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INTRODUCCIÓN
Una de las necesidades para lograr la comodidad y el buen vivir es una iluminación LED alimentada por medio de energía fotovoltaica con niveles de calidad y sin producir mayores efectos negativos al medio ambiente, contribuyendo a la reducción del consumo energético, por consiguiente, si se reduce el consumo de energía de la respectiva instalación eléctrica se minimizaran los egresos de dinero para la entidad beneficiada.
Actualmente, la iluminación exterior en el parqueadero N° 1 de la Universidad Técnica de Cotopaxi no cuenta con los adecuados niveles lumínicos, así pues, genera incomodidades e inseguridad en los usuarios. Por otra parte, un ineficaz flujo luminoso que cubre una determinada superficie comprometería el estado de bienestar físico del individuo debido a la inseguridad. Sin embargo esta fuente de luz artificial carece de autonomía, razón por la cual es necesario añadir un sistema de suministro de energía eléctrica, de ahí que para poder alimentar las lámparas se requiere un sistema de energía fotovoltaica. En conclusión mediante la tecnología LED se obtiene un sistema de iluminación eficiente que conjuntamente con el sistema fotovoltaico se contribuye al cuidado del medio ambiente.
METODOLOGÍA
Definición y Conceptos Básicos de Iluminación
Deslumbramiento
Es aquel efecto que reduce la capacidad visual de un individuo como consecuencia del exceso de luminancia y se mide dependiendo de la actividad que el usuario este realizando, si la misma es de pie, la compensación de altura es de 1,50 metros [1].
Densidad de Potencia Eléctrica para Alumbrado (DPEA)
El cálculo de la DPEA se realiza a partir de la carga total conectada para alumbrado expresada en vatios y del área total por iluminar en metros cuadrados [2].
Método Punto por Punto
Para la aplicación de este método se requiere saber con exactitud la posición en el espacio de la superficie a iluminar. Se subdivide la superficie en rectángulos iguales de áreas suficientemente pequeñas y así calcular la iluminancia media mediante la ecuación (2) [3].
donde:
Em: Iluminación media.
Ei: Iluminación en cada punto sobre el plano horizontal.
n: Número total de puntos a evaluar.
Cálculo de la Irradiación Global Diaria sobre la Superficie del Generador
Para determinar la inclinación optima se emplea la ecuación (3) [4].
donde:
Ángulo de inclinación óptima (grados).
Latitud del lugar, sin signo (grados).
La constante K si el período de diseño es el mes de diciembre tendrá un valor de 1,7 y en julio será de 1 [4].
Si no es posible situar el sistema fotovoltaico de acuerdo a la inclinación óptima, se aplicara un coeficiente de reducción de la energía denominado factor de irradiación [4].
donde:
FI: Factor de irradiación (sin unidades).
Inclinación real de la superficie (°).
Inclinación óptima de la superficie (°).
Mediante la ecuación (5) se determinar el valor medio mensual de irradiación diaria sobre la superficie del generador [4].
donde:
FS: Factor de sombreado, si en la localidad del proyecto no existe presencia de sombras su valor es de 1 (sin unidades).
Cálculo de los Parámetros Eléctricos del Generador
Si el sistema fotovoltaico dispone de inversor, batería y regulador de carga el coeficiente PR será de 0,6, en el caso de un sistema con batería y regulador de carga equivaldrá a 0,7 [4].
El valor mínimo de potencia del generador fotovoltaico se calcula mediante la siguiente expresión [4]:
donde:
PG min: Potencia mínima del generador (W).
GCEM: Irradiancia en condiciones CEM (constante de valor 1 000 W/m2).
Wd: Consumo de energía diario (Wh).
Número de módulos:
donde:
Np: Número de paneles en paralelo (unidad).
Ns: Número de paneles en serie (unidad).
Pmáx: Potencia máxima del generador.
Potencia total del generador:
Tensión de circuito abierto del generador:
Intensidad de cortocircuito del generador:
Tensión máxima del generador:
Intensidad máxima del generador:
donde:
Uoc: Tensión de circuito abierto (V).
Isc: Corriente en cortocircuito (A).
Umpp: Tensión punto de máxima potencia (V).
Impp: Corriente punto de máxima potencia (A).
Dimensionado del Banco de Baterías
La capacidad del sistema de acumulación se calcula a partir del consumo medio diario [4].
donde:
Qd: Consumo medio diario (Ah/día).
Un: Tensión nominal del sistema de acumulación (V).
