estudio de factibilidad de la utilización de energía
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: Estudio de factibilidad de la utilización de energía renovable en el Servicentro KM 259.
: Branly Águila Echevarría
: M.Sc. Luis Alberto Hernández Lugones
Ing. Alfredo Águila Falcón
Junio, 2018
Departamento de Electroenergética
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: Estudio de factibilidad de la utilización de energía renovable en el Servicentro KM 259.
: Branly Águila Echevarría
: M.Sc. Luis Alberto Hernández Lugones
Ing. Alfredo Águila Falcón
Junio, 2018
Departamento de Electroenergética
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Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
Atribución- No Comercial- Compartir Igual
Para cualquier información contacte con:
Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
Teléfonos.: +53 01 42281503-1419
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Pensamiento “Nos cabe la felicidad de estar creando un modelo, nos cabe la felicidad de estar demostrando lo que el hombre es capaz de hacer; …que la inteligencia con que el hombre viene al mundo, bien cultivada, pudiera acercarse a resultados que hasta hoy en la historia de la humanidad han sido simple utopía. Nos cabe la satisfacción de la conversión de una utopía en realidad.” Fidel Castro .
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Dedicatoria
A mi familia y amigos, a mis abuelos, hermanita y en especial a mi padre y madre que me han dado todo cuanto han podido en la vida, educándome de la mejor manera, convirtiéndome en el hombre que hoy soy.
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Agradecimientos.
A mi familia y amigos, a mis abuelos, hermanita y en especial a mi padre
y madre que me han dado todo cuanto han podido en la vida,
educándome de la mejor manera, convirtiéndome en el hombre que hoy
soy.
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TAREAS TÉCNICAS
1- Revisión exhaustiva de bibliografía para la obtención de información acerca de las Fuentes
Renovables de Energía, con especial interés en la solar fotovoltaica.
2-Investigación sobre proyectos similares.
3-Estudio de las posibilidades de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red en el
Servicentro Km 259.
4-Confección del Informe de acuerdo a las normas establecidas.
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RESUMEN
El proyecto se encaminó sobre la base de una de las principales problemáticas actuales, la
alta dependencia que presentan los modelos de desarrollo sobre los combustibles fósiles y
su negativo impacto social, económico y ambiental. Se analizaron los principales aspectos
teóricos de las fuentes renovables de energía como vía principal para contrarrestar dicha
situación adversa. Además, se evalúo la posibilidad real de utilización de las llamadas
energías limpias en el Servicentro Km 259 perteneciente a la Corporación Importadora
Exportadora (CIMEX) en Villa Clara. De esa manera se llevó a cabo el estudio acerca de la
implementación de un Parque Solar Fotovoltaico como principal posibilidad de acuerdo a las
características de la zona y la instalación mencionada. Logrando resultados factibles debido
al considerable ahorro que se estimó en 115750 dólares al año, también a las 116 toneladas
de diésel anuales que se dejarían de utilizar en concepto de generación, así como las 399
toneladas de CO2 al año que se dejarían de emitir a la atmósfera y la recuperación de la
inversión prevista en alrededor de 7 años.
ix
Índice
Pensamiento………………………………………………………………………………………iv
Dedicatoria…………………………………………………………………………………………v
Agradecimientos………………………………………………………………………..…………vi
Tareas técnicas...................................................................................................................vii
Resumen…………………………………………………………………………………………..viii
Introducción…………………………………………………………………………………………1
CAPÍTULO 1.Fundamentos teóricos de las Fuentes Renovables de Energía……………..5
Introducción…………………………………………………………………………………………5
1.1 Caracterización de las Fuentes Renovables de Energía………………..........................6
1.1.1 Energía solar térmica………………………………………………………………...6
1.1.2 Energía solar fotovoltaica……………………………………………………………9
1.1.3 Energía eólica……………………………………….............................................12
1.1.4 Energía hidráulica……………………………………………………………………14
1.1.5 Biomasa……………………………………………………………………………….15
1.1.5 Energía geotérmica…………………………………………………………………..17
1.1.6 Las mareas……………………………………………………………………………18
1.2 Energía renovable en el mundo……………………………………………………………...19
1.2.1 Países más destacados en la utilización de Energías Renovables…………….20
1.3 Energía renovable en Cuba…………………………………………………………………..20
1.3.1 Energía Eólica………………………………………………………………………..21
1.3.2 Hidroenergía…………………………………………………………………………22
1.3.3 Energía Solar Fotovoltaica…………………………………………………………23
1.3.4 Energía Solar Térmica……………………………………………………………...24
1.3.5 Biomasa………………………………………………………………………………24
CAPÍTULO 2. Estudio de utilización de Energía Solar Fotovoltaica en el Servicentro KM
259……………………………………………………………………………………………………26
Introducción…………………………………………………………………………………….……26
2.1 Ventajas y desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica …………………………………26
2.2 Usos de la Energía Solar Fotovoltaica……………………………………………………….27
2.3 Descripción del proyecto……………………………………………………………………....27
2.4 Localización y características de la instalación………………………………………....…..27
2.4.1 Análisis de las cargas eléctricas conectadas por áreas……………………………28
2.5 Consideraciones acerca de los elementos básicos de los sistemas fotovoltaicos.
(Reglamento Electrotécnico Cubano, 2017) …………………………………………………….29
2.5.1 Los inversores………………………………………………………………………......29
2.5.2 Conexiones……………………………………………………………………………...32
2.5.3 Cables……………………………………………………………………………………32
2.5.4 Conectores………………………………………………………………………………33
x
2.5.5 El regulador o controlador de carga fotovoltaico……………………………………33
2.5.6 Acumuladores o baterías………………………………………………………………36
2.5.7 Estructura de soporte para paneles fotovoltaicos…………………………………..38
2.6 Dimensionado del Parque Fotovoltaico………………………………………………………40
2.6.1 Estimación de la orientación y la inclinación………………………………………..42
2.6.2 Cálculo del número módulos………………………………………………………….42
2.6.3 Consideraciones acerca del inversor………………………………………………...42
2.6.4 Consideraciones acerca del regulador……………………………………………….42
2.6.5 Dimensionado de las baterías………………………………………………………...43
2.7 Cálculo de la Energía Generada………………………………………………………………43
2.8 Ahorro del Proyecto…………………………………………………………………………….44
2.8.1 Ahorro de combustible…………………………………………………………………44
2.8.2 Impacto medioambiental………………………………………………………………44
2.9 Análisis económico……………………………………………………………………………..45
2.9.1 Tiempo de recuperación de la inversión…………………………………………….45
2.10 Resultados……………………………………………………………………………………..45
2.11 Valoración económica del proyecto sin utilización de baterías…………………………..46
Conclusiones………………………………………………………………………………………...47
Recomendaciones…………………………………………………………………………………..48
Bibliografía…………………………………………………………………………………………...49
Anexos………………………………………………………………………………………………..50
Anexo1……………………………………………………………………………………………….50
Anexo2……………………………………………………………………………………………….51
1
INTRODUCCIÓN
La electricidad es la forma más sofisticada de energía que existe en la actualidad.
Si preguntáramos a cualquier persona del mundo desarrollado si se imagina un mundo sin
electricidad, la respuesta que obtendríamos seguramente sería: “no”. No hay nada más que
mirar a nuestro alrededor y comprobar cómo nuestro modo de vida y el funcionamiento de la
sociedad moderna se fundamentan en la utilización cotidiana de la electricidad. La electricidad
nos permite una mayor calidad de vida, una vida más confortable, donde muchas tareas son
ejecutadas por aparatos eléctricos, desde lavar la ropa en la lavadora a almacenar
información en ordenadores o conservar nuestros alimentos en la nevera, enfriar o calentar
nuestras viviendas y, últimamente, hasta cocinar y secar la ropa.
