Universidad Nacional de Chimborazo
NOVASINERGIA, 2020, Vol. 3, No. 2, junio-noviembre (40-46)
ISSN: 2631-2654
https://doi.org/10.37135/ns.01.06.03
Artículo de Investigación
http://novasinergia.unach.edu.ec
Incremento de la autonomía de un vehículo eléctrico Dayang
CHOK-S mediante paneles solares
Increasing the autonomy of a Dayang CHOK-S electric vehicle through
solar panels
Luis Reinoso
*
, Juan Ortega
Jefatura de Posgrados, Universidad Católica de Cuenca, Cuenca, Ecuador, 010101;
jcortegac@ucacue.edu.ec
* Correspondencia: luisreinoso93@hotmail.com
Recibido 28 agosto 2020; Aceptado 05 noviembre 2020; Publicado 01 diciembre 2020
Resumen:
La limitada autonomía de los vehículos eléctricos representa uno de los
principales problemas para su comercialización. Por esta razón es importante
incrementar su autonomía, generando de esta manera una alternativa de solución
a estos inconvenientes. Es necesario entonces, promover la utilización de este
tipo de automóviles, dado que su uso disminuye notablemente el grado de
dependencia del petróleo, promoviendo así el uso de las energías renovables. La
implementación de paneles solares en los automóviles eléctricos es una respuesta
al incremento de su autonomía, ya que permite aprovechar una fuente inagotable
de energía (solar), permitiendo de esta forma reducir la contaminación
ambiental, haciendo que el vehículo eléctrico se vuelva más atractivo para los
usuarios. Este artículo detalla la implementación de un panel solar de 350 W en
un vehículo eléctrico Dayang CHOK-S bajo diferentes condiciones
meteorológicas, obteniendo como resultado el incremento de su autonomía en
hasta un 33 % con respecto a su autonomía real. Además, se encontró que este
porcentaje podría incrementar bajo condiciones de radiación solar bastante altas.
Los resultados demuestran que la carga de las baterías es directamente
proporcional a la cantidad de radiación solar; es decir, a mayor radiación solar,
mayor va a ser la carga de las baterías del automóvil.
Palabras clave:
Autonomía, elevador de voltaje, radiación solar, sistemas fotovoltaicos, vehículo
eléctrico.
Abstract:
The limited autonomy of electric vehicles represents one of the main problems
for their commercialization. For this reason, it is essential to increase their
autonomy, generating an alternative solution to overcome these obstacles. It is
necessary then to promote this type of vehicle, due to its use decrease the oil
dependence degree and promote renewable energy use. Implementing solar
panels in electric cars responds to the increase in their autonomy since it allows
them to take advantage of an inexhaustible source of energy (solar), thus
reducing environmental pollution, making the electric vehicle more attractive to
users. This paper shows the implementation of one solar panel of 350W into the
electric vehicle Dayang CHOK-S under different meteorological conditions. By
doing so, the autonomy increases by 33% compared with their real autonomy.
Also, it was found that this percentage could increase under relatively high solar
radiation conditions. The results show that the battery load is directly
proportional to the solar radiation, i.e., the higher the solar radiation higher the
vehicle's battery load.
Keywords:
Autonomy, booster, electric vehicle, photovoltaic systems, solar radiation.
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1 Introducción
En la actualidad, la industria automotriz ha cambiado
su perspectiva hacia la eficiencia energética y el uso
de fuentes de energía renovable (Schottle & Threin,
2000). Esto se debe a la problemática de
contaminación por el uso de combustibles fósiles y el
agotamiento de las reservas de este a nivel mundial.
La utilización de vehículos eléctricos disminuye el
grado de dependencia del petróleo, razón por la cual
la industria automotriz en los últimos años ha
enfocado su producción hacia automóviles que
funcionen a base de combustibles alternativos.
(Mateo, 2010)
Los vehículos de combustión interna son la principal
fuente de contaminantes en la atmósfera de las
ciudades, ya que emiten más de 1.000 sustancias
nocivas (Castaño, 2016). El CO2 producido por
fuentes térmicas para recargar la batería de los
vehículos eléctricos es apenas la tercera parte del
CO2 que produce un motor de combustión interna.
