Prototipo de un sistema h�brido de energ�a fotovoltaica e�lica

Ing. Mauricio Enrique Cuahuey Guerrero[1] [email protected] https://orcid.org/0000-0003-4233-8686 Universidad Popular Aut�noma �del Estado de Puebla Heroica Puebla de Zaragoza - M�xico	Dr.� Juan Francisco M�ndez [email protected] https://orcid.org/0000-0001-6267-3671 Universidad Popular Aut�noma del Estado de Puebla Heroica Puebla de Zaragoza - M�xico
Dr. Edgar Peralta S�nchez [email protected] https://orcid.org/0000-0001-2602-5025 Universidad Popular Aut�noma del Estado de Puebla Heroica Puebla de Zaragoza - M�xico	Mtro. Sergio Alejandro Carde�a Moreno [email protected] https://orcid.org/0000-0003-4233-8686 Universidad Popular Aut�noma del Estado de Puebla Heroica Puebla de Zaragoza - M�xico
Mtro. Daniel Eduardo Hern�ndez S�nchez [email protected] https://orcid.org/0009-0003-5527-8587 Universidad Popular Aut�noma del Estado de Puebla Heroica Puebla de Zaragoza � M�xico

RESUMEN

Actualmente la inversi�n en energ�as de renovables como la e�lica, geot�rmica o la solar fotovoltaica se presenta como el camino m�s confiable para la transici�n energ�tica a fuentes energ�ticas de bajo impacto ambiental. Si bien los grandes parques e�licos y solares de generaci�n han dado resultados favorables existen a�n muchas �reas de oportunidad para mejorar el rendimiento de generaci�n y minimizar a�n m�s el impacto medioambiental, como es el caso de los sistemas h�bridos de generaci�n de energ�a. El objetivo de este trabajo fue elaborar el prototipo de un sistema h�brido de energ�a, e�lica y fotovoltaica; que nos permita generar energ�a el�ctrica mediante la utilizaci�n de energ�a fuentes renovables como materia prima y de manera m�s sustentable al reducir emisiones comparada con fuentes de generaci�n tradicionales. Partiendo desde un dimensionamiento previo de las variables clim�ticas, el dise�o del sistema, el armado y las pruebas de funcionamiento de un prototipo que en una misma estructura, contiene un m�dulo fotovoltaico, un rotor e�lico tipo Savonius, un panel de control y sus respectivas unidades de almacenamiento (para este caso de generaci�n fuera de la red local), en donde podemos esperar un menor desgaste en la saturaci�n de la red el�ctrica debido a que, al ser sistema h�brido, se utilizan m�ltiples fuentes, por lo que, si se llega a presentar intermitencia, no se pierde por completo la generaci�n de energ�a.

Palabras clave: sistema hibrido; sistema fotovoltaica; sistema e�lico; energ�as renovables.

Wind-photovoltaic hybrid energy system prototype

ABSTRACT

Currently, investment in renewable energies such as wind, geothermal and solar photovoltaic is the most reliable way forward for the energy transition to low environmental impact energy sources. While large wind and solar power generation parks have yielded favourable results, there are still many areas of opportunity to improve generation performance and further minimise environmental impact, such as hybrid power generation systems. The objective of this work was to develop a prototype of a hybrid energy system, wind and photovoltaic, which allows us to generate electricity by using renewable energy sources as raw material and in a more sustainable way by reducing emissions compared to traditional generation sources. Starting from a previous dimensioning of the climatic variables, the design of the system, the assembly and operation tests of a prototype that in the same structure, contains a photovoltaic module, a Savonius type wind rotor, a control panel and their respective storage units (for this case of off-grid generation), where we can expect a lower wear in the saturation of the electricity grid because, being a hybrid system, multiple sources are used, so that, if intermittency occurs, the energy generation is not completely lost.

Keywords: hybrid system; photovoltaic system; wind-power system; renewable energies.

