Sistemas mixtos fotovoltaicos - energa elctrica convencional para iluminacin: bloque de storage de energa, regulador de carga, e, inversor Esteban Gutierrez#1, David Aguirre#1, Junior Carpio#1, Jorge Luis Jaramillo#2 #1Profesional en formacin de la EET, Universidad Tcnica Particular de Loja #2Docente de la EET, Universidad Tcnica Particular de Loja Loja-Ecuador 2010 eagutierrez@utpl.edu.ec#1, daaguirrexx@utpl.edu.ec#1, jjcarpio@utpl.edu.ec#1, jorgeluis@utpl.edu.ec#2 Resumen Este trabajo resume el diseo y dimensionamiento del bloque de storage de energa para un sistema FV para iluminacin deledificioVirginiaRiofro,delCampusSanCayetanodela UTPL en la ciudad de Loja. Palabrasclavesbloquedestorage,almacenamiento,bateras, regulador de carga, inversor, paneles fotovoltaicos PFV I.INTRODUCCIN Enlossistemasfotovoltaicos,debidoalanaturaleza intermitentedelaradiacinsolar,esnecesariala implementacindeunbloquedestoragedeenerga,que garanticelaprovisindeenergaenelmomentoenqueel usuario final lo requiera. Lametodologautilizadaparaeldimensionamientodel bloque destorage,partedeldimensionamientodela demanda de energa y de la caracterizacin de la misma. As mismo, se requiereadoptarsolucionesqueporunapartegaranticenla provisindeenerga,y,porotramantenganelimpacto ambiental en condiciones ptimas. Estetrabajoresumeelprocesodediseoy dimensionamientodelbloquedestoragedeenergaparael sistemafotovoltaicodeiluminacindeledificiodeaulas VirginiaRiofrodelaUTPL,cuyoclculosehatratadoen trabajos anteriores. II.STORAGE DE ENERGA Como bloques de storage de energa, se pueden utilizar los denominadosvectoresenergticos,sustanciasodispositivos que almacenan energa de tal manera que, sta pueda liberarse posteriormentedeformacontrolada[1]:bateras,pilas, aplicacionesconhidrgeno,aplicacionesdeairecomprimido, etc.Latabla1,muestraalgunasdelascaractersticasdelas tecnologasdealmacenamientodeenergadisponiblesenel mercado [2]. Elstoragedeenerganoimplicanecesariamenteel almacenamientodeenergaenformatoelctrico,yaquese puedealmacenarenergaenelformatocintico(volantesde inercia), potencial (agua ubicada a una cierta altura), etc. Elstoragedeenerga,sehaconvertidoenuncomponente claveenlavisindelaredinteligentesmartgrid,quese refiere a una red de distribucin de energa elctrica en la que seoptimizanlaproduccinydistribucindeelectricidad,con el fin de equilibrar la oferta y la demanda, entre productores y consumidores [3],[4]. Paraefectosdeesteproyecto,y,considerandolaalta fiabilidadylaposibilidaddealmacenardirectamentela energageneradaporlosmdulosfotovoltaicos,seutilizar como bloque de storage a un arreglo de bateras. III.ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE STORAGE A IMPLEMENTAR Seplanteaqueelsistemadeiluminacinseabastezca prioritariamentedelaenergaproporcionadaporelsistema fotovoltaico, y, que cuando la reserva de energa en las bateras seamenoraunacotadada,elsistemadeiluminacinse abastezca de la energa proveniente de la red pblica. Seprevademsque,enmedidadelasposibilidades,la energa generada por el sistema fotovoltaico pueda ser enviada alsistemaelctricodelaUTPLparaatenderpequeas demandas en DC o AC. La Fig. 1, muestra un esquema general delainstalacindegeneracin,regulacin,almacenamiento, transformacin, e, insercin de energa.

