CARACTERIZACIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO PARA SISTEMAS DE BAJA POTENCIA ALIMENTADOS CON ENERGÍA RENOVABLE (SOLAR-EÓLICA). Carlos A. Beltran Z. 11, Cristhian I. Riaño J 22, Elkin G. Flórez S. 3
Resumen
Abstract
Con el pasar de los años se han realizado estudios sobre la producción de energías renovables para que sean implementados en diferentes lugares de Colombia, sin embargo son pocas las investigaciones que permiten establecer metodologías de dimensionamiento y estudios, donde se caractericen cada una de estas variables y parámetros que intervienen en un ciclo de producción de energía, los factores importantes que deben ser considerados al implementar sistemas de generación de energía. Como objeto de estudio que permita una investigación más profunda acerca de este tema, se tomó como sujeto de pruebas y análisis una de las cabañas situada en Villa Marina perteneciente a la Universidad de pamplona en la cual soporta un sistema de energías renovables. Se desea obtener información de las variables que se relacionan con la producción y suministro de energía, como son la potencia requerida, potencia entregada por el sistema, energía almacenada, energía consumida; se presenta un modelo matemático para el cual se caracterizaron algunas variables y parámetros necesarios para simular la producción de corriente, potencia entre otros factores, generados por una celda fotovoltaica del panel solar y un mini-aerogenerador instalados en Villa Marina.
Over the years, have been conducted studies about renewable energy to be implement it in different parts of Colombia which need to meet a energy demand, however, have not been developed investigations, which allow establish the sizing methodologies and studies where are characterized each of these variables and parameters involved in a cycle of energy production, which are important and should be taken into account to implement energy generation systems. Therefore as object of study to allow are search deeper about this topic, was taken as test subject and analysis, one of the cottages located at Villa Marina where a renewable energy system is used. The objective of this investigation is the study of the variables influencing energy production such as there quired potency, power delivered by the system, stored energy, energy consumed; for it presents a mathematical model in which some variables and parameters were characterized to simulate the production of current, power and other factors, generated by a photovoltaic cell solar panel and a mini - wind turbine installed at Villa Marina. Keywords: Renewable energy, Hybrid system, Wind generator, photovoltaic panel, characterization, methodology for the sizing
Palabras Clave: Energías renovables, sistemas híbridos, Aerogenerador, modulo fotovoltaico, caracterización, metodología de dimensionamiento. 1
Ingeniero Mecánico, Universidad de Pamplona, Pamplona Colombia. Magister en Controles industriales, Ingeniero Mecatrónico, Docente área sistemas Mecatrónicos - Universidad de Pamplona, Pamplona Colombia. 3 Doctor en Ingeniería Mecánica, Magister en Ingeniería Mecánica, Ingeniero Mecánico, Profesor Titular - Universidad de Pamplona, Pamplona Colombia. Autor para correspondencia:
[email protected]. 2
1
1. Introducción Los sistemas de abastecimiento de energía limpia, son una buena alternativa frente a los problemas de carencia de fluido eléctrico, por su bajo impacto ambiental, fácil instalación y adquisición, y pueden suplir correctamente demandas de energía en sistemas de baja potencia requeridos por la población. Cada día aumenta su demanda energética, conforme avanzan las nuevas tecnologías mejoran su eficiencia y la posibilidad de ubicar estos sistemas en lugares apartados hacen que toda investigación sobre energías alternativas se convierta en un referente para masificación.
Figura 1. Cabaña en Villa Marina – lugar donde se instaló el sistema hibrido (panel solar – aerogenerador) [Autores].
2.2 Adquisición de Datos El objetivo es obtener un modelo que reúna las características principales del sistema de generación de energía a través de paneles solares y aerogeneradores. El estudio de las variables y parámetros del sistema de generación de energía nos brindan información necesaria para cumplir con este objetivo. Por tal motivo se diseñó e implementó un sistema de adquisición de datos para recopilar información del proceso basado en la siguiente metodología.