(Roás, 2011)
La falta de estaciones de recarga de baterías
denominadas Fotolineras o Electrolineras, hace que el
vehículo eléctrico sea poco atractivo para los
consumidores, por lo que es indispensable
incrementar su autonomía y así disminuir la
frecuencia de las recargas de batería. (Torres, 2015)
Debido a los inconvenientes que fueron expuestos
con anterioridad y que respectan a los vehículos
eléctricos, es importante buscar y seleccionar fuentes
de energía alternativa para transformarla y
almacenarla en condición de energía eléctrica, para
que de esta forma pueda ser utilizada posteriormente
de manera óptima y cuando así lo requiera el usuario.
El sol es una fuente de energía renovable abundante y
bastante aprovechable dentro de nuestro ecosistema.
Esta es energía electromagnética que, a través de la
utilización de paneles solares o celdas fotovoltaicas
es posible transformarla en energía eléctrica
(Fernández, 2010). La energía solar puede ser
utilizada para diferentes fines, entre uno de ellos está
la posibilidad de cargar las baterías de los vehículos
eléctricos, lo que a su vez permite el incremento en la
autonomía de estos. Al realizar este proceso se busca
dar solución a uno de los inconvenientes más grandes
por los que atraviesan los vehículos eléctricos, que es
la frecuencia con la que el usuario debe recargar las
baterías de su automóvil. Debido a ciclos de recarga
muy cortos, en algunos de los casos el tiempo de
carga de las baterías cuando el vehículo está
conectado a la red eléctrica puede llegar a tardar hasta
24 horas (Duque & Rocano, 2018). Por esta razón la
Universidad Católica de Cuenca cree importante
aumentar la autonomía del vehículo Dayang CHOK-
S, mediante la utilización de paneles solares, ya que
este vehículo cuenta con una autonomía limitada (140
km), según sus especificaciones técnicas. Así, nuestro
estudio está orientado a prolongar la autonomía del
vehículo Dayang CHOK-S mediante el uso de
paneles solares.
2 Metodología
El proceso metodológico utilizado está enfocado
primeramente en definir cuál es la autonomía real del
vehículo en estudio dentro de un circuito
predeterminado, y cuál es la tensión promedio que el
panel solar entrega bajo las condiciones de radiación
solar que existen en la ciudad de Azogues - Ecuador.
A continuación, se debe determinar el módulo
electrónico o elevador de voltaje que va a permitir al
panel solar entregar la tensión que se requiere para
comenzar a cargar las baterías del vehículo eléctrico.
Posterior a esto y habiendo definido los pasos
necesarios para alimentar el sistema fotovoltaico, se
procede a realizar las conexiones eléctricas dentro del
vehículo para dar origen a la toma de datos que
corresponden a la determinación de su autonomía.
Para esta recopilación de información se ha
establecido un lapso de cuatro días por cada prueba
realizada, en donde se procura aprovechar la energía
del sol cuando el vehículo no está siendo utilizado.
Finalmente, la información obtenida es procesada y
categorizada en una base de datos, la cual a través de
la aplicación de métodos estadísticos permite conocer
cuál es el porcentaje en el que se incrementó la
autonomía del vehículo eléctrico Dayang CHOK-S.
En la figura 1, se expone el proceso metodológico
utilizado para el desarrollo del proyecto.
2.1 Autonomía del vehículo eléctrico
La autonomía es la capacidad que tiene un vehículo
para movilizarse en un determinado espacio y recorrer
una distancia sin tener que recargarse nuevamente.
Existen diferentes ciclos de homologación en el
mundo que sirven para determinar la autonomía de un
vehículo eléctrico y van a depender de las condiciones
en las que su consumo energético fue medido.
La autonomía del vehículo eléctrico es información
que el fabricante entrega dentro de las
especificaciones técnicas del vehículo y su ciclo de
homologación va a depender de su país de
comercialización (Solano & Cabrera, 2018).
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Para determinar la autonomía real del vehículo
eléctrico utilizado en este proyecto, se realiza la
adquisición de data en función de la carga y descarga
de las baterías. Para ello, se realizaron diferentes
pruebas, con el automóvil en su estado natural y luego
con la adaptación del panel solar, obteniendo los
resultados que permitieron verificar o no su
incremento.
Figura 1: Diagrama metodológico.
2.2 Radiación solar
La energía que consume la población de la Tierra es
10000 veces menor a la energía solar que impacta la
superficie terrestre. Esta energía es el pilar
fundamental de nuestro hábitat, de ahí que es muy
importante optimizar su uso.