TABLA I TECNOLOGAS DE STORAGE DE ENERGATecnologa Tipo de Energa Primaria Funcionamiento y Caractersticas Etapa de Desarrollo Hidroelectricidad Bombeada Potencial SeBombeaaguahastaun depsitoubicadoaunacierta alturaparaalmacenarlacomo energa potencial, estapuede ser aprovechadaamedida queelaguabajaenelcampo gravitacionaldelaTierra accionandounaturbina,que acopladaa ungenerador,permiteobtener electricidad. Madura CAES (Almacenamiento de Energa con Aire Comprimido): Potencial LossistemasCAESutilizanla energacompresivaasociadaal airepresurizadocontenidoendepsitossubterrneos consistenteencavidades naturalesoantiguasminasoen acuferosporososqueestn geolgicamentecontenidos.El almacenamientoserealiza comprimiendoelairedurante horasdebajademandade energa. Durante las horas pico el airecomprimidoseutilizapara producirpotenciaalexpandirlo enunaturbinadegascon relativamente alta eficiencia. Desarrollo Inicial Flywheel (Volante de Inercia) Inercia mecnica Undiscopesadoquerotaes aceleradoporun motor elctrico, queactacomogeneradoren reversa,retrasandoeldiscoy produciendoelectricidad.La electricidadsealmacenacomo energacintica.Lafriccinse debemanteneralmnimopara prolongareltiempode almacenamiento.Estoselogra colocandolaruedavolanteenel vacoyusandocojinetes magnticos,locualhacequeel mtodo sea costoso. Desarrollo Inicial Bateras Electroqumica Enlasbateraslaenerga elctrica es almacenada (cargada) oliberada(descargada)mediante reaccioneselectroqumicasque transportanelectronesalos electrodos(ctodoynodo), conectados por un electrolito Madura Hidrgeno

Laenergasealmacena produciendohidrgeno,apartir delreformadodegasnaturalo porelectrlisisdelagua.El hidrgenotienepotencialusoen plantas de energa solar y energa elica ya que se podra almacenar laenergaexcedentequese produce durante las horas pico de generacin,paraluegoutilizarla enhoraspicodeconsumo. Elhidrgeno,encomparacin conloshidrocarburos(comola gasolina o el propano), esmucho msdifcildealmacenary transportarconlatecnologa actual.Elgasdehidrgenotiene buenadensidadporvolumen, peromalacomparadaconlade loshidrocarburos,porlotanto requiere de un tanque ms grande para ser almacenado. Desarrollo Inicial Fig.1.Esquemageneraldesistemadeiluminacinmixtafotovoltaica energa elctrica convencional, del edificio Virginia Riofro de la UTPL Elbloquedestoragedeenergaconstadeunarreglode bateras,unreguladordecarga,uninversor,y,contadoresde carga para el registro de energa aportada o consumida. La mayor parte de los componentes se aloja en un cuarto de controlymantenimiento,ubicadoenlaterrazadelEdificio VirginiaRiofro.Lasdimensionesprevistasparaelcuartode control son de 3 m de largo, 2.5 m de ancho, y, 2.5 m de altura. IV.CLCULO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE STORAGE DE ENERGA A.Regulador de carga Elreguladorevitasobrecargasenlasbateras,impidela descarga de la batera en periodos de luz solar escasa, asegura elfuncionamientodelsistemaenelpuntodemxima eficiencia,y,garantizaunatensinconstanteenlasalida facilitando el buen funcionamiento de todos los receptores que se conecten al sistema [5]. Losparmetrosmsimportantesdelreguladorsonla