DISEÑO DE UNA ESTACIÓN DE CARGA SOLAR PARA VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN CENTROS COMERCIALES
DESIGN OF A SOLAR CHARGING STATION FOR ELECTRIC VEHICLES IN SHOPPING MALLS
César Alfredo Peña Ramos
Universidad Nacional del Centro. Facultad de Ingeniería Eléctrica. Perú.
cpena.ugsa@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-8403-9329
Maxidiano Isidro Céspedes Gonzales
Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Perú.
maxicesgon@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-1082-4938
Recibido: 16/03/2021 y Aceptado: 23/06/2021
ENERLAC. Volumen V. Número 2. Diciembre, 2021 (134 - 155)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
DESIGN OF A SOLAR CHARGING STATION FOR ELECTRIC VEHICLES IN SHOPPING MALLS
César Alfredo Peña Ramos
Universidad Nacional del Centro. Facultad de Ingeniería Eléctrica. Perú.
cpena.ugsa@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-8403-9329
Maxidiano Isidro Céspedes Gonzales
Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Perú.
maxicesgon@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-1082-4938
Recibido: 16/03/2021 y Aceptado: 23/06/2021
ENERLAC. Volumen V. Número 2. Diciembre, 2021 (134 - 155)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
Foto de Michael Fousert de Unsplash.
RESUMEN
En el presente artículo, presentamos el diseño, dimensionamiento y modelado de una estación de carga solar conectado a red para la recarga de vehículos eléctricos en centros comerciales. El método realiza un análisis del recurso solar disponible en la ubicación del centro comercial, también el análisis, evaluación y selección de los componentes del sistema fotovoltaico conectado a red con apoyo de software de simulación como el PVsyst y Helioscope, también el análisis, evaluación y selección de los componentes de los puntos de recarga de los vehículos eléctricos y finalmente el análisis económico de la estación de carga solar en el centro comercial.
Palabras clave: Sistema Fotovoltaico Conectado a Red, Módulo Fotovoltaico, Inversor de interconexión a Red, Vehículo Eléctrico, Cargador Eléctrico, Perú.
ABSTRACT
In this article, we present the design, dimensioning and modeling of a grid-connected solar charging station for recharging electric vehicles in shopping malls. The method performs an analysis of the solar resource available at the location of the shopping mall, also the analysis, evaluation and selection of the components of the photovoltaic system connected to the grid with the support of simulation software such as PVsyst and Helioscope, also the analysis, evaluation and selection of the components of the electric vehicle charging points and finally the economic analysis of the solar charging station in the shopping mall.
Keywords: Grid-connected Photovoltaic System, Photovoltaic Module, Grid Interconnect Inverter, Electric Vehicle, Electric Charger, Peru.
INTRODUCCIÓN
Existen dos alternativas para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, la primera es la electrificación del transporte y la segunda es la generación de electricidad mediante energías renovables.
La electromovilidad con suministro de energía que proviene de energías renovables como la solar, nos brinda beneficios como mejoras en la salud de la población por la menor contaminación, mejoras en la economía y disminución de la dependencia energética.
El presente artículo, desarrolla una metodología para el diseño de una estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales, que consiste en el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico conectado a red, análisis, evaluación y selección de los componentes de carga para los vehículos eléctricos, así como evaluación de la viabilidad técnica y económica de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
En ese sentido, una de las formas de cargar la energía de las baterías de los vehículos eléctricos es utilizando los puntos de carga que se instalarán en los estacionamientos de los centros comerciales, todo esto mientras los usuarios acuden a realizar sus compras o pasar su tiempo libre.
OBJETIVOS
• Dimensionar el sistema fotovoltaico conectado a red para que brinde el 50 % de la energía que necesite las baterías de los vehículos eléctricos durante las horas que se cuente con el recurso solar.
• Evaluar la viabilidad técnica y económica de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
ANTECEDENTES
Situación actual de los vehículos eléctricos
Actualmente la batería de las nuevas versiones de vehículos eléctricos tiene una capacidad que varía entre 38 y 64 kWh a excepción de los autos de alta gama como el Taycan de Porsche y el Model S de Tesla, cuya capacidad varía entre 70 y 100 kWh. En la mayoría de los autos eléctricos el cargador interno es 7.2 kW a excepción de Tesla que es de 10 kW. En la siguiente figura, se muestra el sistema de carga de vehículos eléctricos (López Redondo, 2020).
En el presente artículo, presentamos el diseño, dimensionamiento y modelado de una estación de carga solar conectado a red para la recarga de vehículos eléctricos en centros comerciales. El método realiza un análisis del recurso solar disponible en la ubicación del centro comercial, también el análisis, evaluación y selección de los componentes del sistema fotovoltaico conectado a red con apoyo de software de simulación como el PVsyst y Helioscope, también el análisis, evaluación y selección de los componentes de los puntos de recarga de los vehículos eléctricos y finalmente el análisis económico de la estación de carga solar en el centro comercial.
