Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 07-11-2023, Aprobado tras revisión: 13-12-2023
Forma sugerida de citación: Villarreal, J.; Cuji, C. (2024) “Diseño y evaluación de un sistema fotovoltaico aislado para iluminación
en vías rurales y carga de vehículos eléctricos basado en un sistema multipropósito”. Revista Técnica “energía”. No. 20, Issue II,
Pp. 47-57
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v20.n2.2024.614
© 2024 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Esta publicación es de acceso abierto bajo una licencia Creative Commons
Design and Evaluation of a Standalone Photovoltaic System for Rural Road
Lighting and Electric Vehicle Charging Based on a Multipurpose Approach
Diseño y Evaluación de un Sistema Fotovoltaico Aislado para Iluminación en
Vías Rurales y Carga de Vehículos Eléctricos Basado En Un Enfoque
Multipropósito
J.G. Villarreal1
0009-0003-6817-0698
C.C. Cuji2
0000-0002-9324-6290
1Univeridad Politécnica Salesiana, Carrera de Electricidad, Quito, Ecuador
E-mail: kandradef@est.ups.edu.ec; lfloresc2@est.ups.edu.ec
2Universidad Politécnica Salesiana, Carrera de Electricidad, GIREI - Quito, Ecuador
E-mail: ccuji@ups.edu.ec, criscuji10@gmail.com
Abstract
The results of a proposal for a high-efficiency
photovoltaic system with multipurpose applications
implemented along a road are presented. This system is
designed to address issues related to lighting,
telecommunications, and electric vehicle charging. The
need for an isolated system arises from sudden power
outages in the country that affect road safety and
reliability, as well as the lack of phone signal in some
areas.
In the field of lighting, an analysis is conducted using
DiaLux software to ensure compliance with appropriate
lighting standards for different types of roads.
Furthermore, the multipurpose system includes electric
vehicle charging, which is becoming increasingly
relevant due to the shift towards more eco-friendly
vehicles. Providing electric vehicle charging along
roads resolves the issue of limited electric vehicle range
and promotes their reliable use. The evaluation of the
energy resource using the Glover and McCulloch
method is essential for designing an efficient system
capable of meeting various user needs. Additionally,
reducing carbon dioxide emissions is a significant
consideration, as electric vehicles can significantly
contribute to reducing greenhouse gas emissions
compared to fossil fuel vehicles.
Resumen
Se presentan los resultados de una propuesta de un
sistema fotovoltaico de alta eficiencia con aplicaciones
multipropósito, implementado a lo largo de una
carretera. Este sistema está diseñado para abordar
cuestiones relacionadas con la iluminación, las
telecomunicaciones y la carga de vehículos eléctricos.
La necesidad de un sistema aislado surge de los
apagones repentinos en el país que afectan la seguridad
vial, el excesivo uso de vehículos de combustibles
fósiles que emiten gases que contaminan el planeta, así
como la falta de señal telefónica en algunas zonas.
En el ámbito de la iluminación, se realiza un análisis
utilizando el software DiaLux para garantizar el
cumplimiento de los estándares adecuados de
iluminación para diferentes tipos de carreteras. Además,
el sistema multipropósito incluye la carga de vehículos
eléctricos livianos de uso particular, que se está
volviendo cada vez más relevante debido al cambio
hacia vehículos más ecológicos. La provisión de carga
de vehículos eléctricos a lo largo de las carreteras
resuelve el problema de la autonomía limitada de los
vehículos eléctricos y promueve su uso confiable. La
evaluación del recurso energético mediante el método
Glover y McCulloch es fundamental para diseñar un
sistema eficiente capaz de satisfacer diversas
necesidades del usuario. Además, la reducción de las
emisiones de dióxido de carbono es un aspecto
importante, ya que los vehículos eléctricos pueden
contribuir significativamente a la reducción de las
emisiones de gases de efecto invernadero en
comparación con los vehículos de combustibles fósiles.
Index terms— High efficiency, Public lighting,
photovoltaic, Glover and McCulloch, multipurpose
system, isolated system. indexing purposes.
Palabras clave— Alta eficiencia, alumbrado público,
fotovoltaico, Glover y McCulloch, sistema
multipropósito, sistema aislado.
47
Edición No. 20, Issue II, Enero2024
1. INTRODUCCIÓN
El presente informe plantea la implementación de un
sistema fotovoltaico autónomo diseñado para abordar la
carga de vehículos eléctricos, la iluminación y las
telecomunicaciones. La necesidad de esta solución surge
para asegurar fuentes de energía verde para la carga de
vehículos eléctricos. Adicionalmente, se busca subsanar
la carencia de cobertura de telefonía en áreas
desatendidas, un servicio fundamental en la era actual.
