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EXTRACTO EDUCACIONAL Y BIBLIOGRAFIA
Tipo: Apuntes
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Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Eléctrico
Christian René Alvarado Guanín
Ing. Freddy Fernando Campoverde Armijos
Yo, Christian René Alvarado Guanín declaro ser autor del presente trabajo de titulación y eximo expresamente a la Universidad Politécnica Salesiana y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales.
De igual manera, cedo los derechos de propiedad intelectual de este producto de grado a la Universidad Politécnica Salesiana, por construir un proyecto académico desarrollado en calidad de estudiante de este centro de estudios superiores.
Autorizo, además, a la Universidad Politécnica Salesiana para que realice la digitalización y publicación de este trabajo de grado en el repositorio digital, de acuerdo con lo que dispone el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Christian René Alvarado Guanín.
ii
Quisiera hacer llegar un sincero agradecimiento a mi director de tesis Ingeniero Freddy Campoverde por su ayuda, guía y paciencia, durante el desarrollo de este proyecto. De igual manera a los Ingenieros Marco Carpio y Flavio Quizhpi docentes de la Universidad por compartir sus conocimientos y ser unos verdaderos amigos brindándome siempre su apoyo desinteresado.
A los docentes, religiosos, administrativos, empleados y más personas que siempre estuvieron en la Universidad y compartimos momentos mil gracias.
iii
Yo, Christian René Alvarado Guanin, autor del presente trabajo de Tesis “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN AUTOSUSTENTABLE FOTOVOLTAICO PARA UNA PARADA DE BUSES Y SU VALLA INFORMATIVA DEL SISTEMA INTEGRADO DE TRANSPORTE DE CUENCA”, declaro que; los conceptos desarrollados, análisis, esquemas, modelos analizados y las conclusiones del presente trabajo, son de responsabilidad exclusiva del autor.
Cuenca, diciembre del 2015.
Christian Rene Alvarado Guanin 0102676186 Autor
CONTENIDO
DEDICATORIA .................................................................................................... i
viii
Figura 41. Contraste de iluminación LED de luz blanca con alumbrado público.
xii
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tipos más utilizados de Células Solares. (Diaz & Carmona, pág. 27) 15
Tabla 2. Resumen de las magnitudes y unidades luminosas fundamentales. (OSRAM, 1979) ................................................................................................ 20
Tabla 3. Niveles de Iluminación para Exteriores. (Westinghouse Electric Corporation, 2000, pág. 187)............................................................................ 21
Tabla 4. Distribución de la intensidad luminosa. (Westinghouse Electric Corporation, pág. 80) ....................................................................................... 23
Tabla 5.Umbrales de carga y descarga de un controlador de 10 A.................. 31
Tabla 6. Dimensiones e iluminancias existentes. ............................................. 38
Tabla 7. Disposición de luminarias. .................................................................. 40
Tabla 8. Características de los diodos LED. (Mesa, pág. 13)........................... 44
Tabla 9. Tensión nominal del sistema en función de la Potencia. (Castejon & Santamaria, pág. 132) ...................................................................................... 45
Tabla 10. Iluminancias. .................................................................................... 51
Tabla 11. Radiación Solar Diaria horizontal año 2014 NASA. .......................... 56
Tabla 12. Promedio mensual de Radiación de la estación UPS. ..................... 59
Tabla 13. Calculo del histograma de frecuencias. ............................................ 61
Tabla 14. Estimación de la HSP para el mes peor. .......................................... 61
Tabla 15. Irradiación calculada de paneles Policristalinos. (Peña & Pinos, pág.
Tabla 16. Estimación del consumo de energía del SFA. .................................. 64
Tabla 17. Datos del fabricante para una célula solar. ...................................... 72
Tabla 18. Temperatura e irradiancia para el mes peor. .................................... 74
Tabla 19. Relación de los valores almacenados en Arduino y voltajes- corrientes.......................................................................................................... 83
Tabla 20. Demanda vs. Generación [Wh/día]................................................... 85
INTRODUCCIÓN.
Los medios que hoy en día nos permiten generar energía eléctrica en el mundo, para realizar procesos de producción, en su mayoría provienen de la combustión de materiales fósiles obtenidos de la tierra. En los últimos años estos procesos de extracción se los ha realizado a gran escala por países industrializados a través de sus multinacionales presentes en gran parte de los países denominados en vía de desarrollo, estas multinacionales han hecho caso omiso de normativas que cumplan con los principios básicos de procesos sustentables.
Dado que un proceso sustentable es aquel que se mantiene en el tiempo por sí mismo y sin que se agoten los recursos existentes, esta explotación de recursos fósiles muy pronto llegara a ser limitada o agotarse, motivo por el cual se han realizado diferentes estudios en el campo de energías limpias que suplan este requerimiento. (Sustentable)
En la actualidad, la utilización y abuso de estos combustibles fósiles ha ocasionado una gran cantidad de dióxido de carbono (CO2) al ambiente. Una alternativa a la contaminación procedente de la quema de combustibles son las energías limpias como son la: solar, térmica, eólica entre otras. Por tal motivo la radiación del Sol como energía primaria se la puede aplicar para generar energía eléctrica.