Palabras clave: Sistema Fotovoltaico Conectado a Red, Módulo Fotovoltaico, Inversor de interconexión a Red, Vehículo Eléctrico, Cargador Eléctrico, Perú.
ABSTRACT
In this article, we present the design, dimensioning and modeling of a grid-connected solar charging station for recharging electric vehicles in shopping malls. The method performs an analysis of the solar resource available at the location of the shopping mall, also the analysis, evaluation and selection of the components of the photovoltaic system connected to the grid with the support of simulation software such as PVsyst and Helioscope, also the analysis, evaluation and selection of the components of the electric vehicle charging points and finally the economic analysis of the solar charging station in the shopping mall.
Keywords: Grid-connected Photovoltaic System, Photovoltaic Module, Grid Interconnect Inverter, Electric Vehicle, Electric Charger, Peru.
INTRODUCCIÓN
Existen dos alternativas para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, la primera es la electrificación del transporte y la segunda es la generación de electricidad mediante energías renovables.
La electromovilidad con suministro de energía que proviene de energías renovables como la solar, nos brinda beneficios como mejoras en la salud de la población por la menor contaminación, mejoras en la economía y disminución de la dependencia energética.
El presente artículo, desarrolla una metodología para el diseño de una estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales, que consiste en el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico conectado a red, análisis, evaluación y selección de los componentes de carga para los vehículos eléctricos, así como evaluación de la viabilidad técnica y económica de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
En ese sentido, una de las formas de cargar la energía de las baterías de los vehículos eléctricos es utilizando los puntos de carga que se instalarán en los estacionamientos de los centros comerciales, todo esto mientras los usuarios acuden a realizar sus compras o pasar su tiempo libre.
OBJETIVOS
• Dimensionar el sistema fotovoltaico conectado a red para que brinde el 50 % de la energía que necesite las baterías de los vehículos eléctricos durante las horas que se cuente con el recurso solar.
• Evaluar la viabilidad técnica y económica de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
ANTECEDENTES
Situación actual de los vehículos eléctricos
Actualmente la batería de las nuevas versiones de vehículos eléctricos tiene una capacidad que varía entre 38 y 64 kWh a excepción de los autos de alta gama como el Taycan de Porsche y el Model S de Tesla, cuya capacidad varía entre 70 y 100 kWh. En la mayoría de los autos eléctricos el cargador interno es 7.2 kW a excepción de Tesla que es de 10 kW. En la siguiente figura, se muestra el sistema de carga de vehículos eléctricos (López Redondo, 2020).
Figura 1. Sistema de carga de vehículos eléctricos
Fuente: Elaboración propia
El tiempo (horas) de carga en AC, de la batería (kWh) del vehículo
eléctrico dependerá de la potencia del cargador interno (kW) del
vehículo eléctrico.
Figura 2. Carga de un vehículo eléctrico con un cargador externo
Fuente: Elaboración propia
A continuación, se muestra los datos técnicos de los vehículos eléctricos del año pasado.
Tabla 1. Datos técnicos de vehículos eléctricos
Fuente: Hyundai, Kia, Nissan y BYD
Tabla 2. Capacidad de la batería y autonomía por una hora de carga
Fuente: Elaboración propia
En España, se desarrolló el proyecto SIRVE (Sistemas Integrados para la
Recarga de Vehículos Eléctricos), cuyo objetivo es desaturar la red
eléctrica en BT, si la demanda agregada por los sistemas de carga
rápida y carga moderada, supera la capacidad de la línea o de los
centros de transformación desde el que se está abasteciendo. El
proyecto SIRVE está compuesto por un sistema fotovoltaico de 1kWp, que
proporciona la energía a las baterías de litio de 30 kWh (Urbener,
2015).
En el 2017, en Shanghái se estrenó, a modo de prueba, su primera estación de carga con energía solar para vehículos eléctricos, conformada por 40 paneles solares en la azotea de un edificio. Además, tenía baterías de respaldo y estaba conectado a red eléctrica. En media hora con carga rápida la batería se cargaba con 70% y alrededor de dos horas para llenar por completo el vehículo eléctrico (El País, 2017).
METODOLOGÍA
La metodología propuesta para el presente artículo sigue los siguientes pasos:
Para propósito de evaluar la viabilidad técnica, económica y financiera de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
Descripción de la zona de Estudio
Para el análisis de estudio del proyecto se seleccionó el Centro Comercial “Molina Plaza”, ubicado en el distrito de La Molina, provincia de Lima, región Lima, Perú.
