InGenio Journal
Revista de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo
https://revistas.uteq.edu.ec/index.php/ingenio
e-ISSN: 2697-3642 - CC BY-NC-SA 4.0
InGenio Journal
Revista de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo
https://revistas.uteq.edu.ec/index.php/ingenio
e-ISSN: 2697-3642 CC BY-NC-SA 4.0
Volumen 7 | Número 2 | Pp. 1–15 | Julio 2024 Recibido (Received): 2023/10/31
DOI: https://doi.org/10.18779/ingenio.v7i2.784 Aceptado (Accepted): 2024/05/30
Análisis de eficiencia energética de un Sistema
Fotovoltaico Aislado (SFA) para una estación de carga
(Energy Efficiency Analysis of an Isolated Photovoltaic System (SFA) for
a Charging Station)
Bryam José Tacuri Chávez
, Mayra Gabriela Rivas Villa
, Santiago Arturo Moscoso
Bernal
Universidad Católica de Cuenca, Cuenca, Ecuador
bryam.tacuri.63@est.ucacue.edu.ec, mayra.rivas.52@est.ucacue.edu.ec, smoscosob@ucacue.edu.ec
Resumen: La energía renovable nace de fuentes naturales inagotables, por lo que su uso
disminuirá la operación excesiva de fuentes no renovables. En Ecuador, por ley se promueve
el uso de energías renovables no convencionales. El objetivo del presente trabajo es analizar
la eficiencia y factibilidad de un Sistema Fotovoltaico Aislado (SFA) fijo con un SFA móvil.
Esto se logró con el uso de: paneles solares, baterías, controladores de carga MPPT,
estructuras metálicas, cables, modulo Arduino Uno, transformador y un servomotor MG996R
para el control del panel, además se usó PVGIS para realizar la simulación de cada sistema.
Como resultado se obtuvo que un SFA móvil, el cual, a nivel energético es más eficiente que
un SFA fijo, con un 13 % más de producción. Sin embargo, el costo de implementación no
se compensa con la producción obtenida. Por otro lado, comparando un SFA fijo con doble
potencia con un SFA móvil y un SFA fijo, a nivel energético es superior, sin embargo, se
necesita más espacio para la implementación al contar con dos paneles. En conclusión, un
SFA fijo con doble potencia es superior a todos los sistemas anteriormente planteados, puesto
que, el costo de implementación se compensa con la cantidad de energía producida.
Palabras clave: energías renovables, sistema fotovoltaico, estaciones de carga, dispositivos
móviles.
Abstract: Renewable energy comes from inexhaustible natural sources, so its use will reduce
the excessive operation of non-renewable sources. In Ecuador, the use of non-conventional
renewable energies is promoted by law. The objective of this work is to analyze the efficiency
and feasibility of a fixed Isolated Photovoltaic System (SFA) with a mobile SFA. This was
achieved with the use of: solar panels, batteries, MPPT charge controllers, metal structures,
cables, Arduino Uno module, transformer and an MG996R servomotor to control the panel.
PVGIS was also used to simulate each system. As a result, a mobile SFA was obtained,
which, at an energy level, is more efficient than a fixed SFA, with 13 % more production.
However, the implementation cost is not offset by the production obtained. On the other hand,
comparing a fixed SFA with double power with a mobile SFA and a fixed SFA, at an energy
level it is superior, however, more space is needed for implementation as it has two panels.
In conclusion, a fixed SFA with double power is superior to all the previously proposed
systems, since the implementation cost is compensated by the amount of energy produced.
Keywords: renewable energies, photovoltaic system, charging stations, mobile devices.
1. INTRODUCCIÓN
La energía renovable nace de fuentes naturales inagotables, donde su explotación reduciría en
enorme medida la sobre explotación de fuentes no renovables. Una de las fuentes de energía más
visibles actualmente es la energía solar, lograda por la captación de la radiación electromagnética
del sol mediante celdas fotovoltaicas, logrando convertir esa radiación en energía eléctrica [1].
