1 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA “DISEÑO DE FAROLAS SOLARES PARA SISTEMA DE ILUMINACIÓN EXTERNA” (CASO PRÁCTICO: UNIVERSIDAD DON BOSCO) TRABAJO DE GRADUACIÓN PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTADO POR: MANUEL ALEJANDRO GONZALEZ ORTIZ ASESOR ING. MOISES GUERRA 22 DE OCTUBRE 2010 EL SALVADOR , CENTROAMERICA 2 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA EVALUACION DEL TRABAJO DE GRADUACION “DISEÑO DE FAROLAS SOLARES PARA SISTEMA DE ILUMINACIÓN EXTERNA” (CASO PRÁCTICO: UNIVERSIDAD DON BOSCO) ING. ANSELMO VALDIZON ING. MOISES GUERRA LECTOR ASESOR ING. ERICK BLANCO ADMINISTRADOR DEL PROCESO 3 UNIVERSIDAD DON BOSCO RECTOR ING. FEDERICO MIGUEL HUGUET RIVERA SECRETARIO GENERAL ING. YESENIA XIOMARA MARTINEZ DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA ING. ERNESTO GODOFREDO GIRON ASESOR ING. MOISES GUERRA LECTOR ING. ANSELMO VALDIZON ADMINISTRADOR ING. ERICK BLANCO 4 INDICE INTRODUCCION. ........................................................................................ 11 CAPITULO I. .....................................................................................................12 1. MARCO REFERENCIAL DEL PROYECTO DE FAROLA SOLAR. ..............12 1.1 Antecedentes de los sistemas Fotovoltaicos.......................................... 12 1.2 Definición del Tema del Trabajo de Graduación. .................................. 18 1.3 Objetivos. .............................................................................................. 19 1.4 Importancia y Justificación. ................................................................... 19 1.5 Marco Teórico y Práctico........................................................................ 20 1.6 Alcances................................................................................................ 28 1.7 Limitaciones ........................................................................................... 28 1.8 Metodología y Técnicas de Investigación............................................... 29 1.8.1 Consulta .......................................................................................29 1.8.2 Investigación de Campo ................................................................29 1.8.3 Técnicas de Investigación ............................................................29 2. UNIVERSIDAD DON BOSCO Y CRECIMIENTO ENERGETICO. ...............30 2.1 Antecedentes de la Universidad Don Bosco. ......................................... 30 2.1.1 Descripción geográfica e infraestructura. ......................................30 2.2 Historial del consumo Energía Eléctrica................................................. 32 2.2.1 Investigaciones de consumo de energía eléctrica en la Universidad Don Bosco. .........................................................................32 2.2.2 Demanda Porcentual de Consumo de Energía Eléctrica por Rubro en Ciudadela Don Bosco. ............................................................33 2.3 Promedio de incremento de consumo de energía eléctrica para el periodo de abril 1999 hasta Noviembre del 2006................................. 35 2.4 Demanda Estimada Total diaria de la Universidad Don Bosco............. 38 2.5 Demanda Actual de Consumo Electrico (Kwh/mes) en la Universidad Don Bosco........................................................................ 39 2.7 Descripción de la Facturación Eléctrica. ............................................... 44 2.8 Tarifa Aplicada a la Universidad Don Bosco por el consumo eléctrico................................................................................................ 46 2.9 Objeto de Estudio................................................................................... 49 5 CAPITULO III ....................................................................................................50 3. PROCESO DE DISEÑO Y COMPONENTES DE UNA FAROLA SOLAR. ...50 3.1 Características Ambientales para la Farola Solar en la Universidad Don Bosco..............................................................................................51 3.2 Información para el dimensionamiento de la farola solar. ...................... 51 3.2.1 Energía Solar Directa. ...................................................................51 3.2.2 Sistemas Fotovoltaicos..................................................................52 3.2.3 Insolación Máxima Hora- Pico......................................................52 3.2.4 Ubicación de la Farola Solar. Orientación e inclinación................53 3.2.5 El Watt-Hora..................................................................................54 3.2.6 Voltaje de Trabajo. ........................................................................54 3.2.7 Selección de Luminaria. ................................................................55 3.3 Alumbrado Exterior en Universidad Don Bosco con Farola solar autónoma. ............................................................................................ 57 3.3.1 Niveles de iluminación...................................................................59 3.3.2 Características del lugar de instalación. ........................................59 3.3.3 Construcción de un Módulo Fotovoltaico.......................................60 3.3.4 Baterías solares.............................................................................62 3.3.5 Controlador de Carga. ..................................................................63 3.3.6 Herrajes........................................................................................63 3.4 Propuesta de la Farola Solar a utilizar en la Universidad Don Bosco. .................................................................................................. 64 3.5 Descripción de los componentes de la farola solar. ............................... 71 3.6 Pasos para la instalación de la propuesta de Farola Solar Fotovoltaica (FLUJOGRAMA).............................................................. 72 3.7 Memoria de Cálculo para Farola Solar................................................... 75 3.7.1 Consumo de Energía de Luminaria Led Seleccionada. ...................... 75 3.7.2 Dimensionado del panel solar. ......................................................78 3.7.3 Dimensionado de batería. .............................................................79 3.7.4 Dimensionado del regulador de carga.........................................80 3.7.5 Dimensionado de los conductores................................................81 3.7.6 Utilización de PLC como controlador de tiempo de uso. ...............82 6 CAPITULO IV....................................................................................................84 4. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO DE FAROLA SOLAR.........84 4.1 Determinación del número de Farolas Solares Fotovoltaicas a utilizar................................................................................................... 84 4.2 Alternativas de solución para efectuar la evaluación económica de la propuesta de Farola Solar Fotovoltaica............................................ 92 4.2 Calculo de Costos para la propuesta de Farolas Solares para el sistema de iluminación exterior de la Universidad Don Bosco............. 98 RECOMENDACIONES. ..................................................................................108 CONCLUSIONES. ..........................................................................................113 BIBLIOGRAFÍA. ..............................................................................................114 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Funcionamiento de una celda solar. ............................................. 13 Figura 2. Ubicación de las celda solar en un panel o modulo solar. ........... 15 Figura 3. Descripción de panel solar fotovoltaico......................................... 15 Figura 4. Lámparas compacta...................................................................... 25 Figura 5. Tipos de lamparas Led.................................................................. 27 Figura 6: Instalaciones del campus universitario. ........................................ 32 Figura 7. Porcentaje del consumo de energía eléctrica para Ciudadela Don Bosco para el año 2000................................................................ 34 Figura 8 : Demanda del consumo de energia electrica para el periodo de abril/99 hasta marzo/00................................................................... 35 Figura 9. Demanda del consumo de energia electrica para el año 2006..................................................................................................... 36 Figura 10. Demanda de energia electrica para un dia laboral en el año 2006. ................................................................................................... 38 Figura 11. Detalle de consumo electrico. Demanda de potencia en el tiempo. ................................................................................................. 40 7 Detalle del consumo del mes de Octubre/2009.....................................41 Figura 12. Demanda de energia electrica diaria para el mes de Octubre/2009. ...................................................................................... 42 Figura 13. Demanda de energia electrica diaria para el mes de Diciembre/2009.................................................................................... 43 Figura 14. Comportamiento de la demanda de potencia diaria para marzo/ 2010. ........................................................................................ 44 Figura 15 .Comportamiento de Tarifas establecidas por SIGET para la distribuidora eléctrica CAESS. ............................................................. 48 Figura 16 .Grafico de Horas Pico Solares................................................... 51 Figura 17 Posicionamiento de Luminaria en estructura para iluminación de exterior. ........................................................................ 53 Figura 18. Posicionamiento , inclinacion y ubicación del sol en las dos estaciones de El Salvador................................................................... 54 Figura 19. Funcionamiento del sistema fotovoltaico en un día. .................. 58 Figura 20. Componentes del Sistema Fotovoltaico propuesto..................... 59 Figura 21. Modelo de PLC LOGO 12/24RC................................................. 83 Figura 22. Lógica de programación interna del PLC. ................................... 84 Figura 23. Parqueo de Estudiantes Frente a Magna C................................ 85 Figura 24. Corredor de acceso entre edificio de Ortopedia y Magna C. ..... 86 Figura 25. Zona Verde entre edificio # 4 de Eléctrica y edificio # 5 . CITT ..................................................................................................... 86 Figura 26. Zona Verde entre edificio #3 de Electrónica y edificio #4 de Eléctrica ............................................................................................... 86 Figura 27. Parqueo de estudiantes frete a edifico #4 de Eléctrica. .............. 87 Figura 28. Calle de acceso a Parqueo de Profesores del edificio EX - SUM. .................................................................................................... 87 8 Figura 29. Construcción de nuevo edifico a un Costado del edificio de aulas C................................................................................................. 88 Figura 32. Ruta de acceso hacia salida peatonal Frente al cantón El Limón. .................................................................................................. 