Por consiguiente, la capacidad total del sistema de acumulación se calcula mediante la siguiente expresión [4].
donde:
Cn: Capacidad de la batería de acumuladores para descarga en 20 horas (Ah).
A: Días de autonomía del sistema (días).
PD máx: Profundidad de descarga máxima. En tanto por uno.
Rendimiento del inversor del 85 %. En tanto por uno.
Rendimiento del conjunto de batería y regulador de carga del 80 %. En tanto por uno.
Dimensionado del Regulador de Carga
La tensión nominal del regulador de carga deberá ser igual a la designada para el banco de baterías. La intensidad nominal IR es el valor de la intensidad de cortocircuito del sistema fotovoltaico IG sc, considerando un factor de seguridad de 1,25 [4].
Se deberá verificar que la tensión máxima en la entrada UR no sea inferior a la tensión máxima de circuito abierto del generador fotovoltaico UGoc, a la temperatura más desfavorable de las células del módulo [4].
Dimensionado del Inversor
La tensión nominal de entrada tiene que coincidir con la tensión nominal del sistema de acumulación, Un. La potencia nominal del inversor Sn se determina en base a la carga instalada del circuito de utilización y considerando un factor de potencia igual a uno, la misma se expresa en VA [4].
Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión del Sistema Fotovoltaico Autónomo
En cada tramo se debe considerar el valor de la intensidad multiplicado por un factor de 1,25 debido a que todos los cables de conexión deberán estar dimensionados para una intensidad no inferior al 125 % de la máxima corriente del generador, en la Fig. 1 se indica gráficamente cada uno de los tramos [4].
Figura 1: Tramos de Línea en un Sistema Fotovoltaico Aislado sin considerar los Dispositivos de Protección
La máxima caída de voltaje que deberá existir entre el sistema fotovoltaico y la caja general de mando y protección será de 1,5 % para la corriente nominal. En los circuitos de CC y CA se emplea la ecuación (15), con una diferencia que para el sistema fotovoltaico el término cos φ no se considera [4].
donde:
S: Sección del conductor (mm2).
Conductividad del conductor a la temperatura de servicio 90 °C (45 s m/mm2).
Máxima caída de tensión permitida en porcentaje de la tensión de la línea (V).
L: Longitud de la línea (m).
I: Intensidad de la línea (A).
U: Tensión de la línea (V).
Factor de potencia de la carga al final de la línea.
Aparatos de Maniobra y Protección de un Sistema Fotovoltaico Autónomo
En el caso de fusibles se dimensionan para actuar entre 1,5 y 2 veces la corriente de cortocircuito de un módulo solar (Isc). Se debe verificar que la tensión asignada al fusible soporta 1,2 veces la tensión de circuito abierto del generador (UGoc) [4].
El interruptor general del sistema fotovoltaico se dimensiona para soportar la corriente de cortocircuito del generador (IG sc) y la tensión de circuito abierto del sistema fotovoltaico (UGoc) [4].
Los fusibles en el tramo regulador de carga-sistema de acumulación se dimensionan para soportar entre 1,5 y 2 veces la corriente del generador (IG sc) y 1,2 veces la tensión de circuito abierto del sistema fotovoltaico (UGoc) [4].
Para tramos en corriente alterna las protecciones son mediante interruptores automáticos magnetotérmicos e interruptores diferenciales, su dimensionamiento se lo lleva a cabo para que soporte la corriente de salida del inversor y tensión nominal del circuito de utilización [4].
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Evaluación de los Niveles de Iluminación según la Normativa NTE INEN 2 248
La toma de datos de los niveles de iluminancia mediante el luxómetro Digisense 20 250-00, se efectuó en el centro de cada rectángulo o figura geométrica irregular debidamente enumerada como se aprecia en la Fig. 2. El sensor se ubicó a una altura de 15 cm en posición horizontal según la normativa RTE INEN 069.
La Tabla 1 muestra los resultados del estudio de iluminancia a través del método punto por punto.
Mediante los resultados obtenidos se constató que los niveles actuales de iluminancia en el estacionamiento en su mayoría no cumplen con la normativa vigente, lo cual se debe principalmente a una mala distribución de las luminarias en el extremo derecho del parqueadero, afectando directamente la visibilidad en la franja de circulación vehicular y en las plazas de parqueo.
El extremo izquierdo del aparcamiento tiene tres luminarias y solo dos lámparas se encuentran en funcionamiento, por otra parte, la ruta de acceso posee únicamente un reflector. Por consiguiente estos factores afectan negativamente en la calidad de los niveles de iluminación.