Uno de los estigmas que esta implícitamente contenido en la instalación de equipos para la producción de energía (panel solar, aerogenerador, hidroeléctricas, etc.), es la garantía de que dichos elementos lograran cumplir a cabalidad con una demanda instalada para los diferentes inmuebles o sectores donde se desean ser implementados. Este trabajo presentara una nueva metodología para el dimensionamiento en la instalación de sistemas híbridos la cual está fundamentada en la caracterización, e identificación de los parámetros y variables que intervienen en la generación y suministro de energía renovable (solar-eólica).
Proceso Sensor Acondicionamient o Procesador.
2. Metodología experimental
Indicación
2.1 Lugar de experimentación y elementos que conforman el sistema hibrido (panel solar y el aerogenerador).
Comunicación
Figura 2. Metodología para la implementación del sistema de adquisición de datos.[Autor].
EL sistema de adquisición de datos estará soportado por una tarjeta de desarrollo Arduino Mega 2560
Durante la realización del proyecto, se tomó como banco de pruebas y análisis, una de las cabañas en Villa Marina perteneciente a la Universidad de Pamplona, situada en el kilómetro 49 sobre la vía Pamplona- Cúcuta, Norte de Santander, Colombia. Este lugar cuenta con un área de 41,532 m2, en este lugar se encuentra implementado un sistema hibrido conformado por un mini aerogenerador, módulo fotovoltaico y sistema de acumuladores para el almacenamiento de energía (ver figura 1). [1].
Figura 3. Tarjeta Arduino. [2].
2
Beltran Z Carlos Andres 1 , Riaño J Cristhian Ivan 2 , Flórez S Elkin / caracterización del consumo energético para sistemas de baja potencia alimentados con energía renovable (solar-eólica). temperatura estándar, para desarrollar la ecuación de la corriente de saturación 𝐼𝑜, se puede partir de la siguiente ecuación.
2.3 Caracterización del panel solar: Para caracterizar el panel se decidió adecuar un modelo matemático que permita interactuar con todas aquellas variables y parámetros que intervienen en el ciclo de generación de energía. El modelo inicia con el circuito eléctrico equivalente simple de una célula solar (ver figura 4), formado a partir de una fuente de corriente dependiente de la irradiación (G), además de un diodo, caracterizado por una corriente de saturación Io, y un factor de idealidad n, dos resistencias de perdidas, Rs y RSH [2,3].
3
𝑞𝐸𝑔
1 1 𝑇 𝑛 𝑛𝑘×( − ) 𝑇 298 𝐼𝑜 = 𝐼𝑜(298) × ( ) ×𝑒 (3) 298
𝐼𝑜(298) =
𝐼𝑠𝑐(298) 𝑞∗𝑉𝑜𝑐 𝑒 𝑛∗𝑘∗298−1
(4)
La expresión 𝑉𝑡 (voltaje térmico) se determina con la siguiente expresión: 𝑉𝑡 =
𝐾∗𝑇 (5) 𝑞
En la tabla 1 se presentan los parámetros necesarios para el desarrollo del modelo matemático. Tabla 1. Parámetros para el modelo matemático. Símbolo Unidad Cantidad K J/ºK 1.38 E – 23 Q C 1.60e-19 N 1.95 Eg eV 1.12 Rs Ω 1.2e-4 A cm2 243.36 Voc V 0.6 Isc A 3.21 Jsc A/cm2 13.22e-3
Figura 4. Circuito representativo de una celda solar .[3]
El comportamiento eléctrico de la célula se describe con la ecuación 1, en la cual se aprecia que la corriente I, está definida implícitamente respecto a la tensión (V), debido a que la resistencia 𝑅𝑠 impide aislarla a un lado de la ecuación. Por tal motivo para poder desarrollar y resolver dicho modelo matemático fue necesario emplear un método numérico (Newton-Raphson) para la resolución de ecuaciones lineales [2,3]. 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑜 × (𝑒
𝑉+𝑅𝑠𝐼 𝑛𝑉𝑡
− 1) −
Con el modelo matemático se obtiene una gráfica típica de la cantidad de corriente generada por un panel en función del voltaje (ver figura 5), la curva demarcada en color rojo representa la corriente generada por el panel solar, se puede apreciar el punto de potencia máxima correspondiente al valor donde Imax y Vmax se interceptan, potencia alrededor de 149.95 Watts. La curva en azul representa la corriente generada por la celda solar del mismo panel; de esta grafica se puede apreciar que el punto de corte con eje “x” vendría a ser el valor del voltaje de circuito abierto Voc y para el eje “y” el valor correspondiente a la corriente de cortocircuito Isc, comprobando que el modelo simulado representa correctamente el modelo real y estima la corriente generada por el panel o la celda solar.