89 Figura 33. Área verde frente a edifico Ex - SUM.......................................... 90 Figura 34. Corredor de acceso hacia biblioteca frente a Capilla................. 90 INDICE DE TABLAS. Tabla 1. Cuadro Comparativo entre luminarias para exterior...................... 22 TABLA 2 . CENSO DE CARGAS EN EL PERIODO DE ABRIL 1999 Y MARZO 2000. ................................................................................... 35 TABLA 3: Censo de Cargas en el periodo de enero a noviembre del 2006..................................................................................................... 36 Tabla 4. Detalle de consumo electrico de la Universidad Don Bosco.(Octubre 2009 – Marzo 2010). .................................................. 39 Tabla 5 .Costos del consumo electrico del mes de Octubre/ 2009 de la Universidad Don Bosco........................................................................ 41 Tabla 6 .Costos del consumo electrico del mes de diciembre/2009 de la Universidad Don Bosco.................................................................... 42 Tabla 7 .Costos del consumo electrico del mes de marzo de la Universidad Don Bosco........................................................................ 43 TABLA 8. PLIEGO TARIFARIO DEL PERIODO COMPRENDIDO ENTRE EL 2003 Y EL 2010................................................................. 47 Tabla 9. Tarifa aplicada por la distribuidora CAESS a la Universidad Don Bosco. .......................................................................................... 48 Tabla 10. Cuadro comparativo para determinar el consumo de watts hora por luminaria. ............................................................................... 56 9 Tabla 11. Cuadro de datos para obtener el valor mínimo del panel solar fotovoltaico. ................................................................................. 79 Tabla 12. Cuadro de datos para obtener la capacidad de corriente de la batería. ............................................................................................. 80 Tabla 13. Parámetros Obtenidos utilizando el conductor TSJ 2x14 Phelps Dodge. ..................................................................................... 82 Tabla 14 Cuadro de datos para obtener el valor mínimo del panel solar fotovoltaico. ................................................................................. 92 Tabla 15. Cuadro de datos para obtener la capacidad de corriente de la batería. ............................................................................................. 93 Tabla 17. Cuadro de datos para obtener la capacidad de corriente de la batería. ............................................................................................. 95 Tabla 19. Cuadro de datos para obtener la capacidad de corriente de la batería. ............................................................................................. 96 Tabla 20 Comparación de costos de componentes fijos de la farola solar. .................................................................................................... 97 Tabla 21. Calculo de materiales para una farola solar. ............................. 98 Tabla 22. Calculo de materiales para una farola solar. .............................. 99 Tabla 23. Cuadro Comparativo por costos y consumo de luminarias. .....100 Tabla 24. Tasa promedio de aumento Anual. ..........................................102 Tabla 25. Costos Total de la inversión inicial por proyecto. .......................103 Tabla 26.Costo por Consumo anua para una luminaria de vapor de mercurio. ............................................................................................103 Tabla 27. Análisis Económico de las inversiones por luminaria. ................104 Tabla 28. Costo de la inversión inicial por luminarias. ...............................105 Tabla 29. Costo total anual por Consumo de energía para las luminarias de vapor de mercurio........................................................105 10 Tabla 30. Análisis Económico de las inversiones por luminaria. ................106 Tabla 31. Representación del valor económico en el tiempo.....................107 Tabla 32.Costo anual por consumo de potencia eléctrica de las 67 unidades de luminaria de vapor de mercurio y luminaria con tecnología Led. ..................................................................................108 Anexos Anexo 1. Cronograma de Actividades para el desarrollo del Diseño de Farolas Solares para sistema de iluminacion externa. Anexo 2. Pliego Tarifario de la Superintendencia General de Electricidad Telecomunicaciones para cada una de las empresas distribuidoras de energia electrica. Anexo 3. Hojas Técnicas de los componentes utilizados para la Farola Solar Fotovoltaica. Anexo 4. Cotización de Materiales. Anexo 5.Campus de la Universidad Don Bosco. Ubicación de las luminarias existentes y de la propuesta de Farolas Solares. Anexo 6. Datos Técnicos para Multiconductores Flexible TSJ. Anexo 7. Lineamientos de una planta productora de farolas solares para generar una empresa productiva y competitiva. 11 INTRODUCCION. Actualmente el costo de energía eléctrica en la Universidad Don Bosco se ha incrementado debido al incremento del pliego tarifario, por lo que se busca establecer acciones concretas para reducir los costos de la facturación eléctrica, una de las alternativas para el ahorro de energía eléctrica es la aplicación de la energía solar para la iluminación externa del campus. La farola solar fotovoltaica es un sistema autónomo de iluminación ya que genera la energía eléctrica que consume. Su funcionamiento es automático y está controlado por un controlador de tiempo que regule parámetros tales como: las horas de operación del sistema, voltaje de trabajo de la batería de uso solar a emplear, etc. No requiere de ningún tipo de interconexión con la red eléctrica convencional, por lo tanto es inmune a apagones del servicio eléctrico convencional y su costo de operación es nulo, su mantenimiento es mínimo, se pueden instalar prácticamente en cualquier lugar lo que las hace ideal para lugares alejado de las líneas eléctricas convencionales, de muy difícil acceso y ó nuevas instalaciones. El estudio de la propuesta de Farola Solar se fundamenta en la optimización de la iluminación externa debido a que actualmente se tiene una deficiencia en algunas aéreas del campus universitario. Por lo tanto, se requiere la instalación de luminarias para una mejor iluminación externa. La utilización de lámparas de vapor de mercurio genera un alto costo en el consumo de energía eléctrica, por lo que, la farola solar presenta una mejor opción a implementar, algunos beneficios de este tipo de proyectos con energía renovable es el ahorro en los costos de consumo de energía eléctrica y no genera contaminación al medio ambiente. 12 CAPITULO I. 1. MARCO REFERENCIAL DEL PROYECTO DE FAROLA SOLAR. 1.1 Antecedentes de los sistemas Fotovoltaicos. Con la expansión en infraestructura de la Universidad y el aumento en la instalación de iluminación exterior, el gasto de energía eléctrica se ha incrementado, por lo que se busca establecer el uso de farolas solares para reducir los gastos de energía. Se hará el estudio de viabilidad de autogenerar energía eléctrica mediante el uso de sistemas solares fotovoltaicos para la iluminación externa de la Universidad Don Bosco. Los sistemas fotovoltaicos utilizan la energía solar para transformarla directamente en electricidad, es decir, la conversión de una partícula luminosa con energía (fotón) en una energía electromotriz (voltaica)1. Dichos sistemas pueden ser utilizados en toda circunstancia en que se requieran como una fuente de electricidad y exista disponibilidad de radiación solar, es decir, en cualquier zona geográfica. Son, generalmente, utilizados en lugares remotos, donde no existe factibilidad técnica, o resulta económicamente costoso abastecerse de electricidad desde una empresa generadora o distribuidora de electricidad. Los sistemas fotovoltaicos están siendo cada vez más utilizados como fuente energética complementaria o como única fuente de energía, para abastecer de electricidad a hogares, construcciones y para distintos usos en distintos sectores industriales y residenciales. Así, los sistemas fotovoltaicos pueden ser utilizados para señalización nocturna en cruces ferroviarios o de tránsito, para la extracción de agua de pozos profundos, para usos médicos, electrificación de alambrados, iluminación pública, para abastecer de corriente 1 http://es.wikipedia.org 13 a estaciones repetidoras de telecomunicaciones en lugares remotos, entre otros múltiples usos. El funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos es basado en la captación del los rayos solares lo cual se logra mediante celdas fotovoltaicas conocidas popularmente como “paneles solares” o “celdas solares”. Figura 1. Funcionamiento de una celda solar. La figura 1 es la estructura básica de los paneles solares que está constituida por dos semiconductores ubicados uno frente a otro. El proceso comienza cuando los rayos del sol traspasan la cubierta protectora transparente resistente a impactos que cubren los paneles solares. Una vez que éstos entran en contacto con el semiconductor con carga negativa, ubicados en la parte superior de los paneles solares, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del semiconductor. Estos electrones son forzados, a través de un circuito externo, hacia el semiconductor positivo ubicado en la parte inferior de los paneles solares. En cuanto los electrones 14 entran en contacto con el semiconductor éstos son forzados nuevamente al semiconductor negativo; formando un flujo que genera la electricidad. Los sistemas fotovoltaicos son dimensionados a la medida de las necesidades de cada proyecto. Para generar la electricidad requerida es necesario formar un conjunto de paneles solares. Para ello, se construyen estructuras donde son interconectados paneles solares formando un “módulo solar”. A su vez varios de ellos son interconectados para conformar un “arreglo solar”. La corriente continua (CC) generada por los paneles solares se mueve a través de los módulos solares para almacenarse en baterías de ciclo profundo. Éstas tienen la finalidad de acumular la corriente generada por los paneles solares y suministrarla cuando sea requerida bajo todo tipo de condiciones. Los sistemas fotovoltaicos están dotados con un regulador de voltaje ubicado entre los paneles solares y las baterías de ciclo profundo el cual evita que se produzcan sobrecargas de electricidad. Los sistemas fotovoltaicos generan “corriente continua” (CC). Sin embargo, el tipo de corriente utilizada por los electrodomésticos es “corriente alterna” (AC). Por ello, los sistemas fotovoltaicos vienen provistos de un inversor de voltaje, el cual permite transformar la electricidad generada por los paneles solares en corriente alterna que es la misma energía que se obtiene de la red pública tradicional y con la que funcionan la mayoría de los artefactos eléctricos. Funcionamiento de los paneles solares. Los paneles solares son el principal componente de los sistemas fotovoltaicos solares, están constituido por varias células iguales conectadas eléctricamente entre si, en serie y/o en paralelo (figura 2), de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. A continuación diseño de un panel solar: 15 Figura 2. Ubicación de las celda solar en un panel o modulo solar. Figura 3. Descripción de panel solar fotovoltaico. 