Art�culo recibido 01 abril 2023
Aceptado para publicaci�n: 15 abril 2023

INTRODUCCI�N

La constante inestabilidad en el mercado de combustibles y las crecientes consecuencias medioambientales desencadenadas por la sobreexplotaci�n y consumo de los recursos naturales desde la primera revoluci�n industrial, mantienen en constante riesgo el estilo de vida de nuestra civilizaci�n. Los avances tecnol�gicos y la mejora de la calidad de vida de las personas dependen proporcionalmente del acceso a la energ�a el�ctrica, satisfecha hasta hoy gracias al consumo de hidrocarburos, siendo estos un recurso natural finito el cual tender� a agotarse gradualmente, y mientras estas cuestiones sigan aumentando, as� como la demanda energ�tica mundial

Consecuencialmente las repercusiones del consumo desmedido de hidrocarburos nos han tra�do consecuencias devastadoras, como el cambio clim�tico, la contaminaci�n de agua, suelo y aire, sumado a los altos riesgos en la salud de todos los seres vivos que habitamos el planeta, por otro lado, fuentes no dependientes de hidrocarburos como la industria hidroel�ctrica presentan altos riesgos de impacto ambiental en su entorno directo. Esto pone en la urgencia directa de reducir y en un futuro no muy lejano la necesidad de eliminar nuestra dependencia con este tipo de fuentes de energ�a.

Actualmente las alternativas a los hidrocarburos como fuentes generadoras de energ�a se encuentran al alza. Por lo que la inversi�n en energ�as de fuentes renovables como la e�lica, geot�rmica o la solar fotovoltaica se presenta como el camino m�s confiable para la transici�n energ�tica a fuentes de bajo impacto ambiental. Si bien los grandes parques e�licos y solares de generaci�n han dado resultados favorables existen a�n muchas �reas de oportunidad para mejorar el rendimiento de generaci�n y minimizar a�n m�s el impacto medioambiental de estas alternativas, como es el caso de los sistemas h�bridos de generaci�n de energ�a.

Objetivo General

� Elaborar un prototipo de un sistema h�brido de energ�a, e�lica y fotovoltaica; que nos permita generar energ�a el�ctrica de fuentes renovables y de manera m�s sustentable.

METODOLOG�A

En primera instancia para la elaboraci�n del prototipo concebido y con el fin de conocer con certeza los elementos que lo conformar�an y la construcci�n del mismo, se realiz� un dimensionamiento matem�tico previo y con ayuda de software, mismos que son capaces de adecuarse a diferentes puntos geogr�ficos a nivel mundial y brindar informaci�n necesaria aplicable a los modelos de dimensionamiento. Ya que es necesario conocer las caracter�sticas geogr�ficas y medioambientales del sitio en el que se requiera implementar el dispositivo, partiendo no �nicamente de los requerimientos tecnol�gicos y mec�nicos necesarios para establecer las condiciones de trabajo, si no tambi�n necesarios para conocer el rendimiento esperado y la viabilidad de la instalaci�n de este tipo de dispositivos en el punto de preferencia.

Dimensionamiento previo matem�tico y en software

Utilizando dimensionamiento matem�tico cl�sico y software, se revisaron las condiciones clim�ticas y ambientales del sitio (ciudad de Puebla, M�xico) que influyen en el funcionamiento de las tecnolog�as de generaci�n seleccionadas, en dos secciones, recurso solar y recurso e�lico.

Software:

Radiaci�n diaria promedio mensual estimada en un a�o. (HOMER-pro, 2021)

Radiaci�n promedio anual por d�a 5.67 KWh/m2/d�a. (HOMER-pro, 2021)

Base de datos resultado del software con par�metros necesarios en el dimensionamiento de energ�a solar. (NASA Power, 2021)

Velocidad promedio mensual del viento y perfil de viento en un ambiente urbano. (HOMER-pro, 2021)

Velocidad promedio anual del viento de 3.57 (m/s). (HOMER-pro, 2021)

C�lculos

Recurso solar:

� �= Latitud de la ciudad de Puebla �=19.0474�����������������

� D�a 14 de Julio

� δ: declinaci�n solar: latitud a la cual los rayos llegan normales. latitud a la cual los rayos llegan sobre la esfera celeste en el sistema ecuatorial.