Cabe destacar que, en el territorio nacional, los
automóviles que utilizan combustibles fósiles son
responsables de una significativa cantidad de emisiones
de dióxido de carbono. La transición hacia vehículos
eléctricos está en constante crecimiento debido a su
menor impacto ambiental. Sin embargo, la limitada
autonomía de estos vehículos plantea desafíos, y la
provisión de puntos de carga en las vías se plantea como
una solución para garantizar su uso fiable. [1].
El análisis del recurso energético, llevado a cabo
mediante un método para la obtención de datos de
radiación solar, desempeña un papel crucial en la
configuración de un sistema eficiente que satisface las
múltiples demandas de los usuarios. Este enfoque
multipropósito abarca tanto la carga de vehículos
eléctricos como la iluminación y las telecomunicaciones.
Se subraya la relevancia de los sistemas aislados, que no
dependen de las fuentes de energía del sistema eléctrico
interconectado del país. Estos sistemas representan
soluciones de gran utilidad para llevar electricidad a
zonas rurales o comunidades que, de otra forma, no
podrían acceder a la red eléctrica nacional debido a
diversos factores como la distancia, los costos
económicos o las limitaciones técnicas. [2].
2. DESCRIPCIÓN Y ESCENARIOS
2.1. Descripción del Problema de Estudio
En la actualidad, los sistemas aislados desempeñan un
papel crucial debido a su independencia de las fuentes de
energía del sistema eléctrico nacional interconectado.
Estos sistemas resultan de gran relevancia, ya que
garantizan el suministro de electricidad en áreas donde
las contingencias en el sistema eléctrico convencional no
deben afectar. Representan una solución efectiva para
llevar energía eléctrica a zonas rurales y comunidades a
las que resulta inaccesible o poco viable extender la red
eléctrica. Esto puede deberse a diversas razones, como
las grandes distancias o las limitaciones económicas que
hacen que un proyecto de electrificación convencional no
sea factible. Los sistemas aislados ofrecen beneficios
similares a los usuarios en términos de acceso a la
electricidad, pero a menudo requieren una inversión
menor en comparación con la extensión de la red
eléctrica, lo que los convierte en una alternativa viable.
[3], [4].
2.2. Caso de Estudio
2.2.1. Vía E487
La Vía E487, ubicada en Ecuador, se erige como un
ejemplo destacado de una carretera principal que conecta
la región costera con la región montañosa,
específicamente entre Guayaquil y Riobamba. Esta vía se
encuentra transitada por camiones que transportan
productos entre ambas regiones, y en días festivos, se
congestiona con vehículos que se dirigen a la costa. Uno
de los problemas más acuciantes en esta vía es la
frecuencia de asaltos a los conductores de camiones,
agravados por los accidentes de tráfico que ocurren con
regularidad debido a la neblina que se presenta en las
noches, dificultando la visibilidad de los conductores [5].
Figura 1: Tramo sin iluminación de la vía E487 - Google Maps
Si bien algunos tramos de la vía cuentan con acceso
a la electricidad, en otros lugares, la electricidad no se
distribuye a lo largo de la carretera para conectar las
pequeñas comunidades y pueblos circundantes sin
incurrir en costos excesivos. Sin embargo, en esta misma
ruta, se encuentran comunidades aisladas en el páramo de
Navag, que carecen de acceso a la energía eléctrica. La
implementación del sistema fotovoltaico sería
especialmente beneficiosa para estas comunidades.
2.2.2. Vía E28
Figura 2: Tramo sin iluminación de la vía E28 - Google Maps
La Vía E28 es otra carretera relevante que conecta la
región costera con la región montañosa en Ecuador,
específicamente entre Calacalí y Nanegalito. Esta vía es
utilizada por vehículos de carga ligera y pesada, ya que
la región es conocida por la producción de productos
como palmito, banano, yuca, entre otros. Sin embargo,
esta vía es oscura, insegura y carece de cobertura de
telefonía móvil, lo que dificulta la comunicación en caso
de emergencia [6].