Esta gran dependencia de la sociedad actual de la energía eléctrica conlleva un mayor
consumo, cuyas consecuencias afectan no sólo al medioambiente, sino también a la salud;
desde los sistemas de producción de energía eléctrica, que en su mayoría utilizan recursos
energéticos no renovables (carbón, gas, petróleo o uranio) al impacto causado por los
sistemas de distribución de energía.
Durante casi toda la historia de la humanidad, el hombre ha utilizado las energías renovables
como fuente de energía; no es hasta después de la revolución industrial cuando se inicia la
utilización generalizada de los combustibles fósiles. Este último periodo, de unos 200 años,
se ha caracterizado por un consumo creciente e intensivo de energía que prácticamente ha
acabado con los combustibles fósiles.
A nivel mundial, la mayor parte de la energía consumida se dedica a la producción de
electricidad y al transporte, sector este último que muestra una tendencia al alza, creciendo
porcentualmente cada año.
El desarrollo sostenible ha sido definido por la Comisión Mundial para el Medioambiente y el
Desarrollo de la ONU como “aquel desarrollo que satisface las necesidades del presente sin
poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias
necesidades”. Esta opción se basa en la idea de que es posible conservar el capital natural y
cultural de un territorio sin comprometer su desarrollo presente y futuro. El mantenimiento del
sistema energético actual durante un plazo de tiempo de una o dos generaciones es,
simplemente, insostenible porque:
• Está agotando las reservas de combustible.
• Contribuye al efecto invernadero.
• Contribuye a la contaminación local y a la lluvia ácida.
• Contribuye a la deforestación.
• Origina riesgos para la paz mundial.
El ritmo de consumo es tal que en un año la humanidad consume lo que la naturaleza tarda
un millón de años en producir, por lo que el posible agotamiento de las reservas existentes
es una realidad que no admite discusión.
• La posibilidad de agotamiento del petróleo y del gas natural será una realidad en el plazo
de 1ó 2 generaciones.
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• Las reservas de carbón son menos limitadas (y menos aún si se incluyen los carbones de
muy mala calidad). Sin embargo, este combustible es altamente contaminante, de forma que
su utilización estará condicionada al desarrollo de tecnologías más limpias para la quema del
carbón.
Mucho antes del agotamiento de los recursos convencionales se están produciendo tensiones
en los precios del petróleo, ante la falta de capacidad mundial de mantener el ritmo de
crecimiento de la producción que sería necesario para satisfacer la demanda.
En Cuba existen 4 068 528 consumidores, constándose con más de un 99.6% de
electrificación. Presentando nuestro sistema eléctrico una serie de dificultades puntuales
como la alta dependencia de los combustibles fósiles para la generación de electricidad con
más del 95% de la energía generada, alta dependencia de los combustibles importados con
lo cual se genera el 37% de la energía del país, alto costo promedio de la energía servida al
cliente, baja eficiencia en la generación con centrales termoeléctricas con un índice de
consumo promedio de 271 g/kWh y alta contaminación ambiental.
El 23 de marzo de 2017, se firma en nuestro país el Decreto-Ley No 345, «Del Desarrollo de
las Fuentes Renovables y el Uso Eficiente de la Energía». Por su importancia, que sin duda
sentará pautas en el proceso de consolidación del marco regulatorio de las energías
renovables en Cuba.
Con gran acierto expresa: «La Constitución de la República, en su artículo 27 dispone que
el Estado protege el medio ambiente y los recursos naturales del país, y reconoce la estrecha
vinculación con el desarrollo económico y social sostenible, por lo que se requiere diversificar
la estructura de los combustibles fósiles empleados e incrementar la eficiencia energética, así
como la contribución de las fuentes renovables de energía, con el propósito de elevar su
participación en la matriz de generación de energía eléctrica, hasta alcanzar una proporción
no menor al 24 por ciento en el año 2030».
Entre los principales artículos destacan:
El artículo 1:
«El presente Decreta-Ley tiene como objeto establecer las regulaciones para el desarrollo de
las fuentes renovables y el uso eficiente de la energía, a fin de contribuir con:
a. La elevación de la participación de las fuentes renovables de energía en la generación de
electricidad;
b. la sustitución progresiva de los combustibles fósiles;
c. la diversificación de la estructura de los combustibles fósiles empleados en la generación
de energía eléctrica;
d. la elevación de la eficiencia y el ahorro energéticos;
e. la estimulación de la inversión, la investigación y la elevación de la eficiencia energética,
así como la producción y utilización de energía a partir de fuentes renovables, mediante el
establecimiento de incentivos y demás instrumentos que estimulen su desarrollo;
f. el desarrollo de la producción de equipos, medios y piezas de repuesto por la industria
nacional, para el aprovechamiento de las fuentes renovables y la eficiencia energética; y
g. el establecimiento en el sector estatal de un sistema de trabajo que incluya la planificación
de las tareas que posibiliten el cumplimiento de los objetivos trazados».
También en su artículo 2, con el objetivo de describir las diversas fuentes y su orden
de prioridad, señala:
«Constituyen fuentes renovables de energía aquellas que se obtienen de fuentes naturales
virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen o porque
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son capaces de regenerarse por medios naturales, entre las que se encuentran, por orden de
prioridad, las siguientes:
a. La biomasa cañera;
b. la energía solar por medio del uso de paneles fotovoltaicos, calentadores, secadores y
otros;
c. la energía eólica, con la instalación de aerogeneradores para generar electricidad y molinos
a viento para el bombeo de agua.
d. la biomasa no cañera con la utilización de recursos forestales, desechos de la industria y
otros.
e. los residuos agrícolas, pecuarios, industriales y desechos sólidos urbanos para la
producción de biogás;
f. los recursos hidroenergéticos;
g. plantaciones agrícolas para la producción de biocombustibles, sin afectar la producción y
el consumo de alimentos; y
h. la energía del mar y otras que el desarrollo de la ciencia y la técnica permitan su utilización».
Se espera transformar la matriz energética y que quede de la siguiente manera para 2030.
Por lo que cabe llegar a la siguiente interrogante científica:
¿Cómo contribuir a la independencia de los combustibles fósiles?
Para abordar dicha pregunta se trazó el siguiente objetivo general:
Realizar un estudio acerca de las oportunidades que ofrecen los recursos renovables, en
especial los sistemas fotovoltaicos conectados a red en el Servicentro KM 259, a partir del
consumo mensual y las áreas disponibles.
De este objetivo general se derivan los objetivos específicos siguientes:
1-Caracterizar las diferentes fuentes de energía renovables.
2-Determinar los fundamentos teóricos que sustentan la instalación de los parques
fotovoltaicos.
3-Reducir el consumo de energía procedente de la red eléctrica nacional.
4-Contribuir a través de la utilización de las energías limpias, a minimizar el deterioro del
medio ambiente.
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Estructura del Informe
Este Trabajo de Diploma está compuesto por una introducción donde se plantean los
antecedentes históricos y la situación problémica a investigar y dos capítulos.
En el capítulo uno se analizan las diferentes fuentes de energía renovables y su explotación
global y nacional.
El capítulo dos contiene el estudio de la implementación de la energía solar fotovoltaica en el
Servicentro KM 259 y una evaluación económica del proyecto.
Luego con los resultados obtenidos en los capítulos anteriores se arriba a conclusiones y se
emiten recomendaciones.
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CAPÍTULO 1.Fundamentos teóricos de las Fuentes Renovables de
Energía
Introducción
Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables
a escala humana; se renuevan continuamente, a diferencia de los combustibles fósiles, de
los que existen unas determinadas cantidades o reservas, agotables en un plazo más o
menos determinado.
Las principales formas de energías renovables que existen son: la biomasa, hidráulica, eólica,
solar, geotérmica y las energías marinas.
Las energías renovables provienen, de forma directa o indirecta, de la energía del Sol;
constituyen una excepción la energía geotérmica y la de las mareas.