𝑉 + 𝑅𝑠𝐼 (1) 𝑅𝑠ℎ
Dónde: 𝐼𝑝ℎ : Corriente foto generada. 𝐼𝑜 : Corriente de saturación. 𝑅𝑠: Resistencia en serie de una célula. 𝑅𝑠ℎ: Resistencia de pérdidas en paralelo 𝑉𝑡: Tensión térmica. La corriente foto-generada, 𝐼𝑝ℎ con la siguiente ecuación. 𝐼𝑝ℎ = 𝐴 ∗ (𝑗𝑠𝑐 ×
se determina
𝐺 − 𝛼𝑠𝑐 × (𝑇 − 298) (2) 0.1
Se determina la corriente de saturación a una 3
2) Coeficiente de potencia. La potencia contenida en el viento no puede ser del todo aprovechada por el aerogenerador, por tanto existe un parámetro llamado coeficiente de potencia con el cual se puede determinar la potencia real disponible del viento. Cabe resaltar que el máximo valor que puede tomar el coeficiente de potencia es 59.26 por ciento este valor es conocido como el límite de betz. [4].
Figura 5. Grafica de la corriente generada por el panel solar instalado en Villa Marina en función del voltaje. [Autor].
2.4 Caracterización del aerogenerador.
𝐶𝑝 =
Un parámetro importante para caracterizar el funcionamiento del aerogenerador, es la densidad del viento, se puede determinar con la siguiente ecuación [4]. 𝑃𝑜 −𝑔×𝑧 𝜌 = ( ) 𝑒 𝑅𝑇 𝑅𝑇
Con esta expresión podemos determinar la potencia generada por la turbina en función de las velocidades del viento del lugar 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝐶𝑝 × 𝑃𝑉
(6)
1 = 0.5926 × × 𝜌 × 𝐴 × 𝑉 3 (8) 2
Dónde: 𝑃𝑜: Presión atmosférica estándar (101.235 KPa) 𝑅: Constante del aire (286,9 J/Kg K) 𝑔: Gravedad. (m/sg2) 𝑇: Temperatura (ºK) 𝑍: Altitud (m)
2.5 Metodología para el dimensionamiento en la aplicación de sistemas híbridos (panel solar-aerogenerador). Con los resultados obtenidos permiten construir una metodología para el dimensionamiento en la instalación de sistemas híbridos conformados por paneles solares, aerogeneradores, sistemas de almacenamiento de energía entre otros dispositivos necesarios para el funcionamiento del sistema para cumplir con una demanda de energía correctamente.
Con datos obtenidos en la granja experimental Villa Marina se puede determinar la densidad del aire del lugar. −9.81×1100 101235 𝐾𝑔 𝜌=( ) 𝑒 286.9 ×293 = 1.0593 3 286.9 × 293 𝑚
1) Potencia ideal del viento. Una vez obtenida la densidad del aire para el lugar de ubicación del sistema y de conocer el valor de las velocidades promedio del viento; se obtiene la potencia del viento por medio de la siguiente expresión. 𝑃𝑉 =
𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 (7) 𝑃𝑉
1) Consumo diario. Si ya se cuenta con una instalación eléctrica es preciso y recomendable hacer una lista de los equipos y aparatos que se utilizan y calcular de estos su consumo diario (Watts •horas /dia) [5].