48
Villarreal et al. / Diseño de un sistema fotovoltaico para iluminación y carga de vehículos eléctricos
Figura 3: Tramo de la vía E28 con cobertura celular nula o con
tecnología 2G
2.2.3. Vía E45
La Vía E45 se destaca por conectar diferentes regiones
de Ecuador, y en este caso, se considera el tramo ubicado
en el Oriente que enlaza la región montañosa con la
región amazónica. Esta vía es un corredor comercial vital
entre las dos regiones, pero enfrenta desafíos
relacionados con la falta de alumbrado público, la
electricidad y la cobertura de señal para teléfonos
celulares [7][8].
Figura 4: Tramo sin iluminación de la vía E45 - Google Maps
En cada uno de estos casos de estudio, la falta de
iluminación, la inseguridad y la escasez de acceso a
servicios básicos se presentan como problemas críticos
que podrían abordarse de manera efectiva mediante la
implementación de sistemas fotovoltaicos
multipropósito. Estos sistemas no solo mejorarían la
calidad de vida y la seguridad de los residentes, sino que
también respaldarían el desarrollo sostenible y la
movilidad eléctrica en el país [9].
2.3. Sistema solar fotovoltaico
Los sistemas solares fotovoltaicos aprovechan la
energía del sol para generar electricidad de manera
sostenible. La radiación solar incidente en la Tierra se
compone de tres componentes: radiación directa,
radiación reflejada y radiación difusa. El cálculo de la
radiación global permite la correcta evaluación del
recurso solar. Se utilizan métodos empíricos, como el
método de Glover & McCulloch, que consideran factores
como la latitud del lugar. En Ecuador, situado cerca del
ecuador, el método resulta viable. El cálculo de la
radiación global implica el uso de ecuaciones que
incluyen la radiación extraterrestre diaria, el promedio
mensual de horas diarias de brillo solar y el número
máximo diario promedio mensual de horas de sol.
(1)
Donde:
H: La radiación global diaria promedio mensual en
.
Ho: La radiación solar diaria promedio mensual en
.
n: El promedio mensual de horas diarias de brillo solar.
N: El número máximo diario promedio mensual de horas
sol.
a y b: Son las constantes de regresión.
: Latitud de la locación [10].
2.3.1. Elementos de los Sistemas Solares
Un sistema solar fotovoltaico se basa en la captación y
conversión de la energía solar en electricidad. Esto se
logra mediante varios elementos clave:
Paneles Fotovoltaicos: Estos paneles consisten en
múltiples celdas fotovoltaicas, cada una de las cuales
genera un voltaje de alrededor de 0.3 V a 0.5 V. Para
obtener voltajes adecuados para aplicaciones eléctricas,
se conectan en serie para incrementar el voltaje y en
paralelo para aumentar la corriente. Estos grupos de
celdas se conocen como paneles fotovoltaicos.
Baterías: En sistemas aislados, son esenciales para
almacenar la energía generada por los paneles solares y
utilizarla cuando no se está generando electricidad. Las
baterías pueden variar en tecnología, como las de plomo-
ácido, níquel-hierro, iones de litio, entre otras. La vida
útil de las baterías está directamente relacionada con su
profundidad de descarga, lo que implica no descargarlas
más del 40% de su capacidad.
Tabla 1: Eficiencia de los paneles solares
Materiales
Eficiencia
nominal (%)
Eficiencia
real (%)
Panel de silicio
Monocristalino
24
14-17
Panel de silicio
Policristalino
18
13-15
Panel de silicio
Amorfo
13
5-7
Reguladores de Carga: Estos dispositivos permiten
una carga eficiente de las baterías al supervisar el voltaje
y protegerlas contra sobrecargas o descargas profundas
que reducirían su vida útil [11].
49
Edición No. 20, Issue II, Enero2024
Inversores: Los inversores transforman la corriente
continua (CC) generada por los paneles en corriente
alterna (CA), que es la forma de electricidad utilizada en
la mayoría de las aplicaciones eléctricas. Los inversores
comerciales pueden ser monofásicos o trifásicos y operan
a frecuencias de 50 Hz o 60 Hz. La cantidad de pulsos
generados por el inversor influye en la calidad de la señal
de CA resultante [12].
2.4. Alumbrado Público:
En el contexto de este proyecto, el alumbrado público
se considera, utilizando lámparas LED debido a sus
características técnicas óptimas. Estas lámparas LED
ofrecen un rendimiento lumínico entre 100 lm/W y 154
lm/W, lo que significa que convierten una cantidad
significativa de energía en luz visible, lo cual es crucial
para lograr una iluminación eficiente y efectiva. Además,
su larga vida útil, que varía entre 50,000 y 100,000 horas,
reduce la necesidad de reemplazos frecuentes, lo que es
especialmente ventajoso en áreas de difícil acceso, como
las carreteras mencionadas en el proyecto [13].
