Articulo Beltran Cristhian Elkin Final

7/26/2019 Articulo Beltran Cristhian Elkin Final

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CARACTERIZACIN DEL CONSUMO ENERGTICOPARA SISTEMAS DE BAJA POTENCIAALIMENTADOS CON ENERGA RENOVABLE(SOLAR-ELICA)

CONFERENCE PAPER NOVEMBER 2014

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83

3 AUTHORS, INCLUDING:

Elkin Florez

Universidad de Pamplona

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Cristhian Ivan Riao

Universidad de Pamplona

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CARACTERIZACINDELCONSUMOENERGTICOPARASISTEMASDEBAJAPOTENCIAALIMENTADOS

CONENERGA RENOVABLE(SOLAR-ELICA).Carlos A. Beltran Z. 1

1, Cristhian I. Riao J 2

2, Elkin G. Flrez S.

3

1Ingeniero Mecnico, Universidad de Pamplona, Pamplona Colombia.

2 Magister en Controles industriales, Ingeniero Mecatrnico, Docente rea sistemas Mecatrnicos - Universidad de

Pamplona, Pamplona Colombia.3Doctor en Ingeniera Mecnica, Magister en Ingeniera Mecnica, Ingeniero Mecnico, Profesor Titular - Universidad de

Pamplona, Pamplona Colombia.

Autor para correspondencia: [email protected].

Resumen Abstract

Con el pasar de los aos se han realizado estudios

sobre la produccin de energas renovables para

que sean implementados en diferentes lugares de

Colombia, sin embargo son pocas lasinvestigaciones que permiten establecer

metodologas de dimensionamiento y estudios,

donde se caractericen cada una de estas variables y

parmetros que intervienen en un ciclo deproduccin de energa, los factores importantes que

deben ser considerados al implementar sistemas degeneracin de energa. Como objeto de estudio que

permita una investigacin ms profunda acerca de

este tema, se tom como sujeto de pruebas yanlisis una de las cabaas situada en Villa Marina

perteneciente a la Universidad de pamplona en la

cual soporta un sistema de energas renovables. Sedesea obtener informacin de las variables que se

relacionan con la produccin y suministro de

energa, como son la potencia requerida, potenciaentregada por el sistema, energa almacenada,

energa consumida; se presenta un modelo

matemtico para el cual se caracterizaron algunas

variables y parmetros necesarios para simular laproduccin de corriente, potencia entre otros

factores, generados por una celda fotovoltaica del

panel solar y un mini-aerogenerador instalados enVilla Marina.

Palabras Clave: Energas renovables, sistemas

hbridos, Aerogenerador, modulo fotovoltaico,caracterizacin, metodologa de dimensionamiento.

Over the years, have been conducted studies about

renewable energy to be implement it in different

parts of Colombia which need to meet a energy

demand, however, have not been developedinvestigations, which allow establish the sizing

methodologies and studies where are characterized

each of these variables and parameters involved in a

cycle of energy production, which are important andshould be taken into account to implement energy

generation systems.

Therefore as object of study to allow are search

deeper about this topic, was taken as test subject andanalysis, one of the cottages located at Villa Marina

where a renewable energy system is used. The

objective of this investigation is the study of thevariables influencing energy production such as there

quired potency, power delivered by the system

stored energy, energy consumed; for it presents amathematical model in which some variables and

parameters were characterized to simulate the

production of current, power and other factors

generated by a photovoltaic cell solar panel and amini - wind turbine installed at Villa Marina.

Keywords:Renewable energy, Hybrid system, Windgenerator, photovoltaic panel, characterization

methodology for the sizing
http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy


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1. Introduccin

Los sistemas de abastecimiento de energalimpia, son una buena alternativa frente a losproblemas de carencia de fluido elctrico, por subajo impacto ambiental, fcil instalacin y

adquisicin, y pueden suplir correctamentedemandas de energa en sistemas de bajapotencia requeridos por la poblacin. Cada daaumenta su demanda energtica, conformeavanzan las nuevas tecnologas mejoran sueficiencia y la posibilidad de ubicar estossistemas en lugares apartados hacen que todainvestigacin sobre energas alternativas seconvierta en un referente para masificacin.

