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domingo, 22 de octubre de 2017

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A RED

ASPECTOS  RELACIONADOS CON SU FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES  REALES DE OPERACIÓN

      En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica cuyas componentes son, arreglo de paneles fotovoltaicos, inversor, carga y utilidades eléctricas.
Figura1. Diagrama de sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica.

     La figura 2 muestra los parámetros a medir para la monitorización de un sistema fotovoltaico conectado a red.
Figura 2. Diagrama representativo de los parámetros a medir en un sistema  fotovoltaico conectado a la red eléctrica.

Donde:
GI: Irradiancia total en el plano fotovoltaico (W/m2).
Tam: Temperatura ambiente a la sombra (°C).
Sw: Velocidad del viento (m/s).
Tm: Temperatura del modulo (°C).
VA: Tension de salida (V).
IA: Intensidad de salida (A).
PA: Potencia de salida (kW).
VL: Tension de la caraga (V).
IL: Intensidad de carga (A).
PL: Potencia de carga (kW).
VU: Tension de la red (V).
ITU: Intensidad hacia la red (A).
PFU: Potencia desde la red (kW).
IFU: Intensidad desde la red (A).
PTU: Potencia hacia la red (kW).

  Instrumentos de medición utilizados para la monitorización de un sistema fotovoltaico conectado a red
  • Irradiancia en el plano (GI
     Piranómetro tipo pila

Figura 3. Vista del piranómetro tipo termopila.

Es un dispositivo utilizado para medir la irradiancia solar o insolación, tanto directa como difusa sobre una superficie plana. Son típicamente dispositivos pasivos que no requieren energía para funcionar. Utilizan una termopila revestido de negro que absorberá toda la radiación solar a través de una amplia gama de longitudes de onda. Una cúpula de cristal limita la radiación para sólo el rango de onda corta. La termopila genera una señal de voltaje que es proporcional a la radiación solar incidente. Cada piranómetro tiene una sensibilidad única, definida durante el proceso de calibración, que se utiliza para convertir la señal de salida en microvoltios en irradiancia global en W / m2 (Fuente: http://www.kippzonen.com/News/572/The-Working-Principle-of-a-Thermopile-Pyranometer#.Vi6ssLcvftQ).

Celda solar calibrada
Figura 4. Vista de la celda solar de referencia

Se puede integrar con la estación de la radiación solar. La celda de referencia está diseñado para calibrar la irradiancia de simuladores solares utilizados para el ensayo de células y módulos solares. Las celdas de referencia solares constan de una célula fotovoltaica de silicio monocristalino encerrado en una caja metálica con una ventana de cuarzo protectora y un sensor de temperatura. El sensor de temperatura se puede seleccionar ya sea como un termopar tipo K o un detector de temperatura de la resistencia 100 de platino (RTD).

Piranómetro Fotodiodo de Silicio
Figura 5. Piranometro de fotodiodo de silicio.

Es un sensor de radiación / pyranometer solar que se aplica en las observaciones de radiación solar más comunes. Mide la radiación solar recibida por una superficie plana de un campo 180° del ángulo de visión.  Su orientación depende de la aplicación y puede ser horizontal, inclinada (para el plano de la radiación array) o invertida (para la radiación reflejada). El piranómetro se puede conectar directamente a los sistemas de registro de datos de uso común. La irradiancia en W / m2 se calcula dividiendo la salida por un pequeño voltaje de sensibilidad. Esta sensibilidad se proporciona  en su certificado de calibración.

  •      Temperatura ambiente (Tam)

Sonda de temperatura pt100

Figura 6. Sonda de temperatura pt100.

El principio de funcionamiento consiste en medir la resistencia de un elemento de platino. El tipo más común (PT100) tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 ° C y 138,4 ohmios a 100 ° C. Para un sensor PT100, un cambio de temperatura de 1°C causará una cambio 0.384 ohm en la resistencia, por lo que incluso un pequeño error en la medición de la resistencia puede causar un gran error en la medición de la temperatura.

  •      Velocidad del viento (SW)

Anemómetro ultrasónico

Figura 7. Anemómetro ultrasónico.

Specifications
Wind Speed:
0 to 65 m/s (0 to 145 mph)
Resolution: 0.01 m/s
Threshold: <0.01 m/s 
Accuracy: ± 2% ± 0.1m/s (30 m/s), ± 3% (65 m/s)
Response Time: < 0.25 seconds
Wind Direction:
0 to 360 degrees
Resolution: 0.1 degree
Threshold: < 0.01 m/s
Accuracy: ± 2 degrees
Response Time: < 0.25 seconds
Power Requirement:
24 VDC, 2.5 A
Environmental:
Operating Temperature: -40 to +60 ° C

Anemómetro de copa
Figura 8. Anemómetro de copa.

