Potencia del sistema fotovoltaico (W) Numero de módulos= Potencia Máxima de cada módulo (W) Potencia del sistema fotovoltaico = 2.969, W Potencia máxima de cada módulo: 237 W Numero de módulos: 12, Ubicación de los módulos: Paralelo

16 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS Ubicación propuesta de los módulos fotovoltaicos bloque 1B

17 REGULADOR Regulador Numero de módulos Potencia de cada módulo (W) A = Tensión del sistema (V) Numero de módulos: 13 Regulador (A): Potencia de cada módulo (W):237 Tensión del sistema (V): 24 Características del regulador Schneider Electric MPPT Modelo MPPT Tensión nominal (V) 24 a 48 Máxima corriente (A) 80 Máxima tensión de circuito abierto (V) 600 Eficiencia 94%

18 ACUMULADORES Criterios de tensión según la potencia. Tensión de operación (V) 12 < 1KW Potencia (W) 24 Entre 1KW- 5KW 48 > 5KW Energía DC del sistema Wh = Energía AC del sistema: Wh Eficiencia del inversor: 90% Energía DC del sistema: Wh Energía AC del sistema Wh Eficiencia del inversor

19 ACUMULADORES Energía DC del sistema: Wh Tensión del sistema: 24 V Capacidad parcial: Ah Profundidad de descarga de los acumuladores: 80% Capacidad total: Ah

20 ACUMULADORES Cap. banco de acumuladores Ah = Cap. total Ah Días de autonomía Capacidad total: Ah Días de autonomía: 3 Capacidad banco de acumuladores: Ah Características acumulador PowerSun 250 solar Modelo Tensión Capacidad C100 PowerSun 250 solar 12 V 250 Ah

21 ACUMULADORES Numero de Acumuladores= Capacidad banco de acumuladores (Ah) Capacidad de cada acumulador (Ah) Capacidad banco de acumucumuladores:1.750 Ah Capacidad de cada acumulador: 250Ah Numero de acumuladores: 7 Numero real de acumuladores:14

22 AUTONOMIA DEL SISTEMA P DC =P AC / η P AC : W η: 0.9 P DC : W 1=Tensión del sistema DC Ah =7 E1 = Wh Tensión del sistema: 24 V Ah: 250 1= Wh Au= P DC Porcentaje de referencia Porcentaje de referencia: 100% Au: 21 h

23 AUTONOMIA DEL SISTEMA Proporción % Carga de Mayor Tiempo de Funcionamiento Carga AC (W) Potencia DC (W) Autonomía (h)

24 PROTECCIONES Totalizador AC= Potencia del inversor: 2.500W Tensión de operación del sistema: 120 V Totalizador AC: Valor comercial: 30 A Protecciones del sistema Potencia del inversor Tensión de operacion del sistema 125% Cantidad Tipo de Protección Referencia seleccionada 2 Protección DC regulador DC Circuit Breaker CBI QDC-1 (26) D, U2, 80A 7 Protección DC para cada arreglo serie de acumuladores DC Circuit Breaker CBI QY-1 (13) D, U2, 20A 1 Totalizador AC para la carga Totalizador 1x30A Luminex

25 BARRAJE Barraje acumuladores= Potencia del sistema Tensión del sistema Potencia del sistema: W Tensión del sistema: 24 V Barraje acumuladores: A Protecciones del sistema Barras de cobre pintadas corriente alterna de 40 a 60 Hz Cantidad Ancho grueso (mm) Sección (mm^2) Barraje regulador 2 12* Barraje acumuladores 1 15*3 29.5

26 CONDUCTORES Conductor del modulo fotovoltaico al barraje 1 Corriente mb1 = Pmax del módulo Tensión de operación Pmax del módulo: 237W Tensión de operación : 36 V Corriente mb1 DC: 6,5833 A Conductor # 14 THW Conductor del barraje 1 al barraje 2 Corriente mrb = Pmax arreglo de módulos Tensión de operación del sistema Pmax arreglo de módulos: W Tensión de operación : 36 V Corriente mrb DC: 46,08 A Conductor # 8 THW

27 CONDUCTORES Conductor del banco de acumuladores hasta el barraje 2 coriente demandada hora Corriente A DC= cantidad de acumuladores Corriente demandada: 93,75 A Cantidad de arreglos: 7 Corriente A DC: 13,4 A Conductor # 14 THW Conductor del barraje 1 al inversor Potencia DC Corriente B1 IN DC= Tensión del sistema barraje 1 Tensión del sistema barraje 1: 24 V Corriente B1 IN DC: 93,75 A Conductor # 4 THW