1 × 𝜌 × 𝐴 × 𝑉3 2 1 = × 1.0593 × 1.07 × 3.53 2 = 48.59 𝑊
Para ello se puede hacer una tabla en los que se muestren a cada elemento su potencia y la cantidad de horas de uso diarias. De esta manera se puede hallar el valor del consumo diario multiplicando la potencia del aparato con la cantidad de horas uso. Una vez calculado el consumo diario en (watts•horas) para cada equipo, se debe calcular un consumo total, sumando el consumo diario de cada equipo. Una
Dónde: A: área de la superficie perpendicular del aerogenerador al viento V: velocidad del viento. 4
Beltran Z Carlos Andres 1 , Riaño J Cristhian Ivan 2 , Flórez S Elkin / caracterización del consumo energético para sistemas de baja potencia alimentados con energía renovable (solar-eólica). vez hecho esto hay que tener en cuenta que al resultado obtenido se le debe sumar un 30% del consumo total, por cuestiones de pérdidas en las baterías es decir si el consumo es de 900 Watt•h/dia, al sumar el 30% por perdidas el nuevo consumo total diario será de 1170 watts•h/día. Sin embargo este no es el consumo final, también se debe poner en consideración las pérdidas generadas por el inversor, es decir que el valor hallado hasta aquí hay que incrementarlo en un 10% [5].
Norte de Santa nder. Mes
Norte de Santa nder.
2) Determinación de la carga real necesaria a suministrar por el sistema fotovoltaico y/o aerogenerador. Una vez hallado el consumo diario se puede determinar cuánto será el valor de la carga máxima que debe ser suministrada por un panel solar y el aerogenerador.
818.1 8
818.1 8
Irradi ación Julio (KW/ m2)
Irradi ación Agost o (KW/ m2) 818.1
944.4
1000
Irradi ación Septie m. (KW/ m2) 944.4
1000
Irradia ción Octubr e (KW/m 2 ) 1000
818. 18
818.1 8
Irradiac ión Novie mbre (KW/m 2 ) 1000
Irradi ación Dicie mbre (KW/ m2) 1000
4) Calculo de la cantidad de módulos fotovoltaicos. Para calcular el número de módulos fotovoltaicos o paneles solares primero hay que determinar los watts pico que deben ser suministrados por los elementos de generación de energía.
𝐶𝑑𝑐 𝐶𝑎𝑐 + 𝑛(𝑏𝑎𝑡) 𝑛(𝑖𝑛𝑣) × 𝑛𝑏𝑎𝑡 𝐶𝑟 = (9) 𝑉𝑏𝑎𝑡
𝑊𝑝 = 1200 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜𝐾𝑊 ∙ ℎ/𝑑𝑖𝑎 × (10) 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑑𝑒𝑙𝑝𝑒𝑜𝑟𝑚𝑒𝑠𝐾𝑊 · ℎ/𝑚2
Dónde: 𝐶𝑟: Carga real a ser suministrada (h/día) 𝐶𝑑𝑐 : Consumo diario cargas en corriente directa (W·h/día) 𝐶𝑎𝑐 : Consumo diario cargas en corriente alterna (W·h/día) 𝑛(𝑖𝑛𝑣. ): Eficiencia del inversor, valor que oscila entre 80% y 85%. 𝑛(𝑏𝑎𝑡): Eficiencia de la batería. 𝑉𝑏𝑎𝑡= Voltaje nominal de la batería que se desea implementar (12V-24V).
Para el cálculo se estima el valor más bajo de la radiación durante todo el año de la zona donde se desea instalar el modulo. Para el cálculo de la cantidad de paneles solares se usa la siguiente ecuación. 𝑁°𝑑𝑒𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =
𝑊𝑝 (11) 𝑊𝑝𝑚
Dónde: 𝑊𝑝: Watts pico del sistema. 𝑊𝑝𝑚: Watts pico del modulo fotovoltaico;
3) Determinación de la energía solar disponible de la zona. Irradiación. Un parámetro importante en la generación de energía en un módulo fotovoltaico es la irradiación. Para Norte de Santander la irradiación promedio de este departamento se resume en la tabla 2.