La temperatura de color de las lámparas LED puede
variar de 2700 K a 5000 K. En este proyecto, se ha
seleccionado una lámpara Sylvania de 90 W y 4000 K.
Esta elección está respaldada por su temperatura de color
adecuada, que es lo suficientemente cálida para
proporcionar una iluminación cómoda y no deslumbrante
[14][15]
(2)
Donde:
P: Es la clase de iluminación va de M1 a M6
: Es el sumatorio de los valores de la ponderación
Tabla 2: Parámetros para selección de clase de iluminación [16]
Parámetros
Opciones
Valores de la
ponderación
Velocidad de
los vehículos
en la vía
Elevada
1
Alta
0.5
Moderada
0
Volumen del
tráfico de
vehículos
Elevado
1
Alto
0.5
Moderado
0
Bajo
-0.5
Muy bajo
-1
Composición
del tráfico
Mezcla con un alto
porcentaje de tráfico
no motorizado
2
Mezclado
1
Solamente motorizado
0
Separación de
vías
No
1
Si
0
Densidad de
la intersección
Alta
1
Moderada
0
Vehículos
parqueados
Se permite
0.5
No se permite
0
Iluminación
Alta
1
ambiental
Moderada
0
Baja
-1
Guías visuales
Pobre
0.5
Moderado o bueno
0
La disposición de los postes de alumbrado público
debe basarse en criterios específicos. Para determinar la
clase de iluminación más adecuada, se utiliza la fórmula
(2) indicada en la Tabla 2, considerando factores como la
velocidad del tráfico, el volumen de vehículos y otros
parámetros. Esto garantiza que la iluminación sea óptima
y se adapte a las necesidades específicas de las vías
[17][15]
2.4.1. Parámetros Fotométricos
Para definir la disposición de las luminarias y la
distancia entre los postes en el alumbrado público de
acuerdo con el proyecto, se emplea la fórmula (3). Esta
fórmula toma en cuenta varios factores esenciales, como
el ancho de la vía, el flujo luminoso de las lámparas, el
factor de utilización y la iluminancia media deseada. La
iluminancia media (Em) es crítica para garantizar una
iluminación uniforme y segura [18][19].
(3)
Donde:
Em: Iluminancia media
k: Factor de utilización
fm: Factor de utilización
W: Ancho de la vía
Flujo luminoso
d: Distancia entre postes
Figura 5: Parámetros para el cálculo del factor de utilización [20]
(4)
El factor de utilización (K) se determina mediante la
fórmula (4) y se basa en factores que incluyen la
distribución de la luz de las luminarias y las
características del entorno. Asegura que la luz emitida
por las lámparas LED se utilice eficazmente en el área
específica que se ilumina [16].
50
Villarreal et al. / Diseño de un sistema fotovoltaico para iluminación y carga de vehículos eléctricos
(4)
Donde:
N: Cantidad de luminarias
L: Largo de la vía
H: Altura de la luminaria con respecto a la calzada
R: Relación separación entre luminarias y altura (H/d).
D: RxH separación entre puntos de L [20].
La cantidad de postes o luminarias a lo largo una vía
se determina mediante la aplicación de la fórmula (5).
Esta ecuación considera la longitud de la vía y la relación
entre la separación de las luminarias y su altura sobre el
nivel de la calzada. Esto garantiza que la vía esté
adecuadamente iluminada sin exceso ni falta de
luminarias [20] [21].
(5)
Donde:
N: Cantidad de luminarias
L: Largo de la vía
H: Altura de la luminaria con respecto a la calzada
R: Relación separación entre luminarias y altura (H/d).
D: RxH separación entre puntos de L [20].
La diseño del alumbrado público en este proyecto se
realiza utilizando varios métodos, como la disposición
unilateral, bilateral alternada, bilateral opuesta y central
doble, dependiendo del ancho y las características de la
vía. También se considera el nivel de suciedad en las
carreteras para calcular el factor de mantenimiento (fm)
[23]. Además, se determina la iluminancia media
necesaria de acuerdo con la velocidad de circulación de
los vehículos en diferentes tipos de vías. Esta
información se utiliza para establecer una base técnica
sólida para la distribución de luminarias en el proyecto
de alumbrado público [22].