δ=21.286439

� Constante solar: cu�nta energ�a recibimos del sol

Para el caso de estudio: I = 1.3677 KW/m�

� Radiancia diaria horizontal sobre la superficie de la tierra (NASA Power)

�=5.90 kwh/m2-d�a

� Inclinaci�n �ptima

βopt= 16.842706�17�

� P�rdidas por temperatura de trabajo de una c�lula STC (Standar Test Condition)

Tc=56.25 c

� K_TM= �ndice de claridad

K_TM=0.32677

Nota: si se acerca a 0 existe mucha contaminaci�n, y si se acerca a 1 existe poca contaminaci�n.

� Masa de aire

AM= 1.4804325

Los paneles fotovoltaicos son caracterizados por una masa de aire igual a 1.5, por lo que las p�rdidas por masa de aire en este caso no son considerables.

� Radiancia solar global sobre un panel solar

Gβ𝜶 =5.827389 kWh/m2

Recurso e�lico:

� La potencia m�xima que podemos obtener con un rotor Savonius puede calcularse con la siguiente f�rmula:

� Pmax= 0.18*H*D*�������

Donde:

� H: Altura del rotor [m] 1.10 m

� D: Di�metro del rotor [m] 0.60 m

� V: Velocidad del viento [m/s] 3.77 m/s el 14 de julio (velocidad promedio mensual del viento para julio, HOMER PRO)

� Pmax= 6.365W

� La velocidad de giro de un rotor e�lico se calcula con la siguiente f�rmula:

� n = (60 � λ � v) / (π � D)

� Donde:

� n: Es el n�mero de revoluciones por minuto [rpm]

� El factor λ se llama velocidad espec�fica del rotor e�lico y depende de la anchura y del �ngulo de calado de las palas. En el rotor Savonius con el que vamos a trabajar este factor tiene un valor comprendido entre 0.9 y 1.1. (0.9)

� v: Es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s]. 3.77

� D: Es el di�metro de la turbina e�lica en metros [m] 0.60

� n= 108 rpm

� Elecci�n del inversor

� La potencia soportada por el inversor debe de ser 1.5 veces la potencia demandada.

� Potencia del inversor=6.365W*1.5 = 9.5475W

� Elecci�n del regulador de carga

� El regulador de carga debe de ser igual a la corriente nominal de salida de la turbina e�lica multiplicada por 1.25

� 1 regulador =12V * 1.25=15V

C�lculo de protecciones para el sistema:

Las protecciones en una instalaci�n el�ctrica son indispensables para proteger a los sistemas tanto fotovoltaicos como e�licos, a las bater�as, inversores, controladores de carga y sobre todo a los usuarios/operadores.

Corriente m�xima del panel fotovoltaico:

I max= Isc panel x 1.25

I max=8.98 A x 1.25

I max=11.225 A���

Dispositivo de sobre corriente (y sobretensi�n)

I max=11.225 A x1.25

I max= 14.031 A

Vmax= Voc x 1.2

Vmax= 38.1 V x 1.2

Vmax= 45.72 V

Protecci�n del panel solar al regulador de carga:

Imp x 1.2

8.42 x 1.2 = 10.104 A

Del regulador de carga a la bater�a:

Vcc = V salida x 1.25 = 24 x 1.25 =30 V

I = P panel / Vcc = 260 W/ 30 V = 8.66 A

De la bater�a al inversor de corriente:

Icc= Pinversor / Vcc max= 700w / 24v = 29.1666 A

Integraci�n de datos obtenidos por dimensionamiento matem�tico y en software

Comparaci�n de resultados de dimensionamiento solar matem�tico cl�sico y en software.

Los datos obtenidos en el dimensionamiento matem�tico previo y en software para la ubicaci�n seleccionada, siendo esta en las instalaciones de la universidad en la ciudad de Puebla, M�xico. Tanto para la secci�n e�lica como para la solar, nos ofrece par�metros de los respectivos recursos renovables esperados para el correcto funcionamiento de nuestro sistema planteado, para lograr obtener una generaci�n de energ�a estable y suficiente.� As� mismo, tanto estos valores como el c�lculo de protecciones nos ofrece los datos necesarios para la selecci�n de los elementos con los cuales se podr� trabajar, su correcta integraci�n y sus respectivos complementos, para as� partir al dise�o del sistema.