Volumen 7 | Número 2 | Pp. 22–36 | Julio 2024
DOI: https://doi.org/10.18779/ingenio.v7i2.784
Recibido (Received): 2023/10/31
Aceptado (Accepted): 2024/05/30
Análisis de eciencia energética de un Sistema
Fotovoltaico Aislado (SFA) para una estación de carga
(Energy Eciency Analysis of an Isolated Photovoltaic System (SFA) for
a Charging Station)
Bryam José Tacuri Chávez
, Mayra Gabriela Rivas Villa
, Santiago Arturo Moscoso Bernal
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En este sentido, el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables, a través de la ley
orgánica del servicio público de energía eléctrica, en su artículo 26, promueve el uso de las
“energías renovables no convencionales”, mediante tecnologías limpias y energías alternativas,
de conformidad con lo señalado en la Constitución que propone desarrollar un sistema eléctrico
sostenible, sustentado en el aprovechamiento de los recursos renovables de energía [2].
La zona geográfica del Ecuador en relación al sol se puede considerar óptima, debido que se
encuentra sobre la línea equinoccial. En este punto los rayos solares son recibidos de forma
perpendicular y en un ángulo definido, todas estas condiciones benefician la utilización de esta
fuente de energía [3]. Por esta razón, en tiempos de crisis ambiental, la generación de energía
eléctrica usando recursos renovables ha adquirido una trascendencia mayor, y se ha inducido el
progreso de diferentes medios de aprovechamiento de estos recursos [4].
En consecuencia, usando el software PVGIS, se analiza tres Sistemas Fotovoltaicos Aislados
(SFA); en el primer sistema se utiliza un panel solar de 280 W (SFA fijo); en el segundo sistema
se utiliza dos paneles de 280 W (SFA fijo con doble potencia); por último, se utiliza un panel
solar de 280W, con la diferencia que se realiza un seguimiento de la posición del sol por parte del
panel (SFA móvil). Con la finalidad de realizar la lógica de programación del SFA móvil, se
realiza un prototipo, en donde, se utiliza un panel solar de 1 W, el cual, a través de un servomotor
y un microcontrolador, realiza el seguimiento al sol. Esto nos permite verificar la funcionalidad
del SFA móvil. El proceso de análisis de datos para estimar el SFA más eficiente, se lo realizó a
través de tablas, usando modelos matemáticos [5].
Una vez, determinado el SFA más eficiente, se desarrolló una estación de carga equipada con
puertos USB, para dispositivos de bajo consumo tales como: celulares, audífonos inalámbricos,
implementando el SFA más eficiente. De esta manera se aprovecha la energía del sol emitida a la
tierra transformándola en energía eléctrica, promoviendo el uso de energías renovables en la
sociedad, ayudando a mitigar la contaminación emitida por fuentes no renovables.
2. METODOLOGÍA
El planteamiento de la investigación se basa en un modelo aplicativo en conjunto con un punto
de vista cuantitativo, ya que, se compara tres sistemas fotovoltaicos, mediante la construcción y
simulación de una estación de carga. Del mismo modo, mediante PVGIS, se analiza la generación
obtenida de cada sistema. A partir de los datos obtenidos se realiza la tabulación de los mismos,
con la finalidad de verificar que sistema es más eficiente desde un punto de vista energético y
económico. En la Figura 1 se observa un esquema ordenado de los pasos seguidos.
Figura 2. Diagrama de pasos de la metodología seguida.
Planteamiento de la
investigación y desarrollo
de la propuesta
Sintetización de
información (marco
teórico)
Diseño y simulación
Construcción de la estación
de carga
Análisis de resultados,
conclusiones,
recomendaciones,
publicación
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. Estación de carga
Paneles Solares. Los paneles solares convierten la energía del sol en energía eléctrica. Su
bosquejo es sencillo, bastante eficaz y posibilita el autoconsumo, garantizando la sostenibilidad
[6]. En la Figura 2 se observa el panel fotovoltaico incorporado en la estación de carga.
Figura 3. Panel solar policristalino de 280 W.
