Issuu on Google+

UNIVERSIDAD DE VIÑA DEL MAR ESCUELA DE INGENIERÍA INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN

EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LA UTILIZACIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS EN LA ILUMINACIÓN DE ÁREAS COMUNES EN EDIFICIOS.

Memoria para optar al Título de Ingeniero Constructor y al Grado de Licenciado en Ciencias de la Construcción

Profesor guía: Sr. Edison Paz Aguirre

Ersic Alejandro Araya Victoriano

Viña del Mar 2010


DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTOS

Quiero dar las gracias a mis padres, Ersic y Patricia, que han sido un gran soporte en esta etapa de mi vida, siempre confiaron en mí y su amor a sido incondicional.

A mis hermanos, quienes a pesar de la distancia seguimos siempre unidos.

A Carla, por entregarme cariño, compañía y comprensión.

Agradecer también a mi profesor guía el Ingeniero Constructor Edison Paz Aguirre por la buena disposición y consejos acertados para guiarme a desarrollar esta investigación.


RESUMEN

La energía solar posee entre sus características la de ser no contaminante, como lo son los combustibles fósiles. Es una fuente inagotable de energía de la cual solo se aprovecha una porción muy pequeña de ella, por lo que hoy se hace inevitable por parte de todos los organismos del Gobierno, profesionales y los mismos habitantes entender y aplicar la energía solar a los hogares y lugares de uso público y privado.

Capítulo 1. Marco Teórico, se realiza una introducción al tema, definiendo términos tales como energía, energías renovables, energía solar, radiación solar, energía fotovoltaica y sistemas fotovoltaicos; describiendo componentes y cuidados que se deben tener en cuenta con estos sistemas. Además da a conocer sistemas fotovoltaicos usados actualmente en el norte de Chile.

Capítulo 2. Evaluación Técnica y Económica, se explica detalladamente cómo se calcula y dimensiona el sistema fotovoltaico propuesto, mostrando diagramas de instalaciones propuestas. También se elabora un presupuesto y explica los ahorros que producirá el uso de energía fotovoltaica. Además da a conocer datos como la evolución de los costos por suministro eléctrico, la Ley de Energías Renovables no Convencionales (ERNC) que obliga a empresas distribuidoras a comprar parte de la energía que distribuye de fuentes renovables y un proyecto piloto que busca un modelo económico para que clientes vendan ERNC a empresas distribuidoras de electricidad.

Capítulo 3. Análisis Comparativo, se estiman costos asociados a cuentas de electricidad si el edificio siguiera funcionando de forma tradicional y los ahorros que produciría el usar energía fotovoltaica, calculando el período de retorno de la inversión fotovoltaica propuesta, comparando costos acumulados por concepto de suministro eléctrico de la red pública con la inversión para el sistema fotovoltaico

Capítulo 4. Conclusiones, tanto técnica y económicamente es viable un proyecto de este tipo; para el sistema solar propuesto se necesita realizar una inversión de $ 3.314.567 la cual se recupera en el año 12 con una vida útil de 25. Además, con el uso de este tipo de energía se dejan de emitir kg de CO2 al medio ambiente, por lo que se evita el calentamiento global.


INTRODUCCIÓN

El calentamiento global, la escasez de energía y los efectos ambientales cada vez preocupan más a la sociedad, es por ello que en todo el mundo se ha tratado de buscar una solución a esta problemática. Esta búsqueda ha hecho ver el potencial energético de las energías renovables no convencionales (ERNC), las cuales aportan una respuesta positiva a la escasez de energía de una manera limpia para el medio ambiente.

Energía solar es toda aquella que proviene del aprovechamiento directo de la radiación del sol, y de ésta se puede obtener energía calórica y eléctrica. La energía eléctrica se obtiene gracias a los sistemas fotovoltaicos.

Un sistema fotovoltaico está compuesto por:  Módulo, celda o panel fotovoltaico  Baterías  Inversor  Cargas de aplicación (artefactos que consumen la energía)

Planteamiento del Problema

Hace un par de años cuando Argentina comenzó con los racionamientos de gas estuvo en peligro el abastecimiento energético nacional, esto y otros factores hicieron ver la escasa explotación del posible potencial energético que tiene Chile, por eso el Estado ha tratado de fomentar el desarrollo de las ERNC.

En Chile, la energía solar es utilizada preferentemente en el norte del país en donde se presentan los niveles de radiación más altos del mundo. Existe un archivo solarimétrico nacional (ver Tabla 1) elaborado por la Universidad Técnica Federico Santa María (UTFSM), la cual realizó mediciones entre los años 1961 y 1984 en 89 estaciones de registro a lo largo de todo el país, para determinar las radiaciones solares diarias para las regiones del país.


Radiación Solar Región (Kcal./(m²/día)) I

4554

II

4828

III

4346

IV

4258

V

3520

VI

3676

VII

3672

VIII

3475

IX

3076

X

2626

XI

2603

XII

2107

RM

3570

Antártica

1563

Tabla 1: Archivo solarimétrico nacional1

Estos registros demuestran que en la zona norte del país se presentan condiciones muy favorables para la utilización de la energía solar.

Cabe destacar que actualmente Chile se divide en 15 regiones y no en 13 como muestra la Tabla 1.

Objetivos de la Investigación

Objetivo General

Evaluar técnica y económicamente la utilización de paneles solares fotovoltaicos para complementar la iluminación de áreas comunes en edificios.

1

Universidad Técnica Federico Santa María


Objetivo Específico  Identificar los elementos que componen el sistema de paneles fotovoltaicos.  Analizar comparativamente un edificio tradicional y otro sustentable que utilice un sistema fotovoltaico en la iluminación de áreas comunes.

Razones para Elegir el Tema

La principal razón para escoger este tema es explorar nuevas formas de generación de energía eléctrica sin dañar el medio ambiente, sabiendo que la fuente que proveerá de dicha energía es prácticamente inagotable.

Limitaciones del Estudio

El estudio se refiere sólo a edificios ubicados en la Región de Arica y Parinacota debido a su mayor radiación solar, y este edificio deberá cumplir con las necesidades de espacio requeridas.


GLOSARIO

Ácido: Considerado tradicionalmente como cualquier compuesto químico que dona un +

catión (H ) y una base.

Ampere: Unidad de intensidad de la corriente eléctrica.

Amperímetro: Instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico.

Antimonio: Elemento químico, su símbolo es Sb.

Áreas comunes: Área que pertenece conjuntamente al propietario o a los arrendatarios de un condominio o subdivisión, cuyo propósito es el uso común de los residentes. Las áreas comunes incluyen piscinas, canchas de tenis, y otras instalaciones recreativas, además de los pasillos de los edificios, áreas de estacionamiento, entre otros.

Azimut: Ángulo formado por el meridiano del lugar y el plano vertical del astro u objeto que se observa.

Bornes: Botón metálico al que va unido un hilo conductor eléctrico, ya sea para rematarlo o para conectarlo con otro circuito.

Boro: Elemento químico, su símbolo es B.

Cadmio: Elemento químico, su símbolo es Cd.

Campo eléctrico: Modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades eléctricas.

Capacidad eléctrica: Capacidad o capacitancia es una propiedad de los condensadores o capacitores. Esta propiedad tiene relación con la diferencia de potencial (o tensión) existente entre capas del capacitor y la carga eléctrica almacenada en éste.


Celdas fotovoltaicas: Dispositivo electrónico que permite trasformar energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones), mediante el efecto fotovoltaico

Conmutador: Dispositivo eléctrico que permite modificar el camino que deben seguir los electrones.

Corriente: Es el movimiento de traslación de un fluido en dirección determinada.

Corriente alterna: Se abrevia CA, es la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente.

Corriente continúa: Se abrevia CC, es el flujo de electrones continuos a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.

Corriente eléctrica: O intensidad eléctrica, es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material.

Cortocircuito: Falla de un sistema eléctrico cuando la resistencia que ofrece un circuito es sobrepasada.

Diodo: Dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección, posee características similares a un interruptor

Electrodo: Placa de membrana rugosa de un metal conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito.

Electrolito: Conductor iónico (con carga) que se descompone al pasar la corriente eléctrica, puede ser líquido, sólido o pasta.

Electrones de valencia: Electrones que se encuentran en los mayores niveles de energía de los átomos.

Energía eléctrica: Energía proveniente de una diferencia de potencial entre dos puntos.

Energía solar: Es la obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol.


Fósforo: Elemento químico, su símbolo es P.

Fotones: Partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo rayos gamma, x, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, microondas y ondas de radio.

Hidrógeno: Compuesto químico, su símbolo químico es H.

Irradiacia: Magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética.

Latitud: Distancia angular entre el Ecuador y un punto determinado del planeta medida a lo largo del meridiano que pasa por ese punto.

Legionela: Bacteria con forma de bacilo, que vive en aguas estancadas con un alto rango de temperatura.

Níquel: Compuesto químico, su símbolo es Ni.

Platino: Compuesto químico, su símbolo es Pt.

Plomo: Compuesto químico, su símbolo es Pb.

Potencia eléctrica: Cantidad de energía eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo.

Selenio: Compuesto químico, su símbolo es Se.

Silicio: Compuesto químico, su símbolo es Si.

Tensión eléctrica: También llamado voltaje o diferencia de potencia; es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando un flujo de una corriente eléctrica.


ABREVIATURAS

°C

: Grados Celsius.

A

: Ampere.

Ah

: Ampere hora.

ßopt

: Inclinación óptima.

ßr

: Inclinación real.

C20

: Tiempo de descarga de 20 horas.

C100

: Tiempo de descarga de 100 horas.

CCS

: Cámara de Comercio de Santiago.

CdS

: Sulfuro de cadmio.

CEM

: Condiciones estándar de medida.

CNE

: Comisión Nacional de Energía.

CO2

: Dióxido de carbono.

COREMA

: Comisión Regional del Medioambiente.

CORFO

: Corporación de Fomento de la Producción.

Cu2S

: Sulfuro cuproso.

Ed

: Energía demandada.

EEUU

: Estados Unidos de América.


Eg

: Ancho de banda prohibido.

EMELARI

: Empresa Eléctrica de Arica.

ERNC

: Energías renovables no convencionales.

eV

: Electrón-voltios.

EVA

: Etil-vinil-acetileno.

FI

: Factor de integración o campo de captación.

FS

: Factor de sombras.

GaAs

: Arseniuro de galio.

Gdm(0)

: Radiación diaria sobre 1 m en el plano situado en la horizontal.

Gdm (αr,ßr)

: Radiación incidente sobre el plano de los módulos.

GWh

: Gigawatt hora.

Ha

: Hectárea.

Icc

: Corriente de cortocircuito.

IDAE

: Instituto para la Diversificación y Ahorro Energético.

Imp

: Corriente a máxima potencia.

J

: Joule.

2

2

Kcal/(m /día)

: Kilocaloría por metro cuadrado día.

Kg

: Kilogramo.


KV

: Kilovolt.

KWh

: Kilovatio hora. 2

KWh/( m /día)

: Kilovatio hora por metro cuadrado día.

Kwp

: Kilovatio pico.

2

: Metro cuadrado.

m /día

2

: Metro cuadrado por día.

mm

: Milímetro.

MW

: Megavatio.

MWh

: Megawatt o megavatio hora.

PGEN

: Potencia del generador.

Pmp, máx

: Potencia máxima para el generador.

Pmp, min

: Potencia mínima para el generador.

POI

: Pérdidas por orientación e inclinación.

PP

: Potencia pico.

PR

: Performance ratio o rendimiento energético.

Si

: Silicio.

SIC

: Sistema Interconectado Central.

SING

: Sistema Interconectado de Norte Grande.

m


Uni

: Unidad.

UTA

: Universidad de Tarapac谩.

UTM

: Unidad Tributaria Mensual.

V

: Volt.

Vca

: Tensi贸n de circuito abierta.

Vmp

: Tensi贸n a m谩xima potencia.