16 El proceso de conversión de energía comienza cuando los rayos del sol chocan y son captados por las dos placas de silicio, u otro material conductor, uno de los cuales actúa con carga negativa (del tipo “n”) y el otro con carga positiva del tipo “p”. Una vez que los rayos son captados estos ionizan los átomos del silicio de las placas separando así las cargas positivas de las cargas negativas (electrones). Mientras las cargas positivas se desplazan hacia el terminal positivo los electrones se desplazan hacia el negativo. Al atraerse naturalmente las cargas, éstas son forzadas a desplazarse hacia el terminal opuesto a través del conductor que une ambas placas, generando así la generación de un ciclo continuo de generación de electricidad. La electricidad generada en las celdas o paneles solares se desplaza a través de cada panel solar y a través de los arreglos solares para ser utilizada por aparatos eléctricos o para ser almacenada para su uso posterior en una batería de ciclo profundo. Existen tres factores que determinan la capacidad de un panel solar para generar electricidad: 1) El material de las placas. 2) El tamaño del panel solar. 3) El nivel de insolación o intensidad de la luz del sol al que este expuesto el panel solar. Los paneles solares construidos en base a silicio del tipo monocristalino tienen una eficiencia de conversión de energía solar a electricidad que varía entre un 13% y 16% pudiendo incluso llegar a alcanzar un 25% de eficiencia. En el caso de de los paneles solares construidos en silicio policristalino la eficiencia de conversión es menor al 20%. Finalmente, la capacidad que tenga un panel solar en generar electricidad es directamente proporcional a la dimensión del panel solar y directamente proporcional a la intensidad de insolación o luz solar donde se instale el módulo solar. 17 En general, una celda solar de silicio monocristalino de 1 dm2 produce aproximadamente 0.5 voltios. Esto equivale a generar anualmente entre 80 y 150 kWh; dependiendo de la zona geográfica donde se instale el panel solar. Para mejorar el potencial de generación de energía de un panel solar es mantener la superficie del panel solar libre de polvo y otros elementos que puedan interferir con la entrada de los rayos del sol en el panel. La labor de mantenimiento es simple y basta con mojar las celdas con agua y/o pasar un paño seco sobre la superficie del panel solar. Las labores de mantenimiento de un panel solar son particularmente recomendables previo al invierno para asegurar la máxima eficiencia en la captación de los rayos solares. Desde un punto de vista más técnico, la capacidad de generación de energía de un panel solar es mayor mientras más expuesto esté a la energía solar y que el ángulo en que chocan los rayos del sol sobre el módulo solar sea lo más perpendicular posible. Por ello, para incrementar la efectividad de captación de los rayos solares es posible dotar al módulo solar con un mecanismo que le permita seguir el movimiento del sol captando así los rayos solares en todo momento. El principal problema al que se exponen los paneles solares son los efectos dañinos que puede provocar el agua en los paneles, conexiones y sellos. Para evitar potenciales daños se deben seguir tres simples acciones para asegurar un buen funcionamiento de los paneles solares: 1) Instale los paneles solares con cierta inclinación, nunca horizontal. Esto permite que el agua escurra por la gradiente y no se acumule sobre los módulos solares. 2) Asegúrese que exista un espacio de libre circulación de aire debajo de los paneles solares. 3) Mantenga los paneles solares secos y limpios. Para ellos basta pasar un paño limpio y seco sobre los módulos solares. En caso de detectarse fisuras en el marco que rodea un panel solar puede sellarlo con silicona. 18 Utilización de los paneles solares y arreglos solares. Los paneles solares son dispositivos diseñados para captar la energía solar y convertirla en energía eléctrica para ser utilizada por distintos aparatos electrónicos. Así, por ejemplo, es factible encontrar calculadoras, relojes, computadores portátiles, celulares e incluso autos que funcionan gracias a la electricidad generada por los paneles solares. Tradicionalmente, los paneles solares han sido utilizados para proveer electricidad a lugares remotos donde el costo de proveer de electricidad desde una compañía de distribución eléctrica resulta demasiado caro. Adicionalmente, desde sus inicios, los paneles solares han sido utilizados como alternativa para proveer de energía eléctrica a viviendas y construcciones. Dado el escenario energético actual, la energía solar se ha posicionado entre las principales fuentes renovables de energía por lo que su instalación en casas y otras construcciones ha crecido en forma exponencial a nivel mundial El uso de paneles solares en distintos sectores es ilimitado. En la actualidad es factible encontrar soluciones en base a energía solar en áreas tan diversas como: a) Iluminación solar autónoma en lugares remotos. b) Señalización de tránsito. c) Cercos eléctricos para uso agrícola para el control y seguridad de ganado. d) Señalización nocturna y de apoyo para la navegación (faros y boyas). 1.2 Definición del Tema del Trabajo de Graduación. “Diseño de farolas solares para sistemas de iluminación externa”. (Caso práctico: Universidad Don Bosco) 19 1.3 Objetivos. Objetivo General Diseñar y evaluar la viabilidad técnica-económica del uso de farolas solares para la iluminación exterior en zonas faltas de luz. (Caso práctico Universidad Don Bosco) Objetivos Específicos I. Diseñar el sistema de distribución fotovoltaico independiente en las áreas necesitadas de iluminación. II. Diseñar el sistema de iluminación exterior. III. Desarrollar la evaluación financiera del proyecto. IV. Elaboración de un artículo técnico del Diseño de Farolas Solares para la Iluminación Exterior. 1.4 Importancia y Justificación. Importancia. I. Proyección hacia la viabilidad de producción empresarial de farolas solares como equipo de diseño propio que pueda utilizarse como iluminación externa. II. Innovación en el diseño de control autónomo para iluminación externa. III. Diseñar un prototipo de luminaria externa controlada por energía fotovoltaica como base fundamental para procesos de producción de este tipo de equipos. IV. Utilización de tecnologías nuevas para la iluminación externa, dando como resultado un ahorro en el consumo energético. 20 Justificación. I. Actualmente no se ha realizado un estudio del uso de paneles solares para iluminación exterior en la Universidad Don Bosco. II. La energía solar es una fuente de energía renovable; una fuente de energía inagotable y sustentable en el tiempo. Adicionalmente, al ser la energía solar una fuente de energía limpia, no emite contaminantes al medio ambiente. Producto de la sobreexplotación de los recursos no renovables, y la preocupación por las externalidades que ellas generan como lo es efecto invernadero y el avance del sobrecalentamiento global, por lo que en la actualidad muchas empresas estudian la factibilidad de implementarla en beneficio del medio ambiente y beneficios económicos. III. Las características de los sistemas fotovoltaicos que son de un voltaje de alimentación muy bajo haciéndolo un sistema mucho mas seguro y de fácil mantenimiento. IV. El resultado de la utilización de la tecnología led es un 75 % de ahorro en el consumo de energía eléctrica. 1.5 Marco Teórico y Práctico. En el alumbrado de exteriores, el requerimiento de energía eléctrica se produce en horas donde falta la luz natural. Por ello, la generación fotovoltaica resulta muy adecuada, pues evita la dependencia de la red eléctrica convencional y tanto su generación como su consumo se adaptan perfectamente al ciclo solar: mientras que por el día se genera y almacena la energía, por la noche se utiliza. Para realizar estas instalaciones existen dos opciones: I. Centralizar la captación y acumulación. 21 II. Los puntos de luz tengan autonomía propia. Cada una de las opciones expuestas resultan adecuadas a determinadas circunstancias y cuentan con unas características diferenciadas que a continuación se exponen: CENTRALIZADA AUTÓNOMA Requiere de gran espacio para situar el sistema de captación y acumulación que reúna las condiciones idóneas de insolación. Al incorporar generación y consumo, todo el sistema viene en la misma unidad. Deben realizarse canalizaciones para el paso de tubos y cables. El dimensionado del soporte y su cimentación, deben tener en cuenta que hay una superficie mucho mayor expuesta a la fuerza del viento. Una avería puede provocar el fallo de toda la instalación. El fallo en un punto de luz no afecta al resto, pues son independientes. La ampliación de la instalación puede requerir de espacios adicionales dedicados, así como la sustitución de elementos (captadores, baterías) por otros de mayor potencia. No existen problemas para ampliar la cobertura de la red. No obstante, la potencia de las lámparas no puede ser muy elevada (hasta 50 W), pues mayores potencias requerirían de un sistema de captación con dimensiones y precios excesivos. 22 Tabla 1. Cuadro Comparativo entre luminarias para exterior. Eficiencia Luminosa La eficacia luminosa, relación entre el número de lúmenes que produce una lámpara y el número de vatios que consume, la característica de las lámparas más importante a la hora de la elección. Características de la Iluminación solar para exterior. Existen equipos en el mercado capaces de funcionar sin problemas durante una o varias noches y de recargarse totalmente durante el día con cualquier tiempo atmosférico (nublado o soleado). Aparte de la funcionabilidad existen otros aspectos a considerar para garantizar la adecuación del equipo y su durabilidad. Entre los factores a considerar, son fundamentales: 1) Resistencia a los rayos UV – En caso de utilización de materiales plásticos en la fabricación, estos deben ser estables a la acción de los rayos ultravioletas. Los rayos ultravioletas son componente de la radiación natural del Sol que puede debilitar las estructuras plásticas hasta hacerlas opacas y quebradizas. Existen plásticos capaces de resistir a los rayos UV, cuyo empleo debe exigirse. De no resistir los rayos ultravioletas la luminaria se rompería y quedaría inutilizada en cuestión de meses. 2) Impermeabilidad – La carcasa externa del equipo ha de ser impermeable para evitar que el agua de lluvias alcance los circuitos electrónicos y los inutilice arruinando el equipo. 3) Resistencia a las altas y a las bajas temperaturas – El equipo ha de ser capaz de funcionar y de demostrar estabilidad 23 mecánica tanto en condiciones de altas como de bajas temperaturas. En periodos cálidos el pavimento de color negro puede alcanzar temperaturas de hasta 70 o más grados centígrados. En invierno y por la noche la temperatura puede también descender a varios grados bajo cero, dependiendo de la zona climatológica. El proceso repetido de dilatación por el calor y contracción por el frió puede acabar debilitando una estructura no preparada para soportar estos cambios. También un factor a tener en cuenta es la estabilidad del acumulador ante las bajas temperaturas. Las baterías a base de ácidos pueden llegar a congelarse y a arruinarse. Esto depende de la temperatura mínima que se alcance y del nivel de carga que tenga la batería en ese momento. Cuanta más carga tenga la batería más bajo será su punto de congelación. Lamentablemente el momento en el que la temperatura ambiente y el punto de carga de la batería son más bajos coinciden poco antes del amanecer. En cualquier caso el fabricante debe especificar claramente los parámetros de temperaturas en los que el equipo es capaz de trabajar. Tipos de lámparas de bajo consumo. Las nuevas tendencias a nivel mundial señalan que la calidad de vida futura dependerá de la capacidad humana para aprovechar mejor los recursos que le son dados. Dentro de este marco, el ahorro de energía es una preocupación global que no debería ser ignorada. Hace más de una década que las lámparas de Bajo Consumo irrumpieron en la escena del mercado eléctrico, y aún hoy continúan incorporando nuevas tecnologías para ofrecer el mejor rendimiento, sin dejar de tomar en cuenta el ahorro energético y el diseño. 