Uno de los estigmas que esta implcitamentecontenido en la instalacin de equipos para laproduccin de energa (panel solar,aerogenerador, hidroelctricas, etc.), es lagaranta de que dichos elementos lograrancumplir a cabalidad con una demanda instaladapara los diferentes inmuebles o sectores donde sedesean ser implementados. Este trabajopresentara una nueva metodologa para eldimensionamiento en la instalacin de sistemashbridos la cual est fundamentada en lacaracterizacin, e identificacin de losparmetros y variables que intervienen en lageneracin y suministro de energa renovable(solar-elica).

2. Metodologa experimental

2.1 Lugar de experimentacin y elementosque conforman el sistema hibrido (panelsolar y el aerogenerador).

Durante la realizacin del proyecto, se tomcomo banco de pruebas y anlisis, una de lascabaas en Villa Marina perteneciente a laUniversidad de Pamplona, situada en elkilmetro 49 sobre la va Pamplona- Ccuta,

Norte de Santander, Colombia. Este lugar cuentacon un rea de 41,532 m2, en este lugar se

encuentra implementado un sistema hibridoconformado por un mini aerogenerador, mdulofotovoltaico y sistema de acumuladores para elalmacenamiento de energa (ver figura 1). [1].

Figura 1. Cabaa en Villa Marinalugar donde se instal elsistema hibrido (panel solaraerogenerador) [Autores].

2.2 Adquisicin de Datos

El objetivo es obtener un modelo que rena lascaractersticas principales del sistema degeneracin de energa a travs de paneles solaresy aerogeneradores. El estudio de las variables yparmetros del sistema de generacin de energa

nos brindan informacin necesaria para cumplircon este objetivo. Por tal motivo se dise eimplement un sistema de adquisicin de datospara recopilar informacin del proceso basado enla siguiente metodologa.

Figura 2. Metodologa para la implementacin del sistema deadquisicin de datos.[Autor].

EL sistema de adquisicin de datos estarsoportado por una tarjeta de desarrollo ArduinoMega 2560

Figura 3. Tarjeta Arduino. [2].

Proceso

Sensor

Acondicionamient

o

Procesador.

Indicacin

Comunicacin


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Beltran Z Carlos Andres 1 , Riao J Cristhian Ivan 2 , Flrez S Elkin/ caracterizacin del consumo

energtico para sistemas de baja potencia alimentados con energa renovable (solar-elica).

3

2.3 Caracterizacin del panel solar:

Para caracterizar el panel se decidi adecuar unmodelo matemtico que permita interactuar contodas aquellas variables y parmetros que

intervienen en el ciclo de generacin de energa.El modelo inicia con el circuito elctricoequivalente simple de una clula solar (verfigura 4), formado a partir de una fuente decorriente dependiente de la irradiacin (G),adems de un diodo, caracterizado por unacorriente de saturacin Io, y un factor deidealidad n, dos resistencias de perdidas, Rs yRSH[2,3].

Figura 4. Circuito representativo de una celda solar .[3]

El comportamiento elctrico de la clula sedescribe con la ecuacin 1, en la cual se apreciaque la corriente I, est definida implcitamenterespecto a la tensin (V), debido a que la

resistencia impide aislarla a un lado de laecuacin. Por tal motivo para poder desarrollar yresolver dicho modelo matemtico fue necesarioemplear un mtodo numrico (Newton-Raphson)para la resolucin de ecuaciones lineales [2,3].

= ( + 1 ) 1Dnde:

: Corriente foto generada.: Corriente de saturacin.: Resistencia en serie de una clula.

: Resistencia de prdidas en paralelo: Tensin trmica.

La corriente foto-generada, se determinacon la siguiente ecuacin.

= 0.1 298 2

Se determina la corriente de saturacin a una

temperatura estndar, para desarrollar laecuacin de la corriente de saturacin , sepuede partir de la siguiente ecuacin.

= 298 ( 298)

3

298 = 298

4

La expresin (voltaje trmico) se determina conla siguiente expresin:

= 5En la tabla 1 se presentan los parmetros

necesarios para el desarrollo del modelomatemtico.

Tabla 1. Parmetros para el modelo matemtico.

Con el modelo matemtico se obtiene unagrfica tpica de la cantidad de corriente

generada por un panel en funcin del voltaje (ver

figura 5), la curva demarcada en color rojorepresenta la corriente generada por el panelsolar, se puede apreciar el punto de potencia

mxima correspondiente al valor donde Imax y

Vmax se interceptan, potencia alrededor de

149.95 Watts. La curva en azul representa lacorriente generada por la celda solar del mismo

panel; de esta grafica se puede apreciar que elpunto de corte con eje x vendra a ser el valordel voltaje de circuito abierto Voc y para el eje

y el valor correspondiente a la corriente de

cortocircuito Isc, comprobando que el modelosimulado representa correctamente el modelo

real y estima la corriente generada por el panel o

la celda solar.