Se seleccionó el centro comercial Molina Plaza, por dos motivos. El primero que se encuentra ubicado en una zona de considerable radiación solar durante el año. Según el Atlas Solar Global, la energía fotovoltaica específica de salida es de 1,435 kWh/kWp (Global Solar Atlas, 2020). El segundo motivo, los residentes del distrito cuentan con el poder adquisitivo suficiente para la compra de vehículos eléctricos.
Memoria de cálculos justificativos
Irradiación solar
Con las coordenadas geográficas y usando la aplicación Power Data Access Viewer de la NASA, se obtiene la irradiación media horizontal global mensual de la base de datos de la NASA (1983 – 2005) y NASA (1984-2013).
En el 2017, en Shanghái se estrenó, a modo de prueba, su primera estación de carga con energía solar para vehículos eléctricos, conformada por 40 paneles solares en la azotea de un edificio. Además, tenía baterías de respaldo y estaba conectado a red eléctrica. En media hora con carga rápida la batería se cargaba con 70% y alrededor de dos horas para llenar por completo el vehículo eléctrico (El País, 2017).
METODOLOGÍA
La metodología propuesta para el presente artículo sigue los siguientes pasos:
• Descripción de la zona de estudio.
• Estimación del recurso solar disponible.
• Cálculo de la energía consumida por la carga de vehículos eléctricos.
• Cálculo de la potencia del generador fotovoltaico y selección de los dispositivos de protección.
• Requerimientos para la conexión a red.
• Estimación de la energía producida.
• Estimación de las emisiones de CO2 reducidas.
• Metrado y presupuesto.
• Evaluación económica.
• Simulación con los softwares PVSyst y Helioscope.
• Estimación del recurso solar disponible.
• Cálculo de la energía consumida por la carga de vehículos eléctricos.
• Cálculo de la potencia del generador fotovoltaico y selección de los dispositivos de protección.
• Requerimientos para la conexión a red.
• Estimación de la energía producida.
• Estimación de las emisiones de CO2 reducidas.
• Metrado y presupuesto.
• Evaluación económica.
• Simulación con los softwares PVSyst y Helioscope.
Para propósito de evaluar la viabilidad técnica, económica y financiera de la estación de carga solar para vehículos eléctricos en centros comerciales.
Descripción de la zona de Estudio
Para el análisis de estudio del proyecto se seleccionó el Centro Comercial “Molina Plaza”, ubicado en el distrito de La Molina, provincia de Lima, región Lima, Perú.
Se seleccionó el centro comercial Molina Plaza, por dos motivos. El primero que se encuentra ubicado en una zona de considerable radiación solar durante el año. Según el Atlas Solar Global, la energía fotovoltaica específica de salida es de 1,435 kWh/kWp (Global Solar Atlas, 2020). El segundo motivo, los residentes del distrito cuentan con el poder adquisitivo suficiente para la compra de vehículos eléctricos.
Memoria de cálculos justificativos
Irradiación solar
Con las coordenadas geográficas y usando la aplicación Power Data Access Viewer de la NASA, se obtiene la irradiación media horizontal global mensual de la base de datos de la NASA (1983 – 2005) y NASA (1984-2013).
Tabla 3. Datos geográficos de la zona de estudio
Fuente: Elaboración propia
Tabla 4. Datos de la temperatura
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5. Valores meteorológicos mensuales de la NASA
Fuente: Power Data Access Viewer
Se determina la inclinación óptima mediante la siguiente fórmula:
Donde:
βopt: ángulo de inclinación óptima en grados.
φ: latitud del lugar sin signo en grados.
La inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos es de 12° aproximadamente, usando la aplicación Power Data Access Viewer de la NASA la irradiación global media mensual sobre una superficie inclinada en su ángulo óptimo, orientada hacia el norte.
βopt: ángulo de inclinación óptima en grados.
φ: latitud del lugar sin signo en grados.
La inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos es de 12° aproximadamente, usando la aplicación Power Data Access Viewer de la NASA la irradiación global media mensual sobre una superficie inclinada en su ángulo óptimo, orientada hacia el norte.
Tabla 6. Irradiación global media mensual sobre una superficie inclinada de 12°
Fuente: Power Data Access Viewer
El mes que tiene la menor irradiación según la tabla anterior, es el
mes de Julio (González et al., 2013). Si se considera la irradiancia
igual a 1,000 W/m2, entonces las horas solares pico (HSP) equivale a
4.24 h.
