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• Alejandro Osuna

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UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTROMECANICA

AREA: Ingeniero Mecánico Electricista.

MATERIA: Energías Alternativas.

SEMESTRE: 8º A

“Cálculo de un sistema solar para casa habitación”.

Manzanillo, Col. a 23 Marzo del 2015

Sistema Solar Fotovoltaico Las cargas de la casa son como se muestran a continuación Nombre Potencia (W) Cantidad Potencia T. Horas Consumo diario (KWh) Foco ahorrador 13 17 221 4 0.884 Foco incandecente 60 3 180 1 0.18 Ventilador techo 187 7 1309 2 2.618 Ventilador techo 104 5 520 2 1.04 Refrigerador 720 1 720 5 3.6 Microondas 900 1 900 0.05 0.045 Licuadora 450 1 450 0.05 0.0225 Telefono 10 1 10 24 0.24 Lavadora 1000 1 1000 0.5 0.5 Secadora 750 1 750 2 1.5 TV LCD 60 1 60 2 0.12 TV Led 35 1 35 0.02 0.0007 Reproductor DVD 20 1 20 0.02 0.0004 Receptor SKY 25 1 25 2 0.05 Aire Acondicionado 1000 2 2000 1 2 Caminadora 1400 1 1400 0.1 0.14 Laptop DELL 65 1 65 10 0.65 Laptop Acer 35 1 35 5 0.175 Impresora 20 1 20 0.2 0.004 Modem 6 1 6 24 0.144 Lampara Led 2 1 2 1 0.002 Amplificador 15 1 15 0.2 0.003 Cargador celular 5 3 15 4 0.06 Cargador iPad 10 2 20 4 0.08

Energía consumida en verano: 14.0586 kWh/d Energía consumida en invierno: 12.0586 kWh/d Potencia total instalada: 9.778 kW Debido a que todas las cargas son en AC, y algunas son motores, y otras son electrónicas, se requiere de un inversor con menor contenido armónico, por lo que se optara por un inversor de onda senoidal pura cuya eficiencia es del 90%. La energía total diaria es: 𝐸𝑇,𝑉𝐸𝑅 =

𝐸𝐴𝐶 14.0586 𝑘𝑊ℎ = = 17.3563 𝜂𝐵𝐴𝑇 ∗ 𝜂𝐼𝑁𝑉 0.9 ∗ 0.9 𝑑

𝐸𝑇,𝐼𝑁𝑉 =

𝐸𝐴𝐶 12.0586 𝑘𝑊ℎ = = 14.8872 𝜂𝐵𝐴𝑇 ∗ 𝜂𝐼𝑁𝑉 0.9 ∗ 0.9 𝑑

Los datos del módulo a instalar son los siguientes S60PC-250 Potencia máxima Voltaje de circuito abierto Corriente de corto circuito Voltaje de máxima potencia Corriente de máxima potencia Eficiencia del modulo

STC NOCT 250W 184.5W 37.85V 35V 8.65A 7A 30.12V 28.6V 8.3A 6.45A 15.29%

Las coordenadas geográficas del lugar de instalación son: 19°07'20.91" N 104°19'50.26" W Los datos de hora solar pico promedio por día para cada mes en Manzanillo son los que se muestran a continuación: Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual 4.33 5.07 6.6 6.9 6.67 5.53 5.83 5.67 5.2 4.83 4.43 3.97 5.35

Por lo tanto el número de módulos requeridos en cada mes se obtiene con la fórmula: 𝑁=

𝐸𝑇 𝐻𝑃𝑆 ∗ 𝑃𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝑃𝐺

Tomando en cuenta que en los meses de Mayo, Junio y Julio es cuando se consume la cantidad de verano, la cantidad de módulos requeridos es: Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 20.69 17.70 13.58 12.99 15.68 18.89 17.92 15.82 17.24 18.55 20.22 22.60

Se observa que se requiere de 23 módulos para mantener la carga en el mes de diciembre, ya que es el mes de peor radiación. Debido a que la potencia instalada es de 9.778 kW y el factor de demanda para una casa residencial con aire acondicionado es del 55%, la demanda máxima será: 𝐷𝑀𝐴𝑋 = 𝑃𝐼𝑁𝑆 ∗ 𝐹𝑑 = (9.778 𝑘𝑊 )(0.55) = 5.3779 𝑘𝑊 Como esta potencia es mayor de 5kW, se recomienda que el voltaje del sistema sea de 48 o 120Vcd, con tal de minimizar la corriente y el costo en conductores, se opta por un sistema de 120Vcd.