La radiación se transfiere desde la fuente en todas las
direcciones hacia afuera, a través de ondas
electromagnéticas. Las ondas no necesitan un medio
material de transporte, ya que pueden atravesar el
universo hasta llegar a la Tierra en tan solo segundos
(Grupo NAP, 2002).
La radiación solar es la energía liberada por el Sol
hacia el exterior. Esta radiación es de 63450720 W/m².
Pero a la atmósfera de la Tierra llega apenas una
tercera parte de esa energía y el 70% impacta sobre el
mar. No obstante, el consumo energético mundial es
miles de veces menor a esa energía. La radiación solar
se divide en tres tipos: directa, difusa y de albedo o
reflejada. La directa, es receptada en la superficie sin
desviarse en la atmósfera, la difusa, es la que cambia
su dirección debido a la reflexión y difusión en la
atmósfera, y la de albedo, es la radiación directa y
difusa que se recepta luego de haberse reflejado en el
suelo o alguna superficie, como se muestra en la figura
2 (Méndez & Cuervo, 2011).
Figura 2: Esquema de la radiación solar.
2.3 Panel solar
El panel solar o módulo fotovoltaico es un dispositivo
que está formado por un conjunto de células solares
(que es donde se produce la conversión de energía
solar en energía eléctrica). Estas células están
asociadas eléctricamente para proporcionar los
valores de corriente y voltaje necesarios para una
aplicación determinada. Además están
convenientemente encapsuladas para proporcionar
aislamiento y proteger a las células de la humedad y la
corrosión (García & Arribas, 1999). En la figura 3 se
observa un panel solar monocristalino de 350 W.
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Figura 3: Panel solar.
2.4 Vehículo Eléctrico (VE)
Dayang (Guangzhou Dayang China) es una empresa
de procedencia China dedicada al desarrollo y
producción de vehículos eléctricos. Dentro de la
fabricación de vehículos se encuentra el modelo
CHOK-S, que es el cuadriciclo eléctrico para cuatro
ocupantes, un VE compacto, pero amplio en su
interior y que dadas sus prestaciones está diseñado
100% para la ciudad, como se observa en la figura 4.
Figura 4: Vehículo eléctrico Dayang CHOK-S
Este automóvil utiliza un motor eléctrico de 4.5kW y
una batería modelo 6EVF150, capacidad 150AH
(3hr). La batería se observa en la figura 5.
Figura 5: Batería de plomo ácido 6EVF 150.
2.5 Elevador de voltaje
En la figura 6 se presenta un dispositivo elevador de
voltaje, que tiene por objeto elevar el voltaje de
entrada para satisfacer las necesidades del usuario. El
voltaje que entregue este dispositivo electrónico va a
depender de su capacidad resistiva.
2.6 Esquema de conexión del sistema
fotovoltaico
En la figura 7 se puede observar la conexión del
sistema fotovoltaico que es utilizado en el VE Dayang
CHOK-S. Para realizar este proceso es necesario
cumplir con los siguientes requerimientos: Primero, se
selecciona el panel solar a ser utilizado, que para este
caso es un módulo con una potencia máxima de 350
W y un voltaje de salida máximo de 39,9 V. Segundo,
se procede a seleccionar los cables que son el medio
de transporte de la energía eléctrica y por lo tanto
deben tener una muy baja resistencia para reducir las
pérdidas de energía, ya que esta es la tensión máxima
que utiliza el sistema (voltaje de las baterías
conectadas en serie). Tercero, ya que la tensión
máxima que otorga el panel solar en la ciudad de
Azogues, a consecuencia de la radiación solar de este
lugar, es de 34 V, es necesario incrementar dicho
voltaje a 60 V para comenzar a cargar las baterías, para
lo cual es indispensable incorporar un elevador de
tensión que permita alcanzar el voltaje requerido por
el sistema y de esta forma llevarlo a las baterías. Como
resultado se obtiene el incremento en la autonomía del
VE a través del aprovechamiento de la energía
renovable que otorga el sol.
Figura 6: Elevador de tensión.
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Figura 7: Esquema de conexión del sistema fotovoltaico a
emplear.