Smbolo Unidad Cantidad

K J/K 1.38 E23Q C 1.60e-19

N - 1.95Eg eV 1.12RsA

VocIscJsc

cm2

VA

A/cm2

1.2e-4243.36

0.63.21

13.22e-3


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4

Figura 5. Grafica de la corriente generada por el panel solarinstalado en Villa Marina en funcin del voltaje. [Autor].

2.4 Caracterizacin del aerogenerador.

Un parmetro importante para caracterizar elfuncionamiento del aerogenerador, es ladensidad del viento, se puede determinar con lasiguiente ecuacin [4].

= ()

6

Dnde:: Presin atmosfrica estndar (101.235 KPa): Constante del aire (286,9 J/Kg K): Gravedad. (m/sg2): Temperatura (K): Altitud (m)Con datos obtenidos en la granja experimentalVilla Marina se puede determinar la densidad del

aire del lugar.

= ( 101235286.9 293) .. = 1.0593

1)Potencia ideal del viento.Una vez obtenida la

densidad del aire para el lugar de ubicacin del

sistema y de conocer el valor de las velocidades

promedio del viento; se obtiene la potencia delviento por medio de la siguiente expresin.

= 1

2

= 12 1.05931.073.5

= 48.59 Dnde:A: rea de la superficie perpendicular delaerogenerador al vientoV:velocidad del viento.

2) Coeficiente de potencia. La potenciacontenida en el viento no puede ser del todo

aprovechada por el aerogenerador, por tanto

existe un parmetro llamado coeficiente de

potencia con el cual se puede determinar la

potencia real disponible del viento. Caberesaltar que el mximo valor que puede tomar

el coeficiente de potencia es 59.26 por ciento

este valor es conocido como el lmite de betz.

[4].

= 7

Con esta expresin podemos determinar lapotencia generada por la turbina en funcin delas velocidades del viento del lugar

==0.5926 12

8

2.5 Metodologa para el dimensionamientoen la aplicacin de sistemas hbridos(panel solar-aerogenerador).

Con los resultados obtenidos permiten construiruna metodologa para el dimensionamiento en lainstalacin de sistemas hbridos conformados por

paneles solares, aerogeneradores, sistemas dealmacenamiento de energa entre otrosdispositivos necesarios para el funcionamientodel sistema para cumplir con una demanda deenerga correctamente.

1) Consumo diario. Si ya se cuenta con unainstalacin elctrica es preciso y recomendablehacer una lista de los equipos y aparatos que se

utilizan y calcular de estos su consumo diario

(Watts horas /dia) [5].

Para ello se puede hacer una tabla en los que semuestren a cada elemento su potencia y lacantidad de horas de uso diarias. De esta manerase puede hallar el valor del consumo diariomultiplicando la potencia del aparato con lacantidad de horas uso. Una vez calculado elconsumo diario en (wattshoras) para cadaequipo, se debe calcular un consumo total,sumando el consumo diario de cada equipo. Una


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5

vez hecho esto hay que tener en cuenta que alresultado obtenido se le debe sumar un 30% delconsumo total, por cuestiones de prdidas en lasbateras es decir si el consumo es de 900Watth/dia, al sumar el 30% por perdidas el

nuevo consumo total diario ser de 1170wattsh/da. Sin embargo este no es el consumofinal, tambin se debe poner en consideracin lasprdidas generadas por el inversor, es decir queel valor hallado hasta aqu hay que incrementarloen un 10% [5].

2)Determinacin de la carga real necesaria asuministrar por el sistema fotovoltaico y/o

aerogenerador. Una vez hallado el consumodiario se puede determinar cunto ser el valorde la carga mxima que debe ser suministrada

por un panel solar y el aerogenerador.

=

9

Dnde::Carga real a ser suministrada (h/da): Consumo diario cargas en corriente directa(Wh/da): Consumo diario cargas en corriente alterna(Wh/da)

.:Eficiencia del inversor, valor que oscilaentre 80% y 85%.:Eficiencia de la batera.= Voltaje nominal de la batera que se deseaimplementar (12V-24V).