Cálculo de la energía consumida por la carga de vehículos eléctricos
Para calcular la energía consumida se debe considerar lo siguiente:
Se estima que la energía consumida en el transcurso del día es de 768 kWh. Si aumenta el tiempo de carga y considerando constante la cantidad de autos por el tiempo de carga respectivo (1, 2, 3 o 4), la energía consumida es la misma lo único que cambia es la cantidad de autos abastecidos por día.
Cálculo de la energía consumida por la carga de vehículos eléctricos
Para calcular la energía consumida se debe considerar lo siguiente:
• Se toma en cuenta 8 cargadores Wallbox de 11 kW (EVBox, s.f.), para la carga de los vehículos eléctricos.
• Según la tabla 2, la capacidad de la batería promedio por una hora de carga equivale a 8 kWh. Entonces si el tiempo de carga es de una hora se pueden cargar 8 vehículos simultáneamente cada hora.
• La energía consumida desde las 9:00 a.m. hasta las 06:00 p.m. equivale a 576 kWh. Mientras que la energía consumida desde las 06:00 p.m. hasta las 09:00 p.m. equivale a 192 kWh.
• El sistema fotovoltaico conectado a red se dimensionará para que proporcione el 50% de la energía consumida durante las 09:00 a.m. hasta las 06:00 p.m. la cual equivale a 288 kWh.
• Los cargadores estarán disponibles desde las 09:00 a.m. hasta las 09:00 p.m. Siendo 12 horas el tiempo disponible considerando el 37.5% suministrado por el sistema fotovoltaico y el 62.5% por la red eléctrica.
• Según la tabla 2, la capacidad de la batería promedio por una hora de carga equivale a 8 kWh. Entonces si el tiempo de carga es de una hora se pueden cargar 8 vehículos simultáneamente cada hora.
• La energía consumida desde las 9:00 a.m. hasta las 06:00 p.m. equivale a 576 kWh. Mientras que la energía consumida desde las 06:00 p.m. hasta las 09:00 p.m. equivale a 192 kWh.
• El sistema fotovoltaico conectado a red se dimensionará para que proporcione el 50% de la energía consumida durante las 09:00 a.m. hasta las 06:00 p.m. la cual equivale a 288 kWh.
• Los cargadores estarán disponibles desde las 09:00 a.m. hasta las 09:00 p.m. Siendo 12 horas el tiempo disponible considerando el 37.5% suministrado por el sistema fotovoltaico y el 62.5% por la red eléctrica.
Se estima que la energía consumida en el transcurso del día es de 768 kWh. Si aumenta el tiempo de carga y considerando constante la cantidad de autos por el tiempo de carga respectivo (1, 2, 3 o 4), la energía consumida es la misma lo único que cambia es la cantidad de autos abastecidos por día.
Tabla 7. Energía consumida por la carga de vehículos eléctricos
Fuente: Elaboración propia
Tabla 8. Especificaciones técnicas del cargador Wallbox de 11 kW
Fuente: EVBox
Cálculo de la potencia del generador fotovoltaico
Se determina la potencia del generador fotovoltaico mediante la siguiente fórmula:
Se determina la potencia del generador fotovoltaico mediante la siguiente fórmula:
Donde:
PG: Potencia del generador fotovoltaico en Wp.
Wd: Consumo de energía diaria para el cálculo del generador FV en kWh, la cual equivale a 288 kWh.
HSP: Horas solares pico en h, la cual equivale a 4.24 h.
PR: Rendimiento energético de la instalación, el cual equivale al 80%.
Selección de los inversores de interconexión a red
Cada generador fotovoltaico estará conectado a un inversor de interconexión a red (Castejón y Santamaría, 2010). Tomar en cuenta los siguientes parámetros para la selección del inversor:
PG: Potencia del generador fotovoltaico en Wp.
Wd: Consumo de energía diaria para el cálculo del generador FV en kWh, la cual equivale a 288 kWh.
HSP: Horas solares pico en h, la cual equivale a 4.24 h.
PR: Rendimiento energético de la instalación, el cual equivale al 80%.
Selección de los inversores de interconexión a red
Cada generador fotovoltaico estará conectado a un inversor de interconexión a red (Castejón y Santamaría, 2010). Tomar en cuenta los siguientes parámetros para la selección del inversor:
• Potencia nominal del inversor, debe estar entre el 80% y 90% de la potencia del generador fotovoltaico.
Donde:
Pinv: Potencia del inversor en W.
PG: Potencia del generador fotovoltaico en Wp.
• Rango de tensiones del seguidor MPP del inversor (Uinv.min. … Uinv.máx.):
Este rango debe contener los valores máximo y mínimo que puede suministrar el generador fotovoltaico en el punto de máxima potencia especificados para una temperatura de célula de -10°C y 70°C respectivamente (UGmpp (70° C) y UGmpp (-10° C)). En los dos casos con una irradiancia de 1,000 W/m2.