La energía del Sol se desplaza a través del espacio en forma de radiación electromagnética,
llegando una parte de esta energía a la atmósfera. De esta energía que llega a la atmósfera,
una parte es absorbida por la atmósfera y por el suelo, y otra parte es reflejada directamente
al espacio desde el suelo. Es por esto por lo que menos de la mitad de la radiación solar llega
efectivamente a la superficie terrestre, siendo esta parte la que podemos utilizar con fines
energéticos en nuestro planeta.
La radiación solar llega a nuestro planeta de tres formas distintas:
• Radiación directa: es la radiación que nos llega di-rectamente del Sol; sin haber incidido con
nada por el camino y, por tanto, sin haberse desviado ni cambiado de dirección. Esta radiación
es la que produce las sombras. Es el tipo de radiación predominante en un día soleado.
• Radiación difusa: es la radiación que nos llega después de haber incidido con cualquier
elemento de la atmósfera (polvo, nubes, contaminantes, etc.), por lo que ha cambiado de
dirección. Es el tipo de radiación predominante en un día nublado.
• Radiación reflejada o albedo: es la radiación reflejada por la superficie terrestre; cobra
importancia en las zonas con nieve, con agua (como cerca del mar o de una presa) o cualquier
otra zona donde la reflexión sea importante.
• La radiación global: es la suma de la radiación directa y la radiación difusa.
Figura 1.1: Distribución de la radiación solar
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1.1 Caracterización de las Fuentes Renovables de Energía.
1.1.1 Energía solar térmica.
El principio básico de funcionamiento de estos sistemas solares es sencillo: la radiación solar
se capta y el calor se transfiere a un fluido (generalmente agua o aire). Para aprovechar la
energía solar térmica se usa el captador solar, también denominado colector o placa solar. El
fluido calentado se puede usar directamente (por ejemplo, para calentar agua en piscinas) o
indirectamente mediante un intercambiador de calor (por ejemplo, en el caso de la calefacción
de una habitación).
El colector es el elemento que capta la energía solar.
Normalmente consta de los siguientes elementos:
• Cubierta frontal transparente, por lo general vidrio.
• Superficie absorbente, por donde circula el fluido (normalmente agua) y que suele ser de
color negro.
• Aislamiento térmico, para evitar las pérdidas de calor.
• Carcasa externa, para su protección.
El colector solar basa su funcionamiento en el efecto invernadero: la radiación solar –rayos
solares– (onda corta) incide en el vidrio y lo atraviesa y es absorbida por una superficie que
se calienta. Esta superficie emite, a su vez, calor –radiación térmica– (onda larga); no
obstante este tipo de onda no puede atravesar el vidrio, por lo que se queda atrapada dentro
del colector.
La energía solar térmica se utiliza principalmente para calentar fluidos, normalmente agua.
Dependiendo de la temperatura final alcanzada por el fluido a la salida, las instalaciones se
dividen en:
1. Baja temperatura
Son las más extendidas y se destinan a aquellas aplicaciones que no exigen temperaturas
del agua superiores a los 90 ºC, como, por ejemplo, la producción de agua caliente sanitaria
(ACS) para viviendas y polideportivos, apoyo a la calefacción de viviendas, calentamiento de
agua para piscinas, etc.
Los colectores que se utilizan en estas aplicaciones son colectores planos. Dentro de estos
sistemas podemos distinguir 2 tipos de instalaciones:
Sistemas de circulación forzada
En este tipo de sistemas el acumulador se suele situar dentro del edificio, por ejemplo, en el
sótano. Para hacer circular el agua entre el colector y el acumulador se utiliza una bomba,
por lo que se hace necesario un aporte externo de energía. Este tipo de sistemas se utiliza
sobre todo en el centro y norte de Europa, habida cuenta de que en estos países el clima es
muy frío en invierno como para poder situar el acumulador en el exterior, dado que las
pérdidas de calor serían cuantiosas.
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Figura 1.2: Esquema instalacion forzada.
Sistemas termosifón
Este tipo de sistemas funcionan sin aporte externo de energía, ya que aprovechan el
denominado efecto termosifón: el movimiento del agua se produce por la diferencia de
temperaturas entre el agua fría del depósito de acumulación (tanque) y la caliente del cap-
tador, puesto que el agua que está dentro del colector se calienta por el Sol, disminuyendo
su densidad y, por tanto, su peso específico. Al disminuir su peso específico, el agua más
caliente se sitúa en la parte superior del captador. Este hecho, unido a que el mayor peso del
agua fría del depósito hace que ésta caiga por el conducto que une la parte inferior del
depósito con la parte inferior del captador, provoca que el agua caliente del captador ascienda
hasta el tanque. En este tipo de sistemas el tanque se suele situar por encima del captador.
Se crea de esta forma el movimiento del agua del colector al depósito, el cual se mantendrá
mientras haya suficiente diferencia de temperatura entre el colector y el depósito. Una vez
calentada el agua de éste, las temperaturas se igualan y el movimiento cesa.
Figura 1.3: Esquema sistema termosifón.
2. Media temperatura
Destinada a aquellas aplicaciones que exigen temperaturas del agua comprendidas entre 80
ºC y 250 ºC, como, por ejemplo, el calentamiento de fluidos para procesos industriales y la
desalinización de agua de mar.
3. Alta temperatura
Destinada a aquellas aplicaciones que requieran temperaturas del agua superiores a los 250
ºC, como es el caso de la generación de vapor para la producción de electricidad.
Para alcanzar temperaturas lo suficientemente altas que produzcan electricidad es
imprescindible recurrir a un sistema de concentración de los rayos solares. Estos sistemas
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requieren de un dispositivo de seguimiento solar, de tal forma que siguen al Sol en su
recorrido diario, consiguiendo así una mayor captación de la radiación solar.
Las tres tecnologías solares térmicas que se utilizan para la generación de electricidad se
describen a continuacion.
Sistema solar con torre central receptor con heliostatos
Suelen estar constituidas por una serie de espejos (de-nominados heliostatos) que reflejan
los rayos solares hacia una torre central, concentrando la radiación solar en un solo punto,
donde se alcanzan temperaturas que pueden llegar a los 1000 ºC. Estas centrales han sido
construidas en diversos tamaños.
Figura 1.4: Sistema solar con torre y heliostato.
Colectores cilindro-parabólicos
El colector consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar sobre un
tubo de vidrio dispuesto a lo largo de la línea focal del espejo. El fluido caloportador (que se
calienta y transporta el calor) pasa por una tubería situada en el foco de los colectores,
pudiendo alcanzar temperaturas de 400 ºC, y se utiliza para producir vapor sobrecalentado,
que alimenta una turbina convencional y genera así energía eléctrica.
Discos parabólicos (stirling)
Están constituidos por espejos parabólicos en cuyo foco se sitúa el receptor solar. Son
sistemas indicados para la producción de energía eléctrica en aislado (lugares a los que no
llega la red eléctrica). Esta tecno logía es adecuada para una producción descentralizada,
cercana al lugar de consumo, con los ahorros en infraestructura de distribución que ello
supone.
Un disco stirling de 8,5 m de diámetro es capaz de producir 10 kW.
Figura 1.5 : Discos parabólicos y colectores cilindro-parabólicos.
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1.1.2 Energía solar fotovoltaica.
Es la fuente de energía eléctrica de más rápido crecimiento en la última década a nivel
mundial. Aprovecha el recurso “radiación solar” para a través de dispositivos electrónicos
directamente convertirla en electricidad, con la posibilidad de aplicar la no solo en sistemas
aislados autónomos sino, lo que es más importante aún, de inyectarla a la red eléctrica
convencional.
La energía solar se puede transformar directamente en electricidad mediante células
fotovoltaicas. Este proceso se basa en la aplicación del efecto fotovoltaico, que se produce al
incidir la luz sobre unos materiales denominados semiconductores; de esta manera se genera
un flujo de electrones en el interior del material que puede ser aprovechado para obtener
energía eléctrica.