24 En el estudio de farola solar se evaluaron 2 tipos de lámparas de bajo consumo. Los que se presentan a continuación: a) Lámpara compacta fluorescente o CFL. La lámpara compacta fluorescente o CFL (sigla del inglés compact fluorescent lamp) es un tipo de lámpara fluorescente que se puede usar con casquillos de rosca Edison normal (E27) o pequeña (E14). También se la conoce como: Ø Lámpara ahorradora de energía. Ø Lámpara de luz fría. Ø Lámpara de bajo consumo. Ø Bombilla de bajo consumo. 25 Figura 4. Lámparas compacta 2 En comparación con las lámparas incandescentes (figura 4), las CFL tienen una vida útil mayor y consumen menos energía eléctrica para producir la misma iluminación. Las lámparas fluorescentes utilizan entre 60% y 80% menos de electricidad que las incandescentes. Las CFL tienen una duración media de unas 8000 horas de funcionamiento. La duración media de una lámpara incandescente está entre 500 y 2000 horas de funcionamiento dependiendo de su exposición a picos de tensión y a golpes y vibraciones mecánicas, además de la calidad de la propia lámpara. Esto mejora en los nuevos modelos. Las CFL consumen aproximadamente una cuarta parte de la potencia de las incandescentes. Por ejemplo, una CFL de 15 W produce la misma luminosidad que una incandescente de 60 W, es decir, que el rendimiento luminoso de la CFL es de aproximadamente 60 lúmenes/W. Las CFL en vez de tener un filamento que se calienta con la electricidad y eso produce luz, como sucede en las incandescentes, las lámparas fluorescentes tienen dos partes importantes: un tubo relleno de gas con un balastro electrónico o magnético. Al presionar el botón de encendido, la energía eléctrica del balastro pasa a través del gas causando que este emita luz ultravioleta. Esa luz excita la capa de fósforo que hay dentro del tubo, que es el que emite la luz visible. Presentadas mundialmente a principios de los años ochenta, las ventas de las lámparas CFL se han incrementado constantemente debido a las mejoras en su funcionamiento y la reducción de sus precios. El más importante avance en la tecnología de las lámparas fluorescentes (incluidas las CFL) ha sido el reemplazo de los balastos magnéticos o cebadores (transformadores usados para su encendido) por los del tipo electrónico. Este reemplazo ha 2 http://www.afinidadelectrica.com.ar 26 permitido la eliminación del efecto de "parpadeo" y del lento encendido tradicionalmente asociados a la iluminación fluorescente, así como un ahorro de peso de la propia lámpara. Las lámparas compactas fluorescentes utilizan un 80% menos de energía (debido principalmente a que producen mucho menos calor) y pueden durar hasta 12 veces más, ahorrando así dinero en la factura eléctrica. Este porcentaje mejora con cada nuevo modelo. Las lámparas CFL se fabrican para uso con corriente alterna y con corriente continua. Estas últimas suelen usarse para la iluminación interna de las caravanas (casas rodantes) y en luminarias activadas por energía solar. En algunos países, se suelen usar estas últimas como reemplazo de las linternas a base de queroseno. b) Lámpara LED. El Diodo emisor de luz, también conocido como LED (acrónimo del inglés de Light-Emitting Diode) emite luz con un consumo muy inferior y tiene una duración mucho mayor que los de las lámparas incandescentes y otras de bajo consumo. Con 8 horas al día en funcionamiento duraría 25 años el módulo de Leds. 27 Figur a 5. Tipos de lamparas Led. 3 Principales ventajas de la tecnología LED. 1. 80-90% más eficacia: consume un 80-90% menos electricidad que una bombilla corriente de similares características. 2. Larga vida: La vida media de una lámpara LED es de 100.000 horas, frente a las 1000 de una bombilla estándar. Esto supone 35 años a 8 horas diarias de uso. 3. Ecológicas: No contienen tungsteno como las bombillas normales, ni mercurio como la iluminación fluorescente, son reciclables y cumplen con la normativa europea de sustancias contaminantes. 4. No emiten calor: A diferencia de una bombilla estándar, la tecnología LED no desperdicia energía en crear calor, lo cual permite instalar luz en sitios muy complejos, con poco espacio o en sitios enemigos de calor. 3 http://www.salobre.net 28 5. Sin mantenimiento: Al tener una vida larga, los productos LED no necesitan ningún mantenimiento. Esto es especialmente importante en entornos en el que es difícil o complicado cambiar bombillas o llevar a cabo mantenimiento. 1.6 Alcances. I. Diseñar un modelo de iluminación externa cuya fuente de energía sea un panel solar independiente, que permita autogenerar energía eléctrica. II. Formular una evaluación económica para conocer la rentabilidad del uso de paneles solares para iluminación exterior. Y costo beneficio para cualquier sector interesado en instalar este tipo de luminarias. III. Conocimiento técnico-económico para la toma de decisión y puesta en marcha del proyecto respectivo. 1.7 Limitaciones Se diseñara un prototipo de farola solar en base a las necesidades: De Sector Ø El diseño para la iluminación externa con el uso de paneles solares se realizara en la Universidad Don Bosco. Económica Ø Se cuenta con los recursos económicos únicamente de la Universidad Don Bosco. Tiempo Ø El tiempo de estudio para el diseño de farolas solares se distribuirá en un periodo de 7 meses. Implementación 29 Ø La Universidad Don Bosco será la responsable de los costos que incurra con el diseño de panel solar para la iluminación exterior propuesto y su implementación. 1.8 Metodología y Técnicas de Investigación. El proyecto de diseño de farolas solares se desarrollara de la siguiente forma: 1.8.1 Consulta Medios utilizados para obtención de información: Fuentes de Primarias. Ø Ingenieros electricistas y encargados administrativos de la Universidad Don Bosco. Ø Personal con conocimientos en instalaciones solares, profesores y técnicos. Fuentes Secundarias. Ø Consulta Bibliográfica: Tesis, Internet, Libros. 1.8.2 Investigación de Campo Se realizará un diagnóstico de la situación actual mediante visitas de campo para analizar las áreas que requieren iluminación de acuerdo a esto elaborar la solución más factible, mediante el uso de paneles solares. 1.8.3 Técnicas de Investigación Se hará uso de distintas herramientas para la obtención de información, que a continuación se detallan: a) Cálculos para las especificaciones técnicas de lámparas para iluminación con paneles solares. 30 b) Evaluación de los diseños de faroles solares que logren los objetivos definidos. c) Informe técnico. CAPITULO II 2. UNIVERSIDAD DON BOSCO Y CRECIMIENTO ENERGETICO. 2.1 Antecedentes de la Universidad Don Bosco. 2.1.1 Descripción geográfica e infraestructura. La Universidad Don Bosco se ubica geográficamente en el municipio de Soyapango, departamento de San Salvador, uno de los núcleos industriales más importante del país y sector de rápido crecimiento poblacional. Integrada al complejo educativo pastoral denominado “Ciudadela Don Bosco”, obra que se extiende en un área de 33 manzanas y que es dirigida por los Salesianos de Don Bosco; la Universidad busca ser parte del esfuerzo de promoción humana, cristiana y social que se realiza de manera conjunta a través de los diversos sectores que componen la obra, entre ellos: el Centro de Formación Profesional (CFP), el Oratorio Centro Juvenil Salesiano. El Colegio Don Bosco, la Parroquia San Juan Bosco y la Universidad Don Bosco de la 31 cual forma parte el Centro de Investigaciones y Transferencia de Tecnología (CITT). La infraestructura del Campus universitario está conformada por: 1) Edificio de Rectoría. 2) Edificio de aulas A. 3) Edificio de aulas B. 4) Edificio de aulas C 5) Magna A. 6) Magna B. 7) Magna C. 8) Taller de Electrónica 9) Taller de Eléctrica 10) Taller de Meteorología 11) Edificio de Cómputo. 12) Taller de Mecánica 13) Un edificio para maestría y laboratorio de comunicaciones. 14) El edificio de la Biblioteca Rafael Meza Ayau. 15) La Capilla Universitaria. 16) El edificio de Usos Múltiples y Cafetería. 17) Las áreas deportivas. 18) Extensos espacios de área verde. 19) Parqueo con capacidad para más de 580 automóviles. 20) Ortesis y Prótesis Se ha finalizado en el año 2010 la construcción de un nuevo edificio y se han mejorado algunos caminos para fácil acceso, reforestando mejor los lugares existentes y el traslado de la biblioteca a un nuevo edificio. Mapa del Campus de la universidad Don Bosco. 32 Figura 6: Instalaciones del campus universitario. 4 2.2 Historial del consumo Energía Eléctrica. 2.2.1 Investigaciones de consumo de energía eléctrica en la Universidad Don Bosco. Basados en los censos de carga de estudios previos realizados a partir del año 2000, de las investigaciones se obtienen los resultados siguientes: 1. Año 2000: El primer registro de censo de carga encontrado es la Tesis “Estudio para el Uso Eficiente de la Energía Eléctrica en la Ciudadela Don Bosco” Septiembre de 2000, el cual consistió en la elaboración de un censo de carga e identificación de las cargas críticas dentro de la Ciudadela. Como punto relevante durante el periodo abril de 1999 a febrero del 2000, el comportamiento de energía de la Ciudadela presentaba una demanda de arrastre mucho mayor que la demanda real de consumo. Es decir, se estaba pagando por energía no utilizada o costo por arrastre, el cual considera el promedio de los dos consumos máximos de potencia en periodo de horas de puntas, y éste 4 Fuente: Portal de la Universidad Don Bosco. http://www.udb.edu.sv 33 resultado es cobrado durante el resto de los siguientes meses fuera de punta. 2. Año 2006 : El segundo censo de carga fue realizado con la Tesis “Diseño y Propuesta de Un Sistema Inteligente de Generación de Energía Eléctrica por Medio de Módulos Fotovoltaicos con Capacidad de Conexión en Paralelo al Circuito alimentador para ser Aplicado en el Edificio EX-SUM de la Universidad Don Bosco”. 3. Año 2007: El tercer censo de carga fue realizado en el año de 2007 con la tesis “Análisis Técnico - Económico del Comportamiento de Variables Eléctricas que Inciden en la Facturación y Consumo de Energía Eléctrica en el Centro de Investigaciones y Transferencia de Tecnología (CITT)”. Estudiando una de las posibilidades para reducir el consumo eléctrico, donde se determino que este era uno de los sectores con más demanda. 2.2.2 Demanda Porcentual de Consumo de Energía Eléctrica por Rubro en Ciudadela Don Bosco. 34 Figura 7. Porcentaje del consumo de energía eléctrica para Ciudadela Don Bosco para el año 2000.5 El ahorro energético es primordial para la universidad Don Bosco debido a la construcción de nuevos edificios y rutas de acceso para cubrir de una mejor manera la demanda de estudiantes, siendo obligatoria la instalación de luminarias por seguridad y comodidad, en el uso del campus universitario. Por lo tanto al tener el escenario anterior, el consumo de energía eléctrica crece. Al planificar un ahorro en cualquiera de estos rubros mencionados en la figura 7, para la reducción en dicho consumo de energía eléctrica, el rubro de iluminación es del 15.31% siendo un porcentaje considerable y una posibilidad de ahorro y eficiencia. 