Donde:
Pinv: Potencia del inversor en W.
PG: Potencia del generador fotovoltaico en Wp.
• Rango de tensiones del seguidor MPP del inversor (Uinv.min. … Uinv.máx.):
Este rango debe contener los valores máximo y mínimo que puede suministrar el generador fotovoltaico en el punto de máxima potencia especificados para una temperatura de célula de -10°C y 70°C respectivamente (UGmpp (70° C) y UGmpp (-10° C)). En los dos casos con una irradiancia de 1,000 W/m2.
Donde:
UGmpp: Es la tensión del generador fotovoltaico en su punto de máxima potencia (V) a una temperatura determinada.
Umpp: Es la tensión del módulo fotovoltaico en su punto de máxima potencia (V) a condiciones estándar de medida.
NS: Número de paneles en serie.
β: Coeficiente de tensión – temperatura del módulo (V/°C).
T: Temperatura (°C).
• Tensión máxima del inversor (Umáx. vacío.):
El inversor debe soportar la tensión máxima que puede producir el generador fotovoltaico en circuito abierto con una temperatura de célula de -10°C y una irradiancia de 1,000 W/m2.
UGmpp: Es la tensión del generador fotovoltaico en su punto de máxima potencia (V) a una temperatura determinada.
Umpp: Es la tensión del módulo fotovoltaico en su punto de máxima potencia (V) a condiciones estándar de medida.
NS: Número de paneles en serie.
β: Coeficiente de tensión – temperatura del módulo (V/°C).
T: Temperatura (°C).
• Tensión máxima del inversor (Umáx. vacío.):
El inversor debe soportar la tensión máxima que puede producir el generador fotovoltaico en circuito abierto con una temperatura de célula de -10°C y una irradiancia de 1,000 W/m2.
Donde:
UGoc: Es la tensión del generador fotovoltaico en vacío (V) a una temperatura determinada.
Uoc: Es la tensión del módulo fotovoltaico en vacío (V) a condiciones estándar de medida.
• Intensidad máxima (I inv.máx.):
El inversor debe soportar la intensidad de cortocircuito del generador con una temperatura de célula de 70°C y una irradiancia de 1,000 W/m2.
UGoc: Es la tensión del generador fotovoltaico en vacío (V) a una temperatura determinada.
Uoc: Es la tensión del módulo fotovoltaico en vacío (V) a condiciones estándar de medida.
• Intensidad máxima (I inv.máx.):
El inversor debe soportar la intensidad de cortocircuito del generador con una temperatura de célula de 70°C y una irradiancia de 1,000 W/m2.
Donde:
IGsc: Es la intensidad de corriente máxima de cortocircuito del generador fotovoltaico en (A) a una temperatura determinada.
Isc: Es la intensidad de corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico (A) o cadena a condiciones estándar de medida.
NP: Número de cadena de paneles en paralelo.
α: Coeficiente de corriente – temperatura del módulo (A/°C).
T: Temperatura (°C).
Selección de los dispositivos de protección
Protección del generador FV. Por cada generador fotovoltaico se instalará un string box para conectar en paralelo 5 cadenas con 19 módulos fotovoltaicos conectados en serie. Cada string box deberá contar como mínimo con 10 bases portafusiles cilíndricas para fusibles de 10 x 38 mm.
• El calibre de los fusibles se determina con la siguiente fórmula:
IGsc: Es la intensidad de corriente máxima de cortocircuito del generador fotovoltaico en (A) a una temperatura determinada.
Isc: Es la intensidad de corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico (A) o cadena a condiciones estándar de medida.
NP: Número de cadena de paneles en paralelo.
α: Coeficiente de corriente – temperatura del módulo (A/°C).
T: Temperatura (°C).
Selección de los dispositivos de protección
Protección del generador FV. Por cada generador fotovoltaico se instalará un string box para conectar en paralelo 5 cadenas con 19 módulos fotovoltaicos conectados en serie. Cada string box deberá contar como mínimo con 10 bases portafusiles cilíndricas para fusibles de 10 x 38 mm.
• El calibre de los fusibles se determina con la siguiente fórmula:
Donde:
ISC: Es la intensidad de corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico (A) o cadena a condiciones estándar de medida.
IF: Es la intensidad de corriente (A) que soporta el fusible.
• La tensión asignada se determina con la siguiente fórmula:
ISC: Es la intensidad de corriente de cortocircuito del módulo fotovoltaico (A) o cadena a condiciones estándar de medida.
IF: Es la intensidad de corriente (A) que soporta el fusible.
• La tensión asignada se determina con la siguiente fórmula:
Donde:
UGOC’: Es la tensión del generador fotovoltaico en vacío (V).