W

: Vatio o watt.

W/m

2

: Watt por metro cuadrado.


ÍNDICE

PÁGINA

CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO

1

1.1

Energía

2

1.2

Energías renovables

2

1.3

Energía solar

3

1.4

Radiación solar

4

1.5

Energía solar fotovoltaica a lo largo de la historia

5

1.6

Energía solar fotovoltaica

7

1.7

Conversión de energía solar en electricidad

9

1.8

Materiales semiconductores

10

1.9

Células fotovoltaicas

12

1.10

Sistemas fotovoltaicos aislados

17

1.11

Módulos fotovoltaicos

18

1.12

Acumuladores o baterías

20

1.13

Reguladores de carga

26

1.14

Inversores de corriente

26

1.15

Aplicaciones y ventajas de los sistemas fotovoltaicos

27

1.16

Instalaciones fotovoltaicas en el mundo

29


CAPÍTULO 2: EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LA PROPUESTA

38

2.1

Planteamiento de la propuesta

39

2.2

Evaluación técnica

39

2.3

Evaluación económica

57

CAPÍTULO 3: ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE SISTEMA TRADICIONAL Y

63

FOTOVOLTAICO

3.1

Análisis comparativo

64

3.2

Proyección de gastos por consumo eléctrico y estimación del período de

66

recuperación de la inversión

CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES

68

BIBLIOGRAFÍA

72

ANEXOS

75

Anexo 1: Planos de edificio en estudio

76

Anexo 2: Tarifas de suministro eléctrico EMELARI

80

Anexo 3: Información técnica de panel fotovoltaico propuesto

82

Anexo 4: Usos de energías renovables no convencionales en la Región de Arica y

85

Parinacota


CAPÍTULO 1

MARCO TEÓRICO


2

1.1 ENERGÍA

La energía es la capacidad de un cuerpo o sistema para ejercer fuerzas sobre otros cuerpos o sistemas. Si las fuerzas ocasionan variaciones temporales microscópicas y desordenadas, hay transmisión de energía en forma de calor. Si las variaciones son macroscópicas o microscópicas ordenadas (fenómenos eléctricos y magnéticos) hay transmisión de energía en forma de trabajo.

La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios. Al ser un bien escaso, la energía es fuente de conflictos para el control de los recursos energéticos.

La energía se produce a partir de diferentes fuentes y puede ser almacenada de distintas formas. Las fuentes de energía se clasifican en renovables y no renovables, las primeras se producen y llegan en forma continua a la Tierra y aparentan ser inagotables y las energías no renovables son aquellas que se encuentran en forma limitada en el planeta y se agotan a 1medida que se consumen. Dentro de las energías no renovables pertenecen las reservas fósiles como petróleo, carbón y gas natural; en cambio, son renovables la energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz, biomasa e hidráulica a pequeña escala.

1.2 ENERGÍAS RENOVABLES

Durante los últimos años, precisamente pensando en el futuro agotamiento de las fuentes de energías fósiles, en la gran dependencia exterior de muchos países de éstas, en el progresivo aumento de su costo y en los problemas medioambientales derivados de su explotación, transporte y consumo, se está produciendo un mayor interés en la explotación de las energías renovables.

Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son inagotables a escala humana. Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos negativos sobre el entorno, son mucho menores que los impactos ambientales de las energías convencionales como los combustibles fósiles, energía nuclear, entre otros.

Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de energía más utilizadas: calor y electricidad.


3

Tal como indica el primer principio de la termodinámica, la energía ni se crea ni se destruye, por lo que la utilización de la energía del sol para producir electricidad o calor, no produce cambios sustanciales en el equilibrio de la Tierra.

La idea de conseguir un desarrollo sostenible, analizado desde una visión energética, pasa por el uso de las energías renovables, es decir, aprovechar el sol que llega al planeta, lo cual no potenciará el efecto invernadero ni acelerará el cambio climático, no se emitirán sustancias contaminantes a la atmósfera y no existirá recalentamiento del planeta.

Algunas ventajas de las energías renovables:  Son respetuosas con el medio ambiente.  No emiten gases contaminantes.  No generan residuos peligrosos.  Se pueden instalar en zonas rurales y aisladas.  Disminuyen la dependencia de suministros externos.

1.3 ENERGÍA SOLAR

La energía solar se obtiene mediante la captación de luz y el calor emitidos por el Sol. Necesita sistemas de captación y almacenamiento, y aprovecha la radiación solar de distintas formas, tales como: transformación en calor y electricidad.  Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica, que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del Sol para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria, apoyo a sistemas de calefacción, temperar piscinas, usos industriales, entre otros.  Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica que permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células fotovoltaicas


4

integrantes de paneles solares. Esta electricidad se puede usar de manera directa, almacenar en acumuladores para uso posterior, e incluso introducir a la red de distribución eléctrica.

Algunas ventajas de la energía solar son:  Escaso impacto ambiental  No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente  Se encuentra en todo el mundo.  Los costos, una vez instalada, son mínimos y asequibles.  No hay dependencia de compañías suministradoras.

Algunos de sus inconvenientes son:  Necesitan sistemas de acumulación que contienen agentes químicos peligrosos. Los depósitos de agua caliente deben protegerse contra la legionela.  Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada por los paneles en caso de grandes instalaciones.  Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los módulos solares en el entorno.

1.4 RADIACIÓN SOLAR

El sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de 5.500 ºC, en cuyo interior tiene lugar una serie de reacciones que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del sol se transmite al exterior mediante la denominada radiación solar.


5

No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, pues las ondas ultravioletas, más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera principalmente por el ozono.

La radiación solar recibida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicular a los 2

rayos solares es conocida como constante solar (1.353 W/m ). La

magnitud

de

la

radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, la cual mide la energía recibida por unidad de tiempo y área una vez que ésta llega a la Tierra, su unidad es el W/m². La radiación solar se mide normalmente con un instrumento denominado piranómetro.

En función de cómo inciden los rayos en la Tierra se distinguen tres componentes de la radiación solar:  Directa: Es la recibida desde el Sol sin que se desvíe en su paso por la atmósfera.  Difusa: Es la que sufre cambios en su dirección principalmente debidos a la reflexión y difusión en la atmósfera.  Albedo: Es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies. Esta radiación va a depender del coeficiente de reflexión de cada superficie.

En un día despejado, con cielo limpio, la radiación directa es preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario, en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación que incide es difusa.

1.5 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA A LO LARGO DE LA HISTORIA

La historia de la energía solar fotovoltaica está marcada por un desarrollo lento pero constante, los descubrimientos y avances más importantes entre los años 1939 al 2010 son:  1839, el punto de partida del efecto fotovoltaico ocurre el año 1839 con el descubrimiento del físico francés Alexandre Edmond Bequerel (París 1820 – París 1891), miembro de una familia de científicos de cuatro generaciones. A sus 19 años descubre el efecto fotovoltaico al experimentar con una pila electrolítica con platino, en la que observó el incremento de corriente que causa la exposición a la luz de uno de los electrodos.


6

 1873, Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en sólidos (selenio).

 1877, W.G. Adams y R.E. Day producen la primera célula fotovoltaica de selenio.  1904, Albert Einstein publica su artículo sobre el efecto fotovoltaico, al mismo tiempo que un artículo sobre la teoría de la relatividad.  1921, Einstein gana el premio Nobel por sus teorías publicadas en 1904 explicando el efecto fotovoltaico.  1954, los investigadores D.M. Chaplin, C.S. Fuller y G.L. Pearson producen la primera célula de silicio, publicando el artículo “A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power”.  1955, se le asigna a la industria americana la tarea de producir elementos solares fotovoltaicos para aplicaciones espaciales. Hoffman Electronic, empresa de Illinois (EEUU) ofrece células del 3% de rendimiento, 14 mW a 1.500 $/W.  1957, Hoffman Electronic alcanza el 8% de rendimiento en sus células.  1958, se lanza el Vanguard I, primer satélite alimentado con energía solar. El satélite 2

puede producir 0.1 W gracias a un panel cuya superficie es de 100 cm .  1959, Hoffman Electronic alcanza el 10% de rendimiento en sus células comerciales.  1962, se lanza el primer satélite comercial de telecomunicaciones, el Telstar, con una potencia fotovoltaica de 14W.  1963, Sharp consigue una forma práctica de producir módulos de silicio; en Japón se instala un sistema de 242W en un faro (el más grande de aquellos tiempos).  1964, el navío espacial Nimbus se lanza con 470 W de paneles fotovoltaicos.  1966, el observatorio astronómico espacial lleva 1kW de paneles solares.


7

 1973, la producción mundial de células es de 100 kW. El Skylab se lanza al espacio con 20kW en paneles solares.  1975, las aplicaciones fotovoltaicas terrestre superan a las espaciales.  1977, la producción de paneles solares fotovoltaicos en el mundo es de 500 kW.  1980, ARCOS Solar es la primera empresa que alcanzó una fabricación industrial de 1 MW de módulos al año.  1983, la producción mundial excede los 20 MW al año.  1994, se celebra la primera conferencia mundial fotovoltaica en Hawaii.  1998, se alcanza un total de 1.000 MW de sistemas fotovoltaicos aislados.  2004, se producen más de 1.000 MW de módulos fotovoltaicos ese año.  2010, a finales de este año entrará en funcionamiento la primera planta solar fotovoltaica en Chile, en el proyecto “Calama Solar 1”.

1.6 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica.

Para realizar esta conversión es necesario disponer de un sistema formado por equipos especialmente construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica, este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico.

Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía solar disponible y transformarla en energía eléctrica utilizable.


8

Estos sistemas independiente de su utilización y potencia, se pueden clasificar en: aislados, conectados a la red e híbridos, (ver Figura 1).

Figura 1: Clasificación de sistemas fotovoltaicos

Hay diferentes maneras de construir un sistema fotovoltaico, pero esencialmente tiene los siguientes componentes:  Panel fotovoltaico: Encargado de captar y convertir la radiación solar en corriente eléctrica mediante módulos o celdas fotovoltaicas.  Baterías o Acumuladores: Almacenan la energía eléctrica producida por el generador fotovoltaico para poder utilizarla en períodos en los que la demanda exceda la capacidad de producción del panel fotovoltaico.  Regulador de carga: Encargado de proteger y garantizar el correcto mantenimiento de la carga de la batería y evitar sobretensiones que puedan destruirla.  Inversor: Encargado de transformar la corriente continua producida por el panel fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar algunas cargas o para introducir la energía producida en la red de distribución eléctrica.  Elementos de protección del circuito: Como interruptores de desconexión, diodos de bloqueo, entre otros, dispuestos entre diferentes elementos del sistema, para proteger la descarga y derivación de elementos en caso de falla o situaciones de sobrecarga.


9

1.7 CONVERSIÓN DE ENERGÍA SOLAR EN ELECTRICIDAD

El efecto fotovoltaico consiste en la conversión de luz en electricidad. Este proceso se consigue con algunos materiales que tienen la propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando los electrones libres son capturados, se produce una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

La materia está constituida por átomos, que tienen dos partes bien diferenciadas:  Núcleo (carga eléctrica positiva), en el se encuentran protones (carga positiva) y neutrones (carentes de carga)  Electrones (carga eléctrica negativa)

Los electrones giran alrededor del núcleo en distinta bandas de energía y compensan la carga positiva de éste, formando un conjunto estable y eléctricamente neutro.

Los

electrones de la última capa se llaman electrones de valencia, y se interrelacionan con otros similares formando una red.

Eléctricamente hablando, existen tres tipos de materiales:  Conductores: Los electrones de valencia están poco ligados al núcleo y pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina con un pequeño agente externo.  Semiconductores: Los electrones de valencia están más ligados al núcleo pero basta una pequeña cantidad de energía para que se comporten como conductores.  Aislantes: Tienen una configuración muy estable, con los electrones de valencia muy ligados al núcleo; la energía necesaria para separarlos de éste es muy grande.