Measuring range: 0.5 ... 50 m/s
Resolution: < 0.1 m/s
Temperature range: -30 ... 70 °C
Low maintenance due to ball bearing cup star
Heatable
Not suitable for wind site assessment according to IEC 61400-12-1


  • Temperatura del módulo (°C)
          Termistor
Figura 9.  Termistor.

Mide la temperatura de una superficie por contacto directo. Por lo general controla la temperatura de un módulo fotovoltaico, pero también puede controlar la temperatura de otros dispositivos. Este termistor interactúa fácilmente con registradores de datos, y es ideal para aplicaciones de energía solar.
  •  Tensión, intensidad y potencia de salida (VA, IA, PA)
            Analizador de potencia
    Permite medir y registrar la potencia de un circuito monofásico o trifásico. Los valores de medición se almacenan en una tarjeta SD en formato xls. Esto permite analizar los valores de medición en el ordenador. La cuota de medición la puede ajustar libremente entre 2 y 7200 segundos. Las pinzas del analizador de potencia se pueden usar para cables con un diámetro del conductor de hasta 50 mm. Por tanto, este medidor es ideal para el uso en redes de abastecimiento de energía. La pantalla de 3,7" permite leer todos los valores de medición. Esto permite un rápido análisis de los valores de medición actuales y le da una visión de la corriente, tensión y potencia.
Figura 10. Analizador de potencia.

  •       Potencia hacia y desde la red a través del inversor (ITU, IFU, PTU, PFU)
     Medidor de energía multifuncional AC
Figura 10. Medidor de energía multifuncional

   Es un medidor de potencia trifásico multifuncional con un margen de medición básico, calidad de la energía y el análisis de armónicos.
    Es adecuado para la automatización de subestaciones de servicios públicos así como sus capacidades de E / S (utilizando los módulos de entrada / salida digital).

      ANSI C12.20 Revenue Grade Meter
Figura 11. a.c. Energy Generation

   Registro de datos además de RS485 Modbus y software. Analógico opcional y entrada digital, salidas de relé y módulos Ethernet.

     Medidor de energía DC.
     Transductores de corriente y tensión externos
Figura 12. Transductor DC

     Transductor de medición programable está diseñado para convertir de dc actual y motor de c.c. tensión en una señal de corriente o voltaje digital o estándar. La modificación de los parámetros es posible a través de su programador, la interfaz RS-485 o desde el teclado.   
  
      Data logger Sunny WebBox
Figura 13. Dara logger Sunny Webbox.

     Recoge continuamente los datos de los inversores lo que permite estar informado del estado de la instalación. Este datalogger multifuncional le ofrece diversas posibilidades para la visualización de parámetros, archivo y procesamiento de los datos de la instalación.


§       Sistema de adquisición de datos para la monitorización de un sistema FV conectado a red.
     Diferentes sensores están configurados para medir variables climáticas: Irradiancias, en el plano horizontal y en el plano de los  módulos fotovoltaicos, la temperatura ambiente, así como las variables eléctricas en el lado de CC y CA de la PV planta.

     El sistema de monitoreo esta desarrollado en el entorno de LabVIEW, el programa maneja tanto los datos medidos y simulados con el fin de ofrecer un entorno de convivencia, mostrando todo las variables de interés, trazado en las mediciones en tiempo real contra la variable simulada, los errores de procesamiento, y desencadenando proceso de búsqueda de alguna falla. Los informes detallados se generan mediante la creación de archivos XLS y HTML que resumen la comportamiento del sistema (ver Fig. 15).

Figura 14. Esquema del sistema de monitorización de una instalación FV conectada a red.

      Agilent Hp keysight 34972A
Figura 15. Vista del sistema de monitoreo y software.


-  Mide 11 señales de entradas diferentes, incluyendo la temperatura con termopares, RTD y termistores; DC / AC voltios o corriente; Resistencia de 2 o 4 hilos; frecuencia y período.
-    Programa BenchLink registrador de datos.

          Adquisidor de datos UDAS

sábado, 16 de septiembre de 2017

Propiedades térmicas de los materiales

El conocimiento de las propiedades térmicas de los materiales utilizados en edificaciones, constituyen un factor importantísimo para de antemano conocer su desempeño térmico mediante cálculos de transferencia de calor que ayudan a gestionar mejor los flujos de calor y, posteriormente lograr temperaturas interiores confortables. Si a ello le sumamos el aprovechamiento energético pasivo con energía solar un diseño bioclimático acorde con la climatología de la zona, las condiciones de comodidad térmica se acrecentaran y la dependencia de equipos u objetos de calefacción y/o refrigeración disminuirán.