Diseño del Sistema de Iluminación LED mediante el Software Dialux Evo v.8.1
Una primera etapa consistió en la modelación del aparcamiento que se tomó como base para la implementación de las luminarias LED, en la Fig. 3 se puede evidenciar el modelo final del estacionamiento.
En la Tabla 2 y Tabla 3 se presenta los resultados de los criterios de calidad según el software Dialux evo.
Como se aprecia en la Fig. 2, el estacionamiento presenta una forma geométrica irregular, conformado por secciones a iluminar de áreas considerablemente amplias y diferentes entre sí, por lo tanto, para alcanzar los niveles de calidad establecidos en la norma NTE INEN 2248 para franjas de circulación (90 - 160) lux, se superó los limites lumínicos en cuanto a plazas de estacionamiento (30 - 100) lux como se aprecia en la Tabla 2.
En la franja de circulación correspondiente a la sección A se obtiene una iluminación media de 180 lux, esto se debe principalmente, a que, en el acceso según normativa se debe tener como mínimo 500 lux, lo que ocasiona un incremento en los niveles de iluminación de esta sección.
Según los resultados de la Tabla 3 la nueva configuración del sistema de alumbrado que se aprecia en la Fig. 3, presenta índices de deslumbramiento inferiores al límite máximo permitido (
50) con una uniformidad óptima, y por lo tanto ofreciendo niveles de calidad de iluminación.
Densidad de Potencia Eléctrica (DPEA)
El sistema de iluminación LED cuenta con 22 luminarias, de la cuales, 4 son destinadas para el acceso con una potencia de 245 W, 18 para plazas de estacionamiento y franja de circulación con una potencia de 134 W, el área total iluminada corresponde a 1 799,69 m2.
Cálculo del Sistema Fotovoltaico Autónomo
El proyecto estará situado en la terraza de las instalaciones del bloque antiguo de la UTC y se divide en 5 áreas útiles, ocupando el área 1 de 126,83 m2 para la ubicación de los equipos del sistema fotovoltaico. A continuación se presenta los equipos seleccionados dentro del diseño (véase Tabla 4).
Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión
Se comprueba si la caída de tensión en la trayectoria más desfavorable que comprende los tramos 1, 2, 4 y 5 (ver Fig. 1) se encuentra dentro de los límites establecidos de 1,5 %.
Para el tercer tramo será la suma de los tramos 1 y 2.
Cálculo de la sección del conductor eléctrico por caída de tensión
El factor de potencia para el tramo 5 en AC se ignora de la ecuación (15), puesto que se supone un valor de 1, en la Tabla 5 se indican los resultados.
Cálculo de la sección del conductor eléctrico por calentamiento
Debido a que los tramos 1 y 2 se encuentran instalados en canaleta cerrada se debe considerar una temperatura de 50 °C, por lo tanto, el factor de corrección que se deberá aplicar equivale a 0,89.
Como en el tramo 1 existen 7 circuitos dentro del mismo conducto el factor de corrección es de 0,5. En la Tabla 6 se puede visualizar la nueva sección.
Estos resultados se comparan y se elige el de mayor valor para establecer la sección comercial (ver Tabla 7).
Aparatos de Maniobra y Protección del Sistema Fotovoltaico Autónomo
Protección del generador
Se procede a calcular el calibre del fusible (IF) y la tensión asignada (UF).
Con estos factores se escoge un cartucho fusible de 15 A/ 1 100 V DC (gPV) cilíndrico de 14
51 mm.
Interruptor general del sistema fotovoltaico
Su dimensionamiento se lo hace determinando la intensidad nominal (In) y tensión nominal (Un) del interruptor general.
Por lo tanto se escoge un interruptor seccionador bipolar de 100 A/ 1 000 V DC
Protección de la batería de acumuladores
Se instalará una base portafusibles en el positivo con su respectivo cartucho fusible.
Con estos factores se escoge un cartucho fusible de 110 A/1 000 V DC (gPV).
Protección del inversor
El interruptor magnetotérmico y el interruptor diferencial cumplirán con las siguientes características:
Por tanto se elige un interruptor automático bipolar de 25 A/230 V y un interruptor diferencial bipolar de 25 A/240 V, con una sensibilidad de 30 mA. La Fig. 4 muestra el esquema eléctrico del sistema fotovoltaico.