Para que se produzca el efecto fotovoltaico es necesario que los fotones tengan una energía mayor que un valor mínimo determinado, que se denomina ancho de banda prohibida (E g). Este valor mínimo también se le denomina “gap” de energía y se suele expresar en electrónvoltios.


10

1 eV (electrón-voltios) = 1.602 x 10

-19

J

1.8 MATERIALES SEMICONDUCTORES

La energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo es similar a la energía de los fotones.

Cuando la luz solar incide sobre el material semiconductor, se rompen los enlaces entre el núcleo y los electrones de valencia, que quedan libres para circular por el semiconductor. Para poder aprovechar esta libertad de electrones hay que crear en el interior del semiconductor un campo eléctrico.

El material más utilizado en la fabricación de células solares es el Silicio, que tiene cuatro electrones de valencia. Para crear un campo eléctrico en este tipo de semiconductor se unen dos regiones de Silicio tratadas químicamente (unión “p-n”).

Para conseguir un semiconductor de Silicio tipo “n”, (ver Figura 2), se sustituyen algunos átomos del Silicio por átomos de Fósforo, que tiene cinco electrones de valencia.


11

Electrón libre

Figura 2. Silicio tipo “n”

De forma análoga, si se sustituyen átomos de Silicio por átomos de Boro que tiene tres electrones de valencia, se consigue un semiconductor tipo “p”, ver Figura 3.


12

Hueco

Figura 3. Silicio tipo “p”

Para conseguir una unión “p-n” se pone en contacto una superficie de semiconductor “p” con la de un semiconductor “n”.

Los electrones libres del material “n” tienden a ocupar los huecos del material tipo “p”, creándose así un campo eléctrico.

1.9 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Una célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una lámina de material semiconductor, cuyo grosor varía entre los 0.25 mm y los 0.35 mm, generalmente de forma cuadrada.


13

Cada célula fotovoltaica se compone de una delgada capa de material tipo “n” (la cual cede fácilmente electrones) y otra de mayor espesor de material tipo “p” (la cual capta electrones fácilmente). Ambas capas separadas son eléctricamente neutras, y al juntarse se genera un campo eléctrico en la unión “p-n”.

Al incidir la luz solar sobre la célula fotovoltaica, los fotones la estimulan liberando electrones de los átomos de Silicio creando dos cargas libres (positivas y negativas), alterando el equilibrio de la junta p-n. Al conectar cables al semiconductor, se verifica la existencia de un voltaje en corriente continua, ver Figura 4.

Metalización anterior

Radiación solar

Capa antirreflejo Silicio N Silicio P

Metalización posterior Figura 4. Efecto fotovoltaico

La superficie “n” es la que se ilumina; mientras la luz siga incidiendo habrá corriente eléctrica, y su intensidad será proporcional a la cantidad de luz de la célula.

Los parámetros que definen a una célula fotovoltaica son:  Corriente de cortocircuito (Icc): Máxima corriente que puede entregar una célula a tensión nula, en determinadas condiciones de radiación y temperatura. Se puede medir directamente con un amperímetro conectado a la salida de la célula fotovoltaica.  Tensión de circuito abierto (Vca): Máxima tensión que puede entregar una célula a corriente nula, en determinadas condiciones de radiación y temperatura. Su medida se realiza conectando un voltímetro entre bornes.


14

 Potencia pico (Pp): Máxima potencia que puede suministrar una célula.  Corriente a máxima potencia (Imp): Corriente que entrega la célula a potencia máxima bajo determinadas condiciones de radiación y temperatura. Se utiliza como corriente nominal de la célula.  Tensión a máxima potencia (Vmp): Tensión que entrega la célula a potencia máxima bajo determinadas condiciones de radiación y temperatura. Se debe tener en cuenta que:  La tensión varía en función a la temperatura  La corriente que la célula suministra a una carga exterior es proporcional a la intensidad de la radiación y a la superficie de la célula

Si la radiación se mantiene constante y varía la temperatura; a medida que va aumentando la temperatura la tensión se va haciendo cada vez menor, manteniéndose constante la corriente.

Si se mantiene constante la temperatura y se varía la radiación; a medida que va disminuyendo la radiación disminuye la corriente, manteniéndose la tensión constante.

1.9.1 Tipos de células fotovoltaicas

La parte más importante de una célula solar es el semiconductor, ya que en él se liberan los electrones y se produce la corriente eléctrica. Para confeccionar estas capas de distintas células solares se utilizan diferentes materiales semiconductores, y cada uno de ellos tiene sus ventajas e inconvenientes.

Las células fotovoltaicas más utilizadas son las formadas por la unión “p-n” y construidas con Silicio monocristalino, aunque existen diversos tipos y procedimientos para su construcción.

Las células de Silicio pueden ser: monocristalinas, policristalinas o amorfo.


15

 Monocristalino:

o Presenta una estructura completamente ordenada

o Su comportamiento uniforme lo hace buen conductor

o Es de difícil fabricación

o Se obtiene Silicio puro fundido y dopado con Boro

o Se reconoce por su monocromía azulada oscura y metálica

o Su rendimiento oscila entre 15 – 18%  Policristalino:

o Presenta una estructura ordenada por regiones separadas

o Los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento

o Se obtiene de igual forma que la del Silicio monocristalino pero con menos fases de cristalización

o Su superficie está estructurada en cristales con distintos tonos de azules y grises metálicos

o Su rendimiento oscila entre 12 – 14%  Amorfo:

o Presenta un alto grado de desorden

o Contiene un gran número de defectos estructurales y de enlaces


16

o Su proceso de fabricación es más simple y menos costoso que las monocristalinas y amorfo

o Se deposita en forma de lámina delgada sobre vidrio o plástico

o Son eficientes bajo iluminación artificial

o Tiene color marrón homogéneo

o Su rendimiento es menor al 10%

Otros tipos de células pueden ser de película delgada o de arseniuro de galio.  Célula de película delgada:

o Una de las células más desarrolladas de este tipo es la de sulfuro de cadmio (CdS) y sulfuro cuproso (Cu2S) o Están formada por la unión de dos materiales

o Su proceso de fabricación es sencillo

o La tecnología para su obtención está poco desarrollada

o Tiene un rendimiento del 5% aproximadamente  Célula de arseniuro de galio (GaAs):

o Tiene buenos rendimientos con pequeños espesores

o Mantiene sus características a elevadas temperaturas

o Elevado costo de producción

o Material poco abundante


17

o Tiene un rendimiento del 27%

1.10 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS

Los sistemas fotovoltaicos aislados tienen distinta estructura en función de los elementos que los componen, y se puede distinguir 3 tipos: directamente conectados a una carga, sistemas con regulador y batería y sistemas con regulador, batería e inversor.  Directamente conectados a una carga: Es el sistema más simple en el cual el módulo fotovoltaico se conecta directamente a la carga, que normalmente es un motor de corriente continua (fundamentalmente usado en bombeo de agua). Es difícil mantener una eficiencia a lo largo del día.  Sistemas con regulador y batería: Se conecta el módulo fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que ésta no se descargue. En este caso las baterías alimentan carga en corriente continua.  Sistemas con regulador, batería e inversor: Se utiliza cuando se necesita energía en corriente alterna. La energía generada en el módulo fotovoltaico puede ser transformada íntegramente en corriente alterna, o pueden alimentarse simultáneamente cargas de corriente continua y alterna. La figura 5 muestra este sistema

Radiación

Producción

Acumulador

Utilización

Lámpara Regulador + Inversor

TV Módulo fotovoltaico Aparato electrodoméstico Batería Figura 5. Esquema de sistema fotovoltaico aislado compuesto por: módulo fotovoltaico, regulador, batería e inversor


18

1.11 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Los paneles o módulos fotovoltaicos son un conjunto de células conectadas. Las células que se utilizan para construir un panel fotovoltaico deben tener los mismos parámetros eléctricos para que no se produzcan descompensaciones que limiten su funcionamiento.

El módulo fotovoltaico tiene varias capas que recubren a las células tanto por arriba como por abajo, (ver Figura 6), dándoles protección mecánica y contra agentes ambientales, sobre todo contra el agua que puede causar la oxidación de los contactos que inutilizarían la célula.

La estructura de un módulo fotovoltaico consta de: cubierta superior, cubierta inferior, material encapsulante, soporte metálico de Aluminio anodizado y elementos eléctricos exterior.  La cubierta superior es de un vidrio templado especial, resistente a los golpes y con una superficie exterior muy lisa para que no retenga la suciedad. Es muy importante su calidad óptica para asegurar la mayor transparencia a la radiación solar.  La cubierta inferior suele ser opaca y sólo tiene una función de protección contra los agentes externos. Se suelen usar materiales sintéticos, Tedlar u otro vidrio.  Entre las dos cubiertas y envolviendo las células y las conexiones eléctricas, se encuentra el material encapsulante, que debe ser transparente a la radiación solar, no alterarse con la radiación ultravioleta y no absorber humedad. Además protege a la célula de vibraciones y sirve de adhesivo a las cubiertas. Los materiales que se utilizan son siliconas, polivinilo y sobre todo EVA (etil-vinil-acetileno).  Todo esto se monta sobre un soporte metálico de Aluminio anodizado o acero inoxidable, que le da rigidez y protección mecánica sobre todo contra el viento al panel.  Por último, se encuentran los elementos eléctricos externos (cables, bornes, cajas de conexión, entre otros) que permiten interconectar los paneles entre sí y con la instalación eléctrica exterior.


19

Figura 6. Capas típicas que recubren a un módulo fotovoltaico

Fabricación de módulos fotovoltaicos

La fabricación de los módulos tiene las siguientes etapas:  Interconexión de células: Una vez que se dispone de las células seleccionadas y agrupadas, se interconectan en serie para conseguir una tensión normalizada la cual resulta fácil de trabajar.  Laminación: Realizado el circuito electrónico, se colocan por una parte el cristal y una capa de encapsulante, y por la contraria, otra capa de encapsulante y la de protección exterior, y se introduce todo en un horno especial para su laminación.  Vacío: Se realiza para eliminar toda la bolsa de aire que puede quedar en el interior.  Fundido del encapsulante: Se aumenta la temperatura para que el encapsulante se funda entre las células y los contactos.  Colocación del marco: Una vez que todas las capas forman un bloque compacto, se enmarcan.


20

 Incorporación de bornes de conexión.  Realización de pruebas para clasificar los módulos por potencias: al igual que las células, los módulos han de tener características similares para un mejor rendimiento.

1.12 ACUMULADORES O BATERÍAS

Son dispositivos electroquímicos capaces de transformar una energía potencial química en energía eléctrica.

La misión principal de una batería en un sistema fotovoltaico es la de acumular la energía producida para que pueda ser utilizada en períodos donde la iluminación sea escasa o incluso nula.

Una batería se compone esencialmente de dos electrodos sumergidos en un electrolito donde se producen las reacciones químicas debidas a la carga y descarga. Están compuestas por un determinado número de celdas electroquímicas.

El voltaje o tensión de la batería viene dado por el número de celdas que posea, siendo el voltaje de cada celda de 2 Volt.

Las características que definen el comportamiento de una batería son fundamentalmente: Capacidad de carga, profundidad de descarga y vida útil.  Capacidad de descarga

Es la cantidad de electricidad que se puede obtener durante una descarga total de la batería completamente cargada. Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa. Se expresa en Ampere hora (Ah).

Los factores que pueden variar la capacidad de descarga de una batería son: Tiempo de descarga, temperatura de la batería y conexión de las baterías.

o Tiempo de descarga: Si es corto disminuye la capacidad; si es largo aumenta la capacidad.


21

o Temperatura de la batería y su entorno: Si es inferior a la temperatura óptima de la batería la capacidad disminuye; si es superior la capacidad aumenta, pero puede reducir el número de ciclos de vida de la batería.

o Conexión de las baterías: En paralelo (positivo a positivo y negativo a negativo) se suman las capacidades; en serie (positivo a negativo) no afecta a la capacidad.  Profundidad de descarga

Es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga.