3)Determinacin de la energa solar disponiblede la zona. Irradiacin. Un parmetroimportante en la generacin de energa en unmdulo fotovoltaico es la irradiacin. Para Norte

de Santander la irradiacin promedio de este

departamento se resume en la tabla 2.

Tabla 2: Irradiacin promedio en el departamento de norte deSantander.

MesIrradiacinEnero(KW/

m2)

IrradiacinFebre

ro

(KW/m2)

Irradiacin

Marzo(KW/m2)

IrradiacinAbril

(KW/m2)

Irradiaci

nMay

o(KW/m2)

IrradiacinJunio(KW/

m2)

Nortede

Santander.

818.18

818.18

1000 1000 818.18

818.18

MesIrradiacin

Julio(KW/m2)

Irradiacin

Agosto

(KW/m2)

Irradiacin

Septiem.

(KW/m2)

Irradiacin

Octubre

(KW/m2)

Irradiacin

Noviembre

(KW/m2)

Irradiacin

Diciembre(KW/m2)

Nortede

Santa

nder.

944.4 818.1 944.4 1000 1000 1000

4) Calculo de la cantidad de mdulos

fotovoltaicos. Para calcular el nmero demdulos fotovoltaicos o paneles solares primero

hay que determinar los watts pico que deben ser

suministrados por los elementos de generacinde energa.

=1200 // 10

Para el clculo se estima el valor ms bajo de laradiacin durante todo el ao de la zona donde sedesea instalar el modulo. Para el clculo de lacantidad de paneles solares se usa la siguiente

ecuacin.

= 11Dnde:: Watts pico del sistema.:Watts pico del modulo fotovoltaico;

5)Potencia del viento. Con este parmetro sepuede conocer cuan provechoso es la instalacin

de un aerogenerador en el lugar. Las corrientes

de aire suelen ser muy variables por tanto es

necesario realizar mediciones constantes, conuna toma de datos sobre los datos obtenidos.

Cabe resaltar que las velocidades del vientovaran a determinadas alturas; por tanto es

necesario que las tomas de datos se realicen a

diferentes alturas [7].


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6

6) Calculo de la capacidad de las bateras.Para

un ptimo desempeo la batera debe tener una

capacidad de 4 veces mayor el consumo total

(Wattsh). La capacidad de la batera enamperios horas (Ah), es la energa acumulada de

la batera (Wattsh

) dividido por el voltaje envoltios [6].

=

Vbat 12

Dnde:=consumo diario total Wh/da:Das sin intensidad solar.: Profundidad de descarga. Depende de latecnologa de las bateras, este parmetro varaentre 0,5 para bateras de automocin, 0,6 parabateras de placa plana espesas y 0,8 parabateras tubulares o de varilla.

: Eficiencia de la batera.7)Determinacin del regulador.Para la cargar ydescargar la batera de forma controlada se

necesita un regulador de carga. Este dispositivo

se conecta entre el panel y las bateras. Lacorriente en operacin continua que debe ser

soportada por el controlador de carga o

regulador, ser como mximo la intensidad decortocircuito de los mdulos multiplicado por el

nmero de mdulos o paneles en paralelo, no

obstante tambin es recomendable que lacorriente mxima del regulador sea comomnimo de un 20% superior a la mxima

corriente nominal del sistema [6].

= 1.2 13Dnde:Imax: Intensidad mxima a soportar en rgimennominal por el regulador.: Corriente de cortocircuito.3. Resultados

Con la implementacin del sistema deadquisicin de datos utilizando la tarjetaArduino, conectada al aerogenerador y almdulo fotovoltaico instalado en Villa marina seextrajo una data tcnica. Con ella se simulomediante el programa MATLAB el modelomatemtico adaptado a un algoritmo o lenguajepara lograr representar una grfica donde se

muestra un caso ideal, y se compara con losdatos obtenidos en Villa Marina (ver figura. 6,7).

Figura 6. Grafica (I vs V) comparativa entre una modeloideal y los datos tomados en Villa Marina [Autor].

Figura 7. Grafica (P vs V) comparativa entre una modeloideal y los datos tomados en Villa Marina[Autor].

Como se puede apreciar en la grfica 7 y 8, lascurvas que representan los datos tomados enVilla marina, comprueban que el sistemafotovoltaico no est generando su capacidadmxima tanto de corriente como de potencia estose debe al cambio variado en la irradiacin elcual es proporcional a las horas de brillo solarque hay en lugar, esto genera que las curvas depotencia y corriente entregada por el panelvaren, siendo as el efecto de irradiacin el msimportante a tener en cuenta en el estudio previoque se haga a un rea donde se implementen losmdulos fotovoltaicos.