Batería. Además, llamada pila o acumulador eléctrico, es un aparato formado por celdas capaces
de transformar la energía química en su interior en energía eléctrica. De esta forma, las baterías
producen corriente continua y sirve para alimentar diversos circuitos eléctricos, dependiendo de
su tamaño y potencia [7]. En la Figura 3 se muestra la batería incorporada en la estación de carga.
Figura 4. Batería de plomo gel 12 V y 200 Ah.
Controladores de carga MPPT. Es un convertidor electrónico de CC a CC que optimiza la
combinación entre los paneles solares. Permite que un conjunto de paneles tenga un voltaje más
alto que el banco de baterías. Esto es relevante para áreas con baja irradiación o durante el invierno
con menos horas de luz solar [8]. En la Figura 4 observamos el controlador de carga implementado
en la estación de carga.
Figura 5. Controladores de carga MPPT de 50 A.
Estructura metálica. En la Figura 5 se observa el diseño de la estación de carga realizado en el
software Sketchup.
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| 4
Figura 6. Estructura metálica de hierro, Cotas: 2 m de largo por 1,5 m de ancho por 2 m de
altura.
Conductores. Son usados para la transmisión de corriente que permite hacer conexiones o
extensiones de uso rudo aterrizadas para automatización o control industrial. En la Figura 6 se
observa la topología del cable usado en las conexiones del sistema.
Figura 7. Cable AWG calibre número 14 de 2,5 mm2.
Fuente: Tomado de [9]
3.2. Prototipo SFA móvil
Arduino Uno. Arduino (Figura 7) es un módulo electrónico de código abierto que usa el lenguaje
de programación C++ [10].
Figura 8. Modulo Arduino Uno.
Panel Solar. Para el prototipado del SFA móvil se usó el panel que se muestra en la Figura 8
[11].
Figura 9. Panel solar de 5 V – 200 mA - 1 W.
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Controlador de Carga. Cargador de batería Litio Lipo (Figura 9) es módulo perfecto para la
carga de baterías Lipo o Li-ion de una celda de 3,7 V 1 Ah [12].
Figura 10. Controlador de carga TP4056.
Transformador. Regulador de voltaje (Figura 10) de la batería a 3,4 a 5 V.
Figura 11. Transformador.
Batería Recargable. Acumula la energía generada por el panel fotovoltaico mediante procesos
químicos. La batería que se usó para el prototipo se muestra en la Figura 11.
Figura 12. Batería recargable de 3,4 V
Servomotor MG996R. Es un actuador rotativo que permite un control preciso en posición
angular, este servomotor (Figura 12) puede rotar de 0° hasta 180° [13].
Figura 13. Servomotor MG996R – 4,8 V- torque 10,4 kg.
Resistores:
• LDR: Es un componente que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la
cantidad de luz que incide sobre él [11]. Como se demuestra en la Figura 13.
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| 6
Figura 14. LDR.
• Resistencias: Son componentes semiconductores su principal función es limitar el paso de la
corriente en un circuito eléctrico [15]. A continuación, se representa en la Figura 14.
Figura 15. Resistencias de 3 kΩ.
• Estructura de Madera. Se usó una estructura de madera (Figura 15) que permite montar los
componentes mencionados anteriormente, para la construcción del prototipo.
Figura 16. Estructuras de madera usada en el prototipo.
A. Dimensionamiento de la estación de carga. Cabe señalar que la estación de carga se
construyó con un SFA fijo. Para el análisis de la eficiencia energética de los tres sistemas
anteriormente mencionados, se usó un software de simulación, para posteriormente analizar su
comportamiento.
1. Diagrama de Bloques
Para comprender el funcionamiento de todas las fases del sistema de carga se realizó un
diagrama de bloques presentado en la Figura 16. El proceso consta de cinco etapas. En la primera
etapa se calcula la energía demandada, se fijó que la estación este equipada con 8 puertos USB
de 5 V/2 A, dos luminarias led de 6 W y una máquina de botella de 10 W, posteriormente se
calcula el cuadro de consumos (Tabla 1), donde se indicó el tiempo de uso de cada carga
anteriormente mencionadas. Concluidas las dos primeras etapas, se procedió con el
dimensionamiento de los equipos (paneles solares, baterías, etc.). A continuación, se modeló la
estructura tomando en cuenta las dimensiones de los componentes. Finalmente se conectó todos
los componentes y se puso en operación.