28 Conductor del lado AC. Corriente conductor AC= CONDUCTORES Potencia carga Tensión de operación del sistema Potencia carga: W Tensión de operación del sistema: 120 V Corriente conductor AC: 15 A Conductor # 12 THW Conductor del módulo fotovoltaico al barraje 1 Conductor del barraje 1 al barraje 2 Conductor del banco de acumuladores hasta el barraje 2. Conductor barraje 1 al inversor. Conductor del lado AC Numero 2*14 THW-Cobre Numero 2*8 THW-Cobre Numero 2*14 THW-Cobre Numero 2*4 THW-Cobre Numero 2*12 THW- Cobre

29 ENERGIA DISPONIBLE max =Capacidad en Ah acumuladores Tensión max acumuladores Capacidad en Ah de los acumuladores: 250Ah 7 = Ah Tensión máxima de los acumuladores: 29 VDC max: 50,750 kwh VDC Min=Ten máx. acumuladores Profundidad de descarga acumuladores Tensión máxima de los acumuladores: 29 VDC Profundidad de descarga: 80% VDC min: 23,3 V

30 ENERGIA DISPONIBLE min =Capacidad en Ah acumuladores Tensión min acumuladores Capacidad en Ah de los acumuladores: 250Ah 7 = Ah Tensión mínima de los acumuladores : 23,2 VDC min : 40,60 kwh disponible = max - min disponible : 10,15 kwh

31 HORAS DE CARGA Horas de carga= Energía disponible Potencia del sistema fotovoltaico Condición ideal Energía disponible: 10,15 kwh Potencia sistema fotovoltaico: 4,29 kw Horas de carga: 2,36 horas Condición optima Condición no optima Energía disponible: 10,15 kwh Potencia sistema fotovoltaico: 3,081 kw Horas de carga: 3,294 horas Energía disponible: 10,15 kwh Potencia sistema fotovoltaico: 2,574 kw Horas de carga: 3,943 horas

32 DIAGRAMA DE CONEXIONES

33 PROYECCION RETORNO DE LA INVERSION Costo kwh por mes UTP Mes Año Valor kwh Mes Año Valor kwh Enero 2014 $ 265,50 Enero 2015 $ 328,13 Febrero 2014 $ 265,50 Febrero 2015 $ 326,26 Marzo 2014 $ 270,18 Marzo 2015 $ 331,54 Abril 2014 $ 270,85 Abril 2015 $ 331,72 Mayo 2014 $ 275,63 Mayo 2015 $ 332,60 Junio 2014 $ 276,10 Junio 2015 $ 335,34 Julio 2014 $ 272,34 Julio 2015 $ 339,96 Agosto 2014 $ 273,98 Agosto 2015 $ 341,15 Septiembre 2014 $ 273,81 Octubre 2014 $ 280,33 Noviembre 2014 $ 278,66 Diciembre 2014 $ 275,56 Promedio $ 273,20 Promedio $ 333,34

34 PROYECCION RETORNO DE LA Costo elementos del sistema PRECIO EN DOLARES USD PRECIO EN EUROS PRECIO EN PESOS TOTAL EN PESOS ELEMENTO CANTIDAD Módulos 13 $ 370,64 308,87 $ ,00 $ ,00 Acumuladores 14 $ 192,40 160,33 $ ,00 $ ,00 Regulador 2 $ 1.599, ,50 $ ,00 $ ,00 Inversor 1 $ 1.633, ,83 $ ,00 $ ,00 Protecciones reguladores 2 $ 10,84 9,03 $ ,00 $ ,00 Protecciones Acumuladores 7 $ 6,80 5,67 $ ,00 $ ,00 Totalizador Carga 1 $ 4,12 3,43 $ ,00 $ ,00 Total $ ,00 Inflación kwh Precio kwh 2015 INVERSION Inflación aproximada para el kwh de 2014 a 2015 Inflación en porcentaje (%) Factor de inflación escogido (%) Factor sobre el precio (%) $ 333,34 $ 60,13 18, ,