UF: Es la tensión asignada (V) que soporta el fusible.
Protección del inversor. Se pondrá un interruptor termomagnético a la salida de cada inversor teniendo que cumplir las características de salida del inversor:
Protección de los cargadores Wallbox. Se pondrá un interruptor termomagnético en cada circuito de cada cargador Wallbox de 11 kW:
• Intensidad nominal: In ≥ 19.66 A
• Tensión nominal de trabajo: Un = 380 V AC
Requerimientos para la conexión a red
Para la conexión de los cargadores eléctricos y de los inversores de interconexión a red será necesario un nuevo suministro de energía en MT (10 kV o 22.9 kV) y una nueva red primaria.
Estimación de la energía producida
Con los datos de las tablas 6 y 11, se calcula la energía anual producida por el sistema fotovoltaico conectado a red.
Estimación de las emisiones de CO2 reducidas
Según el Ministerio de Energía y Minas del Perú, el factor de reducción (DGEE - MEM, 2018) de emisiones para el año 2016 es de 0.4082 tCO2/MWh. Considerando un factor de degradación de 0.5% de los módulos fotovoltaicos.
Metrado y presupuesto
Se estima el metrado de los materiales necesarios para implementar la estación de carga solar y el presupuesto total para su ejecución.
Evaluación económica
Se procede a calcular la viabilidad económica del proyecto usando indicadores económicos como el VAN, TIR y el tiempo de retorno.
Simulación con el software PVsyst 6.8.1. y Helioscope
Simulación con el software PVsyst 6.8.1. Para realizar la simulación en el software PVsyst se seleccionó el Año Típico Meteorológico (TMY), el cual el software lo obtiene desde la data de la plataforma PVGIS. La plataforma PVGIS trabaja con la base datos 2005-2015, proporcionada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
Los parámetros principales del sistema de la simulación con el software PVsyst son los siguientes:
UGOC’: Es la tensión del generador fotovoltaico en vacío (V).
UF: Es la tensión asignada (V) que soporta el fusible.
Protección del inversor. Se pondrá un interruptor termomagnético a la salida de cada inversor teniendo que cumplir las características de salida del inversor:
• Intensidad nominal: In ≥ 48.26 A
• Tensión nominal de trabajo: Un = 380 V AC
• Tensión nominal de trabajo: Un = 380 V AC
Protección de los cargadores Wallbox. Se pondrá un interruptor termomagnético en cada circuito de cada cargador Wallbox de 11 kW:
• Intensidad nominal: In ≥ 19.66 A
• Tensión nominal de trabajo: Un = 380 V AC
Requerimientos para la conexión a red
Para la conexión de los cargadores eléctricos y de los inversores de interconexión a red será necesario un nuevo suministro de energía en MT (10 kV o 22.9 kV) y una nueva red primaria.
Estimación de la energía producida
Con los datos de las tablas 6 y 11, se calcula la energía anual producida por el sistema fotovoltaico conectado a red.
Estimación de las emisiones de CO2 reducidas
Según el Ministerio de Energía y Minas del Perú, el factor de reducción (DGEE - MEM, 2018) de emisiones para el año 2016 es de 0.4082 tCO2/MWh. Considerando un factor de degradación de 0.5% de los módulos fotovoltaicos.
Metrado y presupuesto
Se estima el metrado de los materiales necesarios para implementar la estación de carga solar y el presupuesto total para su ejecución.
Evaluación económica
Se procede a calcular la viabilidad económica del proyecto usando indicadores económicos como el VAN, TIR y el tiempo de retorno.
Simulación con el software PVsyst 6.8.1. y Helioscope
Simulación con el software PVsyst 6.8.1. Para realizar la simulación en el software PVsyst se seleccionó el Año Típico Meteorológico (TMY), el cual el software lo obtiene desde la data de la plataforma PVGIS. La plataforma PVGIS trabaja con la base datos 2005-2015, proporcionada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
Los parámetros principales del sistema de la simulación con el software PVsyst son los siguientes:
Tabla 9. Parámetros principales para la simulación PVsyst
Fuente: PVsyst 6.8.1.
Simulación con el software Helioscope. El software Helioscope realiza
la simulación con el Año Típico Meteorológico (TMY), el cual lo obtiene
de la data desde Meteonorm.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos son los siguientes:
• Se requieren 03 generadores fotovoltaicos cuya potencia de cada uno asciende a 31,350 Wp. Considerando módulos fotovoltaicos policristalinos de 330 Wp, del fabricante Amerisolar (Amerisolar, s.f.). Cada uno estará conformado por 95 módulos fotovoltaicos, distribuidos en 5 cadenas de 19 módulos fotovoltaicos policristalinos de 330 Wp.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos son los siguientes:
• Se requieren 03 generadores fotovoltaicos cuya potencia de cada uno asciende a 31,350 Wp. Considerando módulos fotovoltaicos policristalinos de 330 Wp, del fabricante Amerisolar (Amerisolar, s.f.). Cada uno estará conformado por 95 módulos fotovoltaicos, distribuidos en 5 cadenas de 19 módulos fotovoltaicos policristalinos de 330 Wp.