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Figura 17. Diagrama de bloques.
2. Cuadro de Consumos
Para la construcción del cuadro de consumos se tomó en cuenta la cantidad y potencia de
cada carga, de igual manera el tiempo de uso de cada una. Obteniendo como resultado un consumo
máximo diario (ver Tabla 1). En este apartado se realiza el cálculo del consumo energético de la
estación de carga.
Tabla 1. Consumos totales.
Energía Total
Equipos Cantidad
Consumo
C/u (W)
Consumo
Total
(W)
Uso Diario
(h/día)
Consumo
Máximo CT
(Wh/día)
Luminarias 2,00 6,00 12,00 12,00 144,00
USB 8,00 10,00 80,00 6,00 480,00
Máquina de Botella 1,00 10,00 10,00 6,00 60,00
Energía Total 684,00
3. Cálculo del número de paneles
Para realizar el dimensionamiento del panel fotovoltaico partimos de los siguientes datos (ver
Tabla 2).
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Datos de panel
Tabla 2. Potencia del panel.
Datos Valor Unidad
Potencia máxima 280 W
Voltaje máximo pico
31,3
V
Corriente máxima pico
8,95
A
Datos energéticos
Para obtener los datos energéticos, se tomó en cuenta la zona de ubicación donde se instaló la
estación de carga. Para Ecuador, la hora solar pico, la cual se define como: la energía por unidad
de superficie que se recibiría con una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m
2
, es de
4 horas. Este dato sirve para verificar la vialidad de proyectos fotovoltaicos (ver Tabla 3) [15].
Tabla 3. Energía día.
Datos Valor Unidad
Energía día 684 Wh/día
Hora solar pico
4
Para calcular el número de paneles necesario se usó la siguiente fórmula (ver Fórmula 1).
# paneles =
Energia dia ∗ 1,3
Hora solar pico ∗ Potencia del panel
Donde se usa un factor de seguridad de 1,3, garantizando la eficiencia del sistema (ver
Ecuación 2).
(1)
# paneles =
684W ∗ 1.3
4 ∗ 280W
(2)
# paneles = 0.80
De acuerdo con el cálculo obtenido, necesitamos un solo panel fotovoltaico para cumplir con
la energía demandada.
4. Cálculo de baterías
Para el cálculo de baterías, se toma en cuenta los días de autonomía que brindarán éstas
cuando no exista energía proveniente del panel solar. En este caso se optó por dos días de
autonomía. Otro factor importante es el factor de descarga de las baterías, esto garantiza que las
baterías no se descarguen por completo, lo cual afecta su vida útil. Para realizar el
dimensionamiento de la batería partimos de los datos presentados en la Tabla 4.
Tabla 4. Cálculo de la batería.
Datos
Valor
Unidad
Energía día
680
Wh/día
Días de autonomía
2
Factor de descarga
0,7
Voltaje del banco
12
V
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Generalmente en un SFA, se usan varias baterías que se pueden conectan tanto en serie,
paralelo o mixto, formando un banco de baterías. El voltaje de dicho banco depende del voltaje
de ingreso del controlador de carga, en este caso es 12 V. Para determinar la capacidad necesaria
de la batería para la estación de carga, usamos las siguientes ecuaciones (ver Ecuación 4 y 5).
Corriente del banco
I banco =
Energia dia
Voltaje del banco
(4)
I banco =
684Wh/dia
12V
I banco = 57Ah
Banco de baterías
Banco =
Dias de autonomia ∗ Ibanco
Descarga
(5)
Banco =
2 ∗ 57Ah
0,7
Banco = 162,85Ah
Para satisfacer las condiciones de la estación de carga, el banco de baterías debe tener una
capacidad de 162,58 Ah. De acuerdo con el mercado existe una batería de 200 Ah, por lo que es
necesario solo una.
5. Cableado en continuidad (C.C)
Para realizar el cálculo del calibre del conductor se utiliza la siguiente fórmula (ver Fórmula
6).