corriente mxima, y, la tensin de trabajo. Paracalcularlamximacorrientequedebesoportarel regulador, se utiliza la expresin (1): IRLu= 1,uS Isc Np(1) En dnde: IREG, es la corriente mxima en el regulador ISC, es la corriente de cortocircuito del PFV NP, es el nmero de PFV conectados en paralelo1,05,es el factor de sobredimensionamiento (5%) En trabajos anteriores, se determin la necesidad de utilizar 16 PFV (en grupos de 4 conectados en serie), del tipoIsofoton I-100/12, cuya hoja de especificaciones tcnicas se muestra en la tabla 2, con una tensin de 48V. TABLA II ESPECIFICACIONES TCNICAS Y ELCTRICAS DE LOS MDULOS FOTOVOLTAICOS ISOFOTON I-100/12 V Voltaje Nominal12V Mxima Potencia1uu wp_1u% Corriente de Cortocircuito6,54 A Voltaje en Circuito Abierto21,6 V Corriente de mxima potencia5,74 A Tensin de mxima potencia17,4 V Lacorrientemximadelreguladorsedeterminentonces como: IRLu= 1,uS Isc Np IRLu= 1,uS 6,S4A 16 IRLu= 1u9,88 A La tensin nominal del regulador ser la misma del arreglo fotovoltaico, es decir 48 V. Latensinmximaque tiene quesoportarelregulador,se presentaenlosdasdeirradiacinmximaocuandolas baterasestncompletamentecargadasysinconsumode energa[5].Latensinmximaenelregulador,secalculade acuerdo a la expresin (2): IRLu= 1,uS IC Ns(2) En dnde: VREG, es el voltaje mximo en el reguladorVDC, eselvoltajeenDCencircuitoabiertodel PFVNS, es el nmero de mdulos conectados en serie 1,05, es el factor de sobredimensionamiento (5%) El voltaje mximo del regulador se calcul como: IRLu= 1,uS IC Ns IRLu= 1,uS 21,6I 4 IRLu= 9u,72 I Losvaloresobtenidospermitenseleccionarelregulador adecuado.ElequipoptimoesunreguladorStecaPower Tarom4110(VerFig.2),cuyascaractersticastcnicasms importantes son [6]: Tensin nominal: 48 VCorriente mxima del mdulo : 110 A Corriente mxima durante 5s: 200 A Potencia nominal: 6.72 KW Temperatura de Servicio: -100 C a500 C Autoconsumo 14 mA Peso 10 Kg Dimensiones 36x33x19 cm Clase de proteccin: IP65 Fig.2.ReguladorStecaPowerTarom4110,[enlnea]< http://www.stecasolar.com/index.php?Steca_Power_Tarom_en> [Consulta: 5 de agosto 2011] B.Inversor ElinversortransformalaDCdebajatensin(12,24,32, 36, o, 48 V) generada por los PFV y acumulada en las bateras, a AC de una magnitud y frecuencia necesaria [7]. Losinversoressonmenoseficientessiseutilizanenun porcentajebajodesucapacidad.Porestaraznnoes convenientesobredimensionarlos,y,debenserelegidoscon unapotencialomscercanaposiblealadelacargade consumo [9]. Paradeterminarlacapacidadrequeridadelinversor,es necesariodeterminarlacargapicodelsistema.Latabla3 resumeelclculodelacargapicodelsistema,estimadaen5.89 KW. TABLA III DIMENSIONAMIENTO DE LA CORRIENTE PICO DEL SISTEMAPisoArtefacto (CA)U P (W) Carga Pico (W) Planta bajaLmpara SMD T8 LED(aulas)16012 1920 Lmpara SMD T8 LED(baos)812 96 LmparaLEDPARATHOM PAR16 (pasillo) 103 30 Primera planta Lmpara SMD T8 LED(aulas)12612 1512 LmparaSMDT8LED (asoc. de profesores, 812 96 LmparaLEDPARATHOM PAR16 (pasillo) 103 30 Segunda planta Lmpara SMD T8 LED(aulas)16012 1920 LmparaSMDT8LED(auditorio) 2112 252 LmparaLEDPARATHOM PAR16 (pasillo) 103 30 TOTAL5886 El inversor que cumple con las caractersticas necesarias es elSUNNYBOY6000TLde SMASunnyFamily(verFig.3) [8], cuyas principales caractersticas tcnicas son:

Potencia mxima de CC 6000 W Tensin mxima de CC 550 V Rango de tensin fotovoltaica 125 V 440 V Potencia nominal de salida 6000 W Frecuencia de la red 60Hz / +- 5 Hz Conexin monofsica, bifsica, trifsica a la red. Fig.3.InversorSUNNYBOY6000TL[enlnea][Consulta:13de julio 2011] Elinversorseleccionadofacilitaladistribucindecarga porcadaplantadeledificio,debidoasuscaractersticas trifsicasdeconexinalared,y,estdisponibleenel mercado ecuatoriano a travs de CODESOLAR Ca. Ltda. C.Arreglo de bateras Lafuncinprioritariadelasbateras,enunsistemade generacinfotovoltaica,esladeacumularenergaproducida durantelashorasdeSol,parapoderlautilizarenlanocheo durante periodos de mayor demanda de energa. La seleccin de bateras, se basa en parmetros como: Vida til Temperatura ambiente de funcionamiento Mantenimiento Capacidad de almacenamiento Profundidad de carga y descarga Presupuesto disponible Para este proyecto, es importante que las bateras garanticen una alta capacidad de almacenamiento, una vida til aceptable, y, mantenimiento mnimo. Paradeterminarlareservadeenergarequeridaenel sistema,separtedelagrficatemporaldedemandadecarga eneledificio(VerFig.4).Tambinseconsideralacarga mxima,calculadaenotrostrabajos,quetieneunvalorde 433.24 Ah. Fig. 4. Diagrama de carga diaria en eledificio Virginia Riofro de la UTPL Entrelas0h00ylas7h00,noseregistrademandade energa.Entre las 7h00 y 15h00,la demanda alcanza un 25% de la demanda total.Entre las 15h00 y las 18h00, la demanda crecedesde el25%al 100%, por lo cual se realizo una media aritmticadandocomoresultadounvalorde62,5%de promedio de carga durante estas 3 horas. De 18h00 a 21h00 la demandadecargasemantieneenel100%.Luegodelas 21h00,lademandasevuelveprcticamentenula.Estosdatos son resumidos en la tabla 4. TABLA IV ANLISIS DE CARGA DIARIAPorcentaje de carga mxima HorarioCarga(Ah) 25%De 7 a 8 108.3125%De 8 a 9 108.31 25%De 9 a 10108.31 25%De 10 a 11108.3125%De 11 a 12 108.3125 %De 12 a 13 108.3125%De 13 a 14 108.3125%De 14 a 15108.3150%De 15 a 16 216.650%De 16 a 17 216.6 75%De 17 a 18 324.93100%De 18 a 19 433.24100%De 19 a 20 433.24100%De 20 a 21 433.240%De 21 a 22 00%De 22 a 23 00%De 23 a 24 00%De 24 a 1 00%De 1 a 2 00%De 2 a 3 00%De 3 a 4 00% De 4 a 5 00%De 5 a 600%De 6 a 70 TOTAL2924,33 Laprofundidaddedescargadelasbateras,secalcula utilizando la expresin (3): CCbb=CNbbPd(3) En dnde: CCbb, es la capacidad corregida del banco de bateras, Ah CNbb, es la capacidad nominal de las bateras, AhPd, es la profundidad de descarga (0.75) CCbb =2924,SS Au.7S= S899,1 A Comobaterabaseseseleccionalaversinestacionaria Sonnenschein,modeloA512-200(VerFig.5),entrecuyas principales caractersticas se anota [11]: Tensin nominal, 12VCapacidad a 100h, 200 Ah Peso, 42 Kg Dimensiones 242*274*518 mm Fig. 5. Bateras estacionarias Sonnenschein modelo A512-200 [en lnea] [Consulta: 15 de agosto 2011] Paradeterminarelnmerorequeridodebaterasencada arreglo en paralelo, se emplea la expresin (4): Nbp =Cs Cb(4) En dnde: Nbp, es el nmero requerido