Antiguamente las personas construían sus viviendas o refugios de acuerdo a la disponibilidad de materiales locales brindados por la naturaleza, entre ellos, tierra, madera, piedras, y aislantes naturales como paja o lana de oveja para protegerse del clima. El diseño lo realizaban a criterio según la convivencia con su entorno ambiental conociendo la puesta y ocaso del sol, el movimiento de los vientos, y las temporadas de invierno y verano, además, del criterio en el uso de los materiales para construir sus viviendas tanto en techos y paredes que bastaban para lograr su comodidad y habitabilidad donde de por medio estaban involucrados las propiedades térmicas de los materiales.

La decisión de usar un determinado material tendrá un impacto en el desempeño térmico y energético en las edificaciones o viviendas, no todos los materiales son iguales ni tienen las mismas propiedades, asimismo, no todos los materiales tienen el mismo comportamiento ante diferentes condiciones climáticas. Conociendo con detalle las características térmicas de los materiales empleados en la construcción de viviendas garantiza tomar decisiones adecuadas en su diseño.

Las propiedades térmicas nos indican cual es el comportamiento o reacción de los materiales cuando son sometido a fluctuaciones térmicas (exceso o deficiencia de calor). Para el diseño bioclimático es necesario y obligatorio el conocimiento de dichas propiedades las cuales describiremos a continuación.

Capacidad calorífica (C)
La energía externa necesaria para aumentar la temperatura de una masa sólida se conoce como la capacidad calorífica de los materiales. Se define como la habilidad de los materiales para absorber calor y cambiar su temperatura en un grado (°C o K).
Donde dQ es la energía necesaria para producir un cambio dT en la temperatura. Tiene unidades como J/mol-K o Cal/mol-K. La capacidad calorífica no es una propiedad intrínseca, es decir, cambia con el volumen/masa del material.

Calor específico (c)
Si dividimos la capacidad calorífica de un objeto por su masa, obtenemos una cantidad conocida como el calor específico del objeto. El calor específico no depende del tamaño o la forma de un objeto, sino sólo del material del que se fabrica. El agua tiene un calor específico grande de 1caloría por gramo por grado Celsius o 4,186 julios por kilogramo grado Celsius. El hielo flota porque el volumen de agua aumenta cuando se congela. Esto está conectado con el cambio en el calor específico del agua cerca de 0°C.

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius y esta representado por:
La unidad del calor específico en el sistema internacional es J/kg°C.
Fuente: https://diccionario.motorgiga.com/calor-especifico

Conductividad térmica (k)
Es la capacidad o habilidad de un material para transferir el calor.Si hay un gradiente de temperatura, el calor fluirá desde la región de temperatura más alta a más baja. Esta es la conducción térmica.

El coeficiente de conductividad térmica, k [W/(m·K)], es una medida de la velocidad q(W) a la cual el calor fluye a través de un material. Es el coeficiente de transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura en estado estacionario (T2 - T1) a lo largo de una distancia (x2 - x1), o:

Fuente:https://es.khanacademy.org

Expansión térmica
Es la expansión de los materiales cuando se calientan. La mayoría de los materiales se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura en un material sólido puede expresarse de la siguiente manera:
Donde ∆L es el cambio de longitud debido a un aumento en la temperatura ∆T. 𝛂l es el coeficiente lineal de expansión térmica.
Fuente:https://yulitiqueesquivel.wordpress.com

Esfuerzo térmico (𝛔)
Los esfuerzos debidos a cambios de temperatura o debido al gradiente de temperatura se denominan tensiones térmicas. Si sujetamos rígidamente los extremos de una varilla para evitar su expansión o contracción y luego variamos la temperatura, aparecerán esfuerzos de tensión o comprensión llamados esfuerzos térmicos.

Donde 𝛂 es el coeficiente lineal de expansión térmica y E es el módulo de elasticidad.

sábado, 9 de septiembre de 2017

Inercia Térmica en Edificaciones y/o Viviendas

Muchas de las normatividades en confort térmico especialmente en Lationoamerica consideran como indicador de evaluación del desempeño térmico de sistemas constructivos ya sean de techos, pisos o paredes, el cálculo de la resistencia térmica o transmitancia térmica en estado estacionario, generalmente dicho indicador es considerado como el más importante para reducir la demanda energética del edificio.  Otros como la española por ejemplo (Código Técnico de la Edificación CTE DCHE), consideran en sus normatividades la inercia térmica como resultado de la transferencia de calor dependiente del tiempo (estado transitorio), que permite realizar un análisis más realista dado que la temperatura y radiación solar en todo momento dependen del tiempo. La inercia térmica es importante en aquellos climas donde la radiación solar es significativa y la oscilación térmica diaria importante, dichas características climáticas se presenta en las zonas rurales alto andinas del Perú, porque no aprovecharlas.