S =
2 ∗ I ∗ L
σ ∗ ∆V
(6)
Donde:
S: Sección de cable (mm2)
I: Corriente (A)
L: Largo del cable (m)
σ: Conductividad (cobre = 59)
∆V: Caída de tensión
Para realizar el cálculo del calibre de conductor se utiliza un cuadro en Excel (Tablas 5 y 6).
Panel a regular la carga
Tabla 5. Calibre del conductor.
Cálculo de sección de cables
Datos del conductor Sección teórica Cable a utilizar
Corriente (A)
Longitud
(m)
Caída de
tensión (V)
mm2 mm2 AWG
10 2,5 1 0,85 2,5 14
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Regulador de baterías
Tabla 6. Calibre del conductor.
Cálculo de sección de cables
Datos del conductor Sección teórica Cable a utilizar
Corriente (A)
Longitud
(m)
Caída de
tensión (V)
mm2 mm2 AWG
50 0,5 1 0,85 2,5 14
B. Cálculos de eficiencia energética – radiación solar. Se simuló tres SFA, los cuales son:
• SFA fijo: Cuenta con un panel solar montado en una estructura fija.
• SFA móvil: Cuenta con un panel solar montado en una estructura móvil accionada por un
servomotor. Este sistema realiza un seguimiento a la luz solar.
• SFA doble potencia: Cuenta con dos paneles solares montado en una estructura fija.
Para realizar la comparación de eficiencia entre sistemas, se usó PVGIS, en donde, se realiza
la simulación durante un año de cada uno. A continuación, se presentan los datos obtenidos: En
la Tabla 7, se obtuvo la potencia promedio mensual de cada sistema, posteriormente se realizó
una comparación de eficiencia en Watios, entre los diferentes SFA, obteniendo un porcentaje de
mejora.
Tabla 7. Sistema anual.
Año 2020 potencial del sistema
Meses
SFA fijo
(W)
SFA móvil
(W)
SFA doble
(W)
Fijo vs
móvil
Fijo vs doble
Enero 81,9552419 94,7808871 163,910618 14 %
50 %
Febrero 81,7187069 91,3197414 163,437155 11 % 50 %
Marzo 78,5860647 86,9943817 156,750457 10 % 50 %
Abril 72,2870278 80,4206944 144,574444 10 % 50 %
Mayo 74,0420968 85,5206183 148,083495 13 % 50 %
Junio 77,1950278 90,4288056 154,389167 15 % 50 %
Julio 79,3325 92,4708065 158,664328 14 % 50 %
Agosto 94,3797312 109,268817 188,759624 14 % 50 %
Septiembre 92,1496667 105,091083 184,2995 12 % 50 %
Octubre 95,2542204 109,602392 190,508495 13 % 50 %
Noviembre 87,3406944 101,645778 174,682333 14 % 50 %
Diciembre 71,5815054 81,9182527 143,16293 13 % 50 %
Promedio anual 13 % 50 %
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A continuación, se obtuvo la potencia promedio mensual por metro cuadrado de cada sistema.
En la Tabla 8 se realiza una comparación de eficiencia en W/m2, entre los diferentes sistemas.
De igual manera, se obtiene el porcentaje de mejora entre cada sistema.
Tabla 8. Sistema anual.
Año 2020 potencial del sistema
Meses
SFA fijo
(W/m2)
SFA móvil
(W/m2)
SFA doble
(W/m2)
Fijo vs
móvil
Fijo vs doble
Enero 365,276855 419,571398 365,276855 13 % 0 %
Febrero 364,829971 405,43681 364,829971 13 % 0 %
Marzo 349,061505 384,830833 349,061505 13 % 0 %
Abril 319,923528 353,343333 319,923528 13 % 0 %
Mayo 327,16379 374,313333 327,16379 13 % 0 %
Junio 340,757444 395,318583 340,757444 13 % 0 %
Julio 347,326398 401,072581 347,326398 13 % 0 %
Agosto 415,934086 478,291532 415,934086 13 % 0 %
Septiembre 406,532333 460,024278 406,532333 13 % 0 %
Octubre 421,434704 480,995134 421,434704 13 % 0 %
Noviembre 393,384778 454,869333 393,384778 13 % 0 %
Diciembre 318,320108 361,125511 318,320108 13 % 0 %
Promedio anual 13 % 0 %
C. Programación del sistema de seguimiento fotovoltaico (prototipo). Como se mencionó
anteriormente, la construcción del prototipo se desarrolló con la finalidad de implementar la
lógica de programación, y demostrar su funcionalidad. En la Figura 17 se observa el diagrama de
flujo de dicha programación.