Un panel fotovoltaico, también denominado módulo fotovoltaico, está constituido por varias
células fotovoltaicas conectadas entre sí y alojadas en un mismo marco. Las células
fotovoltaicas se conectan en serie, en paralelo o en serie-paralelo, en función de los valores
de tensión e intensidad deseados, formando los módulos fotovoltaicos.
Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por:
• Su simplicidad y fácil instalación.
• Ser modulares.
• Tener una larga duración (la vida útil de los módulos fotovoltaicos es superior a 30 años).
• No requerir apenas mantenimiento.
• Tener una elevada fiabilidad.
• No producir ningún tipo de contaminación ambiental.
• Tener un funcionamiento totalmente silencioso.
Un panel fotovoltaico produce electricidad en corriente continua y sus parámetros
característicos (intensidad y tensión) varían con la radiación solar que incide sobre las células
y con la temperatura ambiente. La electricidad generada con energía solar fotovoltaica se
puede transformar en corriente alterna, con las mismas características que la electricidad de
la red eléctrica, utilizando inversores.
El material más utilizado en la actualidad para la fabricación de células fotovoltaicas es el
silicio, que es el material más abundante en la Tierra después del oxígeno; la combinación
de ambos forma el 60% de la corteza terrestre.
La celda solar fotovoltaica
La celda solar fotovoltaica es un dispositivo electrónico que convierte directamente la
radiación solar en electricidad. La incidencia de la luz en la celda solar produce corriente y
tensión para generar potencia eléctrica prácticamente al instante de inci dir la luz. Este
proceso requiere de un material que al absorber la luz genere dos tipos de portadores
eléctricos en exceso, uno en forma de electrones libres y otro de los denominados “huecos”,
que son los átomos cargados positivamente por ausencia de uno o más electrones, estos
portadores (electrones y “huecos”) son separados por el campo eléctrico interno de la unión
P - N, de tal forma que alcance, con la menor recombinación posible, los contactos metálicos
externos del dispositivo FV, para que los electrones puedan ser transportados por los
conductores eléctricos a un circuito externo. Los electrones disipan su energía en el circuito
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externo, así la celda se ha convertido en una batería solar. En la construcción de celdas
solares se utilizan materiales se miconductores formados por uno o más elementos químicos
sometidos a diversos procesos para formar la unión P- N y el resto de las partes necesarias
para poder aprovechar el efecto fotovoltaico . Más del 90 % de este mercado lo cubren las
celdas de Silicio cr istalino ( Si-C).
Tradicionalmente han coexistido tres tipos de células de silicio.
• Silicio monocristalino: utiliza lingotes puros de silicio (los mismos que utiliza la industria de
chips electrónicos). Son los más eficientes, con rendimientos superiores al 12%.
• Silicio policristalino: se fabrica a partir de restos de piezas de silicio monocristalino. Su
rendimiento es algo inferior pero su menor coste ha contribuido enormemente a aumentar su
uso.
• Silicio amorfo: se obtiene por deposición de capas delgadas sobre vidrio. El rendimiento es
bastante menor que los anteriores, por lo que su uso se limita a aplicaciones de pequeña
potencia como calculadoras, relojes, etc.
Recientemente se han desarrollado dos nuevas tecnologías a base de silicio.
• Silicio en bandas.
• Película de silicio.
Tienen la particularidad de ser flexibles, por lo que sus aplicaciones son mucho más
versátiles.
Las instalaciones solares fotovoltaicas se dividen en dos grandes grupos: sistemas aislados
(sistemas autónomos sin conexión a la red eléctrica) y sistemas conectados a la red eléctrica.
Figura 1.6: Esquema célula solar fotovoltaica.
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos autónomos
Los sistemas fotovoltaicos ( SFV) autónomos se conciben para suministrar energía eléctrica
a cargas, tanto de alimentación en baja tensión de corriente continua ( BTCC) como en baja
tensión de corriente alterna ( BTCA) sin la presencia de la red eléctrica. La fuente de energía
primaria en ellos es la radiación solar, que es aprovechada con paneles o módulos
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fotovoltaicos, los cuales directamente la transforman en energía eléctrica de CC. Estos
sistemas aprovechan un recurso renovable de gran variabilidad que no es admisible por la
mayoría de las cargas. Para solventar este problema es necesario utilizar algún dispositivo
de almacenamiento de energía eléctrica como las baterías, las cuales almacenan la energía
proveniente de los módulos fotovoltaicos cuando está disponible y la van suministrando a la
carga a medida que ésta la demanda. La introducción de las baterías en los sistemas origina
una serie de exigencias, como es la introducción de dispositivos para controlar su estado y
proceso de carga, mantenimientos frecuentes y recambios obligatorios en el tiempo de vida
del sistema.
Adicionalmente si algunas de las cargas necesitan BTCA se ha de adicionar un inversor que
convierta la BTCC de las baterías en la BTCA que demanda la correspondiente carga y
el cualtambién ha de controlar el estado de carga de las baterías.
Los sistemas fotovoltaicos autónomos se componen de las siguientes partes:
Arreglo FV (1 o más módulos conectados en serie, paralelo o en serie y paralelo) .
Regulador, pueden ser uno o más reguladores .
Banco de baterías (baterías conectadas en serie, paralelo o en serie y paralelo) .
Inversor en el caso de existir cargas de BTCA.
Cargas (consumidores de BTCC o BTCA) .
Sistemas fotovoltaicos híbridos
Los SFV híbridos son sistemas autónomos que utilizan al menos una fuente más de energía
además de la fotovoltaica para cubrir el mismo objetivo. Estas fuente s adicionales pueden
ser renovables como la eólica, la hídrica y la biomasa , o fósiles (grupos electrógenos). Es
una tendencia en sistemas pequeños y medianos utilizar grupo s electrógenos como reserva
de energía y potencia, poniéndose en marcha solo cuando es necesario, esto permite hacer
un diseño optimizado del banco de baterías si se garantiza que el grupo electrógeno estará
listo para arrancar en el momento que sea necesario. Estos sistemas pueden asegurar una
baja probabilidad de corte del servicio eléctrico.
Sistemas fotovoltaicos para bombeo de agua
Los SFV para bombeo de agua utilizan la energía generada por el arreglo FV para alimentar
una bomba de agua eléctrica de preferencia de inmersión. E stán formados solo por el SFV,
el dispositivo de control e inversión de frecuencia variable y la bomba de agua. Este sistema
no cuenta con almacenamiento eléctrico porque se almacena el agua ya bombeada si fuera
necesario. Estos son sistemas sencillos, robustos y duraderos. Pueden ser desde apenas
algunos cientos de Wp hasta la potencia para la cual pueda obtenerse una bomba de agu a
de preferencia de inmersión de alta eficiencia y un variador de frecuencia adecuado al motor
eléctrico de la bomba con entrada en corriente continua (cientos de kWp).
Sistemas fotovoltaicos de conexión a red
Un sistema fotovoltaicos de conexión a red inyecta la energía generada por los módulos
fotovoltaicos a una red eléctrica. Está formado por el arreglo fotovoltaico, estructura,
inversores de conexión a red, kit eléctrico y de protecciones que puede incluir un
transformador para acoplarse a la red disponible, un metro contador que registrará toda la
energía generada y necesitará de una obra civil de mayor o menor envergadura para poder
realizar toda la instalación.
12
A diferencia de los sistemas fotovoltaicos autónomos, los de conexión a red no tienen
baterías y por tanto no pueden trabajar si no hay red eléctrica. Esta última puede ser creada
por un inversor o grupo de inversores a baterías, por un grupo electrógeno, una mini
hidroeléctrica u otra fuente que sea capaz de generar una red con las condiciones de
estabilidad en frecuencia y tensión necesaria.