Dise�o y modelado de la estructura con elementos

El sistema h�brido desarrollado consiste en 2 fuentes de generaci�n renovables, fotovoltaica y e�lica.

Se decidi� establecer una estructura en la que el panel fotovoltaico quedar� en la parte superior para recibir la radiaci�n solar, y el generador e�lico de eje vertical (tipo Savonius) forma parte de la estructura principal que da rigidez y soporte a s� mismo y al panel fotovoltaico.

Prueba de componentes en laboratorio

Prueba de los componentes adquiridos de manera individual y conjunta, simulando las caracter�sticas estimadas de las fuentes de energ�a solar y e�lica.

Pruebas realizadas en el centro de investigaci�n en potencia el�ctrica y energ�as limpias de UPAEP.

Elementos secci�n fotovoltaica.

Elementos secci�n e�lica.

Prototipo armado

Prototipo de sistema h�brido montado por completo, gabinete de panel de control al frente a una altura aproximada de 140 cm sobre la base y el panel fotovoltaico a 160 cm sobre la base, inclinado hacia el frente (este rostro del sistema deber� estar orientado hacia el sur), el cableado baja por la estructura y se divide partiendo hacia la derecha e izquierda.

� Del lado izquierdo est�n montadas las bater�as de ciclo profundo conectadas en serie, as� como el inversor de corriente para la secci�n fotovoltaica.

� De lado derecho, lado donde se encuentra acoplado el alternador, se encuentra montada la bater�a de uso automotriz junto con el inversor de corriente de la secci�n e�lica

� Ambos lados con sus respectivas conexiones y arreglo de cableado.

Pruebas realizadas en la terraza del primer piso del edificio de ingenier�as, junto del centro de investigaci�n en potencia el�ctrica y energ�as limpias de UPAEP.

Im�genes y descripci�n del sistema ensamblado:

RESULTADOS Y DISCUSI�N

� Secci�n fotovoltaica Prueba en terraza de laboratorios de ingenier�a.

En esta secci�n se obtuvieron los mejores resultados, ya que el prototipo estando en operaci�n, se revel� su capacidad para mantener la entrega de energ�a de manera constante durante el d�a.

Radiaci�n solar global sobre un panel solar (Al d�a 14 de julio) Gβ𝜶 =5.827389 kW/m2

Radiaci�n promedio anual por d�a 5.67 KWh/m2/d�a. (HOMER-pro, 2021)

En este apartado se compara radiaci�n por d�a que se estima reciba el panel fotovoltaico del sol, comparando los datos del dimensionamiento, el software y los resultados de las pruebas sobre el sistema en funcionamiento, podemos inferir que el sistema en su secci�n fotovoltaica no deber�a tener problemas para trabajar operar seg�n lo deseado.

De igual manera de acuerdo al dimensionamiento previamente realizado, junto con el trabajo en software, se mostr� un panorama completo, en el que la irradiancia diaria percibida por el panel se traduce en un alto nivel de eficiencia, logrando trabajar a su m�xima potencia durante aproximadamente 5 horas al d�a en promedio, siendo que las cuestiones a considerar a cerca de p�rdidas posibles por diversos factores, y con ayuda del banco de bater�as, no se compromete el suministro energ�tico en el punto de carga durante horario de flujo de estudiantes en la universidad.

� Secci�n e�lica prueba en terraza de laboratorios de ingenier�a.

Dentro de la secci�n e�lica, obtuvimos un resultado esperado al trabajar todos los componentes de acuerdo con lo planteado previamente en el dimensionamiento del recurso e�lico y con ayuda del software. Consiguiendo una entrega estable y suficiente de energ�a en relaci�n con que el sistema funcione como punto de carga entregando energ�a el�ctrica en las tomas de corriente caseras de la secci�n e�lica.

A pesar de esto, la baja energ�a mec�nica trasladada del rotor e�lico tipo Savonius acoplado al alternador, resultado de las pocas revoluciones por minuto que el viento y nuestro propio esfuerzo sobre las aspas lograban generar, se present� en un desequilibrio en el suministro de la fuente (rotor e�lico tipo Savonius/alternador) con respecto a la carga de la bater�a, ya que si no se mantiene un constante flujo de energ�a cin�tica trasladada al alternador, este se comporta circulando la corriente directamente sobre s� mismo, sin generar la energ�a suficiente para cargar la bater�a. Generando que esta se descargue a un ritmo mucho mayor del que se puede recargar.