35 PROYECCION RETORNO DE LA INVERSION Retorno de la inversión Año Valor por kwh Total costo día del sistema Total costo mes del sistema Total costo por año Total retorno por año Ganancia por año 2015 $ 333,34 -$ , $ 375,34 $ 3.783,43 $ ,88 $ ,51 $ ,51 -$ , $ 422,63 $ 4.260,13 $ ,02 $ ,23 $ ,74 -$ , $ 475,88 $ 4.796,90 $ ,08 $ ,95 $ ,70 -$ , $ 535,84 $ 5.401,30 $ ,09 $ ,13 $ ,83 -$ , $ 603,36 $ 6.081,86 $ ,71 $ ,50 $ ,32 -$ , $ 679,38 $ 6.848,16 $ ,78 $ ,31 $ ,63 -$ , $ 764,98 $ 7.711,01 $ ,42 $ ,06 $ ,69 -$ , $ 861,37 $ 8.682,59 $ ,61 $ ,30 $ ,99 -$ , $ 969,90 $ 9.776,58 $ ,29 $ ,43 $ ,42 -$ , $ 1.092,10 $ ,41 $ ,18 $ ,14 $ ,56 -$ , $ 1.229,71 $ ,44 $ ,32 $ ,80 $ ,35 -$ , $ 1.384,65 $ ,25 $ ,38 $ ,53 $ ,88 $ , $ 1.559,11 $ ,83 $ ,96 $ ,52 $ ,41 $ , $ 1.755,56 $ ,00 $ ,90 $ ,76 $ ,17 $ , $ 1.976,75 $ ,66 $ ,74 $ ,89 $ ,06 $ , $ 2.225,82 $ ,25 $ ,58 $ ,92 $ ,98 $ , $ 2.506,27 $ ,18 $ ,31 $ ,77 $ ,74 $ , $ 2.822,05 $ ,29 $ ,66 $ ,96 $ ,70 $ , $ 3.177,63 $ ,47 $ ,99 $ ,88 $ ,58 $ , $ 3.578,00 $ ,24 $ ,30 $ ,61 $ ,19 $ , $ 4.028,82 $ ,52 $ ,62 $ ,39 $ ,59 $ ,59

36 ASPECTOS BÁSICOS DE OPERACIÓN Módulos fotovoltaicos. Regulador. Acumuladores Inversor. Conductores.

37 CONCLUSIONES Se realizó el diseño de un sistema fotovoltaico para atender la demanda de iluminación de áreas comunes y baños del bloque 1B de la Universidad Tecnológica de Pereira. Se analizó la carga total instalada, determinando valores de potencia y energía del sistema. El diseño del sistema fotovoltaico con la carga instalada presenta limitantes en cuanto al espacio, ya que el área que ocuparían los módulos fotovoltaicos es mucho mayor al área disponible del edificio y el costo del sistema seria elevado tanto por los equipos como por la construcción de armaduras metálicas que los soporten. Se seleccionó una carga que permitiera un diseño viable desde el punto de vista económico y constructivo.

38 CONCLUSIONES Se realizó el estudio de iluminación para identificar las horas de trabajo en que se lograría un uso racional de la energía. Se realizó el estudio del recurso energético partiendo de los conceptos de radiación e irradiación solar para lograr hacer el análisis de las horas pico solares (HPS) y de esta manera determinar la viabilidad de implementar el sistema. Se seleccionaron los equipos y se realizó el esquema de conexiones. Se seleccionó un inversor cargador que permite la conmutación a la red y la inversión DC a AC. Se seleccionaron reguladores con tecnología MPPT que permite operar a la tensión que más conviene para el sistema DC y de esta manera lograr el máximo aprovechamiento de la potencia lo cual se ve reflejado en una mayor eficiencia del mismo.

39 CONCLUSIONES Para diseñar un sistema fotovoltaico es importante trabajar con un margen de seguridad que considere el posible crecimiento de la carga. Para la seleccion de los elementos del sistema se debe tener en cuenta las tensiones de operación, eficiencia, modo de operación, garantía dada por el fabricante, características técnicas, precios y accesibilidad a la hora de realizar la compra de los elementos. Se realizó un estudio de las horas de carga del sistema teniendo en cuenta una condición óptima ideal, optima y no óptima. El cual dio como resultado que en una condición no optima los acumuladores tendrían un tiempo de carga de 3,467 horas. Para la proyección del retorno de la inversión del sistema se debe tener un margen de seguridad, definido como un porcentaje de la inflación, que se aplica al precio del kwh a futuro.

40 GRACIAS POR LA ATENCION PRESTADA