Instalación y optimización de un sistema de placas solares fotovoltaicas en una estación de carga de vehículos eléctricos

Abstract

En 2017, se estima que España fue responsable de la emisión de 340,2 millones de CO2-eq de gases de efecto invernadero. Además, el sector del transporte junto con el sector de generación eléctrica fueron los causantes de un 46% del total de las emisiones. Es por esto que conseguir que los vehículos eléctricos se muevan con energía lo más limpia posible es un reto que claramente contribuiría enormemente a la reducción de emisiones en el sector transporte, dejando atrás los combustibles fósiles, y en el sector de generación de energía, consiguiendo generar una electricidad cada vez con menos aporte de emisiones. Este proyecto tratará de enfrentarse a este problema mediante el diseño y optimización de una estación de carga de vehículos eléctricos con apoyo de un sistema de placas solares fotovoltaicas que permita la generación de gran parte de la electricidad necesaria para abastecer la demanda eléctrica de la “fotolinera”. Se llamará “fotolinera” durante este documento a la estación de carga de vehículos eléctricos que funciona con el apoyo de paneles solares fotovoltaicos. Tras un repaso a la importancia y la situación actual de la tecnología solar fotovoltaica en España, se procede a definir los tipos de vehículos eléctricos junto con sus modos de recarga, tipos de conectores y tipos de recarga, que permitirán definir más adelante el tipo de instalación más adecuada a diseñar. Teniendo en cuenta que el sol es un recurso natural pero limitado, la estación contará con un sistema de placas solares fotovoltaicas, pero contará también con conexión a la red eléctrica, que permitirá suministrar electricidad cuando las placas solares no sean capaces de hacerlo, y que además servirá para verter electricidad a la red cuando la generación de las placas sea superior a la demanda, aprovechando así la energía limpia generada. Este proyecto tiene como objetivo diseñar y optimizar la estación de acuerdo a diferentes factores tales como: localización y sus factores climáticos correspondientes, orientación e inclinación del emplazamiento, demanda de la instalación, número de placas óptimo, comparación entre el desempeño de diferentes tipos de placas, coste de la instalación y otros muchos más que se desarrollan durante el documento y que sirven para definir las características de la instalación. El procedimiento seguido durante el proyecto ha sido el siguiente: 1. Elección de emplazamiento: Sevilla (aparcamiento del estadio del Real Betis Balompié), orientación: sur e inclinación: 30º. 2. Definición del número de puntos de recarga, tipo de recarga, modo de recarga y tipo de conector para la estación a diseñar. 3. Estimación de la demanda de manera que será necesaria cubrir cada 15 minutos con la producción eléctrica obtenida de la instalación solar fotovoltaica junto con el apoyo de la red eléctrica. 4. Análisis del ahorro y la amortización a 5, 10 y 25 años para elegir el modelo de placa a utilizar. 5. Definición del número de placas en serie y en paralelo necesarias para cubrir la demanda anual, de acuerdo a un documento de Excel que permitirá a partir de los datos de entrada del tipo de placa e inversor, calcular la producción útil para las distintas combinaciones de los paneles. 6. Utilización de un código de Matlab que permitirá, de acuerdo a diferentes inputs que se definirán a continuación, calcular la producción cada 15 minutos y obtener gráficos que comparen escenarios de orientación e inclinación del emplazamiento elegido. Los inputs definidos para el código son: a. Perfil de temperaturas máxima, mínima y media en Sevilla. b. Tipo de placa e inversor y sus características respectivas. c. Zona horaria, latitud, longitud, orientación e inclinación del emplazamiento de la instalación. d. Tarifas eléctricas que permitan calcular costes y escenarios de ahorro en diferentes periodos de tiempo. 7. Normativa de CTE, RITE e IDAE: en este apartado se desarrollará la normartiva que respalda la implantación de la instalación diseñada. 8. Definición de los componentes de la instalación: a. Paneles solares. b. Baterías y regulador. c. Inversor. d. Sistema de refrigeración. e. Puntos de recarga. f. Cableado. g. Protecciones. h. Puesta a tierra. 9. Estudio de la viabilidad económica y la rentabilidad del proyecto, así como análisis del impacto ambiental evitado a través de la iniciativa del proyecto. Finalmente, se presentarán unas conclusiones que permitan analizar el trabajo realizado, así como posibles puntos de interés que surjan para análisis futuros.

In 2017, it is estimated that Spain was responsible for the emission of 340.2 million CO2-eq of greenhouse gases into the atmosphere. In addition to this, the transportation sector together with the electricity generation sector were responsible for 46% of the total emissions. This is why, encouraging people to use the electric vehicle and contributing to add ways to charge these vehicles with the cleanest energy possible should be consider as an alternative. In fact, this would contribute to both, reduce the greenhouse effect gasses emissions through the transportation sector by leaving fossil fuels behind, and through the power generation sector, generating electricity with the cleanest sources available. This project will try to face this problem through the design and optimization of a charging station for electric vehicles with the support of a photovoltaic solar panel system that will allow the generation of most of the electricity needed to supply the electricity demand of the station. After reviewing the importance and the current situation of photovoltaic solar technology in Spain, we will proceed to define the types of electric vehicles along with their charging modes, types of connectors and types of recharging methods, which will help defining the most appropriate design for the installation. Taking into account that the sun is a natural and limited resource, the station will have a main system composed of a series of photovoltaic solar panels, but it will also have a connection to the electricity grid. This connection will be automatically connected when the solar panels are not able to cover the demand and will serve to pour electricity into the grid when the generation of the plates exceeds demand, thus taking advantage of the clean energy generated. This project aims to design and optimize the station according to different parameters such as: location and its corresponding climatic factors, location, orientation and inclination, installation demand, number of flexible plates, comparison between the performance of different types of plates , cost of the installation and many others that are analyzed through the report and that serve to define the characteristics of the installation. The procedure followed during the document is the following: 1. Choice of location: Seville (parking lot of the Real Betis Balompié stadium), orientation: south and inclination: 30º. 2. Definition of the number of recharging points, recharge type, recharge mode and type of connector for the station to be designed. 3. Estimation of the demand that will need to be covered defined every 15 minutes in order to be compared with the electrical production obtained from the photovoltaic solar installation together with the support of the electricity grid. 4. Analysis of savings and amortization at 5, 10 and 25 years to choose the plate model to use. 5. Definition of the number of plates in series and in parallel necessary to cover the annual demand. This will be calculated through an Excel document that obtains the useful production for the different combinations of the panels agreement of an Excel document that is required from the input data of the type of plate and inverter, calculate. 6. Use of a Matlab code that allows, according to different entries to be defined below, calculate the production every 15 minutes and obtain graphs that compare orientation and inclination scenarios of the chosen site. The inputs selected for the code are: a. Profile of maximum, minimum and average temperatures in Seville. b. Type of plate and inverter and their respective characteristics. c. Time zone, latitude, longitude, orientation and inclination of the installation site. d. Electric rates that vary according to time and production and that will be the base to calculate costs and savings scenarios in different periods of time. 7. CTE, RITE and IDAE regulations: this section will go through the regulations and laws behind the implementation of the design. 8. Definition of the installation components: a. Solar panels. b. Batteries and regulator. c. Investor d. Cooling system. e. Recharging points f. Wiring g. Protections h. Grounding 9. Study of the economic viability and profitability of the project, as well as analysis of the environmental impact avoided through the project initiative. Finally, conclusions will be presented that will modify the work done, as well as possible points of interest that arise for future analysis.