La inercia térmica es la capacidad de los materiales de almacenar calor y devolverlo en un tiempo posterior (con retardo), tienen  un alto calor específico, alta densidad, y baja conductividad térmica. Bueno materiales con inercia térmica son, el adobe, la piedra, el agua, el concreto, etc., materiales de baja inercia térmica son la madera, los aislantes, etc. La inercia térmica permite mejorar el confort térmico y reducir la demanda de energía en edificaciones en calefacción y refrigeración.

La envolvente de una edificación con alta inercia térmica, se comporta como un colector de calor, puede absorber, almacenar y liberar calor en momentos de demanda, es decir, para el caso de climas fríos como las zonas alto andinas del Perú, en el día el calor puede ser almacenado en techos, paredes y pisos, y devueltos lentamente en la noche con el propósito de mantener el interior de una edificación a una temperatura estable y confortable tal es así que se reduzca los requerimientos en calefacción y/o ventilación según fuese el caso.

Entonces, dado a que el Perú es un país cuya técnica constructiva con adobe  prevalece dado la costumbre tradicional de construcción  que es parte de nuestra identidad cultural y que debemos re-valorar (principalmente en la costa y sierra del Perú donde según INEI-ENAHO 2007  las viviendas de adobe o tapia en zona urbana representan el 23.5% y en zona rural 68.5%), se tiene que aprovechar sus bondades térmicas en especial en zonas donde la helada y frío extremo impera y azota a las poblaciones asentadas a más de 3000 msnm, su uso tiene que difundirse y su técnica de elaboración y construcción repotenciarse mediante la transferencia de conocimientos dado a que con el pasar de los años se ha ido perdiendo. 

Fig.1 Adobes de 0.40x040mx0.10m elaborados en las serranias de Piura, Yamango, Morropón.

Cuando en una construcción se utilizan materiales pesados como piedras y adobes con el propósito de obtener inercia térmica, se le denomina masa térmica. Dicha masa tiene que estar expuesta y orientada al sol para almacenar calor. Este aspecto de la inercia térmica nivela las variaciones de temperatura interiores y proporciona un clima interior más cómodo. Las paredes se sienten cálidas y la temperatura es más uniforme en el espacio y el tiempo.

Una casa sin inercia térmica será rápida para calentar, pero se enfriará también rápidamente, es el caso del uso de las calaminas metálicas en los techos en zonas alto andinas. En estos materiales no hay manera de almacenar el calor para su reutilización. Por ello, comprender el concepto de la inercia térmica es primordial para realizar buenos diseños de viviendas y/o edificios. Una alta inercia térmica combinada con bueno materiales aislantes garantiza la comodidad interior ademas del ahorro de energía en calefacción. Y el adobe es un material idóneo para aplicar estos principios.

En estos tiempos apoyarse en los cálculos dinámicos mediante herramientas de simulación es un ventaja que en otros años era imposible y los cálculos eran tediosos de realizar. En la web existen softwares de uso libre  que bien pueden ser aprovechados para realizar balances térmico energético y determinar la demanda y/o consumo de energía en una edificación. Softwares como el EnergyPlus de propiedad del Departamento de Energía de los Estados Unidos o el Ener Hábitat de propiedad de la Universidad Nacional Autónoma de México.

domingo, 3 de septiembre de 2017

Diseño Bioclimático

En el Perú, los sectores de la industria y construcción son los principales consumidores de energía (31,6 PJ) seguidos  muy de cerca por la minería. Como consecuencia de ello dichos sectores contribuyen a una mayor generación de Dióxido de Carbono (CO2) responsable del efecto invernadero. En el sector construcción, es posible aminorar el consumo energético y acrecentar su ahorro aplicando métodos y/o estrategias bioclimáticas con técnicas solares pasivas y/o activas sencillas a partir de un diseño apropiado (arquitectura bioclimática) complementado con tecnologías limpias integradas sobre la envolvente de una vivienda o edificación.