En función a la profundidad de descarga las baterías se clasifican en:

o Baterías de descarga superficial

o Baterías de descarga profunda

Para las aplicaciones fotovoltaicas se emplean baterías de descarga profunda.  Vida útil

La vida útil de una batería se expresa en ciclos, que se definen como el número de veces que se produce una carga/descarga.

Los factores de los cuales depende la vida de una batería son:

o Espesor de las placas

o Concentración del electrolito

o Profundidad de descarga


22

El factor más importante es la profundidad de descarga, cuanto más profunda sea la descarga menor será el número de ciclos y por lo tanto menor será la vida útil de la batería.

1.12.1 Conexión de baterías

Las baterías se pueden conectar entre sí para incrementar el voltaje, la capacidad, o el voltaje y la capacidad.  Conexión en serie (positivo a negativo): las tensiones de las celdas se suman.  Conexión en paralelo: (positivo a positivo y negativo a negativo): las capacidades de las celdas se suman, manteniendo la misma tensión.  Conexión en serie y paralelo: se incrementan tanto el voltaje como la capacidad.

1.12.2 Tipos de baterías

Básicamente, las baterías se dividen en dos grupos: No recargables y recargables.  No recargables

o Son conocidas como pilas

o La reacción química que se produce durante su uso es irreversible

o Su vida útil dura lo que tardan en descargarse

o Solo necesitan normas básicas de conservación: evitar calores o fríos excesivos, evitar el sol y la humedad, entre otros.  Recargables

o Son conocidas como acumuladores


23

o La reacción química que se produce durante su uso es reversible

o Su vida útil depende del número de ciclos y de la profundidad

o Necesitan algunas normas de mantenimiento

Existen diferentes tipos de baterías en el mercado, pero fundamentalmente se puede hablar de baterías de Plomo-Ácido y Níquel-Cadmio.

Aunque estas últimas presentan cualidades excepcionales, no son muy recomendables para los sistemas fotovoltaicos ya que su costo es elevado.

Por el contrario las de Plomo-Ácido son las más usadas ya que se adaptan a cualquier corriente de carga con un costo poco elevado.

1.12.2.1 Baterías de Plomo-Ácido

Este tipo de baterías se usa en aplicaciones en las que el tamaño y el peso no son factores determinantes.

Dentro de la categoría Plomo-Ácido las más comunes son:  Plomo-Antimonio  Plomo-Selenio  Plomo-Calcio

Las características de la categoría Plomo-Ácido son:  Tensión por celda: 2V  Capacidades de servicio típicas: 1 – 10.000 Ah  Tienen bajo costo


24

 Necesitan ventilación y protección contra ambientes corrosivos (ácido) y potencialmente explosivos (por desprendimiento de hidrógeno en la carga).  Tienen un peso y un tamaño considerable.

Hay otro tipo de baterías de Plomo que permiten su colocación casi en cualquier posición, ya que no derraman electrolito:  Selladas: El electrolito es tipo gel, no admiten descargas profundas.  De electrolito absorbido: El electrolito está absorbido en una fibra de vidrio, permiten descargas moderadas.

1.12.2.2 Baterías de Níquel-Cadmio

Al igual que las de Plomo-Ácido se pueden encontrar en las versiones estándar y selladas.

Características:  El electrolito es alcalino  Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal  Poseen bajo coeficiente de descarga  Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura  Tensión por celda: 1.2V  Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80%)  Muy alto costo comparadas con las baterías ácidas


25

1.12.3 Control y ubicación de baterías

Un método de diagnóstico para baterías eléctricas de Plomo-Ácido puede ser comprobar: Conexiones, cargador, fugas al exterior del electrolito, nivel del electrolito (jamás debe dejar al aire parte de las placas), densidad del electrolito (debe comprobarse tanto el valor de cada celda, como que los valores entre celdas no sean dispares), si hay partículas de suciedad u otras en el electrolito, descarga y voltaje.

Las baterías deben permanecer en un lugar: Fresco, bien ventilado, evitando temperaturas extremas y fuera del alcance de niños.

Las baterías son peligrosas ya que contienen ácidos dañinos y lógicamente almacenan electricidad. Por

ello, las baterías deben manipularse con precaución, realizando las

operaciones de instalación y mantenimiento siguiendo las indicaciones del fabricante, y además, una vez usadas deberán ser recicladas.

1.12.4 Normas para el mantenimiento de baterías

Las siguientes normas básicas pueden ser útiles a la mayoría de las instalaciones:  Mantener el lugar donde se coloquen las baterías entre 15 – 25 grados Celsius (ºC), el frío hace más lento el proceso tanto de carga como descarga; y el calor aumenta la evaporación del agua del electrolito y promueve la oxidación de las placas positivas.  Siempre que sea posible, fijar bien las baterías, evitando su movimiento.  Mantener los terminales de conexión limpios, apretados (no en exceso) y seca la carcasa de la batería.  Mantener el nivel del electrolito adecuado, añadiendo agua destilada en caso de ser necesario, evitando tanto dejar las placas al aire como el llenado excesivo que provoque el desbordamiento del electrolito.  Evitar la descarga completa del electrolito


26

 Comprobar el funcionamiento del cargador de la batería, las cargas excesivas o insuficientes pueden disminuir su vida útil.  Evitar, siempre que se pueda, las cargas rápidas de las baterías, ya que les hacen sufrir importantes deterioros a mediano plazo.  Comprobar que no hay diferencia de carga entre las distintas celdas de la batería, y si fuera así, efectuar una carga de nivelación.

1.13 REGULADORES DE CARGA

En general, la primera necesidad es evitar la descarga de las baterías sobre los paneles, para ello básicamente se emplea un diodo que evite este tránsito de energía en forma inversa.

Por otra parte, se debe disponer de un sistema de regulación que evite que la batería se sobrecargue o que se descargue más de la cuenta porque podría deteriorarse.

Los reguladores funcionan monitoreando constantemente la tensión de la batería. Cuando dicha tensión alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada el regulador interrumpe el proceso de carga.

Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por lo tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador de la batería y vuelve a comenzar el ciclo.

El regulador queda definido especificando su nivel de tensión (que coincidirá con el valor de tensión del sistema) y la corriente máxima que deberá manejar.

Estas operaciones actualmente se pueden realizar con el apoyo de un microprocesador que además puede gestionar la forma en que se carga la batería, optimizando la energía que producen los paneles fotovoltaicos.


27

1.14 INVERSORES DE CORRIENTE

Los inversores de corriente, también llamados convertidores, son dispositivos que transforman la corriente continua en alterna. Se basan en el uso de dispositivos electrónicos que actúan como interruptores que permiten interrumpir y conmutar su polaridad.

Los inversores para sistemas conectados a la red de distribución utilizan una fuente exterior (red de distribución) para lograr la conmutación. La señal de salida del inversor sigue la tensión y frecuencia de la red a la que vierte la energía.

Los inversores para sistemas aislados tienen una conmutación forzada (autoconmutados), no necesitan la red porque ellos mismo fuerzan la conmutación.

Para la elección del inversor de sistemas aislados, es necesario tener en cuenta también la forma de la onda producida, ya que en función de esta característica existen diferentes tipos:  De onda senoidal pura  De onda trapezoidal  De onda cuadrada

Los inversores de sistemas aislados de onda senoidal pura son los que reproducen una forma de onda prácticamente idéntica a la red eléctrica y, por consiguiente, permiten alimentar cualquier tipo de carga.

Los de onda trapezoidal y de onda cuadrada puede que no alimenten de forma correcta cargas de tipo electrónica, además producirán más pérdidas en equipos de consumo senoidal. Su elección está justificada cuando las cargas no son elevadas y la forma de onda no es determinante para su correcto funcionamiento.


28

1.15 APLICACIONES Y VENTAJAS DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los módulos y la batería, respectivamente, y por la disponibilidad del recurso solar. Técnicamente un sistema fotovoltaico puede producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad que se puede instalar.

Aunque la red convencional de suministro eléctrico se encuentra muy extendida, quedan muchos casos en los que un generador fotovoltaico puede competir con ella.

La tecnología fotovoltaica permite realizar instalaciones que alimentan sistemas alejados de la red de distribución, incluso se pueden realizar sistemas de generación distribuida, de tal forma que se genere la energía en lugares próximos a los puntos de consumo, mediante la formación de una pequeña red de distribución.

Generalmente, este tipo instalaciones eléctricas es utilizado en zonas excluidas de la red de distribución eléctrica o de difícil acceso a ella, pudiendo trabajar de forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional.

Sus principales aplicaciones son para la electrificación de:  Sistemas de bombeo de agua  Repetidores de televisión y telefonía  Alumbrado (doméstico y público)  Pequeños electrodomésticos  Pequeños consumos no destinados a calentamientos


29

 Equipos marítimos, viales, satelitales, antenas

Algunas de sus ventajas son:  No produce polución ni contaminación ambiental  Silenciosa  Tiene una vida útil superior a los 20 años  Resistente a condiciones climáticas extremas  No requiere mantenimiento complejo, solo limpieza del módulo solar y estado de baterías  Se puede aumentar la potencia instalada y la autonomía de la instalación, incorporando nuevos módulos y baterías respectivamente

1.16 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS EN EL MUNDO

Los líderes mundiales en usos de energía fotovoltaica son Alemania y España. En ambos países ya está regulada la inyección eléctrica por sistemas renovables a la red pública de distribución.

Algunos proyectos que actualmente están en uso en España son:  Planta solar fotovoltaica: Isla Mayor, (ver Fotografía 1)

o Ubicación: Isla Mayor, Sevilla

o Contratista: Sun Power

o Potencia total instalada: 8,4 MWp

o Número total de módulos: 41.694 unidades


30

o Potencia nominal: 7 MW

o Superficie ocupada: 39 Ha

o Producción anual: 14,2 GWh

Fotografía 1. Planta solar fotovoltaica Isla Mayor, Sevilla

 Planta solar fotovoltaica: Lebrija, (ver Fotografía 2)

o Ubicación: Lebrija (Sevilla)

o Contratista: Sun Power

o Potencia total instalada: 3,84 MWp

o Número total de módulos: 16.578 unidades

o Superficie ocupada: 14 Ha


31

o Producción anual: 6,5 GWh

Fotografía 2. Planta solar fotovoltaica Lebrija, Sevilla

 Planta solar fotovoltaica: Llerena 1, (ver Fotografía 3)

o Ubicación: Llerena (Badajoz)

o Contratista: Sun Power

o Potencia total instalada: 4,8 MWp

o Número total de módulos: 20.976 unidades

o Superficie ocupada: 22 Ha

o Producción anual: 8,5 GWh


32

Fotografía 3. Planta solar fotovoltaica Llerena 1, Badajoz

 Planta solar fotovoltaica: Llerena 2, (ver Fotografía 4)

o Ubicación: Llerena (Badajoz)

o Contratista: Solon

o Potencia total instalada: 4 MWp

o Número total de módulos: 5.280 unidades

o Superficie ocupada: 31 Ha

o Producción anual: 8,7 GWh


33

Fotografía 4. Planta solar fotovoltaica Llerena 2, Badajoz

En Chile aún no está regulado el suministro por parte de clientes a la red de distribución, pero ya hay proyectos pilotos en la zona norte que buscan un modelo económico, además la empresa española Solarpack ejecutará el primer proyecto fotovoltaico de gran envergadura en Chile llamado “Calama Solar 1”, el cual aportará su energía al Sistema Interconectado del Norte Grande (SING); este proyecto ya fue aprobado por la Comisión Regional del Medio Ambiente (COREMA), algunas características generales del proyectos son:  Nombre: Calama Solar 1, (ver Fotografía 5)

o Ubicación: Carretera Calama, Chiu-Chiu (Región de Antofagasta)

o Potencia instalada: 9 MW

o Superficie: 65 Ha

o Inversión: 40 MM USD


34

o Tensión de conexión: 23 kV

o Construcción finalizada: Diciembre 2010

Fotografía 5. Imágenes virtuales de lo que será Calama Solar 1

 Vivienda iluminada en un 100% con energía fotovoltaica, Arica, (ver Fotografías 6, 7, 8, 9 y 10)

Fotografía 6. Patio de vivienda iluminada con energía fotovoltaica, Arica


35

Fotografía 7. Patio de vivienda iluminada con energía fotovoltaica, Arica

Fotografía 8. Comedor y living de vivienda iluminada con a energía fotovoltaica, Arica


36

Fotografía 9. Conmutador y tablero general de vivienda iluminada con energía fotovoltaica, Arica

Fotografía 10. Sistema fotovoltaico; paneles fotovoltaicos, baterías, regulador de carga, inversor, conmutador y tablero general, Arica


37

Esta vivienda se ilumina desde el año 2003 gracias a la energía fotovoltaica, conectaron desde el tablero general (TG) los circuitos de alumbrado de las piezas y living-comedorpatio a un conmutador el cual tiene 3 tiempos (2-0-1); cuando se encuentra en 2 energiza los recintos desde la red pública (EMELARI), cuando se encuentra en cero está cortado el suministro eléctrico y cuando se encuentra en 1 utiliza energía fotovoltaica. A medida que pasa el tiempo se han dado cuenta del ahorro que esto conlleva, ya que utilizan energía fotovoltaica para iluminar su casa constantemente, es por esto que tienen proyectado para diciembre de este año

aumentar el número de paneles y baterías para comenzar a

energizar fuerza en un tercer interruptor que tiene disponible el conmutador.