5) Potencia del viento. Con este parámetro se puede conocer cuan provechoso es la instalación de un aerogenerador en el lugar. Las corrientes de aire suelen ser muy variables por tanto es necesario realizar mediciones constantes, con una toma de datos sobre los datos obtenidos. Cabe resaltar que las velocidades del viento varían a determinadas alturas; por tanto es necesario que las tomas de datos se realicen a diferentes alturas [7].
Tabla 2: Irradiación promedio en el departamento de norte de Santander. Irradi Irradi Irradiaci Irradia Irrad Irradi Mes ación ación ón ción iació ación Enero Febre Marzo Abril n Junio (KW/ ro (KW/m2) (KW/m May (KW/ 2 m2) (KW/ ) o m2) 2 m) (K W/ m2)
5
muestra un caso ideal, y se compara con los datos obtenidos en Villa Marina (ver figura. 6,7).
6) Calculo de la capacidad de las baterías. Para un óptimo desempeño la batería debe tener una capacidad de 4 veces mayor el consumo total (Watts•h). La capacidad de la batería en amperios horas (A•h), es la energía acumulada de la batería (Watts•h) dividido por el voltaje en voltios [6]. 𝐶𝑑 × 𝑑 𝑃𝑑 × 𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (12) 𝐶𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = Vbat
Dónde: 𝐶𝑑 =consumo diario total W·h/día 𝑑: Días sin intensidad solar. 𝑃𝑑: Profundidad de descarga. Depende de la tecnología de las baterías, este parámetro varía entre 0,5 para baterías de automoción, 0,6 para baterías de placa plana espesas y 0,8 para baterías tubulares o de varilla. 𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 : Eficiencia de la batería.
Figura 6. Grafica (I vs V) comparativa entre una modelo ideal y los datos tomados en Villa Marina [Autor].
7) Determinación del regulador. Para la cargar y descargar la batería de forma controlada se necesita un regulador de carga. Este dispositivo se conecta entre el panel y las baterías. La corriente en operación continua que debe ser soportada por el controlador de carga o regulador, será como máximo la intensidad de cortocircuito de los módulos multiplicado por el número de módulos o paneles en paralelo, no obstante también es recomendable que la corriente máxima del regulador sea como mínimo de un 20% superior a la máxima corriente nominal del sistema [6].
Figura 7. Grafica (P vs V) comparativa entre una modelo ideal y los datos tomados en Villa Marina [Autor].
Como se puede apreciar en la gráfica 7 y 8, las curvas que representan los datos tomados en Villa marina, comprueban que el sistema fotovoltaico no está generando su capacidad máxima tanto de corriente como de potencia esto se debe al cambio variado en la irradiación el cual es proporcional a las horas de brillo solar que hay en lugar, esto genera que las curvas de potencia y corriente entregada por el panel varíen, siendo así el efecto de irradiación el más importante a tener en cuenta en el estudio previo que se haga a un área donde se implementen los módulos fotovoltaicos.
𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑝𝑝 × 𝐼𝑠𝑐 × 1.2 (13)
Dónde: Imax: Intensidad máxima a soportar en régimen nominal por el regulador. 𝐼𝑠𝑐: Corriente de cortocircuito.