3. DESARROLLO Y APLICACIONES
MULTIPROPÓSITO
3.1. Las estaciones de carga
La infraestructura de movilidad sostenible con energía
renovable incluye estaciones de carga eléctrica que son
el equivalente a las gasolineras para vehículos eléctricos
y son fundamentales para promover la adopción de esta
tecnología y se clasifican en tres tipos estaciones de
carga:
- Carga Lenta: ideales para hogares o entornos de trabajo.
Tienen un bajo consumo eléctrico (alrededor de 3.7 kW)
y son convenientes para vehículos que permanecen
estacionados durante largos períodos. La carga completa
tarda alrededor de 8 horas [24].
- Carga Semi-rápida: estas estaciones de carga operan a
una potencia de aproximadamente 7.3 kW, lo que permite
cargar vehículos más rápido que la carga lenta. Aún son
adecuadas para uso residencial o en el trabajo y pueden
cargar un vehículo por completo en unas 4 horas [25].
- Carga Rápida: estaciones de carga son esenciales en
ubicaciones estratégicas como estaciones de servicio o
áreas de alto tráfico. Tienen un alto consumo de energía
(entre 50 kW y 62.5 kW) y permiten cargar el 80% de la
batería en solo 30 minutos o el 50% en 15 minutos. Son
ideales para viajes largos o cuando se necesita cargar de
manera rápida [26].
La clave para la carga rápida es el uso de un
conversor que transforma la corriente alterna en corriente
continua, garantizando una transferencia eficiente de
energía a las baterías de los vehículos eléctricos. En
general, la expansión de la red de estaciones de carga
desempeña un papel fundamental en la promoción de la
movilidad eléctrica y la reducción de la dependencia de
los combustibles fósiles en el transporte [27].
3.2. Evaluación de Recurso Solar por el Método de
Glover & McCulloch
La evaluación del recurso energético utilizando el
método de Glover & McCulloch es esencial para el
diseño de sistemas solares fotovoltaicos eficientes. La
radiación global, que se obtiene a partir de la base de
datos de la NASA, es un factor crítico para calcular la
generación de energía de los paneles solares. La tabla 3
proporciona datos de radiación global en kWh/m2
durante un año a lo largo de cada vía, lo que resulta
fundamental en la planificación de estos sistemas.
Tabla 3: Radiación Global de las diferentes localidades de
estudio[24]
Meses
E45
(kWh/m2)
E487
(kWh/m2)
E28
(kWh/m2)
Enero
4.17
4.33
3.91
Febrero
3.97
4.21
3.87
Marzo
4.17
4.58
4.29
Abril
4.06
4.40
4.12
Mayo
4.01
4.21
3.87
Junio
3.98
4.18
3.75
Julio
3.90
4.29
3.97
Agosto
4.20
4.60
4.01
Septiembre
4.41
4.59
3.83
Octubre
4.56
4.55
3.81
Noviembre
4.77
4.65
3.7
Diciembre
4.41
4.38
3.63
La evaluación del recurso energético es un proceso
mensual que se basa en los valores proporcionados en las
tablas 4 y 5, específicamente diseñados para el método de
Glover & McCulloch. Estas tablas contienen datos
esenciales que se utilizan en el proceso de evaluación.
Tabla 4: Tabla de valores para el método de Glover &
McCulloch[24]
Delta
Ws
HRADIAN
Ho
N
-22.930
90.811
1.5849
35.386
12.10
-17.245
90.595
1.5811
36.479
12.07
-7.9149
90.266
1.5754
37.494
12.03
4.4139
89.851
1.5682
37.315
11.98
51
Edición No. 20, Issue II, Enero2024
15.210
89.478
1.5616
35.746
11.93
22.174
89.217
1.5571
34.059
11.89
23.049
89.183
1.5565
33.811
11.89
17.650
89.389
1.5601
35.214
11.91
7.3423
89.752
1.5664
37.018
11.96
-4.611
90.154
1.5734
37.616
12.02
-15.363
90.527
1.5800
36.762
12.07
-22.23
90.7
1.5844
35.538
12.14
Tabla 5: Valores para el método de Glover y McCulloch[24]
n
Irradiación Global
(kWh/m2)
H/Ho
n/N
4.57674
4.33
0.1223
0.3779876
5.31333
4.21
0.1154
0.4398658
4.08133
4.58
0.12219
0.3391057
3.77366
4.4
0.11796
0.3149907
4.583
4.21
0.11777
0.3841440
4.641
4.18
0.12272
0.3901410
4.726
4.29
0.12687
0.3974398
6.075
4.6
0.13062
0.5097086
5.8356
4.59
0.12399
0.4876455
4.35233
4.55
0.12095
0.3620715
4.6713
4.65
0.12648
0.3870100
5.50333
4.38
0.12324
0.4550596
En la Fig. 6 se muestra los valores de la regresión lineal
para obtener los valores a y b.