CAPÍTULO 2

EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LA PROPUESTA


39

2.1 PLANTEAMIENTO DE LA PROPUESTA

Para un edificio de cinco pisos en la ciudad de Arica se propone el uso de un sistema solar 2

fotovoltaico para iluminar las áreas comunes, el área común es de 17,5 m por piso. Se estiman consumos para la iluminación de estas áreas y con estos se calcula el sistema fotovoltaico propuesto y se compara la inversión inicial y reposición de baterías con los costos asociados para iluminar estas áreas con energía tradicional.

2.2 EVALUACIÓN TÉCNICA

2.2.1 Aplicación de la propuesta técnica

Para la implementación de un sistema solar fotovoltaico como sistema complementario en la iluminación de áreas comunes en edificios que se propone en esta investigación, se define un edificio que cuenta con cinco pisos, cuatro departamentos por piso y un área común por 2

piso de 17,5 m ; donde se estudia la posibilidad de instalar un sistema fotovoltaico capaz de iluminar las áreas comunes.

Este edificio se encuentra en la ciudad de Arica, por lo que se consideran datos de radiación solar para dicha ciudad y una latitud de cálculo de 18,5 grados sur.

Debido a que el edificio no fue pensado para utilizar energías renovables, se proyecta una instalación fotovoltaica aislada la cual energizará el tablero de alumbrado de servicios comunes (TDA SC) pasando previamente por un conmutador, para que si en algún momento las baterías no tienen la energía necesaria para energizar las instalaciones, éstas se puedan energizar desde la red de distribución pública.

Este sistema estará compuesto por paneles fotovoltaicos, baterías, regulador de carga, inversor y protecciones necesarias, (ver Figura 7). Estará emplazado en la cubierta del edificio por lo que no se producirán pérdidas por sombras.


40

Radiación

Producción

Acumulador

Utilización

Inversor Regulador

Conmutador Lámparas

Módulo

TDA SC

Batería

Figura 7. Tipo de instalación proyectada para edificio en estudio

2.2.2 Dimensionado de una instalación

El método de cálculo está basado en el pliego de condiciones técnicas del Instituto para la Diversificación y Ahorro Energético (IDEA, España). El procedimiento de este método contempla los siguientes puntos:  Determinación de las cargas energéticas previstas que la instalación ha de satisfacer.  Determinación de la cantidad de energía incidente disponible en la ubicación de la instalación.  Determinación de las pérdidas por efecto de la orientación e inclinación del campo de captación (FI), así como de las sombras (FS), si las hubiese, y el valor de la constante K en función del período de diseño.  Determinación de la energía incidente en el plano de captación de los módulos solares.  Determinación de la potencia mínima necesaria para asegurar el abastecimiento energético.  Determinación de la potencia en función de los valores comerciales de los módulos solares y la configuración del sistema.


41

 Determinación del almacenamiento necesario para asegurar una autonomía, frente a períodos de baja producción o consumos mayores a los previstos.

2.2.3 Determinación del consumo de energía de la instalación

Para diseñar un sistema fotovoltaico se debe considerar dos aspectos referentes a las cargas de consumo:  Potencia de cada carga.  Horas de utilización de cada carga.

Puede ser difícil conocer con exactitud las horas de utilización de cada carga, pero se puede hacer una estimación de las horas de funcionamiento.

Para este caso se determinarán los consumos de 7 ampolletas de bajo consumo (alta eficiencia), las cuales pueden ser fluorescentes o lámparas de bajo consumo. Para estos sistemas se evitarán lámparas incandescentes.

En este método también se consideran los autoconsumos de los equipos, tales como el regulador, inversor, y otros que formen parte de la instalación; para ello se estima un autoconsumo de 5%.

Conociendo las cargas, su potencia y sus horas de funcionamiento al día, se puede estimar la energía demandada (ED), ver Tabla 2.

Potencia (W)

Tensión (V)

Horas funcionamiento día

Nº uni

ED (Wh/día)

Ampolleta eficiente

20

220

12

7

1.680

Autoconsumo

84

220

1

1

84

1.764

(Wh/día)

Receptor

Total energía demandada Tabla 2. Energía demandada edificio en estudio


42

2.2.4 Localización geográfica

La ubicación elegida es Arica – Chile, latitud = 18.5º Sur  Inclinación óptima (βopt) La instalación se diseña bajo el criterio de cubrir la demanda energética anual, por lo que la inclinación óptima de los módulos se calcula con la Ecuación 1.

βopt = φ -10 φ latitud en grados

Ecuación 1. Inclinación óptima según latitud

Reemplazando en la Ecuación 1: βopt = 18.5 – 10 = 8.5 Pero, el diseño de la instalación es en la cubierta del edificio que tiene una pendiente de 3º, por lo que la inclinación real de los módulos (βr) es de 3º.  Orientación óptima (αopt) La orientación óptima es el Norte geográfico, por lo que se dispondrán los paneles fotovoltaicos hacia dicho sentido (Azimut = 0º o 360º)  Radiación horizontal diaria media

Con el criterio de diseño para cubrir la demanda anual, la radiación horizontal disponible 2

2

2

por (m /día) es de 4554 (kcal/(m /día)). Su equivalente en kWh/(m /día) es:

Gdm(0) =

4.554

kcal 2

m /día

x

1

kWh = 5,296

859,92 kcal

kWh m2/día


43

2.2.5 Factor de integración

Según la ubicación de los módulos solares y de su diferencia frente a las condiciones óptimas, se calculan las pérdidas por orientación e inclinación, con la Ecuación 2.

FI = 1 - [ 1,2*10 -4 * (βr - βopt)2 + 3,5*10-5 * αr2]

Ecuación 2. Factor de integración

Donde:

FI: Factor de integración.

βr: Inclinación real de los módulos solares. βopt: Inclinación óptima de los módulos solares. αr: Azimut real de los módulos solares. Reemplazando en la Ecuación 2: -4

2

-5 2

FI = 1 – [1.2x10 (3-8.5) + 3.5x10 0 ] = 0,996

Las pérdidas por orientación e inclinación se calculan con la Ecuación 3.

POI = (1-FI)*100

Ecuación 3. Pérdidas por orientación e inclinación

Reemplazando en la Ecuación 3:

POI = (1-0,996) x100 = 0,4%

El valor límite propuesto por el pliego de condiciones técnicas del IDAE es del 20%. Dado que el valor obtenido anteriormente es inferior, la instalación propuesta en la cubierta es válida bajo este aspecto.


44

2.2.6 Estudio de sombras

El factor de sombras (FS) se obtiene de acuerdo a la Ecuación 4.

(100 - % pérdidas por sombreado) FS = 100

Ecuación 4. Factor de sombras

Para esta evaluación se estima que no existen pérdidas por sombreado, debido a que no existen edificios que proyecten sombras sobre la cubierta del edificio en estudio, por lo que reemplazando en la Ecuación 4:

FS = (100-0)/100 = 1

2.2.7 Cálculo de la radiación incidente

Para el cálculo de la radiación incidente sobre el plano de los módulos solares, incluyendo las pérdidas por orientación e inclinación y las sombras, se utiliza la Ecuación 5.

Gdm(αr,βr) = Gdm (0) x K x FI x FS

Ecuación 5. Radiación sobre los módulos; incluyendo pérdidas por orientación, inclinación y sombras

Donde: 2

Gdm(0) = radiación diaria sobre 1m en el plano situado en la horizontal. K: variable de diseño según período, ver Tabla 3.

FI: factor de irradiación.

FS: factor de sombras


45

Periodo diseño

βopt

K

anual

Ф - 10

1,15

invierno

Ф +10

1,7

verano

Ф - 20

1

Ф = latitud en grados Tabla 3. Períodos de diseño habituales y la correspondiente inclinación óptima (βopt) del generador que hace que la energía sea máxima2

Reemplazando en la Ecuación 5:

Gdm(αr,βr) =

5,296 x 1,15 x 0,996 x 1

=

6,066

kWh (m2/día)

2.2.8 Cálculo de la potencia eléctrica mínima necesaria

El dimensionado mínimo del generador se obtendrá aplicando Ecuación 6 y reemplazando en ella los datos calculados

Pmp,min =

EDGCEM Gdm(αr,βr)PR

Ecuación 6. Potencia mínima para el generador

Siendo:

Pmp,min: Potencia mínima a instalar en el campo solar (kW p). ED: Demanda energética diaria de la instalación (kWh/m 2). 2

GCEM: Constante de valor 1 (kW/m ). Gdm(αr,βr): Radiación diaria media disponible sobre el plano de los módulos solares 2

(kWh/(m /día)).

2

Instituto para la Diversificación y Ahorro Energético (IDAE)


46

PR: “performance ratio” o rendimiento energético de la instalación.

En instalaciones aisladas, se puede considerar aproximadamente los valores indicados en Tabla 4, para estimar su rendimiento.

Sistemas

PR

con inversor

0,7

con inversor y batería

0,6

Tabla 4. Rendimiento energético según tipo de instalación 3

Aplicando los valores obtenidos, en la Ecuación 6, se tiene: Pmp,min = (1,764x1)/(6,066x0,6) = 0,485 (kW p) Dado que no es posible encontrar un valor comercial exactamente igual, se establece un máximo para ajustar la potencia del campo solar a los valores comerciales más adecuado. Para esto se utiliza la Ecuación 7.

Pmp,máx = 1,2 x Pmp,min

Ecuación 7. Potencia máxima para el generador

Reemplazando en la Ecuación 7, se obtiene:

Pmp,máx = 1,2 x 0,485 = 0,582 kW p Entonces el campo solar deberá estar comprendido entre los valores 0,485 (kW p) y 0,582 (kW p). 2.2.9 Tensión de trabajo del acumulador

En función de la envergadura de la instalación, es decir, de la potencia del campo solar que se obtenga, se determinará la tensión de trabajo de la instalación, en lo que al sistema de acumulación se refiere.

3

IDAE


47

Se pueden establecer valores de referencia para determinar la tensión de trabajo en función de la potencia obtenida según Tabla 5.

Referencias de elección potencia < 400 W p

12 V

400 Wp < potencia < 5000 W p

24 ó 48 V

potencia > 5000 W p

48 - 110 V

Tabla 5. Tensión de trabajo en función de la potencia4

Para este caso y en función de la potencia obtenida (0,485 – 0,582 kW p), la tensión de trabajo puede ser de 24 V ó 48 V.