5 Fuente: Trabajo de Graduacion. “Estudio para el Uso Eficiente de la Energia en la Ciudadela Don Bosco, Septiembre 2000” 35 2.3 Promedio de incremento de consumo de energía eléctrica para el periodo de abril 1999 hasta Noviembre del 2006. Consumo de Energía Eléctrica para el periodo abril de 1999 a marzo del 2000. Potencia (kW) Valor monetario ($)/mes Abr-99 71040 320 312 8 $32,33 May-99 76680 324 324 0 $0,00 Jun-99 73680 324 288 36 $145,48 Jul-99 84120 336 336 0 $0,00 Ago-99 71760 336 336 0 $0,00 Sep-99 91200 360 360 0 $0,00 Oct-99 96600 360 336 24 $96,99 Nov-99 72120 360 312 48 $193,97 Dic-99 71400 360 252 108 $436,44 Ene-00 70920 360 240 120 $484,94 Feb-00 83760 360 312 48 $193,97 Mar-00 95640 336 336 0 $0,00 Promedio 79910 Total $1.584,13 Consumo total de energía (kWh/mes) Demanda de arrastre (kW) Demanda real (kW) Excedente Consumo de Energía Eléctrica en Ciudadela Don Bosco de Abril-1999 a Marzo -2000 Mes TABLA 2 . CENSO DE CARGAS EN EL PERIODO DE ABRIL 1999 Y MARZO 2000. 6 Grafico del Comportamiento de la demanda de energía eléctrica para el periodo de abril 1999 a Marzo del 2000. Figura 8 : Demanda del consumo de energia electrica para el periodo de abril/99 hasta marzo/00. 6 Fuente: Trabajo de Graduacion. “Estudio para el Uso Eficiente de la Energia en la Ciudadela Don Bosco, Septiembre 2000” 36 Consumo de Energía Eléctrica para el periodo de enero a Marzo del año 2006. Ene-06 56430 484 286 198 $958.30 Feb-06 93940 484 407 77 $372.67 Mar-06 112750 440 440 0 $0.00 Abr-06 120670 506 506 0 $0.00 May-06 98010 506 506 0 $0.00 Jun-06 103290 506 429 77 $372.67 Jul-06 113630 506 495 11 $53.24 Ago-06 110011 506 495 11 $53.24 Sep-06 137698 506 506 0 $0.00 Oct-06 122782 506 506 0 $0.00 Nov-06 101640 506 418 88 $425.91 Promedio 106441 Total $2,236.04 Consumo de Energía Eléctrica de Enero a Noviembre de 2006 Excedente Potencia (kW) Valor monetario ($/mes) Demanda Real (kW) Demanda de arrastre (kW) Consumo total de energía (kWh/mes) Mes TABLA 3: Censo de Cargas en el periodo de enero a noviembre del 2006. 7 Grafico del Comportamiento de la demanda de energía eléctrica para el periodo de ENERO A NOVIEMBRE DEL AÑO 2006. Figura 9. Demanda del consumo de energia electrica para el año 2006. 8 7 Fuente: Trabajo de Graduación. “Estudio para el Uso Eficiente de la Energía en la Ciudadela Don Bosco, Septiembre 2000”. 8 Fuente: Trabajo de Graduación. “ Diseño y Propuesta de Un Sistema Inteligente de Generación de Energía Eléctrica por Medio de Módulos Fotovoltaicos con Capacidad de Conexión en Paralelo al Circuito Alimentador para ser Aplicado en el Edificio EX -SUM de la Universidad Don Bosco”. 37 Comparación de la Potencia promedio. Tabla 2 y Tabla 3. Los periodos tiempo de estudio del consumo eléctrico son: v Periodo 1 : Desde Abril/99 hasta Marzo/00 Consumo Eléctrico: Potencia Promedio 79910 KWh/mes (Tabla 2). v Periodo 2 : Desde Enero/06 hasta Noviembre/06 Consumo Eléctrico: Potencia Promedio 106441 KWh/mes (Tabla 3). Como indicador de consumo de energía eléctrica, se utilizo la potencia promedio para explicar el porcentaje de consumo eléctrico. El Periodo 1 tiene un consumo de 79910 KWh/mes. El Periodo 2 tiene un consumo de 106441 KWh/mes, La diferencia entre estos dos periodos seria de 26531 KWh/mes. Al considerar como un 100% el consumo más alto que sería el periodo 2. Al aplicar la regla de tres simple obtenemos un porcentaje de 24.9% que representa el incremento en el consumo eléctrico entre ambos periodos. Comparación de la potencia real (KWh). Figura 8 y Figura 9. La Potencia real de consumo de energía eléctrica para el periodo 1 (figura 8) se encuentra entre el rango de los 200 KW hasta 400 KW. Para el Periodo 2 (figura 9) se encuentra entre el rango de los 300 KW hasta los 500 KW. Gráficamente se refleja que la potencia real consumida ha aumentado considerablemente. En un periodo muy corto de 6 años tiene mas del 100% de consumo de energía eléctrica del primer año, debido ha cambios en infraestructura, como lo es el salón de computo en el edifico B, distribución de cubículos de profesorado, nuevo edifico para biblioteca y salón de estudio, entre otros. 38 2.4 Demanda Estimada Total diaria de la Universidad Don Bosco. El comportamiento diario de consumo energético de la Universidad Don Bosco.se representa de la siguiente manera: DEMANDA TOTAL UDB (ESTIMADA) Figura 10. Demanda de energia electrica para un dia laboral en el año 2006. 9 Se observa (figura 10) un mayor consumo en tres intervalos de tiempo o etapas. Las etapas serian las siguientes : • Primera etapa 7am a 12 m • Segunda etapa 1pm a 6pm • Tercera etapa de 6pm a 8pm. La figura 10 en el horario vespertino (7am a 12 m) hay un mayor consumo que tiene un valor promedio de consumo de 400 Kwh, a medio dia (12m a 1 pm) se utiliza mas de la mitad del horario vespertino, con un valor de 250 9 Fuente> Trabajo de Graduación. “Diseño y Propuesta de Un Sistema Inteligente de Generación de Energía Eléctrica por Medio de Módulos Fotovoltaicos con Capacidad de Conexión en Paralelo al Circuito alimentador para ser Aplicado en el Edificio EX-SUM de la Universidad Don Bosco Año 2006. 39 Kwh. En el horario diurno (1pm a 6pm), se tiene un consumo de 375 Kwh y en el horiario nocturno (6pm a 8pm), un consumo de 300 Kwh. 2.5 Demanda Actual de Consumo Electrico (Kwh/mes) en la Universidad Don Bosco. Comportamiento Consumo Electrico para periodo desde octubre 2009 hasta Marzo 2010, tomando en cuenta los 3 rangos de facturacion que son : o Hora punta (18:00 – 22:59) o Hora valle (23:00- 4:59) o Hora resto(5:00-17:59) Consumo Electrico para periodo desde octubre 2009 hasta Marzo 2010 Tabla 4. Detalle de consumo electrico de la Universidad Don Bosco.(Octubre 2009 – Marzo 2010).10 10 Fuente: Entrevista con el Lic. Antonio Balmore Coreas Martínez. 40 Grafico del Consumo Electrico de la Universidad Don Bosco Figura 11. Detalle de consumo electrico. Demanda de potencia en el tiempo. La tendencia del consumo electrico (Tabla 4) de la Universidad Don Bosco para Octubre 2009 refleja un consumo de 361 Kwh debido a que es la finalizacion del ciclo de estudio (Ciclo II/2009), disminuyendo para los meses de Noviembre y Diciembre que es el comienzo del interciclo o ciclo III/2009 donde la cantidad de estudiantes es mucho menor, generando un consumo de 253 Kwh. Al inicio del año 2010 de Enero hasta Marzo se vuelve a generar un aumento en el consumo electrico por del ciclo I/2010 teniendo un consumo en Marzo 2010 de 373 Kwh. En la Figura 11 se observa el comportamiento del periodo comprendido desde octubre 2009 hasta Marzo del 2010. Donde el rango de consumo minimo va desde los 250 Kwh hasta un maximo de 400 Kwh. Donde el promedio de consumo electrico se estima mayor de 350 Kwh en los ciclo I y II que se desarrollan en el año. El consumo del ciclo III es minimo pero no deja de ser considerable ya que tiene un estimado mayor de 250 Kwh. En el horario Nocturno que comprende de 6pm – 11pm es notable el aumento en el consumo electrico. Presentando el menor consumo en Octubre 41 del 2009 con un valor de 9405 Kwh y un mayor consumo en Febrero del 2010 con un valor de 13310 Kwh. En el horario Nocturno se puede observar que tambien se utilizan los edificos como parte de la iluminacion externa , cada lado de los edificios estan instaladas 4 lamparas de 4 candelas lo que aumenta el consumo electrico debido a que no se cubre la demanda de iluminacion con las lamparas de vapor de mercurio que estan instaladas actualmente. referencia Al utilizar farolas solares se tendra un ahorro de energia considerable, que en un futuro se podria analizar la factibilidad de utilizar la energia solar para la alimentacion de la iluminacion externa de los edificios . 2.6 Costo del consumo electrico mensual para la Universidad Don Bosco en los 3 rangos de Facturacion Electrica. Detalle del consumo del mes de Octubre/2009. HORARIO COSTO Hora Punta: (18:00 - 22:59) 1,419.34$ Hora Valle: (23:00 - 04:59) 792.27$ Hora Resto: (05:00 - 17:59) 9,385.76$ 11,597.36$ DEMANDA (kWmáx) 361 1,213.63$ 12,810.99$ SUB-TOTAL TOTAL KWH OCTUBRE 2009 9405 6765 61875 Tabla 5 .Costos del consumo electrico del mes de Octubre/ 2009 de la Universidad Don Bosco. 11 11 Datos del contenido de Tabla 4. 42 Grafico del Consumo Electrico de la Universidad Don Bosco Figura 12. Demanda de energia electrica diaria para el mes de Octubre/2009. Detalle del consumo del mes de Diciembre/2009. HORARIO COSTO Hora Punta: (18:00 - 22:59) 828.15$ Hora Valle: (23:00 - 04:59) 541.58$ Hora Resto: (05:00 - 17:59) 4,560.93$ 5,930.66$ DEMANDA (kWmáx) 848.55$ 6,779.21$ KWH TOTAL DICIEMBRE 2009 6105 5280 35420 SUB-TOTAL 253 Tabla 6 .Costos del consumo electrico del mes de diciembre/2009 de la Universidad Don Bosco. 12 12 Datos del contenido de Tabla 4. 43 Grafico del Consumo Electrico de la Universidad Don Bosco Figura 13. Demanda de energia electrica diaria para el mes de Diciembre/2009. Detalle del consumo del mes de Marzo/2010. HORARIO COSTO Hora Punta: (18:00 - 22:59) 1,529.47$ Hora Valle: (23:00 - 04:59) 688.26$ Hora Resto: (05:00 - 17:59) 8,491.54$ 10,709.27$ DEMANDA (kWmáx) 1,254.20$ 11,963.47$ 373 MARZO 2010 SUB-TOTAL TOTAL 11275 6710 65945 KWH Tabla 7 .Costos del consumo electrico del mes de marzo de la Universidad Don Bosco. 13 13 Datos del contenido de Tabla 4. 44 Grafico del Consumo Electrico de la Universidad Don Bosco Figura 14. Comportamiento de la demanda de potencia diaria para marzo/ 2010. El analisis del consumo electrico para el periodo desde octubre 2009 hasta Marzo 2010, genera el costo total por consumo electrico de : a) Octubre 2009: $ 12,810.99 (Tabla 5) b) Diciembre 2009: $6,779.21 (Tabla 6) c) Marzo 2010: $11,963.47 (Tabla 7) El costo promedio estimado tomando en cuenta los periodos de mayor facturacion es de $12,387.33 para todo el año. 2.7 Descripción de la Facturación Eléctrica.14 Los principales cargos por el consumo de la energía eléctrica son: a) Cargo por energía en hora punta: Pago mensual que el usuario hace, resultante de multiplicar los kWh consumidos en el mes durante las horas punta por la tarifa establecida. 14 http://www.aeselsalvador.com 45 b) Cargo por energía en hora resto: Pago mensual que el usuario hace, resultante de multiplicar los kWh consumidos en el mes durante las horas resto por la tarifa establecida. c) Cargo por energía en hora valle: Pago mensual que el usuario hace, resultante de multiplicar los kWh consumidos en el mes durante las horas valle por la tarifa establecida. d) Cargo por atención al cliente: Pago mensual por los servicios administrativos que se le prestan al usuario. e) Sub-Total: Es la suma de los cargos que la distribuidora hace por consumo eléctrico, atención al cliente y uso de la red, e IVA. f) Sub-Total Gravado: La suma de los cargos sin IVA. g) Abono Cliente Corporativo: Es el descuento a aquel gran cliente que posee varias entidades, todas facturando a la compañía distribuidora y que debido a ello compra a la misma la energía en bloque. h) Cuenta pendiente: Valor de la factura anterior. Se aplica cuando el cliente no canceló la cuenta anterior. i) Valor Alcaldía: Es la suma de todos los servicios municipales que se le cobran a través de su recibo. En el estado de cuenta, se detalla la capacidad de suministro contratada, su fecha de inicio de vigencia, número del medidor y su multiplicador, lecturas anteriores y actuales en kwh, kw entregados y de suministro, cargos por atención al cliente, por energía, por uso de la red y por sanciones al factor de potencia, así como por energía no servida. Este estado de cuenta sirve para que el cliente lleve su propio historial de consumo. Para la facturación del consumo energético de los clientes a los cuales se les ha aplicado las tarifas de Medianas y Grandes Demandas; dependerá de los horarios tarifarios, definidos de la manera siguiente: 46 1) Punta: de las 18:00 a las 22:59 horas. 