Cálculo de los Conductores y Caídas de Tensión del Circuito de Utilización
Desde el subtablero de distribución interna hasta el último punto de la instalación (tramo 4, conexión de la luminaria 3 a la luminaria 4), la máxima caída de tensión permitida no podrá ser mayor a 3 %. Para el presente circuito de iluminación se empleara un cable de 0,6/1 kV de tensión asignada y conductores de cobre, propio para redes subterráneas con una sección S = 1,5 mm2.
El factor de potencia para las luminarias LED será de 1, por tanto, este término no se considera dentro del cálculo, en la Tabla 8 se muestran los resultados obtenidos.
Se comprueba si la caída de tensión se encuentra dentro de los límites previamente establecidos.
Interruptores Automáticos Magnetotérmicos o Breakers del Circuito de Utilización
El número de interruptores existentes para el control del sistema de alumbrado LED serán 4. El primer interruptor controlará 4 luminarias de 245 W, los restantes controlarán un total de 6 luminarias de 134 W respectivamente.
Es así que se elige un interruptor automático magnetotérmico bipolar de 6 A/230 V. La Fig. 5 presenta el esquema unifilar del circuito de utilización.
Presupuesto para la Propuesta del Proyecto
Sistema de iluminación con tecnología LED
En la Tabla 9 se presenta la inversión inicial de la repotenciación del sistema de alumbrado, por otro lado, no es necesario un análisis de rentabilidad mediante el valor actual neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR), debido a que su mejoramiento se lo debe realizar para ofrecer niveles de calidad lumínicos, dado que, los que existen actualmente no cumple con la normativa.
Rentabilidad del sistema fotovoltaico autónomo
La Tabla 10 muestra la inversión requerida para implementar el SFV, pero, se descarta el capital que se presenta en la Tabla 9 debido a que se analiza la rentabilidad que implica suministrar la energía eléctrica con la generación propia del sistema solar.
Considerando la vida útil de las baterías de 15 años, el valor actual (VA), la tasa de interés del 8,16 % y el saldo de $ 20 249,32, se estima un monto de $ 6 243,24 a invertir en el año cero, para generar un capital adicional que posteriormente será implementado en el cambio de los acumuladores eléctricos, dando una inversión inicial total de $ 39 634,30.
Una vez establecidos estos factores se procede a determinar la rentabilidad de la implementación de un generador fotovoltaico concentrado, como se puede apreciar en la Tabla 11.
La propuesta actualmente no es rentable pese a que la vida útil del sistema es de 25 años, debido a que el VAN es menor a cero y la TIR es inferior al costo de oportunidad del capital.
Como solución se presenta una alternativa que consiste básicamente en un nuevo valor para el kWh de USD 0,681 2 tomado del pliego tarifario para las empresas eléctricas de distribución del año 2019, este costo es para aquellos usuarios a nivel residencial con un consumo energético superior a 3 500 kWh, obteniendo así la Tabla 12.
Con estos resultados se evidencia que la propuesta resulta rentable debido a que el VAN es mayor a cero y la TIR es superior al COK.
Estimación de costo mínimo del kWh para la rentabilidad del proyecto
Con la finalidad de establecer el valor mínimo del kWh a través del cual el proyecto se vuelve rentable en un periodo de recuperación de 10 años, se hace uso de la ecuación (16).
donde:
CkWh: Costo mínimo del kWh ($/kWh).
E: Demanda de energía (kWh).
It: Ingresos en el periodo t ($).
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El diseño del sistema de iluminación LED dispone de 18 luminarias de 134 W y 4 luminarias de 245 W instaladas a una altura de 8 m y 7,5 m respectivamente, obteniendo así un índice de uniformidad superior a 0,50 en las diferentes secciones del parqueadero y así evitar el denominado efecto cebra.
El sistema fotovoltaico autónomo abastecerá una carga instalada de 3 392 W, misma que es generada por 28 módulos solares de 360 W, con un total de 28 baterías de descarga profunda de 240 Ah el sistema podrá continuar en funcionamiento sin generación solar durante un día.
Efectuar mediciones anuales de los niveles de iluminación y luminancia para llevar un control adecuado que permita realizar un mantenimiento correctivo de ser necesario, y verificar si el límite de deslumbramiento ha presentado variaciones con respecto a los valores obtenidos en el diseño.
Con la finalidad de mejorar la utilización del sistema de alumbrado LED se puede considerar dos circuitos de iluminación, donde el primero se encuentre encendido permanentemente y el segundo se activará a través de un sensor de presencia que permita cumplir con los niveles lumínicos del presente diseño.