3.1 Aerogenerador.Con los datos obtenidos sobre las velocidadesdel viento, y con las ecuaciones mencionadasanteriormente se logra determinar grficamentecuanto es la potencia que es entregada realmentepor el viento a diferentes velocidades en un lugarcomo Villa Marina as como la potenciadisponible por parte del aerogenerador (verfigura 8).


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Figura 8. Grafica (I vs V) comparativa entre una modelo ideal ylos datos tomados en Villa Marina [Autor]

Como se puede observar en esta grafica la

potencia disponible del viento mxima del lugarse da cuando la velocidad del viento es de 4.5m/sg y su valor es de aproximadamente 54Watts, sin embargo debido a la altura y al lugardonde se encuentra el aerogenerador son pocoslos instantes en el da donde el viento lograalcanzar dicha velocidad o una an ms alta. Porotro lado la grfica de la potencia producida porla turbina teniendo en cuenta que las velocidadesdel viento varan de 0 a 4.5 m/s mximo y que elcoeficiente de potencia es de 0.5926respectivamente; la potencia mxima que seobtendra por parte del aerogenerador es de 35

watts.

4. Conclusiones

Sin duda alguna instalar elementos de control yde adquisicin de datos en un sistema hibrido,pueden llegar a convertirse en una herramientatil para la caracterizacin tanto de un mdulofotovoltaico como de un aerogenerador, debido aque permiten la captura en tiempo real, bajocualquier tipo de condiciones; adems de que latoma de datos es precisa y permite guardargrandes cantidades de informacin para generarhistricos con los cuales se pueden predecirmuchos ms eventos y bajo que parmetros sedan.

Con los datos obtenidos por la tarjeta ArduinoMega, en la adquisicin de una data de voltaje,se observa que el aporte por parte delaerogenerador instalado en Villa Marina inclusoen las horas de mayor obtencin del recurso

elico, es muy poco y llega a variar demasiado;de los datos que se extrajeron, se evidencio queel mximo valor de voltaje entregado fue deapenas 7.4 V, un valor que no se mantieneconstante y que no alcanza a ser suficiente para

que los acumuladores puedan recargarse.

Uno de los principales problemas que estnrelacionados con la generacin de energa porparte de un aerogenerador es la disponibilidad devientos fuertes que permitan que este equipogenere grandes cantidades de voltaje hacindolouno de los elementos de generacin de energalimpia menos rentable sin embargo pueden estosproblemas de abastecimiento de energamitigarse implementando diseos eficientesconsiderando la disponibilidad del recurso elicodel lugar.

La caracterizacin de un sistema de produccinde cualquier recurso es una herramienta deestudio esencial y de gran relevancia en laimplementacin de estos elementos o equipos.Con ello no solo se pueden crear hiptesisbasadas en supuestos y situaciones que sepueden llegar a presentar en dichos lugaresdonde se implementen; si no que adems puedenayudar a crear planes para la prevencin paraposibles problemas implcitos en el periodo degeneracin de energa o estados de no carga.

Referencias

[1] Elver Amesquita Gonzlez, Wilson Vargas

Yara, Implementacin de un sistema hbridoelico-solar para suplir la demanda

energtica de una cabaa en la granja

experimental villa marina, Universidad de

Pamplona, pp. 10, 56, 57. 2013.

[2] Arduino.cc. (18 de marzo de 2014). Arduino

MEGA board [online] Obtenido de

http://arduino.cc/es/Main/arduinoboardmega

[3] Muthu, N. P. Mathematical Modeling of

Photovoltaic Module with Simulink.Article, department of Electrical &

Electronics Engineering, tamilnadu ICEES.

2011.


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8

[4] Ferichola, J. F. Caracterizacin de mdulos

fotovoltaicos con dispositivo porttil.

Madrid. 2012.

[5] Mirez Tarrillo, J. L. Simulacin de una

Microgrid de Voltaje Continuo/AlternoAlimentado con Fuentes Solar, Lima - Peru.2011.

[6] Grahill, M. (2013). Componentes de unainstalacin solar fotovoltaica. Mxico.

[7] Serrano rico j.c., m. C. Anlisis de las

caractersticas del viento y potencial deenerga elica para ccutacolombia, pp 1-

8. 2007.

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