3. Resultados
3.1 Aerogenerador.
Con la implementación del sistema de adquisición de datos utilizando la tarjeta Arduino, conectada al aerogenerador y al módulo fotovoltaico instalado en Villa marina se extrajo una data técnica. Con ella se simulo mediante el programa MATLAB el modelo matemático adaptado a un algoritmo o lenguaje para lograr representar una gráfica donde se
Con los datos obtenidos sobre las velocidades del viento, y con las ecuaciones mencionadas anteriormente se logra determinar gráficamente cuanto es la potencia que es entregada realmente por el viento a diferentes velocidades en un lugar como Villa Marina así como la potencia disponible por parte del aerogenerador (ver figura 8). 6
Beltran Z Carlos Andres 1 , Riaño J Cristhian Ivan 2 , Flórez S Elkin / caracterización del consumo energético para sistemas de baja potencia alimentados con energía renovable (solar-eólica). eólico, es muy poco y llega a variar demasiado; de los datos que se extrajeron, se evidencio que el máximo valor de voltaje entregado fue de apenas 7.4 V, un valor que no se mantiene constante y que no alcanza a ser suficiente para que los acumuladores puedan recargarse. Uno de los principales problemas que están relacionados con la generación de energía por parte de un aerogenerador es la disponibilidad de vientos fuertes que permitan que este equipo genere grandes cantidades de voltaje haciéndolo uno de los elementos de generación de energía limpia menos rentable sin embargo pueden estos problemas de abastecimiento de energía mitigarse implementando diseños eficientes considerando la disponibilidad del recurso eólico del lugar. La caracterización de un sistema de producción de cualquier recurso es una herramienta de estudio esencial y de gran relevancia en la implementación de estos elementos o equipos. Con ello no solo se pueden crear hipótesis basadas en supuestos y situaciones que se pueden llegar a presentar en dichos lugares donde se implementen; si no que además pueden ayudar a crear planes para la prevención para posibles problemas implícitos en el periodo de generación de energía o estados de no carga.
Figura 8. Grafica (I vs V) comparativa entre una modelo ideal y los datos tomados en Villa Marina [Autor]
Como se puede observar en esta grafica la potencia disponible del viento máxima del lugar se da cuando la velocidad del viento es de 4.5 m/sg y su valor es de aproximadamente 54 Watts, sin embargo debido a la altura y al lugar donde se encuentra el aerogenerador son pocos los instantes en el día donde el viento logra alcanzar dicha velocidad o una aún más alta. Por otro lado la gráfica de la potencia producida por la turbina teniendo en cuenta que las velocidades del viento varían de 0 a 4.5 m/s máximo y que el coeficiente de potencia es de 0.5926 respectivamente; la potencia máxima que se obtendría por parte del aerogenerador es de 35 watts.
Referencias [1] Elver Amesquita González, Wilson Vargas Yara, “Implementación de un sistema híbrido eólico-solar para suplir la demanda energética de una cabaña en la granja experimental villa marina”, Universidad de Pamplona, pp. 10, 56, 57. 2013.
4. Conclusiones Sin duda alguna instalar elementos de control y de adquisición de datos en un sistema hibrido, pueden llegar a convertirse en una herramienta útil para la caracterización tanto de un módulo fotovoltaico como de un aerogenerador, debido a que permiten la captura en tiempo real, bajo cualquier tipo de condiciones; además de que la toma de datos es precisa y permite guardar grandes cantidades de información para generar históricos con los cuales se pueden predecir muchos más eventos y bajo que parámetros se dan.
[2] Arduino.cc. (18 de marzo de 2014). “Arduino MEGA board” [online] Obtenido de http://arduino.cc/es/Main/arduinoboardmega [3] Muthu, N. P. “Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink”. Article, department of Electrical & Electronics Engineering, tamilnadu ICEES. 2011.
Con los datos obtenidos por la tarjeta Arduino Mega, en la adquisición de una data de voltaje, se observa que el aporte por parte del aerogenerador instalado en Villa Marina incluso en las horas de mayor obtención del recurso 7
[4] Ferichola, J. F. “Caracterización de módulos fotovoltaicos con dispositivo portátil”. Madrid. 2012. [5] Mirez Tarrillo, J. L. “Simulación de una Microgrid de Voltaje Continuo/Alterno Alimentado con Fuentes Solar”, Lima - Peru. 2011. [6] Grahill, M. (2013). Componentes de una instalación solar fotovoltaica. México. [7] Serrano rico j.c., m. C. “Análisis de las características del viento y potencial de energía eólica para cúcuta – colombia”, pp 18. 2007.
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