Un sistema fotovoltaico puede definirse como un sistema que utiliza la energía primaria del Sol para convertirla en energía eléctrica capaz de poner en movimiento cualquier equipo o máquina eléctrica.
Un Sistema Fotovoltaico Autónomo (SFA) es aquel que “produce energía eléctrica para satisfacer el consumo de cargas eléctricas no conectadas a la red, empleando un sistema de acumulación energético para hacer frente a los períodos en los que la generación es inferior al consumo”^1.
(^1) (Perpiñan, pág. 93)
CAPÍTULO 1
1 Introducción a los Sistemas Fotovoltaicos.
Cuando pensamos en energía solar, dos diferentes manifestaciones de ésta vienen a nuestra mente: luz y calor. Ambas cumplen un papel vital en la vida de nuestro planeta y de los seres vivos.
La luz solar hace posible la fotosíntesis de las plantas, sin la cual el reino vegetal desaparecería. El calor permite tener en el medio ambiente la temperatura y clima óptimo para la supervivencia de las especies a la vez que evapora las aguas del mar, las que son devueltas al planeta en forma de lluvia.
Hoy en día la energía solar se utiliza como fuente primaria de energía renovable, la cual se capta a través de paneles fotovoltaicos y se almacena en baterías como energía eléctrica para suministrar electricidad a los equipos.
El aprovechamiento de la energía solar representará un costo mensual nulo, ya que esta se encuentra presente durante algunas horas del día que haya presencia de Sol durante todos los días del año.
La fuente de energía primaria en los sistemas solares fotovoltaicos se la obtiene de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre, al utilizar al Sol como la fuente que provee de energía se puede distinguir las siguientes ventajas ante otras fuentes primarias:
Se trata de una fuente de energía renovable (limpia). Independiente de su aplicación está disponible en cualquier punto geográfico. Se la puede usar libremente.
En contraste con estas ventajas existen parámetros meteorológicos (geográficos-astronómicos y atmosféricos) que modifican el comportamiento de la radiación solar que llegan a la superficie terrestre. (Diaz & Carmona, 2010)
mil trescientos sesenta y siete watts de radiación solar por cada metro cuadrado de superficie (Bo=1367 W/m^2 ) como la irradiancia solar incidente en toda la superficie exterior de nuestra atmosfera.
Como se muestra el valor de irradiancia presente en cada punto del globo terrestre es la suma de sus componentes de radiación: directa, difusa y de albedo.
Radiación Directa.
Es la radiación del Sol que llega a la superficie terrestre, se da en días soleados sin la presencia de nubes por lo que constituye la componente con más representatividad en la generación de energía eléctrica fotovoltaica.
Radiación Difusa.
Esta radiación se presenta normalmente por la acción de dispersión que se produce en las capas de la atmosfera, cada ubicación en el planeta tendrá un diferente aporte de radiación difusa esto debido al ángulo de incidencia con las que la radiación llegue sobre las superficies fotovoltaicas receptoras.
Radiación de Albedo.
Es la radiación que se refleja en la superficie de la Tierra, toma su nombre debido al coeficiente de reflexión da las superficies conocido como Albedo, es la cantidad de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma. (Perpiñan, 2014)
1.1.2 Factores que modifican la Radiación Solar.
Por su forma esférica el Sol emite al espacio radiación en todas direcciones, por el hecho de encontrarse en el vacío la radiación solar no sufre pérdidas considerables debido a que no tiene contacto con materia alguna, pero su onda electromagnética sufre atenuación. (Westinghouse Electric Corporation, 2000)
Figura 2. Atenuación de una Onda Electromagnética.
Para realizar un estudio de radiación solar y/o un sistema solar fotovoltaico se deben tomar en consideración varios parámetros:
Factores astronómicos y geográficos, dependen de la ubicación relativa entre la fuente y el receptor. Factores atmosféricos, debidos al ingreso de la radiación solar a la atmósfera terrestre. 1.1.2.1 Factores Astronómicos y Geográficos.
Debido a que la Tierra se encuentra en constante movimiento con respecto al Sol es necesario establecer referencias que ubiquen los diferentes puntos de los dos astros involucrados en el estudio de radiación solar. La representación más sencilla se la realiza con la Tierra como eje de referencia a los diferentes puntos sobre la superficie de la misma denominándolas coordenadas geográficas.
También se aplica un sistema de coordenadas solares el cual sitúa a cualquier ubicación del Sol con respecto a la Tierra, en un sistema imaginario de coordenadas donde la Tierra se establece como el centro de una esfera celeste sobre la cual se desplaza el Sol.
Coordenadas geográficas.
Mediante el uso de coordenadas geográficas se puede ubicar con exactitud cualquier punto de la superficie terrestre. Estas ubicaciones son expresadas en grados sexagesimales, sus puntos de referencia son la latitud cero o Ecuador y la longitud cero o Meridiano de Greenwich. (Castejon & Santamaria, 2012)