Así que el número de módulos en serie es: 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡 120𝑉𝑐𝑑 = = 4.19 → 5 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑉𝑀𝑃 28.6𝑉𝑐𝑑 Y el número de módulos en paralelo es: 𝑁𝑠 =

𝑁𝑝 =

𝑁𝑇 23 = = 4.6 → 5 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 𝑁𝑠 5

El modelo de la batería a utilizar es L16P, que tiene las siguientes características: Modelo Tipo Voltaje Capacidad Energía Peso Dimensiones Temperatura de operación

L16P Inundada de ácido-plomo 6V 467 Ah 2.802 kWh 52 kg 295x178x425 mm -20°C a 45°C

Para obtener el voltaje del sistema de 120V, se requieren colocar 20 baterías en serie dando una energía total de 56.04 kWh. Con 6 días de autonomía en verano, la energía almacenada en las baterías debe ser: ∆𝐸 = 𝐷𝑎𝑢𝑡 ∗ 𝐸𝑇 = (6𝑑 ) (17.3563

𝑘𝑊ℎ ) = 104.1378 𝑘𝑊ℎ 𝑑

Como las baterías de ácido-plomo permiten una profundidad de descarga máxima de 70%, la capacidad del banco de baterías debe ser: 𝐶𝑛 =

∆𝐸 104.1378 𝑘𝑊ℎ = = 1,239.74 𝐴ℎ (0.7)(120𝑉 ) 𝑃𝑑 ∗ 𝑉𝐵𝐴𝑇

Como cada serie de baterías tiene 467 Ah, la cantidad de ramas en paralelo es: 𝑁𝐵𝐴𝑇,𝑃 =

𝐶𝑛 1239.74 𝐴ℎ = = 2.656 → 3 𝐶𝐵 467 𝐴ℎ

Por lo tanto se requieren de 60 baterías en total, tres series de 20 baterías.

El regulador debe ser para un sistema de 120V y debe ser capaz de soportar una corriente de entrada de: 𝐼𝐺 = 𝑁𝑝 ∗ 𝐼𝑀𝑃𝑃 = (5)(6.45𝐴) = 32.25 𝐴 Y debe soportar una corriente a la salida de: 𝐼𝐶 =

(9778 𝑊 )(0.55) 𝑃𝐴𝐶 ∗ 𝐹𝑑 = = 49.79 𝐴 (120𝑉 )(0.9) 𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡 ∗ 𝜂𝐼𝑁𝑉

El inversor a utilizarse, como ya se ha mencionado debe ser de onda senoidal pura, y debe trabajar con un voltaje de entrada de 120V, y la potencia debe ser mayor a la demanda máxima, que es de 5.3779 kW. Por lo que el inversor debe tener las siguientes características. Potencia Tipo de onda Voltaje de entrada Voltaje de salida Frecuencia de salida

6000W Senoidal pura 110/120Vcd 120/220 Vac 60Hz

Por lo que el diagrama del sistema final queda de la siguiente manera:

10 A

10 A

10 A

10 A

10 A

C.C.

6000 W 50 A 220/120V

-

~

2X50A

Sistema Solar Térmico La casa tiene 5 habitantes, dando un consumo de 120L de ACS diarios. Los dato de radiación y temperatura se muestran a continuación Radiacion media diaria en invierno: 3.97 kWh/m2 Radiacion media diaria en verano: 5.6 kWh/m2 Temperatura de agua de suministro en invierno: 25°C Temperatura de agua de suministro en verano30°C Temperatura prevista del ACS: 45°C FS invierno: 0.35 FS verano: 0.85 La energía necesaria en invierno y verano, es entonces: 𝑄 = 𝑀 ∗ 𝜌 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇 𝑘𝑔 ) (1.16 × 10−3 𝑘𝑊ℎ)(45℃ − 25℃) = 2.784 𝐿 𝑘𝑔 = (120𝐿) (1 ) (1.16 × 10−3 𝑘𝑊ℎ)(45℃ − 30℃) = 2.088 𝐿

𝑄𝐼𝑁𝑉 = (120𝐿) (1 𝑄𝑉𝐸𝑅

Por lo que las secciones necesarias del colector deben ser 𝐹𝑆 ∗ 𝑄 𝜂 ∗ 𝑄𝑢𝑡𝑖𝑙 (0.35)(2.784) 𝑆𝐼𝑁𝑉 = = 0.4908 𝑚2 (0.5)(3.97) (0.85)(2.088) 𝑆𝑉𝐸𝑅 = = 0.6338 𝑚2 (0.5)(5.6) 𝑆=

Se puede observar que la demanda de ACS de la casa se satisface con un solo colector ya que no requiere de un área muy extensa.