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Figura 18. Diagrama de flujo del sistema de seguimiento fotovoltaico.
4. RESULTADOS
Según la Tabla 7 y Tabla 8, se obtuvo como resultado que un SFA móvil a nivel energético
es más eficiente que un SFA fijo, con un incremento promedio de 13 % en la generación de
energía tanto en W como en W/ m2.
Por otro lado, comparando entre un SFA fijo con un SFA fijo con doble potencia, se obtuvo
un incremento de un 50 % de generación de energía en W, sin embargo, en W/ m2 no hubo un
porcentaje de mejora. Considerando que todos los sistemas usan paneles de iguales características.
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A partir de esto, se construyó la estación de carga, tal como observa en la Figura 19, en donde,
por el espacio disponible no se optó por la implementación del SFA fijo de doble potencia, por lo
que, se usó el SFA fijo, satisfaciendo la energía demandada calculada en la Tabla 1.
Figura 20. Estación de carga.
Costos
En cuanto al costo de implementación de cada sistema, se realiza un análisis aproximado con
los costos de cada componente que conforma los SFA, existentes en el mercado (ver Tabla 9).
Tabla 9. Análisis de costos del sistema.
Diferencia de costos de los tres sistemas
SFA fijo $ 1121,48
SFA Móvil
$ 1170,38
SFA Doble
$ 1234,1
Diferencia SFA Fijo vs SFA móvil
$ 48,9
Diferencia SFA Fijo vs SFA doble
$ 112,62
5. CONCLUSIONES
Una vez realizadas las simulaciones de los tres SFA se realizan las siguientes conclusiones:
• El SFA más eficiente, tanto a nivel energético como económico es el SFA fijo con doble
potencia, puesto que, el costo de inversión se compensa con la generación obtenida.
• En Ecuador, los sistemas fotovoltaicos son sumamente factibles, debido a su ubicación
geográfica, donde las horas de sol para la zona es de cuatro horas. Esto garantiza eficiencia
en estos sistemas.
• La implementación de un SFA móvil para otros países donde no existen condiciones ideales
de radiación solar continua, sería factible su instalación. Sin embargo, como anteriormente se
mencionó, debido a la ubicación geográfica de Ecuador, no es necesario la instalación de estos
sistemas.
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AGRADECIMIENTOS: Este trabajo ha sido desarrollado en el Laboratorio de Gestión de
Calidad Educativa dentro del Centro de Investigación, Innovación y Transferencia de Tecnología
de la Universidad Católica de Cuenca como parte de los proyectos de investigación formativa en
la carrera de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Católica de Cuenca. Este trabajo pertenece al
proyecto de investigación “INSTALACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO EN
EL CENTRO DE HIPOTERAPIA KAWALLU” con código PIFCIV22-22.
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ELÉCTRICA A PARTIR DE FUENTES RENOVABLES, ene. 2021. Accedido: 27 de mayo
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consolida-la-produccion-electrica-a-partir-de-fuentes-renovables/
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ARCONEL-003-18. EMÍTESE LA REGULACIÓN DENOMINADA GENERACIÓN
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DE ENERGÍA ELÉCTRICA, feb. 2019. Accedido: 27 de mayo de 2024. [En línea].
Disponible en: https://vlex.ec/vid/regulacion-no-arconel-003-768642449
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"PHOTOVOLTAIC SYSTEMS IN SECTORS OF ECUADOR WITH DIFFICULT
ACCESS AND/OR WITHOUT ELECTRICITY SERVICE: A STUDY FROM LATIN
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Electrostore". Accedido: 7 de junio de 2023. [En línea]. Disponible en:
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