Tabla 10. Especificaciones técnicas del módulo fotovoltaico
Fuente: Amerisolar
Tabla 11. Características técnicas del generador fotovoltaico
Fuente: Elaboración propia
• Se seleccionaron 03 inversores trifásicos de interconexión a red de
27 kW – 380 /220 VAC, de la marca Fronius (Fronius International,
2014), con su respectivo Smart Meter 50 kA-3.
Tabla 12. Parámetros calculados para seleccionar los inversores de interconexión a red
Fuente: Elaboración propia
Tabla 13. Especificaciones técnicas principales del inversor
Fuente: Fronius International GmbH
• En cada string box y por cada cadena se debe emplear dos fusibles de
16 A (gR) de una tensión asignada de 1,000 VDC cilíndricos de 10 x 38
mm. Se conectará uno en el polo positivo y otro en el negativo de cada
cadena.
• La subestación trifásica convencional para la conexión a red, debe contar con un transformador seco encapsulado de 250 kVA – 10-22.9/ 0.38-0.22 kV.
Para el análisis se considera a los inversores como una carga y un factor de potencia de 0.85.
• La subestación trifásica convencional para la conexión a red, debe contar con un transformador seco encapsulado de 250 kVA – 10-22.9/ 0.38-0.22 kV.
Para el análisis se considera a los inversores como una carga y un factor de potencia de 0.85.
Tabla 14. Cuadro de cargas
Fuente: Elaboración propia
• La energía anual producida asciende a 142,708 kWh. El factor de
planta es de 17.32%. Según el Atlas Solar Global (Global Solar
Atlas, 2020), la energía producida es de 135,675 kWh y la
producción específica 1,443 kWh/kWp.
Figura 3. Estimación de la energía producida por año
Fuente: Elaboración propia
Tabla 15. Energía producida anualmente
Fuente: Elaboración propia
La
estación de carga solar estará disponible desde las 09:00 a.m. hasta
las 09:00 p.m. Siendo un período total de 12 horas. La energía
producida por el sistema fotovoltaico durante las primeras horas de la
mañana podrá ser aprovechada para otros usos como refrigeración,
ventilación o cualquier otro circuito auxiliar. La energía producida
por el sistema fotovoltaico en las primeras horas del día destinada
para otros usos sería 14,665.79 kWh por año.
Figura 4. Estimación de la energía producida por año
Fuente: Reporte del Atlas Solar Global
• Se estima que se dejarían de emitir 1,111.35 tCO2.
Tabla 16. Emisiones de CO2 reducidas
Fuente: Elaboración propia
• Los resultados de la simulación de PVsyst aparecen en la siguiente tabla.
Tabla 17. Resultados principales de la simulación en PVsyst 6.8.1
Fuente: PVsyst 6.8.1.
•
Los resultados de la simulación de Helioscope aparecen en la siguiente
tabla. Además, realiza la distribución de los módulos fotovoltaicos en
el techo del centro comercial Molina Plaza.
Tabla 18. Resultados principales de la simulación en Helioscope
Fuente: Helioscope
Figura 5. Distribución de módulos fotovoltaicos con Helioscope
Fuente: Datos del Reporte de Helioscope
Figura 6. Diagrama de bloques
Fuente: Elaboración propia
• El metrado y presupuesto de la estación de carga solar se muestra a continuación.
Tabla 19. Suministro de materiales
Fuente: Elaboración propia
Tabla 20. Presupuesto total
Fuente: Elaboración propia
•
Para realizar la evaluación económica del proyecto, fue necesario
determinar el flujo de caja. Para ello es necesario determinar el flujo
neto de operación, así consideramos los siguientes parámetros:
Tabla 21. Parámetros de para determinar el flujo de caja operacional
Fuente: Elaboración propia
Una vez determinado el flujo neto de operación se procede a determinar el flujo financiero neto del proyecto:
Tabla 22. Flujo de caja financiero
Fuente: Elaboración propia
Para
el presente proyecto el VAN es: S/. 161,113.86 lo cual indica que el
proyecto es viable financieramente al ser el VAN > 0.
En este caso la TIR es de 10.04%, comparada con la tasa de descuento, resulta viable invertir en un proyecto en estas condiciones.