Sistemas fotovoltaicos de respaldo con conexión a red
Un sistema fotovoltaico de respaldo con conexión a red está formado por un sistema
fotovoltaico de conexión a red con un inversor o grupo de inversores bidireccionales a baterías
capaces de crear y gestionar una red eléctrica a la cual se conecta el sistema fotovoltaico de
conexión a red. El banco de baterías sirve para desplazar generación fotovoltaica diurna a
consumo nocturno, de reserva de energía para cubrir el exceso que el sistema fotovoltaico
no cubre (en horario diurno) y para almacenar el exceso de energía generada por el sistema
fotovoltaico. Estos sistemas adicionalmente pueden ordenar el arranque de un grupo
electrógeno en caso de que el banco de baterías se descargue hasta el valor preestablecido
o porque la demanda de potencia es superior a la que pueden sostener los inversores a
baterías por un tiempo prolongado.
Principio de funcionamiento: la red eléctrica se conecta a la entrada de los inversores a
baterías y cuando está estable, dentro de los parámetros de tensión y frecuencia
preestablecidos, el inversor sincroniza la red interna que gestiona con la externa y las une.
En cuanto alguno de los parámetros se sale del rango de trabajo, inmediatamente (en menos
de 17 ms) los inversores a batería asumen el control de la red interna desconectándo la de la
red externa. El sistema fotovoltaico de conexión a red en todo momento está conectado y
sincronizado a la red interna inyectando la cantidad de energía que tiene disponible dentro
de los límites establecidos por los inversores a baterías o por la red externa para mantener
estable la red.
Figura 1.7: Parque fotovoltaico.
1.1.3 Energía eólica.
El Sol calienta de forma desigual las diferentes zonas del planeta, provocando el movimiento
del aire que rodea la Tierra y dando lugar al viento. El viento es, por tanto, energía en
movimiento. Esta energía se puede transformar en otro tipo de energía como la mecánica,
13
eléctrica, hidráulica, etc. Una de las formas más utilizadas en la actualidad para el
aprovechamiento a gran escala de la energía eólica es a través de las denominadas
aeroturbinas.
Estas pueden transformar la energía eólica en:
•Energía mecánica: aeromotores.
•Energía eléctrica: aerogeneradores
Los aeromotores se han utilizado desde hace siglos para la molienda de grano, el bombeo
de agua, etc. Actualmente siguen utilizándose en menor proporción para estos usos, además
de incorporarse también en sistemas de desalación de agua.
Los aerogeneradores son los sistemas de aprovechamiento eólico más utilizados hoy en día,
observándose un crecimiento muy pronunciado en su utilización a partir del año 1990. Su
funcionamiento se basa en que al incidir el viento sobre sus palas se produce un trabajo
mecánico de rotación que mueve un generador que produce electricidad.
Un aerogenerador consta de los siguientes elementos.
1. Rotor
El rotor es el conjunto formado principalmente por las palas y el buje (elemento de la
estructura al que se fijan las palas). En el rotor se transforma la energía cinética del viento en
energía mecánica.
El diseño de palas se parece mucho al de las alas de un avión y suelen estar fabricadas con
plásticos (poliéster o epoxy), reforzados internamente con fibra de vidrio o de carbono.
2. Torre
La torre se utiliza fundamentalmente para aumentar la altura del elemento que capta la
energía del viento (rotor), ya que el viento sopla a mayor velocidad según aumenta la altura.
3. Góndola
En su interior se encuentran los elementos que transforman la energía mecánica en energía
eléctrica: los ejes del aerogenerador, el multiplicador, el generador y los sistemas de control,
orientación y freno.
En su exterior se ubican el anemómetro y la veleta.
La góndola suele estar ubicada en la parte superior
de la torre de la máquina.
4. Multiplicador
Elemento mecánico formado por un sistema de engranajes cuyo objetivo es transformar la
velocidad del giro del rotor (velocidad del eje principal) a la velocidad de trabajo del generador
eléctrico. El multiplicador funciona de forma parecida a la caja de cambios de un coche,
multiplicando entre 20 y 60 veces la velocidad del eje del rotor y alcanzando una velocidad
de1500 revoluciones/minuto en el eje del generador, lo que hace posible el funcionamiento
del generador eléctrico, permitiendo así convertir la energía mecánica del giro del eje en
energía eléctrica.
5. Generador eléctrico
Máquina eléctrica encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica. El eje
del generador lleva acoplado un sistema de freno de disco (similar al de los coches).
14
Además,para frenar un aerogenerador, se pueden girar las palas colocando su superficie en
la dirección del viento (posición de bandera).
Figura 1.8: Parque eólico en el mar.
1.1.4 Energía hidráulica.
El Sol evapora el agua de los océanos, mares, lagos y ríos, formando nubes; cuando éstas
se enfrían, se condensan formando la lluvia y la nieve que se vierte sobre la tierra,
reaprovisionándola y cerrando el ciclo.
En la actualidad, la energía hidráulica se utiliza fundamentalmente para producir electricidad
en las denominadas centrales hidroeléctricas. El agua, retenida en un embalse o presa, se
deja caer por una tubería, a cuya salida se coloca una turbina, el eje de la cual comienza a
girar al caer al agua; este giro pone en marcha el generador eléctrico obteniéndose así la
electricidad. Una de las grandes ventajas de la producción de electricidad con energía
hidráulica es que puede ser constante y previsible, al contrario que la gran mayoría de las re-
novables y, por lo tanto, se puede utilizar para satisfacer la demanda eléctrica base. Las
centrales hidroeléctricas se pueden situar junto al cauce de un río o al pie de una presa.
Las centrales hidroeléctricas se clasifican según su potencia:
1. Centrales hidráulicas
Son centrales mayores de10 MW. A gran escala pre-sentan algunos inconvenientes como
puede ser la evacuación de zonas pobladas o de interés natural debido a la construcción de
grandes infraestructuras y al desvío de ríos. Por estos inconvenientes, que pue-den generar
un gran impacto ambiental y humano, la energía hidráulica no es considerada estrictamente
una energía renovable, pero sí lo es la energía minihidráulica. En todo caso, la energía
hidráulica tiene la gran ventaja de no contribuir al cambio climático, al no emitir CO2 ni otros
gases de efecto invernadero.
15
Por otra parte, si se tiene especial cuidado en la selección de la ubicación y en el respeto del
medioambiente, el impacto se puede reducir de forma considerable, hasta ser, de hecho,
prácticamente nulo, como es el caso del aprovechamiento de presas ya existentes destinadas
a otros fines y el aumento de la potencia en centrales en explotación.
2. Centrales minihidráulicas
Son centrales con una potencia instalada menor de 10 MW. Comenzaron a construirse a
principios del sigloXX y solían ser instalaciones modestas que ge-neraban electricidad a
pequeñas poblaciones. En su mayoría son instalaciones de agua fluyente, lo que quiere decir
que generan electricidad mientras tienen un caudal superior a un mínimo técnico (según
instalación) y se paran cuando el caudal baja de ese nivel.
Figura 1.9: Esquema de una Central Hidráulica.
1.1.5 Biomasa.
La energía del Sol es utilizada por las plantas para sintetizar la materia orgánica mediante el
proceso de fotosíntesis. Esta materia orgánica puede ser incorporada y transformada por los
animales y por el hombre. El término biomasa abarca un conjunto muy heterogéneo y variado
de materia orgánica y se emplea para denominar a una fuente de energía basada en la
transformación de la materia orgánica utilizando, normalmente, un proceso de combustión.
Las fuentes de biomasa que se utilizan para la obtención de energía son:
Biomasa natural
Fundamentalmente la leña procedente de árboles que crecen de forma espontánea (sin ser
cultivados), la cual ha sido tradicionalmente utilizada por el hombre para calentarse y cocinar.
Sin embargo, no se debe hacer un aprovechamiento sin control de este tipo de biomasa ya
que se podrían destruir sus ecosistemas, que constituyen una reserva de incalculable valor.
Sí se pueden, y deben, utilizar los residuos de las partes muertas, restos de podas y clareos,
etc., puesto que, además, así se evitan posibles incendios.