Para evitar excesivas pérdidas en el cobre, se diseña la instalación con una tensión de trabajo de 24 V.

2.2.10 Elección del módulo solar y configuración del campo solar

El módulo solar a emplear debe tener una tensión de trabajo algo superior a la tensión de trabajo del acumulador, por lo que se busca un módulo con una tensión en el punto de máxima potencia superior a 24 V, o en su defecto, que puestos en serie varios módulos solares la suma de sus tensiones en el punto de máxima potencia supere la tensión del acumulador.

Para este caso se presupuesta un módulo solar que tiene las características que muestra la Tabla 6 y Figura 8.

4

IDAE


48

ÍTEM

CARACTERÍSTICAS

Marca

Kyocera

Modelo

KC50T

Potencia nominal

50 W

Tensión nominal (VMPP)

17,4 V

Intensidad nominal (IMPP)

3,11 V

Intensidad de cortocircuito (ISC)

3,31 A

Dimensiones

639x652x54 (mm)

Peso (aprox.)

5,0 kg

Tabla 6. Características panel fotovoltaico Kyocera KC50T

Figura 8. Panel fotovoltaico Kyocera KC50T

La tensión del módulo fotovoltaico es de 17,4 V, y como la configuración necesaria para el sistema propuesto es de 24 V se deben instalar 2 módulos fotovoltaicos en serie cada uno, como muestra el Diagrama 1.


49

Diagrama 1. Esquema de 2 módulos fotovoltaicos conectados en serie

El número de ramas iguales a las proyectadas, que hay que instalar en paralelo, se calculan con la Ecuación 8.

Nº ramas =

Pmp,min Prama

Ecuación 8. Número mínimo de ramas


50

Reemplazando en la Ecuación 8:

Nº ramas

=

485 W p

=

4,85

ramas

5 ramas

100 W p

Entonces el sistema tendrá 5 ramas en paralelo y cada una de estas ramas tendrá 2 módulos conectados en serie, con lo que se aportará una potencia instalada calculada con la Ecuación 9.

PGEN = Prama x Nº ramas Ecuación 9. Potencia del generador

Reemplazando en la Ecuación 9, se obtiene:

PGEN = 100 (W p) x 5 = 500 (W p) = 0,500 (kW p) Dado que la potencia máxima admitida es de 0,582 (kW p) y la potencia presupuestada está por debajo de este valor, la instalación es viable bajo este aspecto.

Entonces, el sistema solar fotovoltaico estará formado por 5 ramas en paralelo y cada rama tendra 2 paneles fotovoltaicos conectados en serie, como muestra el Diagrama 2.


51

Diagrama 2. Esquema de sistema solar proyectado para edificio en estudio

2.2.11 Diseño del acumulador

La capacidad del acumulador se calculará con la Ecuación 10.

A x LD C20 =

PDmax x ηinv x ηrb

Ecuación 10. Capacidad del acumulador

Donde:

C20: Capacidad del acumulador en Ah.


52

A: Autonomía del sistema en días (autonomía propuesta de 3 días).

LD: Consumo diario medio de la carga en Ah. PDMAX: Profundidad de descarga máxima. ηinv: Rendimiento energético del inversor. ηrb: Rendimiento energético del acumulador + el regulador. La utilización de C20 en vez de C100 lleva a sobredimensionar el acumulador en 25%, pero se compensa con la pérdida de capacidad con el tiempo.

Algunas consideraciones que se deben tomar:  La autonomía prevista mínima que propone el IDAE es de 3 días como mínimo, pero puede ser demasiado bajo para zonas de baja radiación donde pueden darse periodos largos de días nublados.  Las tensiones del regulador se ajustan de forma que la profundidad de descarga máxima sea del 80%.  La eficiencia energética del inversor se estima en un 85%, y la del regulador más el acumulador en un 81%.

Primero se calcula el consumo diario medio, de acuerdo a la Ecuación 11.

LD =

ED V

Ecuación 11. Consumo diario medio en Ah

Donde:

ED: Energía demandada por la instalación.


53

V: Tensión de trabajo del acumulador.

Reemplazando en la Ecuación 11:

LD = 1.764 (Wh)/24 (V) = 73,5 (Ah) Aplicando los valores en la Ecuación 10 se obtiene:

C20 =

3 x 73,5 0,8 x 0,85 x 0,81

=

400

(Ah)

La capacidad nominal de la bateria no excederá en 25 veces la corriente de cortocircuito en condiciones estándar de medida (CEM) del generador fotovoltaico, por lo que debe cumplirse la Inecuación 1.

C20

< 25

ICC Inecuación 1. Capacidad nominal de la batería

Reemplazando valores en la Inecuación 1, se obtiene:

400

=

24,2

<

25

(cumple)

16,5

Para este caso se presupuesta un acumulador con las siguientes caracteristicas: C100 = 250 (Ah), con 6 vasos de 2V teniendo un total del 12V.

Para conocer la capacidad C20 se utiliza la Ecuación 12.

C100 C20

=

1,25

Ecuación 12. Relación para transformar los datos del acumulador en otra escala de tiempo


54

Reemplazando en la Ecuación 12, se obtiene:

C20 = C100/1,25 = 250/1,25 = 200 (Ah) Entonces se proyecta la instalación de cuatro acumuladores de 200 (Ah) C20 y 12 (V) para cumplir los requerimientos del sistema, ver Diagrama 3.

400 Ah C20 24 V

Diagrama 3. Diagrama de conexiones propuesto para acumuladores

2.2.12 Diseño del regulador de carga

El regulador se seleccionará atendiendo a la máxima intensidad que pueda manejar. Debe soportar:  Un incremento del 25% de la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida, (ver Ecuación 13).

Imáxima entrada regulador = 1,25 x ICC GEN Ecuación 13. Corriente máxima de entrada al regulador

Reemplazando en la Ecuación 13, se obtiene:


55

Imáxima entrada regulador = 1,25 x 16,5 = 20,7 ≈ 21 (A)  Un incremento del 25% de la corriente máxima de la carga de consumo, ver Ecuación 14.

Imáxima salida regulador = 1,25 x Imax carga Ecuación 14. Corriente máxima en la salida del regulador

La condición más desfavorable de la carga se dará cuando todos los receptores demanden energía simultáneamente. Este valor se calcula con la Ecuación 15.

∑potencias IMAX CARGA =

V acumulador

Ecuación 15. Condición más desfavorable de la carga

Reemplazando en la Ecuación 15 se obtiene:

IMAX CARGA =

(20 x 7) + (84 x 1) 24

=

224 24

=

9,3 ≈ 10 (A)

Se reemplaza en la Ecuación 14, por lo que la intensidad que ha de soportar el regulador a la salida es:

Imáxima salida regulador = 1,25 x 10 (A) = 12,5 (A) Se presupuestará con un regulador que presente valores comerciales lo más aproximados a los obtenidos, tanto para la entrada y salida. En el caso de que no se disponga en catálogo de algún regulador con estos requerimientos, puede recurrirse a la instalación en paralelo de dos o más elementos de tal forma que el conjunto sí cumpla con las expectativas previstas.


56

2.2.13 Diseño del inversor

Ya que para el diseño se ha previsto que todas las cargas puedan funcionar simúltaneamnte, la potencia de salida del inversor ha de ser igual o superior al total de la potencia de las cargas que demanden energía simúltaneamente.

La potencia del inversor se calculará según la Ecuación 16.

Pinversor =

∑ potencias ηinv

Ecuación 16. Potencia del inversor

Reemplazando en la Ecuación 16, se tiene:

Pinversor = 224/0,85 = 263,5 (W) Esta instalación fotovoltaica desde el punto de vista técnico es factible según cálculos expuestos, en base a las condiciones técnicas del IDAE. El Diagrama 4 muestra la instalación fotovoltaica propuesta.


57

Diagrama 4. Instalación fotovoltaica propuesta

2.3 EVALUACIÓN ECONÓMICA

2.3.1 Ahorro económico de la propuesta

El ahorro económico de la instalación se verá reflejado en la cantidad de kWh de energía eléctrica que se consumen para iluminar las áreas comunes, ya que con esta propuesta para iluminar dichas áreas no se debería consumir energía eléctrica de la red pública en condiciones estándar; ya que el sistema fotovoltaico instalado en la cubierta proporcionará dicha energía.

2.2.2 Presupuesto de suministros e instalación fotovoltaica proyectada

Una vez realizado el análisis y cálculos del sistema fotovoltaico según la demanda a electrificar, comprobando su factibilidad técnica en la Región de Arica y Parinacota, específicamente en un edificio de la ciudad de

Arica, se determinará, mediante un

presupuesto presentado en la Tabla 7, los costos de suministros e instalación para generar la electricidad necesaria para iluminar las áreas comunes durante toda la noche.


58

ITEM

UNIDAD

CANTIDAD

P.U.

1

Ampolleta eficiente 20 W

DESCRIPCIÓN

uni

7

1.290

9.030

2

Panel solar fotovoltaico Kyocera KC50T, 50 Wp; vida util 25-30 años

uni

10

170.000

1.700.000

3

Acumulador 250 Ah, gel libre mantención(vida util 8 años)

uni

4

125.000

500.000

4

Regulador de carga PRS3030 12/24V 30A

uni

1

92.000

92.000

5

Inversor 24V/220V, 300W

uni

1

43.000

43.000

6

Conmutador eléctrico

uni

1

30.000

30.000

7

Moldura PVC legrand, tira 2m

tira

8

790

6.320

8

Suministro para cableado

gl

1

30.000

30.000

9

Mano de obra instalación

gl

1

125.000

125.000

10

Flete

gl

1

250.000

Total Neto

TOTAL

250.000 2.785.350

IVA (19%)

529.217

Total

3.314.567

Tabla 7. Presupuesto de la instalación fotovoltaica para edificio en estudio; precios al 20/Abril/2010, Saxamar Iquique

Se estima que los trabajos se ejecutarán en un plazo de 5 días, y la mano de obra será un maestro eléctrico de primera más un ayudante; además de un supervisor capacitado en el tema.

2.3.3 Beneficios del sistema fotovoltaico

Con el sistema fotovoltaico después de realizar la inversión inicial para ejecutar este proyecto, no se deberán cancelar cuentas eléctricas por concepto de iluminación de áreas comunes, ya que el sistema está proyectado para 3 días de autonomía por lo que podrá abastecer sin problemas las cargas estando las baterías por 3 días sin recargarse lo cual es difícil que ocurra en la ciudad de Arica debido al gran potencial solar existente; y los costos de operación y mantención son muy bajos, solo se deberá invertir en la reposición de baterías cada 8 años.

Realizando una inversión de $ 3.314.567 y comparando esta cifra con las cuentas eléctricas que tendría que pagar la comunidad del edificio en estudio si éste siguiera funcionando como lo hace hasta hoy (con energía convencional), se tiene que esta inversión se recupera en 12 años ver Tabla 10, página 66. Además se deja de emitir CO2, ver Ecuación 17, página 65, al medio ambiente con lo que se ayuda a evitar el calentamiento global.

Por otro lado este sistema da independencia energética, lo cual es muy importante en estos días, ya que después del terremoto de febrero quedó en evidencia las falencias del sistema tradicional y lo necesario que es tener electricidad y alternativas para obtenerla.


59

2.3.4 Alzas de la energía eléctrica en Chile

Según datos de un estudio de la Cámara de Comercio de Santiago (CCS), en el 2007 Chile gastó en energía US$ 10.700 millones, el doble de lo que hubiese gastado de haberse mantenido los precios vigentes en el año 2003.

Entre los factores que han impactado el alza de precios está el elevado valor del petróleo, interrupción del gas natural argentino, la sequía que afecta al territorio nacional, el aumento del precio del carbón, entre otros.

Este panorama global ha derivado en un pronunciado aumento de precios en el mercado eléctrico y ha instalado una dosis de incertidumbre en la continuidad del suministro para las próximas décadas.