Se evidencia que, en el PRI el período de tiempo para recuperar la inversión es más de 8 años, lo cual determina que haría viable la puesta en marcha del proyecto bajo el escenario planteado.
CONCLUSIONES
El proyecto es viable económicamente, ya que el VAN y el TIR son viables, además el tiempo de retorno de la inversión es de unos 8 años.
El proyecto es técnicamente viable, la tecnología actual permitiría realizar el proyecto.
Con el proyecto se dejarían de emitir 1,111.35 tCO2, contribuyendo con el medio ambiente y demostrando que el uso de las energías renovables son la solución a la contaminación ambiental.
Según las simulaciones y cálculos se cumpliría con los objetivos propuestos. Se cubriría más del 50% de la energía consumida por la carga de los vehículos eléctricos durante las 9:00 am – 6:00 pm.
Los inversores de interconexión se configurarán para que no inyecten energía a la red pública y solo se empleen para autoconsumo.
El inversor de interconexión dejará de funcionar si hay una desconexión de la red. Se debe a que el inversor necesita sincronizarse con la frecuencia de la red eléctrica pública.
Para que los inversores de interconexión a la red funcionen con un sistema de respaldo como es un grupo electrógeno en caso ocurra una desconexión de la red pública, se recomienda hacer una modificación y cambiar el Smart Meter 50 kA-3, por un controlador del sistema Fronius PV con sus dos accesorios para optimizar el funcionamiento del sistema fotovoltaico con el grupo electrógeno. Se requerirán las especificaciones técnicas del grupo electrógeno. A esta solución Fronius la denomina Fronius PV – Genset Easy.
REFERENCIAS
Amerisolar. (s.f.). Especificaciones técnicas del módulo AS-6P. Obtenido el 20 de Mayo de 2020. http://www. weamerisolar.com/d/file/english/product/pro1/2021/ 02-02/4ee661c4ce60976a5c181228bf5778f9.pdf
Castejón, A. y Santamaría, G. (2010). Instalaciones solares fotovoltaicas. Madrid: Editex.
DGEE - MEM. (2018). Boletín mensual de energía renovable, diciembre 2018. Perú: Ministerio de Energía y Minas, Dirección General de Eficiencia Energética.
El País. (25 Octubre 2017). Shanghái estrena su primera estación solar para cargar vehículos eléctricos. Obtenido el 20 de Mayo de 2020. https://negocios.elpais.com.uy/ shanghai-estrena-primera-estacion-solar-cargar vehiculos-electricos.html
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Pereira Micena, R., Llerena P., O. R., de Queiróz Lamas, W. y Luz Silveira, J. (30 de Junio de 2018). Estudio técnico del uso de energía solar y biogás en vehículos eléctricos en Ilhabela - Brasil. Ingenius, Revista de Ciencia y Tecnología, 20, 58-69. Obtenido el 26 de Mayo de 2020. https://ingenius.ups.edu. ec/index.php/ ingenius/ article/view/20.2018.06
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En este caso la TIR es de 10.04%, comparada con la tasa de descuento, resulta viable invertir en un proyecto en estas condiciones.
Se evidencia que, en el PRI el período de tiempo para recuperar la inversión es más de 8 años, lo cual determina que haría viable la puesta en marcha del proyecto bajo el escenario planteado.
CONCLUSIONES
El proyecto es viable económicamente, ya que el VAN y el TIR son viables, además el tiempo de retorno de la inversión es de unos 8 años.
El proyecto es técnicamente viable, la tecnología actual permitiría realizar el proyecto.
Con el proyecto se dejarían de emitir 1,111.35 tCO2, contribuyendo con el medio ambiente y demostrando que el uso de las energías renovables son la solución a la contaminación ambiental.
Según las simulaciones y cálculos se cumpliría con los objetivos propuestos. Se cubriría más del 50% de la energía consumida por la carga de los vehículos eléctricos durante las 9:00 am – 6:00 pm.
Los inversores de interconexión se configurarán para que no inyecten energía a la red pública y solo se empleen para autoconsumo.
El inversor de interconexión dejará de funcionar si hay una desconexión de la red. Se debe a que el inversor necesita sincronizarse con la frecuencia de la red eléctrica pública.
Para que los inversores de interconexión a la red funcionen con un sistema de respaldo como es un grupo electrógeno en caso ocurra una desconexión de la red pública, se recomienda hacer una modificación y cambiar el Smart Meter 50 kA-3, por un controlador del sistema Fronius PV con sus dos accesorios para optimizar el funcionamiento del sistema fotovoltaico con el grupo electrógeno. Se requerirán las especificaciones técnicas del grupo electrógeno. A esta solución Fronius la denomina Fronius PV – Genset Easy.
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