La biomasa natural constituye la base del consumo energético de muchos países en vías de
desarrollo, pero su sobreexplotación está ocasionando el aumento de la desertización.
Biomasa residual
16
Se produce en explotaciones agrícolas, forestales o ga-naderas; también se generan residuos
orgánicos en la industria y en núcleos urbanos, denominados en este último caso RSU
(Residuos Sólidos Urbanos).
Además de producir electricidad, que puede hacer que las instalaciones sean autosuficientes
aprovechando sus propios recursos (como, por ejemplo, en granjas, aserríos, industrias
papeleras o depuradoras urbanas), generan un beneficio adicional, a veces más valorado que
la propia generación de electricidad, que es el evitar la degradación del medioambiente
eliminando estos residuos.
Los productos procedentes de la transformación física, química o biológica de las fuentes de
biomasa y que se utilizan como combustibles se denominan biocombustibles. Los
biocombustibles pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.
El uso de la biomasa tiene una serie de ventajas ambientales y económicas:
• Balance neutro de emisiones de CO2
(principal gas responsable del efecto invernadero). La combustión de biomasa produce CO2,
pero una cantidad análoga a la que fue captada previamente por las plantas durante su fase
de crecimiento, por lo que su combustión no supone un incremento neto de este gas en la
atmósfera.
• La biomasa no contiene nada o casi nada de azufre y por esto su combustión no contribuye
a la lluvia ácida.
Tabla 1.1: Poderes caloríficos de varios biocombustibles.
Es válido añadir a la lista de las principales materias primas, los residuos de la caña de azucar,
pues exhibe índices más ventajosos que otros cultivos en cuanto al almacenamiento de
energía proveniente de la radiación solar, como se aprecia en los aspectos siguientes:
* Es capaz de almacenar 1,7 % de la energía existente en la radiación incidente en cultivos
con irrigación y en condiciones experimentales, y 1,1 % en campos bien atendidos con
regadío.
* Tiene un rendimiento potencial genético que se encuentra entre 200 y 300 t/ha, con un
máximo teórico de 233 kg, que compara ventajosamente con otros cultivos.
17
* Para un valor calórico de 17 476 MJ/kg de materia seca (MS), con un contenido de materia
seca de 30 % y un rendimiento de 100 toneladas de caña integral por hectárea, la producción
energética de la caña es veinte veces mayor que la energía que se utiliza para producirla,
cosecharla y trasladarla al ingenio. Como promedio pueden emplearse las siguientes
relaciones de sustitución:
* 5,2 toneladas de bagazo, 50 % de humedad por tonelada de petróleo (39,7 MJ/kg).
* Una tonelada de bagazo equivale a 231 m3 de gas natural.
* Cuatro toneladas de paja equivalen a una tonelada de petróleo (calor de combustiónde la
paja 30 % de humedad: 11,7 MJ/kg).
* El valor calórico del bagazo (50% humedad) es de 7,64 MJ/kg, semejante al de la madera:
7,9 MJ/kg.
1.1.6 Energía geotérmica.
La energía geotérmica procede de la diferencia entre la temperatura de la superficie terrestre
y la de su interior, que va desde una media de15 ºC en la superficie a los 6000 ºC que tiene
el núcleo interno. Esta diferencia de temperatura provoca un flujo continuo de calor desde el
interior de la Tierra hacia la superficie. La temperatura de la Tierra suele aumentar unos 3 ºC
cada 100 metros; aunque en algunas zonas de la corteza existen anomalías geotérmicas que
hacen que la temperatura aumente entre 100 ºC y 200 ºC por kilómetro, estas zonas son las
que mejor se pueden aprovechar desde el punto de vista geotérmico. Las profundidades a
las que se suelen situar estas explotaciones geotérmicas están entre 300 y 2000 metros.
La energía geotérmica se puede aprovechar en la actualidad de dos formas: directamente,
como calor, o para la producción de electricidad.
Para producir electricidad se aprovecha la salida del vapor de las fuentes geotérmicas, que
accionan turbinas que ponen en marcha generadores eléctricos. Para ello es necesario que
la temperatura del agua subterránea sea superior a150 ºC; si se usa la tecnología de ciclo
binario, la temperatura puede ser de100 ºC (esta tecnología consiste básicamente en que el
agua le cede el calor a otro fluido que vaporiza a menor tempera-tura). Estos yacimientos,
que se utilizan para la producción de electricidad, son los denominados de alta temperatura.
En la actualidad se están investigando los yacimientos de roca caliente seca que, a diferencia
de los demás, no tienen acuífero (por ello se les inyecta un fluido). Se prevé que sean muy
efectivos para la producción de electricidad.
Una de las grandes ventajas de la producción de electricidad con energía geotérmica es que
no es intermitente, como ocurre con la gran mayoría de las renovables, sino que la producción
es constante y previsible; por esto se puede utilizar para satisfacer la demanda eléctrica base.
La producción de calor a partir de energía geotérmica se puede obtener de dos formas
distintas:
• Aplicaciones de baja y media temperatura: aprovechan directamente el agua subterránea,
que ha de estar entre 30 ºC y150 ºC. Las aplicaciones más comunes son la calefacción de
edificios, de invernaderos, del agua de piscifactorías y de piscinas, balnearios, usos
industriales como el secado de tejidos, el secado de pavimentos y para evitar la formación de
hielo en pavimentos (con tuberías enterradas a ras del suelo por las que circula el agua de
los yacimientos).
18
• Aplicaciones de muy baja temperatura: utilizan una bomba de calor geotérmica (pueden
aprovechar aguas de15 ºC). En la Unión Europea hay instaladas unas 356 000 bombas de
calor geotérmicas para su uso en calefacción o aire acondicionado.
En cualquiera de los dos casos, el fluido geotérmico, una vez explotado, se devuelve al
acuífero para mantener el equilibrio del terreno.
Figura 1.10: Esquema de Central Geotérmica.
1.1.7 Las mareas.
Las mareas son debidas a las acciones gravitatorias de la Luna y el Sol. La energía
mareomotriz utiliza la diferencia entre las mareas para generar electricidad. Para un
aprovechamiento rentable es necesario que la diferencia entre marea alta y baja sea, al
menos, de 5 metros.
Se estima que, en todo el planeta, sólo se localizarían 40 ubicaciones para su explotación
rentable, con un potencial total de unos15 000 MW (algo menos del 0,01% del consumo
mundial de electricidad).
El principio de funcionamiento más extendido se basa en construir diques capaces de
contener un gran volumen de agua, donde se instalan unas compuertas que retengan el agua
durante la subida de la marea. Una vez que la marea baja, las compuertas se abren dando
paso a un salto de agua que hace girar una turbina que, a su vez, pone en marcha un
generador eléctrico.
El mar es un almacén enorme de energía. En la actualidad esta energía se puede utilizar
aprovechando las mareas, las corrientes oceánicas, las olas, el gradiente térmico de los
océanos o la biomasa marina (con la obtención de gases combustibles a partir de ciertas
algas marinas).
En general, estas diferentes técnicas de aprovechamiento de la energía del mar se
encuentran en fase pre comercial o de I+D (Investigación y Desarrollo).
Entre sus desventajas habría que considerar los eventuales impactos en el medio marino o
costero.
19
Figura 1.11 Esquema Central Mareomotriz.
1.2 Energía renovable en el mundo
Ya existen países, como Dinamarca, México o India, que obtienen energía de las renovables
a precios inferiores que la procedente de los combustibles fósiles y de la nuclear. Esto es solo
un detalle de los progresos que se están haciendo en este campo. En 2016 se añadieron 161
GW de capacidad global, tal y como refleja el informe de la entidad especializada REN21.
Esto significa un incremento del 9% en relación al total que había en 2015.