Figura 6: Regresión Lineal[24]
La gráfica presenta el resultado de una regresión
lineal aplicada a los datos en el eje X, que corresponden
a las horas de sol divididas por el fotoperiodo, mientras
que en el eje Y se muestran las cifras de radiación global
dividida por la radiación solar extraterrestre. A través de
este proceso de regresión lineal, se obtienen los valores
de 'a' y 'b', los cuales son claves para el cálculo de la
irradiación mediante el método Glover & McCulloch,
como se detalla en la tabla 10.
Tabla 6: Valores de irradiación por el método de Glover &
McCulloch[24]
Meses
a
b
Glover & McCulloch
(KWh/m2)
Enero
0.0336
0.109
4.30441489
Febrero
0.0336
0.109
4.51319667
Marzo
0.0336
0.109
4.51176309
Abril
0.0336
0.109
4.46004918
Mayo
0.0336
0.109
4.3555989
Junio
0.0336
0.109
4.15691534
Julio
0.0336
0.109
4.13492711
Agosto
0.0336
0.109
4.43931525
Septiembre
0.0336
0.109
4.63933282
Octubre
0.0336
0.109
4.55552896
Noviembre
0.0336
0.109
4.48296791
Diciembre
0.0336
0.109
4.41490018
En la Tabla, se presentan los coeficientes de
regresión 'a' y 'b' correspondientes a cada mes a lo largo
de la vía E435, los cuales se calculan a partir de los
valores de irradiación obtenidos mediante el método de
Glover & McCulloch. Estos valores se utilizan para
elaborar una gráfica de comparación entre los datos
provenientes de la base de datos de la NASA y los datos
generados por el método propuesto por Glover &
McCulloch, tal como se ilustra en la Fig. 14.
Figura 7: Método de Glover & McCulloch vs Datos de la Nasa[24]
En la Fig. 7 se muestra la irradiación por cada mes la
misma que está dada en kWh/m2.dia.
Figura 8: Modelo de G & M vs Datos de la NASA vs datos
PVSYST[24]
La Fig. 8 ilustra una comparación entre la irradiación
proporcionada por las bases de datos de la NASA,
PVSYST y el método de Glover & McCulloch. Se puede
observar que la base de datos de PVSYST muestra una
52
Villarreal et al. / Diseño de un sistema fotovoltaico para iluminación y carga de vehículos eléctricos
irradiación especialmente favorable para el sector
considerado como caso de estudio. Esto se debe a que
PVSYST es un programa ampliamente utilizado con
fines comerciales y ofrece datos que respaldan la
idoneidad de la instalación de un sistema fotovoltaico en
esa área, por esta razón los resultados de irradiación no
son los mas adecuados.
3.3. Calculo distancia entre luminarias
La correcta disposición de las luminarias en el
contexto de los postes de alumbrado público, son
elementos fundamentales en el sistema. Estos postes de
500Kgf albergarán componentes esenciales como
paneles solares, reguladores de carga, inversores, baterías
y las propias luminarias, tal como se ilustra en la Fig. 9.
Figura 9: Poste de alumbrado público [18]
Cada poste tiene una altura de 12 metros y la
capacidad de alojar dos paneles de 400 W. Además,
cuenta con una unidad de almacenamiento que incluye un
inversor, un regulador de carga y baterías. La luminaria
se posiciona a una distancia de 1.5 metros desde el poste.
Figura 10: Disposición de luminarias en la vía E487
georreferenciada
Para determinar la separación óptima entre las
luminarias, tomamos como caso de estudio la vía E487.
En este escenario, aplicamos un factor de mantenimiento
de 0.65, que corresponde a condiciones de luminaria
abierta en un entorno con niveles de suciedad
considerables debido al alto tráfico vehicular en la vía. A
continuación, procedemos al cálculo de los parámetros
relacionados con el factor de utilización.
Se obtiene un valor de 39 m la cual es la separación
entre postes, a continuación, con el valor obtenido se
calcula la iluminación media en el momento en el que se
pone en marcha la instalación.
Para el cálculo del número de postes a lo largo de la vía
se realiza lo siguiente.
Se realiza el cálculo para el número de postes que serán
instalados en la vía por cada km [18].
Dentro del software DiaLux, se introducen los
parámetros de distancia y el tipo de pavimento con el
propósito de verificar si los resultados que se generan son
adecuados para el tipo específico de vía en consideración.