3 Resultados
Las pruebas de autonomía del VE Dayang CHOK-S
se realizaron bajo diferentes condiciones climáticas,
para comprobar la variación que existe en los datos
obtenidos de acuerdo con las circunstancias en las que
fueron leídas. De esta manera se determinó la
importancia que la radiación solar tiene sobre el
sistema fotovoltaico planteado y asemejando el
panorama a la situación climática real del cantón
Azogues que es muy variable.
Dichas pruebas se ejecutaron en un periodo de tiempo
de 4 días, considerando diversos cambios climáticos
propios de la Sierra Ecuatoriana. Tomando como
referencia para este estudio las siguientes condiciones
ambientales:
Días nublados (prueba 1);
Días borrascosos (prueba 2);
Días soleados (prueba 3).
A continuación, se detallan los resultados obtenidos,
tanto de la autonomía real del vehículo, como del
incremento que se obtuvo al implementar el panel
solar de 350 W.
3.1 Base de datos de la autonomía real
del vehículo en estudio
Los datos fueron obtenidos a partir de la definición
previa de un circuito o pista por la cual el vehículo
realizó su recorrido. Debido a que la ciudad de
Azogues tiene una geografía irregular, era necesario
que dicha pista constara de varias pendientes para
optimizar el resultado de los datos obtenidos.
En la figura 8, se muestra la geografía variable del
circuito antes mencionado; el cuál abarca gran parte
del sector urbano del cantón, ya que el VE en estudio
fue diseñado para circular dentro de las ciudades, mas
no en los sectores rurales.
Figura 8: Diagrama del circuito o pista a recorrer.
Luego de haber establecido la ruta de circulación del
VE, se procede a colocar en cero el odómetro del
automóvil y a colocar un peso de 40 lb (peso del panel
solar), para compensar la relación peso/potencia del
vehículo cuando vaya a ser implementado el panel
solar en la siguiente toma de datos, en virtud de que el
peso es inversamente proporcional a la potencia de un
VE. Una vez realizado este proceso, es importante
pesar a las dos personas que van a realizar el recorrido
del automóvil, ya que la autonomía del vehículo va a
ser inversamente proporcional al peso que éste cargue,
esto es, a mayor peso menor autonomía y viceversa.
Las diferentes cargas de peso que va a llevar el VE se
detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Peso que el vehículo lleva durante el recorrido.
Carga
Peso en lb.
Piloto
140
Pasajero
123
Panel
40
Total
303
Una vez establecida cuál es la carga que va a llevar el
automóvil se procede a determinar su autonomía real.
El recorrido de la pista es de 8.6 km.
Los resultados obtenidos muestran que la autonomía
real del vehículo es de 61.5 km, lo que indica que
puede dar poco más de 7 vueltas al circuito antes
definido, como se puede observar en la tabla 2.
PANEL
SOLAR
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Tabla 2: Autonomía real del vehículo en la pista
establecida.
N° de Pruebas
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
Promedio
La variación en el recorrido del vehículo se debe a los
picos de descarga eléctrica de las baterías, pero vale la
pena recalcar que los valores obtenidos son bastante
similares. Además, es importante resaltar que la
autonomía del automóvil puede variar de acuerdo con
la geografía de la pista que se utilice, ya que en
pendientes el VE realiza un mayor esfuerzo y por ende
utiliza una mayor cantidad de energía eléctrica.
3.2 Conexión del sistema fotovoltaico
En primer lugar, para evitar posibles cortocircuitos en
el sistema, se utiliza una batería de 9 V como entrada.
Luego, se procede a calibrar el voltaje de salida del
elevador de tensión a través de un potenciómetro de
salida que existe en el dispositivo, de tal forma que su
relación sea de 1.85:1, obteniendo como resultado una
entrada de 34 V y una salida de 63 V.
Es necesario que el voltaje de salida del módulo
electrónico sea mayor a 60 V, debido a los picos de
energía eléctrica que se producen cuando la batería
está cargada al 100%. Si la tensión de las baterías es
mayor al de la salida del elevador de voltaje, este no
va a poder cargar las baterías del VE; mientras que, si
la tensión del elevador de voltaje es mayor o igual al
de las baterías, la energía eléctrica va a aportar con la
carga de las baterías sin problema y por ende se va a
incrementar la autonomía del automóvil.
Posteriormente, se procede a conectar la salida del
elevador de voltaje a las baterías; como estas están
conectadas en serie, únicamente tenemos un positivo
y un negativo en el sistema de alimentación.