Tras un año de grandes números, como fue 2015, a partir del 2016 las cifras se han
moderado, aunque las energías renovables siguen creciendo. La solar fotovoltaica supuso un
47% del incremento en capacidad, mientras la eólica contribuyó con un 34%. Un 15,5%
corresponde a la hidroeléctrica y el resto a una combinación de geotérmica y otras.
Al finalizar 2016 la capacidad de energías renovables a nivel global era de 2017 GW. Si se
excluyen los proyectos de hidroeléctrica el total es de 921 GW. Desde luego las centrales
hidráulicas dominan el sector, con 1096 GW, pero el resto de segmentos aumentan a buen
ritmo. La eólica es la siguiente, con 487 GW, seguida de la solar, que cuenta ya con 303 GW
de capacidad.
Por detrás está la capacidad de la biomasa, con 112 GW y, mucho más alejadas, la
geotérmica (13,5 GW) y la termosolar (4,8 GW). En esta última España se sitúa como líder,
seguida de Estados Unidos e India. Los españoles también son el quinto a nivel mundial en
capacidad eólica.
En cuanto a la inversión, es destacable que la inversión en renovables fue aproximadamente
el doble que la destinada a combustibles fósiles. Aunque lo cierto es que en2017, pese a la
voluminosa inversión de 242 millones de dólares, no ha sido el mejor de los últimos ejercicios.
Desde 2010 solo ha habido un periodo, el 2013, en que la inversión fue menor.
Y es que la inversión, excluyendo los proyectos de hidroeléctrica de más de 50 MW, cayó un
23% respecto a 2015. La ralentización se debe, según informes, a la desaceleración de los
mercados chino y japonés. Aunque la desaceleración también se ha dado en mercados
20
emergentes como India o Sudáfrica. Pese a todo China sigue siendo el mayor inversor a nivel
mundial en energías renovables: pone un 32% del total.
1.2.1 Países más destacados en la utilización de Energías Renovables.
Suecia: este país del norte de Europa está logrando un desarrollo bajo en carbono, que
además es rentable. Ya en 2010, el país produce más energía procedente de Biomasa que
de petróleo.
Letonia: de nuevo miramos hacia un país nórdico para ocuparnos del segundo puesto. En
Letonia, la energía renovable más viable y desarrollada es la eólica, sobre todo, por las
regiones con las mayores velocidades de viento, que son la costa del mar Báltico y la costa
oriental del Golfo de Riga, su parte del norte.
Finlandia: El archipiélago Aland, a medio camino entre Finlandia y Suecia es el escenario
perfecto donde desarrollar la energía eólica. Capaz de producir suficiente energía renovable
para cubrir un 38% de todo el consumo energético para el año 2020. En 2012, ya llegaba a
un n 34,3%.
Austria: se trata de otro ejemplo de desarrollo económico basado en energía renovable. En
2012, su porcentaje fue del 32,1%, acercándose así al 34%.la energía de la biomasa lleva
más de tres décadas funcionando en este país con una fantástica eficiencia del 90%.
Dinamarca: este país lo tiene muy claro en materia de renovables, ya que para 2035 espera
usarlas en un 100%, liberándose para 2050 definitivamente de los combustibles fósiles
Así, los que más aumentaron en inversiones fueron EEUU elevando el consumo verde un
12%, China donde fue un 25%, Alemania un 8% y España en un 18%. Aun así, la aportación
renovable sigue siendo modesta en relación a otras fuentes de energía tradicionales:
concentran aún sólo un 2,4% del consumo energético global y son responsables del 4,7% de
la generación eléctrica del planeta.
1.3 Energía renovable en Cuba
Cambiar la matriz energética y avanzar en el uso de fuentes renovables de energía es un
objetivo declarado del estado cubano. En el plan de desarrollo para el 2030 se aspira alcanzar
el 24 por ciento de participación de las fuentes renovables de energía en la producción de
electricidad, que actualmente es apenas poco más de un cuatro por ciento.
21
Figura 1.12: Descripción del Sistema Eléctrico Cubano.
Las Fuentes Renovables de Energía comienzan a fomentarse en Cuba a finales de la década
de los 80, fundamentalmente para satisfacer requerimientos energéticos en comunidades
rurales, aisladas y montañosas, que el plan de Electrificación Total del país comenzado en
1959 no había podido abarcar.
En esta primera etapa se promueve en el país, el empleo de la cogeneración a partir de
biomasa cañera, para abastecer poblados, bateyes y zonas rurales.
A partir de la firma de importantes proyectos internacionales relacionados con la mitigación
de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), el Cambio Climático y el Desarrollo
Sostenible nuestro país se da a la tarea de desarrollar las Energías Limpias a lo largo del
territorio.
1.3.1 Energía Eólica
En el segundo semestre de 2016, Cuba contaba ya con una capacidad total instalada de unos
once millones de Watt en sistemas de energía eólica. Los cuatro parques eólicos instalados
comprenden: uno pequeño de carácter experimental, en el cual se realizan ahora
reparaciones, otro con sistemas de torres abatibles en el municipio especial de Isla de la
Juventud, y dos que se pudieran describir como de tipo clásico, ubicados en la franja costera
de la oriental provincia de Las Tunas.
Gibara Uno y Gibara Dos están sincronizados con el Sistema Eléctrico Nacional y han servido
además de ahorrar petróleo y evitar la emisión de gases de efecto invernadero, para
demostrar la factibilidad de un crecimiento acelerado en el campo de la energía eólica.
La reciente información sobre la adquisición por Cuba de un gran número de grandes
aerogeneradores que elevarán la capacidad de producción hasta setecientos cincuenta Mega
Watt, una cifra ya significativa en el balance de generación de la región oriental del país es
22
sin dudas la mejor noticia dada a conocer acerca del desarrollo de las energias renovables
en el archipiélago cubano.
En el litoral norte de la oriental provincia de Las Tunas, específicamente en los municipios de
Puerto Padre y Jesús Menéndez, las condiciones atmosféricas resultan ideales para
aprovechar los vientos alisios que soplan desde el Océano Atlántico por la Costa Norte desde
Ciego de Ávila a Guantánamo, pero muy especialmente en Las Tunas y Holguín.
Estudios desarrollados por el Centro Provincial de Meteorología de la provincia de Las Tunas
y otras instituciones nacionales confirmaron la existencia allí de corrientes de aire sostenidas
de 7,0 metros por segundo a más de 50 metros de altura, registradas entre las intensidades
más altas del país, según refirieron los expertos.
Por la posición geográfica y las características del terreno, Las Tunas posee las mayores
potencialidades en la fuerza de los vientos para el desarrollo de fuentes renovables de
energía.
Tales características llevaron a la selección de la región para la construcción de los parques
eólicos Herradura 1 y Herradura 2, que cuando comiencen a trabajar a plena capacidad
generarán más de 100 MW (megavatios o mega Watts) de electricidad, lo que significa un
ahorro de 84 000 toneladas de combustible y la reducción de la emisión a la atmósfera de
gases contaminantes.
Figura1.13: Distribución de centrales eólicas en Cuba.
1.3.2 Hidroenergía
La energía hidráulica, a pesar de que los ríos cubanos no posean el caudal de otros en el
mundo, ofrece resultados en determinadas zonas y regiones.
Se cuenta con un total de 180 instalaciones hidrogeneradoras, distribuidas en nueve
provincias y 38 municipios, las cuales por sus rangos de potencia se denominan como
Microhidroeléctricas, Minihidroeléctricas y Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCHE), de
este total, 149 prestan servicios de energía eléctrica en zonas montañosas y rurales y las
restantes 31 entregan su energía al Sistema Electroenergético Nacional (SEN).
23
Figura1.13: Distribución de centrales hidráulicas en Cuba.
1.3.3 Energía Solar Fotovoltaica
En Cuba, la radiación solar alcanza unos 5 kWh/m diarios (1 825 kWh/mal año), distribuida
en todo el territorio nacional, por lo que se califica de buena comparada con otras regiones
europeas en las que esta fuente tiene un alto nivel de aplicación. La radiación solar varía tan
poco que se estima menor de 8% en más de 97% en todas las zonas de la isla.