2) Valle: de las 23:00 a las 04:59 horas. 3) Horas restantes o Resto: de las 05:00 horas a las 17:59 horas. 2.8 Tarifa Aplicada a la Universidad Don Bosco por el consumo eléctrico. A continuación un estudio presentado por la SIGET, para la empresa que proporciona el suministro eléctrico de la Universidad Don Bosco cuyo nombre es Distribuidora eléctrica CAESS, cuyos datos son proyecciones del año 2003 hasta el presente año. 47 TABLA 8. PLIEGO TARIFARIO DEL PERIODO COMPRENDIDO ENTRE EL 2003 Y EL 2010. 15 Grafico del comportamiento del costo semestral desde Junio/03 hasta abril/10. 15 http://www.siget.gob.sv 48 Figura 15 .Comportamiento de Tarifas establecidas por SIGET para la distribuidora eléctrica CAESS. La tarifa aplicada a la Universidad Don Bosco es el apartado de la SIGET que corresponde a grandes demandas vigente desde 12 de abril del 2010. Tabla 9. Tarifa aplicada por la distribuidora CAESS a la Universidad Don Bosco. 16 Las tablas anteriores muestran la tendencia hacia un incremento en las tarifas según datos proyectados por SIGET. Ademas de considerar el crecimiento de la infraestructura de la Universidad Don Bosco, que genera mayor consumo de energia electrica, por lo que es necesario adoptar medidas de ahorro de energia electrica. Frente a la necesidad de implementar medidas de ahorro de energia electrica se propone una mejora de la iluminacion existente con la implementacion de farolas solares autonomas, para suplir la 16 http://www.siget.gob.sv 49 necesidad de luz exterior sustituyendo la energia electrica por el uso de la energia solar mediante paneles solares. 2.9 Objeto de Estudio. La iluminación es uno de los rubros en el uso de energía en la Universidad Don Bosco con un porcentaje de 15.31% en el costo de consumo de energía eléctrica (figura 7). Un porcentaje sobresaliente en dicho consumo, el cual se puede aplicar el uso de las farolas solares para una optimización de la iluminación externa y un ahorro en el consumo eléctrico. Por lo que la iluminación es un punto a analizar para el uso eficiente de la energía eléctrica. Ya que al utilizar luminarias solares independientes a la red, se está cumpliendo con las necesidades de la demanda que va en aumento junto con la ampliación de las instalaciones de la Universidad, por lo que genera un considerable ahorro. Según el horario de consumo eléctrico diario de la universidad Don Bosco mostrados en la figura 10 se tiene que en el periodo de 6 pm- 8 pm se tiene un consumo bastante grande si se compara con el consumo en el periodo de 1pm - 6pm, se observa que en 2 horas nocturnas se consume lo de 5 horas diurnas, por lo que en las horas nocturnas podemos optimizar la iluminación usando las farolas solares independientes de la red eléctrica. Las luminarias actuales no cubren con la demanda necesaria por lo que en algunas áreas de la universidad no poseen iluminación o es deficiente, como resultado de la construcción de nuevas edificaciones se demanda un aumento en tales luminarias. El presente trabajo de graduación pretende reforzar esta demanda de luminarias haciendo uso de luminaria solar independiente de la red eléctrica, en busca de un mejor ahorro en el consumo de energía y la eficiencia de iluminación en las áreas de la Universidad como la zona de parqueo, casetas, etc. 50 CAPITULO III 3. PROCESO DE DISEÑO Y COMPONENTES DE UNA FAROLA SOLAR. El diseño ingenieril de farola solar en la universidad Don Bosco posee varios factores que se deben tomar en cuenta para su realización. Los factores a considerar son: a) Intensidad: El ojo y cerebro interactúan de tal manera que su rango de adaptabilidad a las variaciones de iluminación es muy amplio. Esto resulta en una percepción subjetiva de la brillantez de un objeto. b) Dirección: La luz puede ser suave o fuerte, y provenir de una infinitud de ángulos. La calidad de la luz puede depender de donde viene. Una iluminación uniforme dará luz suave con un mínimo de sombras y contrastes. Por el otro lado, una luz fuerte puede resultar en zonas con iluminación concentrada y concentraciones marcadas de sombras y contraste. c) Color: Debido a que la evolución de nuestra especie tomo lugar bajo el sol, la sensibilidad del ojo humano coincide en gran medida con el espectro de la luz solar. A esto se debe que el ojo sea tan sensible al amarillo verdoso. En si, el color de los objetos no reside en éstos sino en la interacción del ojo y el cerebro. d) Visibilidad: La visibilidad de un objeto depende de su tamaño, luminancia, contraste, tiempo de observación y la habilidad del observador para ver. e) Confort: Se debe adecuar la iluminación al tipo de la tarea, su duración, las edades de los observadores y los tipos de objetos a iluminar, a fin de diseñar una instalación adecuada. f) Variedad: A fin de asegurar la seguridad de los observadores, es necesario aumentarla uniformidad de la instalación. g) Costos: Al seleccionar una instalación de iluminación deben considerarse dos tipos de costos, los de la adquisición del equipo y los 51 de su operación. Es posible que el costo de operación justifique adquirir un equipo con un valor inicial alto, por los ahorros que esto significarían durante la vida de la instalación.17 3.1 Características Ambientales para la Farola Solar en la Universidad Don Bosco. Las condiciones climáticas pueden afectar el comportamiento y durabilidad del Sistema Fotovoltaico. Considerando las condiciones climáticas promedio que presenta El Salvador proporcionadas por el Servicio Nacional de Estudios Territoriales (SNET18) , se asumen las condiciones climáticas en su peor escenario por lo que los rangos a tomar en cuenta para el diseño de farola solar fotovoltaica son: Ø Humedad relativa: 80 % Ø Rango de temperaturas ambiente: -5°C a 40°C Ø Velocidad máxima del viento: 80 km/h 3.2 Información para el dimensionamiento de la farola solar. 3.2.1 Energía Solar Directa. La energía solar se manifiesta en un espectro que se compone de radiación ultravioleta, visible e infrarroja. Al llegar a la Tierra, pierde primero su parte ultravioleta, que es absorbida por una capa de ozono que se presenta en el límite superior de la atmósfera. Ya en la atmósfera, la parte infrarroja se pierde ya sea por dispersión al reflejarse en las partículas que en ella se presentan o al llegar a las nubes, que 17 http://www.bekolite.com 18 http://www.snet.gob.sv 52 son capaces de reflejar hasta un 80% de la radiación solar que a ellas llega. El resto llega a la superficie, ya sea de manera directa o indirectamente como reflejo de las nubes y partículas en la atmósfera. La radiación solar que llega a la superficie terrestre se puede transformar directamente en electricidad o calor 3.2.2 Sistemas Fotovoltaicos. Se basa en el aprovechamiento de la Radiación Solar (fotones), que al impactar una Celda Fotovoltaica genera electricidad. La radiación promedio del Sol sobre la tierra es aproximadamente de 1000 Watts/m2/hora, variable de acuerdo a las estaciones del año, latitud, condiciones climáticas, orográficas, orientación y horario. 3.2.3 Insolación Máxima Hora- Pico. El Panel al estar fijo recibe los Rayos del Sol inclinados al amanecer, aumentando el ángulo durante la mañana para recibirlos perpendicularmente al mediodía para luego ir disminuyendo durante el atardecer. Durante todo el día el panel recibe una Insolación Variable que va aumentando y disminuyendo progresivamente. Esa Insolación varía desde los 0 Watts hasta llegar a los 1000 Watts al mediodía para luego ir decreciendo a 0 Watts. Figura 16. Gráfico de Horas Pico Solares. El día Solar tiene generalmente unas 12 horas, pero de esas horas aproximadamente la mitad tienen Máxima Insolación o Luminosidad. (IM) 53 generalmente entre las 10.00 a 16.00 Hs. Cada Área Geográfica de la Tierra tiene un valor medido en Horas de Máxima Insolación a 1000 Watts por metro cuadrado. El campus de la Universidad Don Bosco se encuentra en un área con insolación equivalente a 5 horas pico (HSP), es decir, el equivalente a tener una irradiación de 1 kW por metro cuadrado por 5 horas. 3.2.4 Ubicación de la Farola Solar. Orientación e inclinación. Ø Ubicación. Para obtener el mejor rendimiento se instalan en lugares donde no haya obstáculos que produzcan sombras en el horario de luminosidad pico. Figura 17 Posicionamiento de Luminaria en estructura para iluminación de exterior. Ø Orientación. Enfrentar el panel hacia el Norte. En áreas con obstáculos montañosos, buscar la media entre la salida del sol y su puesta. Ø Inclinación. El sol está bajo en el mes de invierno y alto en Verano. Por ello conviene cambiar la inclinación siempre agregándole 10 Grados a la latitud del lugar. Puede ser efectuado 2 veces al año. Optimizando estos 3 parámetros, se obtendrá el mejor rendimiento energético. 54 Figura 18. Posicionamiento , inclinacion y ubicación del sol en las dos estaciones de El Salvador. Los paneles solares son orientados hacia el sur con un ángulo de 15 grados con respecto a la horizontal, dado que El Salvador se encuentra aproximadamente a 14 grados de latitud norte.19 3.2.5 El Watt-Hora. Cuando la potencia que se disipa en una carga se calcula en términos del tiempo, se puede determinar la cantidad de energía consumida por la carga. Si se entrega un Watt durante 1 segundo, la energía consumida en este tiempo es igual a un Joule. Por lo tanto al Joule también se le llama Watt- segundo. En los cálculos de potencia eléctrica, también se utilizan el Watt-Hora o el Kilowatt-Hora, ya que con frecuencia son unidades más convenientes que el Watt-Segundo. Un Kilowatt-Hora representa 1000 Watts entregados durante una hora. 3.2.6 Voltaje de Trabajo. El sistema completo, desde los módulos fotovoltaicos incluyendo las baterías, tendrá un voltaje de trabajo, el cual generalmente es de 12Volts, 24Volts, 36Volts ó 48Volts. Esta denominación es independiente del hecho que los módulos fotovoltaicos funcionarán con un voltaje levemente mayor, para poder cargar las baterías. 19 http://www.digestyc.gob.sv 55 El sistema fotovoltaico de las farolas a utilizar, tendrá un voltaje de trabajo de 12 voltios, ya que la batería de ciclo profundo comercialmente es de 12 voltios. Otro de los aspectos a considerar es el costo que genera al utilizar un mayor voltaje de alimentación. 