Figura 11: Iluminación de la carretera en el software DiaLux
La Tabla 7 presenta una comparativa entre los
parámetros fotométricos de iluminación obtenidos
mediante el software DiaLux y los valores nominales
correspondientes al tipo de vía, que es M2 en el caso de
la vía E487. En esta comparación, garantiza que todos los
53
Edición No. 20, Issue II, Enero2024
valores generados por el software superen los valores
nominales, a excepción del Incremento Umbral, que debe
ser menor para cumplir con las regulaciones específicas
del tipo de vía en cuestión.
Tabla 7: Parámetros fotométricos obtenidos del software DiaLux
Párametros
DiaLux
Nominal
Lm
1.68 cd/m2
>1.50 cd/m2
Uo
0.5
>0.4
Ui
0.76
>0.7
Tl
9%
<10%
R
0.62
>0.35
El panel solar posee especificaciones técnicas detalladas
que se presentan en la Tabla 8. Estas especificaciones permiten
determinar la cantidad de paneles necesarios en el sistema. Las
especificaciones técnicas del panel solar diseñado para las
estaciones de carga.
Tabla 8: Especificaciones técnicas del panel solar para estaciones
de carga[13]
Panel monocristalino de 400 W
Potencia
405
Wp
Vmax
176.87
V
Vnom
150
V
Imax
2.287
A
Voc
216.8
V
Isc
2.520
A
Eficiencia
17.86
%
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Después de realizar los cálculos necesarios, se
efectúa la simulación utilizando el software Etap. En esta
etapa inicial, se lleva a cabo la configuración de baterías,
reguladores de carga e inversores específicos para cada
poste, como se ilustra en la Fig. 13.
La Fig. 12 presenta la disposición diseñada para cada
poste, con un enfoque en la iluminación y las
comunicaciones. Un convertidor dc/dc se emplea para
abordar la necesidad de adaptar el voltaje elevado del
panel a los 48V requeridos para el inversor.
Cada panel en la figura representa un poste, y en el
interior de cada panel se encuentra una configuración de
2 paneles en paralelo y 1 en serie. Estas configuraciones
se conectan a un bus, tal como se ilustra en la Fig. 13.
Figura 12: Arreglo por cada poste
Figura 13: Arreglo por cada 10 postes
54
Villarreal et al. / Diseño de un sistema fotovoltaico para iluminación y carga de vehículos eléctricos
La Fig. 12 exhibe un conjunto de 10 postes, cada uno con
su propio sistema destinado a las comunicaciones y la
iluminación.
Cualquier energía sobrante se redirige hacia las
estaciones de carga, y el bus, visible en la misma figura,
se encarga de recopilar esta energía excedente. Es
importante tener en cuenta que, debido a las distancias
involucradas, se producen caídas de voltaje. La Tabla 14
proporciona información detallada sobre la cantidad de
energía que contribuye cada poste al bus y muestra las
caídas de voltaje en este arreglo de 10 postes.
Tabla 9: Caídas de voltaje del arreglo de 10 postes
Distancia
(m)
Voltaje
(V)
Caída de
voltaje(V)
Voltaje
total(V)
39
160.8
1.93
158.90
78
160.8
3.87
156.96
117
160.8
5.80
155.03
156
160.8
7.74
153.09
195
160.8
9.67
151.16
234
160.8
11.61
149.22
273
160.8
13.54
147.29
312
160.8
15.47
145.36
351
160.8
17.41
143.42
390
160.8
19.34
141.49
La Tabla 9 presenta datos sobre las pérdidas de
voltaje en los conductores, que varían según las
distancias entre los postes. Los valores están expresados
en voltios. El voltaje nominal es el voltaje que proviene
del panel solar y, a medida que pasa a través de los
conductores, experimenta una pérdida de voltaje
acumulativa. Notablemente, la pérdida de voltaje en el
último poste es de 19.34 V. Por lo tanto, se decide realizar
una nueva configuración de conexiones. En lugar de la
configuración original, que era en paralelo, se conectan
los 10 postes en serie, lo que aumenta el voltaje total. Esta
nueva configuración es necesaria debido a las mayores
distancias involucradas y permite alcanzar las estaciones
de carga.
Figura 14: Sistema fotovoltaico multipropósito
La Fig. 14 ilustra el sistema total diseñado para cubrir la
mitad de la vía E485, y este sistema se replica para
abarcar la totalidad de la vía.