de baterasen paralelo Cs, es la capacidad de carga del sistema, Ah Cb, es la capacidad de carga de la batera, Ah Nbp =S899.1A2uuA= 19.49 2u Para determinar el nmero requerido de arreglos paralelos de bateras a conectar en serie, se emplea la expresin (5): . Nbs =Is Ib(S) En dnde: Nbs, es el nmero de baterasen serie Ts, es la tensin del sistema, V Tb, es la tensin de la batera, V Nbs =48I12I= 4 Como resultado, el arreglo de bateras est conformado por 4gruposde20baterasenparalelo,conectadosenserie.La Fig. 6 muestra un esquema de conexin del arreglo de bateras, y, la tabla 5 resume el clculo. Fig. 6. Esquema de conexin del arreglo de bateras TABLA V RESUMEN DEL CLCULO DEL ARREGLO DE BATERAS VARIABLEUNIDADVALOR Capacidad nominal (CNbb)Ah2924,SS Ah Capacidad corregida (CCbb)Ah3899,1Ah Numero de bateras en paralelo (Nbp)u20 Numero de bateras en serie (Nbs)u4 Numero de bateras en totalu80 D.Implicaciones estructurales del arreglo de bateras Losdatosdecatlogodelasbaterasseleccionadas[11], muestranquecadamdulopesa42Kg,raznporlacualel peso de todo el componente ser: Pt = Pu 8u (9) Pt = 42Kg S2 Pt = SS6u Kg Considerandounareservadel30%paraespaciarlas bateras entre s, el rea ocupada por una batera Ab, se estima con ayuda de la expresin (10): Ab = (loJo 1.Su) (onco 1.Su)(9) Ab = (u.242m 1.Su) (u,274m 1.Su) Ab = u,112m2 Cada arreglo paralelo de bateras se colocar en un estante arazndecuatrofilasde5baterascadauna.Elreaaser ocupada por el estante Aeb, es de: Acb = Ab S(10) Acb = u,112m2 S Acb = u.S6m2 Dejandounespaciode1mentrecadaestante,cuatro estantes de bateras ocuparn un rea de 5.24 m2. Por lo tanto, la carga estructural del arreglo total de bateras ser de 641.22 Kg/m2.Estevaloresmuyimportanteparadeterminarla ubicacin final del storage de energa en el edificio. E.Implicaciones ambientales del arreglo de bateras Es importante prever un tratamiento adecuado a las bateras a desechar, puesto que ms del 30 por ciento de los materiales utilizadosenlasbateras,puedencausardaosalasaludyal medio ambiente.

Conelpasodetiempo,y,pordescomposicin,los elementosdelasbaterasseoxidan,y,sederramandiferentes txicos en el suelo, agua, y, aire. Lo mismo sucedecuandose queman en basureros o se incineran [12]. EnelmercadoecuatorianolaempresaFabribat,enla ciudaddeQuito,estfacultadaparalarecoleccin, almacenamientoyreciclajedebateraschatarra[13].El servicio de reciclaje de bateras tiene un costo de 3 dlares por kilogramo. Dadoelpesototaldelarreglodebaterasde3360Kg,el costo por el reciclaje de las mismas, una vez culminada su vida til, sera del orden de los 10.080 dlares. V.PRESUPUESTO DE INVERSIN Elpresupuestogeneralparalaimplementacindelbloque destorageeneledificioVirginiaRiofro,sepresentaenla Tabla 6. TABLA VI PRESUPUESTO GENERAL PARA LA IMPLEMENTACIN DEL BLOQUE DE STORAGE 1.EQUIPOS ProductoCantidad Valor unitario (USD) Valor total (USD) Batera estacionaria Sonnenschein modelo A512-200 80 u640.0051200.00 Inversor SUNNY BOY 6000TL1 u3118.003118.00 Regulador Steca Power Tarom 4110 1 u2898.502898.50 Aire Acondicionado Tekno1 u160.00160.00 SUBTOTAL57376.50 2.OBRA FSICA ProductoCantidad Valor unitario (USD) Valor total (USD) Construccin de caseta de control (Incluyemanodeobray materiales) 7,5 m2125.00937.50 SUBTOTAL937.50 3.MA@O DE OBRA DescripcinCantidad Valor unitario (USD) Valor total (USD) Instalacindelarreglodebateras estacionarias80 u10800 Instalacin de regulador 1 u1515 Instalacin del inversor 1 u1515 Instalacin de aire acondicionado 1u1515 Instalacindelsistemaelctrico (Iluminacin y tomacorrientes) 1 u120120 SUBTOTAL 965 Total presupuesto (1 +2 +3)59279.00 Direccin tcnica (5%)2963.95 Imprevistos (5%)2963.95 Inversin en reciclado futuro10080.00 Total de la inversin75286.90 VI.CONCLUSIONES Paraefectosdeesteproyecto,sedecidiutilizarcomo vector energtico a un arreglo de bateras considerando la altafiabilidadylaposibilidaddealmacenardirectamente la energa generada por los mdulos fotovoltaicos. Eldimensionamientodelmdulodestorageserealizla bajolaconsignademantenerlailuminacindeledificio VirginiaRiofro,por24horas,eficientementeysin necesidad de recarga. Sedeterminlanecesidaddeimplementarunarreglode bateras,conformadopor4gruposde20baterasen paralelo,conectadosenserie,paraproporcionarlos3899,1 Ah y los 48V exigidos por la carga. Eltipodebateraptimaparaestesistemaesdeltipo estacionariaSonnenscheinmodeloA512-200,escogido principalmente por su gran capacidad de almacenamiento. El trabajo del regulador de carga al controlar los umbrales decorte,protegerlabateradesobrecargaso sobredescargas,y, aseguraelcorrecto funcionamiento del sistema fotovoltaico. De acuerdo a las exigencias del proyecto, se seleccion un regulador Power Tarom 4110, de la empresa Steca. De acuerdo a las exigencias del proyecto, se seleccion un inversor SUNNY BOY 6000TL, de la empresa Sunny. El costo total de inversin requerida para implementacin delbloquedestorageesdelordendelosUSD76000 dlares. VII. REFERENCIAS [1].VectorEnergtico.PortaldeSostenibilidad.[enlnea]< http://portalsostenibilidad.upc.edu/detall_01.php?numapartat=3&id=72 > [Consulta: Julio 2011] [2].ElectricPowerStorage.StanMarkKaplanSpecialistinEnergyand Environmental Policy September 8, 2009 [Consulta: Julio 2011] [3].ECOPERIODICO.Elperidicomedioambientalparticipativoyglobal SmartGrid:laltimafronteradeObama[enlnea] [Consulta: 25 de julio 201] [4].RedesSmartGrid:Eficienciaenergticatotal.Data.Ti[enlnea] [Consulta: 25 de Julio 2011] [5].EnergasolarfotovoltaicaAutor:MarcosTosatado[enlnea] [Consulta: 25 de mayo 2011][6].StecaElektronik.PowerTarom4110[enlnea]www.steca.com [Consulta: 5 de Agosto 2011 ] [7].ProyectoSIMECCHILESRL[enlnea] [Consulta: 13 de julio 2011]. [8].INVERSORSUNNYBOY4000TLdeSMASunnyfamily[enlnea] [Consulta: 14 de Julio 2011 ] [9].SolartronicForosEnergaSolar[enlnea] http://www.solartronic.com/Ayuda/Preguntas_Frecuentes/#Preg6[Consulta: 5 de Agosto 2011 ] [10].Diseosimplificadodeunainstalacinfotovoltaicaautnoma.[en linea] [Consulta: 5 de junio de 2011] [11].BaterasestacionariasSonnenscheinmodeloA512-200[enlnea] [Consulta: 15 de julio 2011] [12].GreanpeaceContaminacindebateras[enlnea] [Consulta: 5 de agosto 2011] [13].Reciclajedelasbaterasproteccinactivadelmedioambiente FabribatCIA.Ltda.[enlnea][Consulta:5de agosto 2011]