El diseño bioclimático es clave para que una vivienda se adapte a su entorno (climas locales) para proporcionar comodidad a sus ocupantes al mismo tiempo que contribuye al ahorro y eficiencia energética. Lograr el confort térmico en una edificación y/o vivienda con materiales ecológicos como la madera, ichu, lana de oveja, tierra, teja, etc, es viable (materiales tradicionales respetuosos con el medio ambiente y sostenibles), el adobe por ejemplo tiene una alta inercia térmica y su uso es ideal para zonas de heladas (descenso de temperatura hasta y por debajo de los 0°C) y frío extremo (temperaturas por debajo de los 6°C), ya que en dichas zonas la radiación solar bordea los 6kWh/(m2.día) como promedio anual y debido a ello, en el día el adobe acumula calor para devolverlo en las noches con un tiempo de retardo hacia los interiores de una vivienda.

Pero, la "modernidad", ha dejado de lado el uso de materiales tradicionales o vernáculos así como las técnicas constructivas ancestrales para dar paso a lo nuevo o "mejor" dado la facilidad en el uso y bajo costo como las planchas de calamina metálica. El uso de estos materiales "modernos" no encajan con lo tradicional y en vez de ello distorsionan el valor estético de las poblaciones y sus paisajes.

Antiguamente las viviendas no disponían de electricidad ni mucho menos de medios mecánicos eléctricos que permitan contar con iluminación, calefacción o ventilación, las viviendas solo dependían de su diseño pasivo y materiales locales idóneos para protegerse del frío o calor.

Hoy en día temas como el calentamiento global, el agotamiento del ozono, los desperdicios de energía y la contaminación han despertado a la industria de la vivienda y la construcción para implementar soluciones sostenibles y verdes. Se han llevado a cabo diversas investigaciones para determinar soluciones verdes adecuadas para ser implementadas en nuevas construcciones. Una de las soluciones es aplicar el enfoque de diseño bioclimático. El diseño bioclimático es un diseño sostenible que hace uso del diseño pasivo de un edificio o casa para lograr un cierto nivel de confort con el mínimo uso de energía posible y las bajas emisiones de carbono [1].

El enfoque de diseño bioclimático se utiliza para minimizar el uso de ventilación mecánica, iluminación artificial y aire acondicionado que consumen mucha energía. La implementación del enfoque de diseño bioclimático para el confort térmico debe centrarse en cuatro factores que son: la orientación del viento, el clima, la radiación solar y los materiales [1].
El diseño bioclimático apropiado se apoya de las estrategias bioclimáticas que implican una serie de técnicas diseñadas para lograr la comodidad térmica al interior de las viviendas utilizando recursos naturales locales como el sol, el viento, la lluvia, la vegetación, la nieve o el suelo. Estas técnicas implican una profunda comprensión de las características climatológicas y los recursos disponibles en la ubicación de la construcción [2]. El objetivo final es diseñar la obtención de la mejor eficiencia energética posible mediante el uso de soluciones que impliquen un impacto medioambiental mínimo a lo largo de su ciclo de vida.

Referencias
[1] F. Manzano-Agugliaro, F. G. Montoya, A. Sabio-Ortega, A. García-Cruz, Review of bioclimatic architecture strategies for achieving thermal comfort, Renewable and Sustainable Energy Reviews 49 (2015) 736–755. 
[2] J. A. Turegano, M. C. Velasco, and A. Martinez, Arquitectura bioclimatica y urbanismo sostenible
(Volumen I) (Spanish Edition). Universidad de Zaragoza, 2009.




jueves, 1 de junio de 2017

La Escalera Energética en el Perú

La disponibilidad y uso de energía moderna, fiable y sostenible, es un indicador de desarrollo de un país. El Perú esta en esa dirección, si bien en las ciudades la energía esta cubierta casi al 100%, no se puede decir lo mismo en las zonas rurales donde los niveles de electrificación aún son bajos (78%), lo demuestra el consumo de combustibles tradicionales (leña, bosta, carbón) para cocinar que alcanza el 80%. Y que no decir de las consecuencias que origina o genera en cuanto a la salud el uso de tecnologías o aparatos que usan estos combustibles tradicionales para cocción o calefacción, y daño medioambiental que generan. Si bien en los últimos anos se ha extendido la distribución de los combustibles para la cocción como el GLP, gas natural o electricidad, esto aun es incipiente en el contexto nacional porque aun la situación del país no es del todo buena. A pesar de ello, se hacen esfuerzos por mejorar la situación energética y nos encaminamos a una inclusión generalizada que mejora la calidad de vida en el país. El documento desarrollado por Osinergmin la cual comparto, "La Escalera Energética: Marco teórico y evidencias para el Perú", realiza un análisis del planteamiento teórico de la escalera energética, seguido de las evidencias correspondientes al caso peruano y las medidas que está tomando el Estado, como la ejecución del proyecto Fondo de Inclusión Social Energético (FISE), con las cuales se estaría dando el salto en la escalera energética en beneficio de los ciudadanos peruanos.