3.2.7 Selección de Luminaria. Para seleccionar la luminaria que se utilizara en la farola solar que funcionan en Corriente Continua (CC), se deberá completar los datos de la Tabla 10 y 11, en donde en la primera columna: "Consumidor, Descripción" debe ir el nombre de la luminaria. En la segunda columna: "Potencia en Watts" (A), deberá ir la Potencia propia del equipo en cuestión. En la tercera columna: "Horas de Servicio Promedio / Día" (B), deberá ir el número de horas (en promedio) que se espera tener el artefacto funcionando durante un día. En la cuarta columna deberán ir la(s) cantidad(es) (C) de artefacto(s) de este tipo que se contemplan en la instalación. En la quinta columna “Voltaje de operación” (D), Voltaje definido por el fabricante para el funcionamiento de la luminaria. En la sexta columna “Precio de la luminaria”(E), precio unitario de la luminaria definido por el distribuidor . En la séptima columna “Horas de uso” (F) , es decir la vida útil de la luminaria según el fabricante. En la octava columna "Lúmenes equivalente" (G), Lúmenes equivalentes proporcionados por el fabricante. Finalmente una columna independiente: "Consumo en Watt-hora/Día", Sera el resultado de la multiplicación de: A x B x C, con lo que sumando todos los valores de esta última columna se obtendrá el Consumo total de equipos en Corriente Continua en Watt-Hora por Día. 56 A B C AxBxC Potencia (Watts) Horas de Servicio Promedio Cantidad Consumo de Watts Hora /diaLU2 integrated High Power Led Streelight 56 4 1 224 Lampara de Vapor de Mercurio 175 4 1 700 Descripcion Tabla 10. Cuadro comparativo para determinar el consumo de watts hora por luminaria. D E F G Voltaje de Operación Precio de la luminaria Horas de uso Lumens LU2 integrated High Power Led Streelight 85-264 VAC 12-24VDC $ 544.85 50000 4200 Lampara de Vapor de Mercurio 220 V AC $ 80.62 24000 8500 Descripcion Tabla 11. Cuadro comparativo especificaciones técnicas y precio por luminaria. El criterio utilizado para la selección de la luminaria se basa en la luminaria existente en la Universidad Don Bosco que es de vapor de mercurio, con las siguientes características20: ü 8500 Lúmenes de iluminación. ü 198 watts de Potencia de consumo. ü 4 (6pm – 9 pm) Horas de Servicio al día. ü Voltaje de funcionamiento 220V corriente alterna. ü Precio de la luminaria $ 80.62. ü 24,000 Horas de Uso. 20 http://www.sylvania.com/ 57 ü Consumo de Watts Hora por día: 700 Watts. La luminaria a comparar para el proyecto de Farolas Solares es utilizando la tecnología LED, teniendo un menor consumo, menos perdidas, mayor eficiencia, mas horas de uso, al utilizar una alimentación de 12 voltios no es necesario el uso de inversores reduciendo considerablemente el costo de la instalación. 3.3 Alumbrado Exterior en Universidad Don Bosco con Farola solar autónoma. Una luminaria solar contiene básicamente tres elementos: el panel solar que transforma los rayos solares en electricidad, el sistema de almacenamiento y control que almacena la energía y regula su uso y por último el sistema de iluminación que dependiendo de los requerimientos se opta por tecnología de diodos emisores de luz (LEDS), inducción magnética ó vapor de sodio de baja presión. El presente trabajo se tomara la tecnología Led como luminaria de la farola solar. Son muchos los factores positivos por los que utilizar dicha tecnología , se resumen en tres aspectos: 1) Ahorro Energético: La tecnología led reduce su consumo eléctrico en más de un 60%, frente a cualquier lámpara incandescente y un 40% frente a las lámparas fluorescentes. 2) Luz Ecológica: La luz led es completamente limpia y sin imperfecciones, obteniendo una amplia claridad de visión, además de una amplia aportación ecológica al gran problema mundial de contaminación iluminación, la falta de mercurio o material pesado en su fabricación; además su encendido es inmediato, sin necesitad de reactancias, balastros o similares para su encendido. 58 3) Mayor Rendimiento: el tiempo de vida útil de un LED , está entre las 50.000 y las 100.000 horas de vida, equivalente periodo de 10 a 15 años de vida para una lámpara o foco que utilice esta tecnología; manteniendo hasta un 70% de su flujo luminoso en comparación de las luces convencionales. Las luminarias solares son sistemas unitarios independientes, diseñados para operar de manera autónoma al 100%, el panel fotovoltaico se integra una estructura metálica o poste, las baterías y el sistema de control se alojan en un gabinete ubicado en la parte superior del poste. La luminaria en si es la unidad completa de iluminación y consiste del foco, reflector - difusor y carcasa. Figura 19. Funcionamiento del sistema fotovoltaico en un día. 59 3.3.1 Niveles de iluminación. Las luminarias solares para alumbrado público proporcionan niveles de iluminación en promedio de 30 luxes, depende del modelo, altura de montaje y tipo de luminaria empleados este valor puede cambiar. 3.3.2 Características del lugar de instalación. El panel fotovoltaico debe de orientarse al sur geográfico del lugar de instalación, estar libre de sombras prácticamente todo el día, ¿el área de instalación está libre de sombras o existen arboles, edificios, estructuras ó condiciones climatológicas que impidan una buena insolación? Existen condiciones particulares a tomar en consideración como pueden ser, temperaturas extremas, ambientes marinos ó fuertes vientos. Figura 20. Componentes del Sistema Fotovoltaico propuesto. En primer lugar la luz solar incide en los paneles o módulos fotovoltaicos formados por un material semiconductor de silicio cristalino que posee efecto fotoeléctrico, es decir, transforma (con un rendimiento aproximado del 18%), la luz solar en energía eléctrica continúa de 12 voltios. 60 Posteriormente esa electricidad debe acumularse en una batería para disponer de energía durante periodos nocturnos o de poca irradiación solar (días nublados, o con niebla). Entre los paneles solares y la batería es necesario incluir un regulador de carga de modo que cuando la batería está cargada (por medida de su tensión) el regulador cierre el aporte de energía desde los paneles solares a la batería, para impedir la sobrecarga de esta y por consiguiente el acortamiento de su vida útil. Finalmente la energía por la batería (en forma de corriente continua) puede emplearse como tal en luminarias y otros equipos, si bien lo más habitual es transformar, por medio de un inversor, la corriente continua en alterna pero sería un incremento considerable en el costo final. 3.3.3 Construcción de un Módulo Fotovoltaico. Modulo Fotovoltaico. Cada módulo fotovoltaico cuenta con una caja de conexión ubicada en su parte posterior, lo que permite realizar la conexión eléctrica del mismo. Algunos módulos cuentan con conectores hembra - macho de fábrica. Características eléctricas del módulo fotovoltaico. Los parámetros eléctricos que caracterizan a los módulos fotovoltaicos se describen a continuación Ø Isc ó Corriente de Cortocircuito: Es la intensidad máxima de la corriente que se obtiene de un módulo fotovoltaico bajo determinadas condiciones. Corresponde al valor de la corriente obtenido por medio de un entre los bornes del módulo fotovoltaico, esto es provocando un corto circuito en el módulo fotovoltaico. 61 Ø Voc ó Voltaje a circuito abierto: Es el voltaje máximo que se registra en un módulo fotovoltaico sin permitir que pase corriente alguna entre los bornes del módulo fotovoltaico, esto es a circuito abierto. Ø Pmax ó Potencia máxima: Su valor queda especificado por una pareja de valores de corriente y voltaje, comprendidos entre 0 e Isc así como 0 y Voc respectivamente para los cuales su producto sea máximo. Panel fotovoltaico o Arreglo. Al conjunto de módulos fotovoltaicos se le denomina panel fotovoltaico ó arreglo. Los módulos fotovoltaicos que conforman un arreglo se pueden conectar entre sí en serie, paralelo o de forma mixta, para obtener el voltaje o amperaje requerido por el sistema. Esta modularidad hace que los sistemas fotovoltaicos se adapten a cualquier tipo de instalación, por pequeña o grande que esta sea. Las características eléctricas del panel o arreglo fotovoltaico son las del módulo que lo conforma, tomando en consideración el cambio en la potencia, corriente ó voltaje de acuerdo a la configuración realizada, esto es, el número de módulos conectados en serie y en paralelo. Ø Módulos en serie: Cuando se conectan los módulos fotovoltaicos en serie se incrementa el voltaje del sistema. El voltaje final del sistema es la sumatoria de los voltajes individuales de cada módulo V total = V1 + V2 + V3 +... + Vn. Ø Módulos en paralelo: Se conectan los módulos fotovoltaicos en paralelo para incrementar la corriente del sistema del sistema. La corriente final es la sumatoria de las corrientes individuales de cada módulo. I total = i1 + i2 + i3 +...+ in. 62 3.3.4 Baterías solares. El banco de baterías de un sistema de alumbrado público solar se encarga de proporcionar la energía eléctrica durante las horas de operación nocturna que tenga la luminaria. Un aspecto importante a determinar para cualquier banco de baterías, es el tamaño del mismo, es decir, la cantidad de energía que este puede almacenar, cuanta más energía se requiera almacenar, de mayor tamaño será el banco de baterías, a menor cantidad de energía a almacenar menor será el tamaño del banco. Un foco de mayor potencia iluminara un área mayor o nos proporcionara mayores niveles de iluminación, pero a su vez, consumirá una mayor cantidad de energía, lo que se traduce en un aumento del tamaño del banco de baterías, así como en la potencia instalada en el panel fotovoltaico. Las baterías son sensibles a la temperatura de trabajo ya que esta afecta de manera directa las reacciones electroquímicas que se dan dentro de las mismas. Cuando las baterías se someten a temperaturas mayores a la ambiente las reacciones electroquímicas se aceleran y su vida útil disminuye, por el contrario, cuando las baterías se someten a bajas temperaturas se prolonga la vida útil, pero se corre el riesgo de congelamiento, debido a la variación de la concentración del acido que posee una batería con el estado de carga de la misma, a mayor descarga, menor concentración y mayor riesgo de congelamiento. La capacidad de una batería normalmente se especifica en amperes- hora junto con una hora de referencia como puede ser veinte horas, por ejemplo supongamos que una batería tienen los siguientes datos 200 Amperes hora y una referencia de 20 horas (200Ah@20hrs). Esto significa que la batería completamente cargada entrega 10 amperes por 20 horas. Estos datos los proporciona el fabricante. 63 3.3.5 Controlador de Carga. Las luminarias solares requieren de un controlador que regula el estado de carga y descarga de las baterías, así como enciende y apaga la luminaria según se programe. Las principales funciones del controlador de carga son: Ø Previenen de una sobrecarga de las baterías por el panel fotovoltaico Ø Previenen una descarga excesiva de la batería por la luminaria, desconectándola por un valor bajo del voltaje de la batería. Ø Mantiene a la batería en su estado de máxima carga posible. Ø Controla el tiempo de operación de la luminaria solar. Ø Sirve como punto de interconexión entre el panel fotovoltaico, el banco de baterías y la luminaria solar. 3.3.6 Herrajes Son las piezas metálicas que se utilizan para unir y soportar los componentes de la luminaria solar con el poste metálico, son piezas especialmente fabricadas de acuerdo a la luminaria a instalar y las características que esta posea. El soporte del panel normalmente se coloca en la punta del poste, este soporte posee una inclinación adecuada al lugar de instalación, la orientación de los módulos debe ser al sur. El gabinete para las baterías se coloca en la parte baja del poste o debajo del panel fotovoltaico, normalmente se fabrican gabinetes para contener de una a 4 baterías, en el mismo gabinete se coloca un controlador de carga y se realiza la interconexión eléctrica de los componentes del sistema. 64 3.4 Propuesta de la Farola Solar a utilizar en la Universidad Don Bosco. La propuesta de la Farola Solar a utilizar esta diseñada en base a la luminaria externa existente la cual por lo general está compuesta de 3 elementos: 1) Pedestal: Es la base donde se instala la luminaria. 2) Postes y el brazo de luminaria: Son los elementos que le proporcionan la altura y soporte donde se realizara la instalación. 