Es necesario utilizar un dispositivo para elevar el
voltaje ya que la tensión que sale del panel es de 34 V
bajo las condiciones de radiación solar que existen en
la ciudad de Azogues, mientras que el voltaje que
manejan las baterías del VE es de 12 V cada una;
entonces al estar conectadas las 5 baterías en serie
tenemos una tensión final de 60 V.
4 Discusión
4.1 Base de datos de la autonomía del
VE Dayang CHOK-S con la
incorporación del panel solar
Una vez definida la autonomía real del VE Dayang
CHOK-S y habiendo ya realizado la conexión del
sistema fotovoltaico en el mismo, se procede a realizar
la toma de datos del recorrido del automóvil sobre la
pista antes definida, obteniendo como resultado lo
expuesto en la tabla 3.
Tabla 3: Autonomía del vehículo en estudio luego de la
implementación del sistema fotovoltaico.
N° de Pruebas
Recorrido en km.
Prueba 1
79.2
Prueba 2
71.6
Prueba 3
82.0
Es importante resaltar que el incremento en la
autonomía del VE en estudio es el resultado del
aprovechamiento de la radiación solar de cuatro días.
Ahora bien, la diferencia en los resultados de las
pruebas realizadas se debe a la variación en la
radiación, ya que las pruebas fueron tomadas en
diferentes días incluyendo días lluviosos, nublados,
parcialmente soleados y soleados en su totalidad,
debido a que la radiación es directamente proporcional
a la carga de las baterías del VE y a la autonomía del
mismo, es decir, a mayor cantidad de radiación solar
mayor es la carga de energía eléctrica que reciben las
baterías y por ende la autonomía del vehículo se va a
incrementar.
Asimismo, se obtiene que mientras más días el
automóvil esté expuesto a la radiación solar, mayor va
a ser la carga de sus baterías, obteniendo como
resultado que la autonomía del VE se incremente en
mayor porcentaje.
Además, el estudio mostró que este tipo de
implementación puede ser reproducido para cualquier
tipo de VE, en virtud de que la tecnología permite la
adaptación de paneles solares flexibles y modulares en
casi cualquier superficie, y, la conexión e incremento
se podría replicar únicamente conociendo las
características técnicas de cada VE.
Finalmente, en la figura 9 se muestra el incremento de
la autonomía del VE Dayang CHOK-S que se obtuvo
en las diferentes pruebas. En la prueba 1 se obtiene un
incremento en la autonomía del automóvil del 28.78
%, en la prueba 2 un incremento del 16.42 % y en la
prueba 3 se tiene un incremento del 33.33%, con
respecto a la autonomía real del automóvil de 61,5 km.
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Figura 9: Incremento en kilómetros de la autonomía del
VE Dayang CHOK-S.
5 Conclusiones
El proyecto permitió demostrar que es posible
incrementar la autonomía de un VE a través de la
utilización de un panel solar. Para ello se observó que
en un periodo de tiempo (4 días) poco nublado en la
ciudad de Azogues la autonomía del VE Dayang
CHOK-S se incrementó en 17.7 km., lo que
representan el 28.78 % de su autonomía real.
En una segunda prueba, en un lapso de cuatro días
igual al anterior, y, con un clima nublado y lluvioso,
la autonomía del vehículo en estudio se incrementó
en 10,1 km., que representan el 16.42 % de su
autonomía real.
En la tercera prueba se observó un incremento de 20.5
km., que representa el 33.33% de la autonomía real
del automóvil, tomando en cuenta que esta prueba se
realizó en un clima soleado durante los 4 días del
periodo de tiempo establecido.
Mientras mayor es el número de días en los que el VE
está expuesto a la radiación solar y mientras mayor es
la intensidad de esta, la autonomía del VE se va a
incrementar en mayor porcentaje.
El peso fue un factor importante a tomar en cuenta en
este estudio, debido a que, si se incrementa la carga
del vehículo, inmediatamente su rendimiento y
autonomía van a disminuir.
Como trabajo a futuro se podría abordar, en base a
este proyecto, el mejoramiento en la autonomía del
VE conforme la tecnología avance, es decir, uso de
paneles solares flexibles, mejoramiento en los
sistemas de carga y descarga en las baterías,
incremento en la generación de energía eléctrica de
los paneles, entre otros.
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existe conflicto de
interés.
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Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
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