4.1. Resumen Final
El sistema multipropósito que se extiende a lo largo
de la carretera para alimentar dos estaciones de carga se
desplegará en un área de paneles solar de 13,160 m2,
equivalente a aproximadamente una hectárea y media de
terreno, esto debido a la autonomía de los vehículos
eléctricos. A continuación, se proporciona la Tabla 10,
que detalla las especificaciones técnicas del sistema de
energía solar aislado.
Tabla 10: Características del sistema aislado fotovoltaico [2]
Descripción
Valor
Unidades
Potencia Nominal
666225
W
Potencia instalada
158295.875
W
Área de paneles
13160
m2
Energía producida diaria
1608822.96
Wh
Energía producida anual
587220380
Wh
Módulos instalados
1645
u
Figura 15: Flujograma del proceso para diseño del sistema
multipropósito
Debido a las pérdidas de potencia en los
conductores, es necesario aumentar el número de paneles
para satisfacer la demanda. Las pérdidas de potencia no
permiten alcanzar la potencia necesaria con la cantidad
inicial de paneles, por lo que se requiere una mayor
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Edición No. 20, Issue II, Enero2024
cantidad para cumplir con la demanda de manera
efectiva.
Es importante destacar que el sistema se replica en
la otra mitad de la vía para abastecer dos estaciones de
carga a lo largo de la carretera. Cada conjunto de postes
incorpora un convertidor dc/dc debido al alto voltaje de
los paneles, lo que hace esencial el uso de convertidores
para adecuar el voltaje a las necesidades del sistema.
5. CONCLUSIONES
La implementación de sistemas fotovoltaicos en
infraestructuras viales, como estaciones de carga y
alumbrado público, es una estrategia eficaz para
promover la movilidad sostenible y reducir la
dependencia de los combustibles fósiles. Estos sistemas
aprovechan la energía solar para alimentar tanto la
iluminación como la carga de vehículos eléctricos, lo que
contribuye significativamente a la reducción de
emisiones de carbono y la optimización de la eficiencia
energética.
La planificación y el diseño de estos sistemas son
fundamentales para garantizar su eficacia.
Consideraciones como la ubicación de los postes, la
selección de la clase de iluminación y los cálculos
técnicos de distancias y pérdidas de energía son
esenciales para lograr un funcionamiento óptimo y
rentable de las infraestructuras viales que incorporan
energía solar.
La implementación de sistemas fotovoltaicos a lo
largo de carreteras ofrece una solución eficiente a la
inserción a futuro de vehículos eléctricos en el país,
evitando cargas en el sistema nacional interconectado y
brindando mayor confiabilidad al uso de vehículos
eléctricos. Al utilizar estos sistemas, se puede aprovechar
el espacio sin necesidad de ocupar terrenos adicionales,
lo que representa una ventaja significativa. A pesar de las
pérdidas por distancias y las condiciones de irradiación,
estos sistemas contribuyen a una mejor utilización de
áreas existentes, lo que es fundamental para la generación
sostenible de energía.
La eficiencia de los sistemas fotovoltaicos se
beneficia enormemente del uso de concentradores solares
fotovoltaicos en comparación con los paneles
convencionales. Mientras que los paneles tradicionales
tienen una eficiencia típica del 17%, los concentradores
solares logran una eficiencia del 170%, es decir,
alrededor de diez veces mayor. Esta mejora en la
eficiencia representa un avance significativo en la
generación de energía solar, lo que contribuye a un
rendimiento óptimo y sostenible de los sistemas
fotovoltaicos en diversas aplicaciones.
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Biografías
Jonathan Gabriel Villarreal
Berrones.- (Y’1997 – M’07).
Realizo sus estudios en el colegio
“Central Técnico” se graduó de
bachiller técnico en la especialidad
de Electricidad. Egresado de la
carrera de Electricidad de la
Universidad Politécnica Salesiana,
su trabajo se basa en la propuesta de un despliegue
óptimo de un sistema aislado de alta eficiencia y su
evaluación en aplicaciones multipropósito para carga de
vehículos eléctricos e iluminación en zonas rurales.
Cristian Cristobal Cuji Cuji.-
(Y’1983 – M’03). Se graduó de
Ingeniero Electrónico de la
Universidad Politécnica Salesiana,
Ecuador en 2014 y Máster en
Energía, Facultad de Ciencias
Físicas en la Universidad
Complutense de Madrid – España
2015. Actualmente es profesor e
investigador en la Universidad Politécnica Salesiana –
Quito Ecuador.
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