3) Luminaria y la fotocelda. Elemento emisor de luz y su controlador de encendido y apagado. Basado en los componentes estándares mencionados anteriormente , el diseño debe tener en consideración , la ubicación y base del panel solar que generara la alimentación de la batería de ciclo profundo cuya función es almacenar la energía que utilizara la luminaria led en un tiempo de uso de 4 horas en el periodo de 6:00pm – 9:00 pm. El sistema fotovoltaico estará protegido por un regulador de carga que permite el funcionamiento dentro de las especificaciones de trabajo, es decir, cuando la batería este en su valor minino de descarga o máximo de carga se protegerá, sobrecarga del sistema, cortocircuito de alguno de sus componentes. Todo el sistema fotovoltaico estará controlado su encendido y apagado en el periodo de trabajo por un controlador lógico programable o PLC (Programmable Logic Controller sus siglas en inglés) que son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial. Se considero que por seguridad y eficiencia, todos los dispositivos mencionados como los componentes de la farola solar se instalen lo mas cerca posible. Por lo que se ubicaron en la parte superior del poste metálico para evitar posible hurto de sus elementos ya que la altura del poste será de 3 metros sobre el nivel del suelo. El mantenimiento será sencillo al estar todo sus componentes próximos, 65 además se genera una menor caída de tensión en los conductores al ser una distancia corta de cableado. Con respecto al diseño estructural debe tener una base o marco en la parte superior del poste metálico para el panel fotovoltaico, teniendo en cuenta que en la parte trasera del panel debe estar descubierta para no retener agua lluvia y para su fácil acceso para el mantenimiento o cambio de panel fotovoltaico. Seguido de una caja metálica cuyas medidas permitan la capacidad de almacenar el equivalente a las dimensiones de dos baterías de ciclo profundo aunque solo se utilizara una batería para el funcionamiento del sistema fotovoltaico. Así como también espacio donde se ubicara el controlador de carga y el controlador lógico programable (PLC), permitiendo la conexión o cableado eléctrico entre cada uno de ellos. En la parte inferior y superior de la caja metálica llevara ángulos refuerzo. Y su diseño favorece al mantenimiento e instalación. Contiguo a la caja metálica se ubicara el brazo donde se instalará la luminaria, por lo que el brazo es un tubo hueco con el espesor necesario para sostener la luminaria y que permita ubicarla en la distancia seleccionada. El poste metálico debe tener la capacidad de soportar el peso de la caja metálica con sus componentes en su interior, el brazo con la luminaria y el panel solar, por lo que se dispondrá de un espesor adecuado a el peso de todos los componentes mencionados y también tendrá un refuerzo en la parte inferior para una mayor estabilidad. Se recomienda dos aspectos para el proceso de fabricación de la estructura metálica: 1) La estructura de soporte del panel solar, la caja metálica y el brazo de la luminaria estén debidamente soldados en la parte superior del poste metálico, como se muestra en el diseño. 2) Una vez construida la estructura donde se instalaran los componentes de la farola solar, esta deberá ser protegida con una base protectora antes de la pintura anticorrosiva. 66 67 68 69 70 71 3.5 Descripción de los componentes de la farola solar. El proceso de producción para la farola solar constituye un proceso manual en su fabricación y en su ensamblaje, utilizando materia prima existente en el país, y componentes externos para su terminación. Insumos a utilizar para la construcción de una farola solar: a) Caja metálica de protección para batería, controlador de carga y PLC. Formada por 4 piezas con lamina Negra 1/8: ü 3 Tapaderas: 2 Laterales y 1 frontal Dimensiones: Base 40cm. Ancho 40cm ü 1 Tapadera en forma de C: Dimensiones: Base 40cm. Ancho 40cm. Alto 40cm. ü 60 Pernos broca para sujetar tapaderas. Medida: 12x3/4’’ Altura de instalación de la caja metálica: 2.60 m b) 2 Refuerzos de caja metálica superior. Dimensiones: Ángulos 1/8´´x2´´. Largo: 16.49cm c) 2 Refuerzos de caja metálica inferior. Dimensiones: Ángulos 1/8´´x2´´. Largo: 36.8cm d) Poste metálico. Dimensiones: Altura: 301.5 cm. Diámetro: 5.08cm (2´´) e) Escuadras de refuerzo para base de poste: Dimensiones: Base: 5cm. Altura: 5cm. f) Plataforma metálica para sujetar poste: 72 Dimensiones: Largo: 30cm. Ancho: 30cm g) Brazo de soporte de lámpara Dimensiones: Largo1.83cm. Diámetro: 3.18cm (1 ¼´´) ü 1 Cincho metálico h) Marco metálico para panel solar: Dimensiones: Ángulos 1/8´´x2´´. Largo: 90cm. Ancho: 90cm i) 3 Patas de soporte de marco de panel solar. Dimensiones: Largo: 40 cm. j) Batería k) Controlador l) Lámpara 3.6 Pasos para la instalación de la propuesta de Farola Solar Fotovoltaica (FLUJOGRAMA). A continuación se presenta un flujograma que representa gráficamente las distintas operaciones para efectuar la instalación del diseño propuesto de farola solar fotvoltaica, permitiendo visualizar de forma cronológica los pasos a seguir para el montaje del mismo. 73 Flujograma para la instalación de la propuesta de Farola Solar Fotovoltaica. 74 75 3.7 Memoria de Cálculo para Farola Solar. 3.7.1 Consumo de Energía de Luminaria Led Seleccionada. La propuesta de farola solar utilizara la luminaria Led descrita a continuación, con el fin de mejorar la iluminación exterior del campus de la Universidad Don Bosco. El tiempo de uso será de 4 horas diarias (6pm – 9pm), siguiendo el mismo patrón de las luminarias actuales. Empresa distribuidora de la luminaria Led : Ingeniería Solar. Modelo: LU2-Integrated High Power LED Streelight. Características: ü 56 Watts de consumo de potencia. ü 4200 Lúmenes de intensidad luminosa. ü 50000 horas de uso. ü 75% de ahorro en consumo. ü Voltaje de alimentación 85-264VAC. ü Voltaje de alimentación 12 – 24 VDC. Los cálculos a realizar son de acuerdo con las siguientes formulas: Ø Consumo diario de energía por luminaria. PL x NL = Cde PL =Potencia de luminaria NL =Número de horas de uso por día. Ø Se asumirá una eficiencia de la batería de un 75% en condiciones ideales. 76 Ø Energía entregada al panel solar diaria. NHSP x PPS = Pe NHSP = Numero de HSP de UDB PPS= Potencia del Panel Solar Ø Energía eléctrica a obtener del panel solar. Cde ŋbat = EE Cde = Consumo diario de energía de luminaria ŋbat= La eficiencia de la batería Ø Potencia mínima del panel solar. EE NHSP = Pmin NHSP = Numero de HSP de UDB EE= Energía eléctrica del panel solar Ø Corriente que entrega el panel solar a la batería. PPS VS = CEP PPS = Potencia del Panel Solar VS = Voltaje del sistema fotovoltaico Ø Consumo de corriente de la luminaria. PL VS = CCL PL= Potencia de luminaria VS = Voltaje del sistema fotovoltaico 77 Ø Corriente Almacenada en la batería diariamente. CEP CCL = CABAT CCL = Corriente Luminaria CEP = Corriente entregada por el panel solar Ø Porcentaje descarga diaria de la batería. CABAT CEP = Pbat CEP = Corriente entregada por el panel a la batería CABAT = Corriente almacenada en la batería diariamente Ø Corriente en conductores. PL VS = Cc PL = Potencia de la luminaria VS = Voltaje del sistema fotovoltaico Ø Resistencia del conductor. Según tabla de conductores dependiendo de su calibre (Anexo 6). Para el proyecto de farola Solar el tipo de conductor es TSJ 2 conductores calibre 14, marca Phelps Dodge International Corp.21 Ø Caída de Tensión en el conductor. Cc x Rc = Tc Cc = Corriente del conductor Rc = Resistencia del conductor 21 http://www.pdic.com 78 Ø Porcentaje de caída de Tensión en el conductor. Tc VS = PTc Tc = Caída de tensión VS = Voltaje del sistema fotovoltaico 3.7.2 Dimensionado del panel solar. La potencia que produce el panel a lo largo del día es igual al producto de la potencia que produce el panel por las horas pico del sol (HSP). La potencia del panel es un dato que suministra el fabricante. Estos valores son los que se obtienen en las condiciones estándares de media que se corresponden con una irradiación de 1000W/m2 y una temperatura de la célula de 25ºC. Entre los criterios a utilizar serán los siguientes: a) El tiempo de Funcionamiento de la Farola Solar será el mismo tiempo utilizado por las luminarias de Vapor de mercurio utilizadas en la UDB. b) La eficiencia de la batería se considerara de un 75 % en condiciones ideales, teniendo así un buen margen de seguridad para el cuido de la batería. c) Las horas de irradiación Máxima en la Universidad Don Bosco es de 5 HSP. d) El voltaje de Funcionamiento del Sistema será de 12 Voltios de corriente continua para almacenar en la batería de ciclo profundo de igual cantidad de alimentación de funcionamiento. e) Al determinar la potencia mínima a utilizar del panel solar, se seleccionara un panel solar de mayor capacidad a la mínima teniendo en cuenta los valores o potencia de los paneles solares que se encuentre comercialmente. 79 f) Al seleccionar el panel solar con la potencia a utilizar en el sistema , tener siempre en cuenta un factor de seguridad, que en el caso de estudio es del 100% Datos conocidos o de entrada. Resultado del análisis. Potencia de Luminaria 56 Watts Horas de uso 4 Horas Eficiencia estimada de batería 75% Porcentaje de batería en condiciones ideales Consumo de Luminaria 224 Watts. Hora/día Energía de consumo de luminaria 300 E Consumo de Corriente de luminaria 25 AH/día Voltaje de operación 12 Voltios Tiempo de insolación de la UDB 5 horas (HSP) Potencia mínima del Panel Solar 60 Watts Tabla 11. Cuadro de datos para obtener el valor mínimo del panel solar fotovoltaico. El Panel Fotovoltaico a utilizar en la farola solar será de 100 Watts. 3.7.3 Dimensionado de batería. Para la elección de la capacidad de la batería debemos tener en cuenta los siguientes aspectos: a) Debemos acumular la energía suficiente para que en los periodos en que la climatología no es favorable pueda funcionar la instalación con toda normalidad, también deben quedar garantizado los picos de consumo superiores a la media. b) Se deben tener en cuenta las características de la batería en cuanto a los ciclos diarios de carga y descarga. La vida de una batería depende de la profundidad de los ciclos diarios de carga y descarga, 80 c) En el caso de estudio se tomara ciclos del 40% de descarga diaria de la batería. Datos conocidos o de entrada. Resultado del análisis. Potencia Panel a Utilizar 100 Watts Tiempo de insolación de la zona 5 horas (HSP) Potencia Panel a Utilizar 500 Watts.Hora/día Voltaje de operación 12 Voltios Demanda de corriente 42 AH/día Consumo de Corriente diaria de luminaria 25 AH/día Demanda de corriente + Factor de seguridad 85 AH/día Corriente Almacenada 17 AH/día Porcentaje de descarga 40% Tabla 12. Cuadro de datos para obtener la capacidad de corriente de la batería. La batería a utilizar será una batería de libre mantenimiento, de Gel, 12 voltios, 100 Amperios Hora, medidas estándar. 3.7.4 Dimensionado del regulador de carga. Para la elección del regulador se debe tener en cuenta la tensión de las baterías y la intensidad máxima que proporcionan los paneles. Este dato lo proporciona el fabricante en la tabla de características. Como la diferencia de precio no es elevada siempre se suele sobredimensionar el regulador para intensidades mayores, de manera que se facilita el trabajo del regulador y nos permite hacer una ampliación de paneles en caso de necesidades posteriores. Al utilizar el panel fotovoltaico de 100 watts, con una corriente máxima de 6.10 A y una corriente de cortocircuito de 6.80 A. El controlador a utilizar será de la marca PHOCO, modelo CML10A con una capacidad de 10 A. 81 3.7.5 Dimensionado de los conductores. En este tipo de instalaciones por trabajar a bajas tensiones es fundamental el correcto cálculo de las secciones, para evitar caídas de tensión significativas que influyen negativamente en las cargas de las baterías. Como norma general se debe procurar que la longitud de los conductores desde los paneles al regulador y de este a las baterías sea lo mas corta posible, además debe tener una sección suficiente por lo expuesto anteriormente. La potencia de la luminaria escogida para el tema en