Valores estimados de generaci�n de acuerdo con el dimensionamiento y software:

Pmax= 6.365W

n= 108 rpm

Valores de trabajo del alternador:

En su apartado mec�nico, el alternador est� dise�ado para entregar hasta 63 W de potencia estimada del alternador en condiciones de 700-800 rpm. Y si bien el voltaje de 1V sumado a los 12V de la bater�a nos permitir�an tener funcionando el sistema en su secci�n e�lica, y entregando hasta 31.828W de potencia por el recurso e�lico a por lo menos108 rpm, estos valores de revoluciones por minuto no son posibles de alcanzar (de forma estable y constante) las condiciones actuales de dise�o y operaci�n.

� Como sistema h�brido

El prototipo de sistema hibrido en su primera etapa de pruebas, arrojo, en t�rminos generales, los resultados esperados en cuanto aprovechamiento de ambas fuentes de energ�a renovables planteadas en la noci�n inicial del proyecto. De manera similar al estar el sistema montado por completo en sus elementos y puesto en funcionamiento, la entrega de carga en las tomas de corriente tipo casera, cumpli� las caracter�sticas acordes con el prop�sito de ser utilizado como punto de carga para aparatos electr�nicos port�tiles sin ning�n inconveniente.

Mas sin embargo en las condiciones de operaci�n actuales, espec�ficamente acerca de la secci�n e�lica, la tasa de recarga de la bater�a corresponder�a a un valor mucho menor al de su consumo, por lo que no se podr�a garantizar la disponibilidad de corriente a la salida del inversor de la secci�n e�lica.

CONCLUSIONES

En el presente trabajo se elabor� un prototipo de sistema h�brido de generaci�n de energ�a, aislado de la red, que logr� acoplar en una sola estructura generadores de tipo e�lico y fotovoltaico. Lo que nos permiti� cumplir con el objetivo propuesto de generar energ�a el�ctrica de manera sustentable, aprovechando fuentes de energ�a renovables y sin generar emisiones de manera directa. Si bien el aprovechamiento en el generador e�lico no deriv� en la eficiencia esperada, el trabajo de ingenier�a realizado y los resultados marcados, favorecen el camino a seguir trabajando en el desarrollo del sistema, con la posibilidad de lo entregar a futuro un producto final que cumpla, e incluso supere la proyecci�n de expectativas planteadas al principio de este trabajo. Dentro de las consideraciones para trabajos futuros, de manera directa, se contempla el cambio del alternador del sistema e�lico por un generador de imanes permanentes a 12v de corriente directa, cambio de protecciones de sobre corriente y suplementar el cableado adecuados para el sistema, as� como la implementaci�n de un convertidor tipo ELEVADOR REDUCTOR para aumentar la eficiencia en la producci�n de energ�a.

Lo expuesto anteriormente permite concluir que el desarrollo de nuevas tecnolog�as en el rubro de la energ�a (y de cualquier otra �rea), es un proceso de mejora constante de procesos, elementos, teor�a y pr�cticas, que nunca puede darse por finalizado.

De esta manera que se debe tomar en cuenta el cuidado del medio ambiente por medio de la b�squeda de la sustentabilidad, siendo que el medio ambiente es el entorno en cual vive el ser humano y que ha descuidado por mucho tiempo, viendo las consecuencias ya experimentadas en las �ltimas d�cadas sumado a un panorama no m�s alentador a futuro, es responsabilidad de todas las disciplinas y �reas de trabajo mantener el enfoque de sustentabilidad, cuidado del medio ambiente y de toda la din�mica de la naturaleza terrestre en los proyectos que as� lo demanden y lo puedan abordar.

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Controlador de Carga Solar- https://www.amazon.com.mx/Controlador-regulador-Inteligente-Pantalla-Ajustable/dp/B09CGTN8GY/ref=sr_1_1?crid=1KBLYVL8TZNE&keywords=controlador+de+carga+solar&qid=1657737703&sprefix=controlador+de+ca%2Caps%2C148&sr=8-1

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