Los precios nudo, en la actualidad son aproximadamente un 88% superiores a los que rigieron en el 2003, ver Gráfico 1.

6000

5353

5000 4000 3000 il M S$ U 2000 1000

2245 1482 235

0 2004

2005

2006

2007

Año Gráfico 1. Mayor costo de suministro por año en economía chilena5

5

Comisión Nacional de Energía (CNE), 2003


60

2.3.5 Aspectos económicos de la Ley de Energías Renovables No Convencionales (Ley 20.257)

El 1 de Abril entró en vigencia la Ley 20.257 que establece una obligación para las empresas eléctricas, éstas deberán comercializar una parte de la energía eléctrica proveniente de fuentes de Energías Renovables No Convencionales (ERNC).

Las disposiciones principales de esta Ley son:  Cada empresa eléctrica que efectúe retiros de energía desde los sistemas eléctricos con capacidad instalada superior a 200 MW (SING y SIC) para comercializarla con distribuidoras o con clientes finales, deberá acreditar que una cantidad de la energía equivalente al 10% de sus retiros en cada año calendario haya sido inyectada a cualquiera de dichos sistemas, por medios de generación renovables no convencionales, propios o contratados.  Entre los años 2010 y 2014, la obligación de suministrar energía con medios renovables no convencionales será de 5%. A partir de 2015, este porcentaje se incrementará en 0,5% anual, hasta llegar al 10% en el año 2024.  La empresa eléctrica que no acredite el cumplimiento de la obligación al 1 de marzo siguiente al año calendario correspondiente, deberá pagar un cargo, cuyo monto será de 0,4 UTM por cada MWh de déficit respecto de su obligación. Si dentro de los tres años siguientes incurriese nuevamente en incumplimiento de su obligación, el cargo será de 0,6 UTM por cada MWh de déficit.  Esta obligación rige a contar del 1 de enero del año 2010, y se aplica a todos los retiros de energía para comercializarla con distribuidoras o con clientes finales cuyos contratos se suscriban a partir del 31 de agosto de 2007.

Es importante notar que los elementos introducidos por la Ley 20.257 crean una demanda por energía renovable no convencional dentro del sector eléctrico con lo que se introducen nuevos intercambios económicos entre las empresas y eventualmente clientes.


61

2.3.6 Otros aspectos económicos interesantes

En la ciudad de Arica la Empresa Eléctrica de Arica (EMELARI), se adjudicó el financiamiento de la Corporación de Fomento de la Producción (CORFO) a través de Innova 6

Chile, para ejecutar un proyecto piloto de generación fotovoltaica . El proyecto busca crear un modelo de negocio para optimizar el consumo eléctrico neto de clientes, mediante la implementación de generación fotovoltaica en viviendas conectadas a la red.

El proyecto instalará generadores fotovoltaicos en viviendas que estén conectadas a la red de distribución eléctrica. Esto implica una inversión de $ 60.000.000 que será financiada con $ 30.000.000 de CORFO y la diferencia por EMELARI. Se considera la primera etapa de definiciones preliminares del modelo; una segunda etapa de construcción del piloto y puesta en marcha; una tercera etapa de operación y mantenimiento; y una cuarta etapa de análisis de resultados y propuestas, lo que tendrá en total una duración de 2 años. Actualmente, se está partiendo con la primera etapa de este proyecto.

Según conversaciones con Marcos Sanhueza (Ingeniero Civil Eléctrico y uno de los encargados del proyecto), la idea es que la vivienda consuma la energía generada por el sistema fotovoltaico y los excedentes si los hubiese, los vendería a la red de distribución (EMELARI), aún el modelo económico del proyecto no está bien definido pero las primeras ideas que se tienen es que EMELARI compraría el kWh de energía renovable a un precio mayor que el de las energías no renovables, así el cliente tendrá que pagar un delta a fin de mes calculado según kWh consumido menos kWh entregados. Todo esto es para estudiar un plan de desarrollo energético en Chile, ya que existe un potencial solar enorme en el norte grande chileno, ver Figura 9.

6

http://www.cge.cl/noticiasInternas/Paginas/Emelariseadjudicafinanciamiento.aspx


62

Figura 9. Mapa de radiaci贸n global horizontal en el norte grande de Chile7

7

CNE


CAPÍTULO 3

ANÁLISIS COMPARATIVO


64

3.1 ANÁLISIS COMPARATIVO

El precio por kWh de electricidad que la empresa eléctrica de Arica (EMELARI) cobra a sus 8

clientes desde el 1 de Abril del 2010 es de 164,872 pesos (IVA incluido), por lo que para efectos del estudio se tomará ese valor.

Como este estudio va a comparar el ahorro producido por la implementación de un sistema fotovoltaico, se estima que en promedio las luces de áreas comunes estarán encendidas por 12 horas al día. 2

Actualmente, el edificio en estudio ilumina las áreas comunes (17,5 m /piso) con

1

ampolleta incandescente de 60 Watt en cada piso y 2 extras (aplique) en la entrada al edificio teniendo un total de 7 ampolletas incandescentes, este tipo de ampolletas no son recomendables en sistemas fotovoltaicos, ya que transforman mucha energía eléctrica en calórica siendo su iluminación poco eficiente por lo que se cambiarán por ampolletas de bajo consumo (20 W).

En la Tabla 8, se muestra el consumo eléctrico anual proyectado para el edificio en estudio y el valor a pagar mensual por concepto de iluminación en áreas comunes.

SISTEMA TRADICIONAL ACTUAL

MES

N° DÍAS

HORAS DE FUNCIONAMIENTO AL DÍA N° AMPOLLETAS DE AMPOLLETAS

POTENCIA AMPOLLETA UTILIZADA (W)

CONSUMO MENSUAL (kWh/mes)

PRECIO POR kWh ($/kWh)

VALOR A PAGAR ($/Kwh)

ENE

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

FEB

28

12

7

60

141,12

164,872

23.267

MAR

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

ABR

30

12

7

60

151,20

164,872

24.929

MAY

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

JUN

30

12

7

60

151,20

164,872

24.929

JUL

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

AGO

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

SEP

30

12

7

60

151,20

164,872

24.929

OCT

31

12

7

60

156,24

164,872

25.760

NOV

30

12

7

60

151,20

164,872

24.929

DIC

31

12

7

60

156,24

164,872

ANUAL

365

1839,60

25.760 303.299

Tabla 8. Consumo eléctrico mensual y costos asociados por consumo eléctrico para edificio

8

http://prontus.lanacion.cl/prontus_legales/site/artic/20100331/asocfile/20100331105234/op_137813_publ_suministr o_abr10.pdf


65

Según los datos expuestos en la Tabla 8, anualmente se consumen 1.839,60 kWh lo que equivale a $ 303.299. Después que se instale el sistema fotovoltaico la iluminación de áreas comunes tendrá costo cero, solo requiere de una inversión inicial.

Con el sistema fotovoltaico además de evitará la emisión de CO 2 al medio ambiente, esto se puede calcular con la Ecuación 17.

Emisión de CO2 evitada = ED x 0,56 kg/kWh

Ecuación 17. Emisiones de CO2 evitadas al no usar fuentes de electricidad tradicional9

Donde:

ED: Demanda energética Reemplazando,

Emisión de CO2 evitada = 1.839,6 (kWh/año) x 0,56 (kg/kWh)

= 1.030,18 (kg/año)

Entonces anualmente se dejarán de emitir 1.030,18 kg de CO2 al medio ambiente. Las proyecciones estimadas para la vida útil de este sistema y los kg de CO 2 que no se emitirán al medio ambiente serán los que se muestran en la Tabla 9.

Años de vida util

kg de CO2 no emitidos gracias al sistema fotovoltaico

25

25.753

30

30.904

Tabla 9. kg de CO2 no emitidos al medio ambiente gracias al sistema fotovoltaico

9

http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/contenidoExterno/Pub_aula_verde/aulaverde23/art1.html


66

3.2 PROYECCIÓN DE GASTOS POR CONSUMO ELÉCTRICO Y ESTIMACIÓN DE PERIODO DE RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN

En la Tabla 10, se muestran los costos asociados a las cuentas por consumo eléctrico estimadas para el edificio en estudio, los costos de la inversión inicial para implementar un sistema fotovoltaico y los costos de reposición de baterías según vida útil de éstas.

AÑO

Consumo (kWh/año)

Valor a pagar ($/año)

Valor a pagar acumulado ($)

Costo inversión ($)

Costo acumulado inversión

Δ(valor a pagar acumulado inversión fotovoltaica)

0

1839,6

303.299

303.299

3.314.567

3.314.567

-3.011.268

1

1839,6

303.299

606.597

0

3.314.567

-2.707.970

2

1839,6

303.299

909.896

0

3.314.567

-2.404.671

3

1839,6

303.299

1.213.194

0

3.314.567

-2.101.373

4

1839,6

303.299

1.516.493

0

3.314.567

-1.798.074

5

1839,6

303.299

1.819.791

0

3.314.567

-1.494.776

6

1839,6

303.299

2.123.090

0

3.314.567

-1.191.477

7

1839,6

303.299

2.426.388

0

3.314.567

-888.179

8

1839,6

303.299

2.729.687

500.000

3.814.567

-1.084.880

9

1839,6

303.299

3.032.985

0

3.814.567

-781.582

10

1839,6

303.299

3.336.284

0

3.814.567

-478.283

11

1839,6

303.299

3.639.582

0

3.814.567

-174.985

12

1839,6

303.299

3.942.881

0

3.814.567

128.314

13

1839,6

303.299

4.246.179

0

3.814.567

431.612

14

1839,6

303.299

4.549.478

0

3.814.567

734.911

15

1839,6

303.299

4.852.776

0

3.814.567

1.038.209

16

1839,6

303.299

5.156.075

500.000

4.314.567

841.508

17

1839,6

303.299

5.459.374

0

4.314.567

1.144.807

18

1839,6

303.299

5.762.672

0

4.314.567

1.448.105

19

1839,6

303.299

6.065.971

0

4.314.567

1.751.404

20

1839,6

303.299

6.369.269

0

4.314.567

2.054.702

21

1839,6

303.299

6.672.568

0

4.314.567

2.358.001

22

1839,6

303.299

6.975.866

0

4.314.567

2.661.299

23

1839,6

303.299

7.279.165

0

4.314.567

2.964.598

24

1839,6

303.299

7.582.463

500.000

4.814.567

2.767.896

25

1839,6

303.299

7.885.762

0

4.814.567

3.071.195

26

1839,6

303.299

8.189.060

0

4.814.567

3.374.493

27

1839,6

303.299

8.492.359

0

4.814.567

3.677.792

28

1839,6

303.299

8.795.657

0

4.814.567

3.981.090

29

1839,6

303.299

9.098.956

0

4.814.567

4.284.389

30

1839,6

303.299

9.402.254

0

4.814.567

4.587.687

Tabla 10. Costos por consumo eléctrico, costos de inversión y reposición de baterías del sistema fotovoltaico; periodo de recuperación de la inversión

Como se muestra en la Tabla 10, a partir del año 12 la inversión estará recuperada generando un ahorro para ese año de $ 128.314. Si el sistema fotovoltaico tuviese una vida útil de 25 años se estima un ahorro de $ 3.071.195 y si el sistema se pudiese mantener hasta los 30 años de vida útil se ahorrarían $ 4.587.687. Esto sin tomar en cuenta que año a


67

año los costos por suministro de energía eléctrica seguirán aumentando debido a que los combustibles no renovables cada vez son más escasos, ver Gráfico 2.

Gráfico 2. Precio nudo energía para SING y SIC10

10

CNE


CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES


69

4.1 CONCLUSIONES CON RESPECTO A LOS OBJETIVOS PLANTEADOS

Al iniciar este estudio, se planteó la problemática sobre los efectos medioambientales y la escasez de energía. El uso de energías renovables, especialmente la solar fotovoltaica, se presenta, en este estudio como apoyo a la generación de electricidad.

En Chile, como en

muchos países, la búsqueda de fuentes de energías propias e

independientes para satisfacer la demanda energética ha llevado a la exploración y utilización de energías renovables.

El uso de energías renovables como la solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz o biomasa, no se pueden plantear como una alternativa de sustitución total de las fuentes convencionales en un corto plazo, ya sea por la falta de desarrollo tecnológico y/o sus altos costos iniciales. Sin embargo, no se pretende sustituir los sistemas actuales por uno basado en las energías renovables, sino que ir incorporando éstas a un sistema que integre cada vez más tecnologías limpias y seguras.

4.1.1 Conclusiones con respecto a la evaluación técnica y económica

El sistema solar propuesto está compuesto por 10 paneles solares fotovoltaicos, 4 baterías, 1 regulador de carga y 1 inversor; se proyectó para el uso simultáneo de 7 ampolletas durante 12 horas continuas en la tarde-noche; con una autonomía de 3 días, o sea, el sistema podrá iluminar las áreas comunes hasta 3 días sin recargarse, lo cual es muy poco probable en la Región de Arica y Parinacota debido al gran potencial solar presente. Sin embargo, ya que el edificio está actualmente energizado por la red de distribución pública (EMELARI), esta energía y la proveniente del sistema fotovoltaico se proyecta que lleguen a un conmutador, el cual va a dar la opción de energizar las luminarias de áreas comunes desde la red pública o utilizando la energía solar. Utilizar un conmutador es una buena opción ya que da la alternativa de utilizar 2 fuentes de energía independientes lo que asegura un suministro eléctrico constante frente a algún problema. Según lo expuesto, un proyecto fotovoltaico es factible técnicamente en el norte de Chile.

Económicamente es atractivo, si se piensa como una inversión a largo plazo, ya que el periodo de recuperación de la inversión es largo y la vida útil del proyecto es aún mayor. Para implementar este proyecto se necesitan $ 3.314.567, lo que se recupera al cabo de 12


70

años siendo su vida útil entre 25

a 30 años, según mantención y calidad de los

componentes del sistema fotovoltaico.

4.1.2 Conclusiones con respecto al análisis comparativo

Al dejar de iluminar las áreas comunes con energía tradicional y utilizar la energía solar como fuente de generación de electricidad se dejarán de emitir al año 1 tonelada de CO2 al medio ambiente, además se asegura el abastecimiento energético para los consumos que fueron proyectados, dando independencia, seguridad y autonomía frente una catástrofe.

También se logra un ahorro en dinero a medida que pasa el tiempo, ya que los costos acumulados por suministro eléctrico del sistema tradicional al año 12 serían de $ 3.942.881 y para el mismo año la inversión total del sistema fotovoltaico será de $ 3.814.567, por lo que se genera un ahorro de $ 128.314 por concepto del suministro eléctrico. Si se proyectan los ahorros producidos por el sistema fotovoltaico, al año 25 se proyecta un ahorro de $ 3.071.195 y al año 30 el ahorro sería de $ 4.587.687, esto sin tomar en cuenta las constantes alzas que seguirá sufriendo el precio por suministro de kWh.

4.2 CONCLUSIONES CON RESPECTO AL TEMA

Chile está tomando conciencia de la necesidad de invertir en fuentes de energías renovables. En abril de este año entró a regir la Ley

de Energías Renovables No

Convencionales (Ley 20.257) por lo que las empresas eléctricas deberán comercializar una parte de la energía eléctrica proveniente de fuentes renovables no convencionales a partir de este año; se estima que para el 2024 el 10% de la energía comercializada provenga de fuentes renovables no convencionales.

La Región de Arica y Parinacota, ya desde hace algunos años, tiene presente lo importante que es aprovechar la energía solar que poseen y es por esto que existen varios proyectos fotovoltaicos funcionando actualmente, siendo principalmente los de luminaria vial. Sin embargo, ya mediante CORFO y EMELARI se estudia un modelo económico para que clientes puedan vender energía eléctrica a la red de distribución, lo que resulta tentador ya que disminuiría el periodo de retorno de una inversión fotovoltaica; esto debido a que cuando las baterías estén cargadas se podrá inyectar energía a la red pública.


71

Se desprende con esta investigación que tanto técnica y económicamente es viable un proyecto de este tipo; más aún por la obligación de empresas distribuidoras de electricidad a comprar energía proveniente de ERNC, por la escasez y dependencia energética que vivió Chile hace algunos años, por la independencia y seguridad que entrega tener un sistema autosustentable para alimentar necesidades básicas, ya que con un sistema fotovoltaico se genera electricidad la cual en casos de catástrofes y/o emergencia puede alimentar sistemas de comunicación, antenas, bombas de agua, artefactos básicos de viviendas como radio, tv, celulares. Después del terremoto de febrero de este año, quedó en evidencia lo indispensable que es tener una fuente de energía independiente, segura y continua. Y la energía fotovoltaica en el norte de Chile es una nueva fuente que ya se está utilizando.

Finalmente, el gran debate surgido a propósito de toda la adversa contingencia que ha acompañado al sector eléctrico en los últimos años, deriva necesariamente al replanteamiento de la arquitectura global energética del país, para lo cual resulta indispensable que se sigan proponiendo nuevas investigaciones respecto al tema planteado.


BIBLIOGRAFÍA


73

 Rn nvodrigo Palma Behnke, Guillermo Jiménez Estévez, Ignacio Alarcón Arias, Las Energías Renovables No Convencionales en el Mercado Chile, Proyecto Energías Renovables No Convencionales (CNE/GTZ), Marzo 2009.

Páginas web consultadas (octubre 2009 – abril 2010)  http://www.bureauveritasformacion.com/energia-solar-fotovoltaica--708.aspx  http://www.solener.cl/  http://www.e-solar.cl/  http://www.cne.cl  http://www.sec.cl  http://www.nodosolar.cl  http://foroenergias.blogspot.com/  http://www.sitiosolar.com/La%20historia%20de%20la%20energia%20solar%20fotovoltaic a.htm  http://foroenergias.blogspot.com/2010/01/por-unanimidad-de-sus-miembros.html  http://www.saxamar.cl/energia_solar.asp  http://www.bureauveritasformacion.com/energia-solar-fotovoltaica--708.aspx  http://revistaurbanismo.uchile.cl/CDA/urb_completa/0,1313,ISID%253D530%2526IDG%2 53D2%2526ACT%253D0%2526PRT%253D14974,00.html  http://www.elmorrocotudo.cl/admin/render/noticia/22214


74

 http://www.cge.cl/noticiasInternas/Paginas/Emelariseadjudicafinanciamiento.aspx  http://www.heliplast.cl/lista-de-precios.htm  http://www.solarshop.cl/category.php?id_category=8  http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/contenidoExterno/Pub_aula_verde/aulave rde23/art1.html  http://www.solarweb.net/forosolar/fotovoltaica-sistemas-aislados-la-red/18757-conectarbaterias.html  http://www.solarweb.net/forosolar/  http://www.electricistas.cl/Ahorro.html  http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Electricidad_Energia/Baterias_y_tecnol ogias/Baterias_tecnologias.htm

Cursos realizados  Gestión de Proyectos Sustentables, Cámara Chilena de la Construcción, Septiembre Diciembre 2009.  Energía Solar Fotovoltaica, Bureau Veritas, curso on-line, diciembre 2009 – febrero 2010.


ANEXOS


ANEXO 1

PLANOS DE EDIFICIO EN ESTUDIO


Planta alumbrado รกreas comunes nivel 1, Edificio en estudio


Planta alumbrado รกreas comunes nivel 2, 3, 4 y 5, Edificio en estudio


Esquema vertical, Edificio en estudio


ANEXO 2

TARIFAS DE SUMINISTRO ELÉCTRICO EMELARI


81

Tarifas de suministro elĂŠctrico a contar del 1 de abril del 2010, EMELARI


ANEXO 3

INFORMACIÓN TÉCNICA PANEL FOTOVOLTAICO PROPUESTO


83

CaracterĂ­sticas panel fotovoltaico propuesto


84

CaracterĂ­sticas panel fotovoltaico propuesto


ANEXO 4

USOS DE ENERGÍAS RENOVABLES NO CONVENCIONALES EN LA REGIÓN DE ARICA Y PARINACOTA


86

Actualmente en la Región de Arica y Parinacota, existe un gran interés en explotar la energía solar porque conocen el gran potencial, por tal motivo han puesto en marcha varios proyectos tales como: Iluminación vial (iluminación vial en la ciudad, señaleticas, puente Chacalluta Chacabuco, letreros informativos, entre otros.)  Iluminación vial, calle Capitán Avalos; ver Fotografías 10, 11, 12 y 13

Fotografía 10. Avenida Capitán Avalos; luminaria vial energizada gracias a energía fotovoltaica, Arica


87

Fotografía 11. Avenida Capitán Avalos; luminaria vial energizada gracias a energía fotovoltaica, Arica

Fotografía 12. Avenida Capitán Avalos; señaletica vial energizada gracias a energía fotovoltaica, Arica


88

Fotografía 13. Avenida Capitán Avalos; señaletica vial energizada gracias a energía fotovoltaica, Arica

 Puente Cachalluta, ver Fotografías 14 y 15

Fotografía 14. Puente Chacalluta, Arica; luminaria vial energizada gracias a energía fotovoltaica


89

Fotografía 15. Puente Chacalluta, Arica; luminaria vial energizada gracias a energía fotovoltaica

 Puente Chacabuco, Interior de Arica; ver Fotografía 16

Fotografía 16. Puente Chacabuco, saliendo de Arica hacia el interior; se energiza gracias a energía fotovoltaica


90

 Letrero informativo, saliendo de Arica hacia el Interior (Putre), ver Fotografía 17

Fotografía 17. Letrero informativo saliendo de Arica hacia el interior; se energiza gracias a energía fotovoltaica


91

 Pueblo el Mallku, km 88 al interior de Arica, ver Fotografías 18, 19, 20, 21, 22, 23 y 24

Fotografía 18. Pueblo de Mallku, se autoabastece en su totalidad de energías renovables

Fotografía 19. Paneles fotovoltaicos, alimentan consumos eléctricos de la familia


92

Fotografía 20. En el fondo se ve el aerogenerador el cual aporta energía eléctrica y al frente un sistema solar térmico con el cual se abastecen de agua caliente

Fotografía 21. Caseta donde está el regulador de carga, las baterías y el inversor del sistema híbrido que energiza la vivienda de esta familia


93

Fotograf铆a 22. M贸dulo fotovoltaico orientaci贸n norte


94

Fotografía 23. Sistema fotovoltaico que abastece de energía a radio

Fotografía 24. Collage de fotos de la familia Troncoso-Chellew, se abastece completamente de energías renovables no convencionales


95

Pueblo de Mallku km. 88 al interior de Arica, es un particular pueblo ya que solo vive una familia constituida por ambos padres y 4 hijos, ellos se autoabastecen en un 100% de energías renovables no convencionales, tiene 5 paneles fotovoltaicos y un aerogenerador conectados a un regulador de carga, a baterías, luego a un inversor y finalmente a su casa, o sea, un sistema híbrido; además tienen otro panel fotovoltaico con su regulador y batería, siendo éste un sistema aparte para alimentar la radio, gracias a la cual están comunicados. Esta familia, gracias al sistema híbrido (fotovoltaico-eólico), puede abastecer de energía a: lavadora, 2 computadores de escritorio, 2 notebook, televisión, dvd, juguera, 2 taladros, 2 galletas, 1 dremel y máquina de oxígeno.

La embajada alemana en 1993 fue quien donó el sistema renovable de energía, el cual a la fecha los abastece sin problemas, además, académicos de la Universidad de Tarapacá (UTA) los han ayudado en la instalación y monitoreo de datos, ya que es un lugar donde se capturan datos constantemente para ser analizados.


Revista nº1 Hno