El desarrollo de instalaciones fotovoltaicas en Cuba conectadas a la red eléctrica comenzó
desde el año 2013 con la instalación de la primera planta fotovoltaica de 1 MWp en
Cantarrana, en las afueras de la ciudad de Cienfuegos, al centro de la isla.
Con la construcción de esta primera planta, que luego fue expandida hasta una potencia total
de 2,6 MWp, comenzó el programa fotovoltaico cubano financiado por el estado, que tiene
como objetivo la instalación de una capacidad de 700 MWp para el año 2030.
Ya en el mes de febrero del 2018 la capacidad instalada y conectada a la red en Cuba llegó
al 84,86 MWp. De esta potencia, alrededor de 50 MWp se han realizado usando los módulos
de producción nacional, de la Empresa de Componentes Electrónicos de la provincia de Pinar
del Río. La totalidad las plantas fotovoltaicas han sido proyectadas, instaladas y son operadas
por la dirección de Energías Renovables de la empresa estatal Unión Eléctrica (UNE).
El plan de instalaciones fotovoltaicas de la UNE para el 2018 es de un total de 83 MWp por
lo que la potencia fotovoltaica en Cuba, financiada por el estado pasará los 100 MWp en el
2018, y se espera terminar el año con una capacidad total de alrededor de 160 MWp.
Se ha planificado una capacidad de 54 MWp, en la Zona Especial de Desarrollo del Mariel,
que sería propiedad de la empresa del Reino Unido Hive Energy. Además, se encuentra
pendiente también la construcción de otros 100 MWp más por dos empresas europeas en las
provincias occidentales que presumiblemente comenzarán también en el 2018.
24
Figura1.13: Distribución de centrales fotovoltaicas en Cuba.
1.3.4 Energía Solar Térmica
En 2007 se adquirieron calentadores solares de agua de tubos de vacíos de la República
Popular China con el propósito de realizar una prueba piloto.
En 2016 aproximadamente el 85% de la capacidad instalada correspondía al sector turístico
hotelero.
También se utilizan equipos solares térmicos para aplicaciones como el secado de productos
agrícolas e industriales.
Los centros de investigación en energía solar llevan más de 2 décadas trabajando en el
desarrollo de modelos y tecnologías de secado solar para maderas, plantas medicinales,
granos, semillas y otros productos que ya permiten el uso industrial de estas cámaras
proporcionando un gran beneficio económico.
Se ha logrado también el desarrollo de secadores solares con tecnologías muy avanzadas
para el curado y secado de tabaco.
Los mencionados centros también trabajan en la utilización de energía solar en cámaras de
clima controlado para la producción de vegetales y semillas de alta calidad, la refrigeración y
la climatización. La investigación se centra en la producción de patatas, tomates y otros
productos que actualmente Cuba se ve obligada a importar.
1.3.5 Biomasa
La agroindustria cubana de la caña de azúcar es la fuente más importante de biomasa con
que cuenta el país para el desarrollo de energía renovable, y actualmente constituye la única
a partir de la cual se está generando electricidad.
Manejada de forma sostenible la caña representa un sumidero de carbono, al ser un cultivo
que almacena energía solar hasta producir una tonelada equivalente de petróleo por cada
una de azúcar que se fabrica.
Azcuba ha presentado un proyecto que, una vez implementado en su totalidad, tendrá un
impacto importante en la diversificación de las producciones de la agroindustria.
25
Se enfoca en utilizar una materia prima que incrementará en más de cuatro veces el aporte
de Azcuba al país, de electricidad amigable con el medio ambiente, e incluirá de forma positiva
en el cambio de la matriz energética nacional.
Figura1.13: Distribución de centrales bioeléctricas en Cuba.
26
CAPÍTULO 2. Estudio de utilización de Energía Solar Fotovoltaica en
el Servicentro KM 259.
Introducción.
Analizando que el Servicentro Km 259 está ubicado en la zona central del país lo limita en
cuanto a potencia de los vientos, ya que en nuestro país los recientes estudios arrojan la
costa norte oriental como la más favorable para el empleo de generadores eólicos. También,
carece de cercanía a caídas de agua o mar limitando posibilidades de generación hidráulica
o mareomotriz respectivamente. Dejando las mejores oportunidades para la energía solar
fotovoltaica, pues cuenta con áreas extensas en su cercanía y sin vegetación que proporcione
sombras.
Además, se expresó un interés adicional por parte de la empresa CIMEX en esta fuente pues
en otras unidades del país existen estudios previos con resultados favorables.
2.1 Ventajas y desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica.
Ventajas
La energía que se obtiene a partir de las celdas solares ofrece ventajas adicionales al hecho
de transformar directamente la energía solar en electricidad, a saber: no tiene partes móviles,
es extremadamente modular, genera desde fracciones de watt hasta decenas de megawatt,
lo mismo puede estar en un reloj de pulsera que en un auto, techo, fachada, etc. Se instala
fácilmente, inclusive por partes, y cada una de ellas genera inmediatamente, o sea es aditiva,
no utiliza prácticamente agua, versátil, silenciosa, tiene poco riesgo tecnológico, ya que la
disminución de los costos ha ido dictando el nivel de aplicación en cada momento, facilitando
su carácter modular.
La tecnología fotovoltaica permite soluciones modulares y autónomas.
La operación de los sistemas fotovoltaicos es amigable con el medio ambiente.
Los sistemas tienen una vida útil larga (más de 20 años).
El mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos es sencillo y tiene costos muy bajos.
Los sistemas fotovoltaicos han experimentado una reducción de precios que los hace más
accesibles para las poblaciones rurales y se espera que sigan bajando.
La tecnología de equipos y sistemas fotovoltaicos ha alcanzado un grado de madurez que
posibilita su utilización para resolver confiablemente los problemas energéticos de nuestros
países.
La instalación de los sistemas fotovoltaicos individuales es simple, rápida y sólo requiere de
herramientas y equipos de medición básicos.
Desventajas
La inversión inicial es alta
La cantidad de energía producida es limitada y alcanza solamente para las necesidades
básicas de electricidad.
La disponibilidad de energía es variable y depende de las condiciones atmosféricas.
27
2.2 Usos de la Energía Solar Fotovoltaica.
En general, 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, la batería 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.
Los sistemas fotovoltaicos se utilizan principalmente para proveer energía a lámparas, radios,
reproductoras de cintas, pequeños televisores, teléfonos celulares, bombas de agua,
purificadora de agua, refrigeradora de vacunas y equipos profesionales de
radiocomunicación.
Dependiendo de su aplicación y de la cantidad y tipo de energía producida, los sistemas
fotovoltaicos se pueden clasificaren las siguientes categorías:
• Lámparas portátiles.
• Sistemas individuales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones domésticas.
• Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones domésticas.
• Sistemas centralizados aislados de la red.
• Sistemas centralizados conectados a la red.
2.3 Descripción del proyecto.
El proyecto en cuestión se realiza por el interés de la empresa CIMEX en conocer acerca de
la factibilidad de la implementación de parques fotovoltaicos en sus respectivas unidades, con
el objetivo de apreciar su impacto en la reducción del consumo de combustibles fósiles, así
como en la atenuación de la contaminación atmosférica asociada a la combustión. Empleando
la transformación directa en electricidad de la radiación solar, fuente renovable con
manifestación estable y predecible en Cuba, que ha sido bien estudiada y caracterizada
desde el punto de vista energético, y que:
- Reducirá la dependencia de importar combustibles fósiles que obligan al país a fuertes
erogaciones de divisas, cuyos precios son inestables, y que, aunque se produzcan
nacionalmente tienen elevado valor añadido si se emplean como materias primas para
importantes procesos industriales.
- Fortalecerá el sistema eléctrico en la zona principalmente al reducir las pérdidas eléctricas
desde el generador hasta los usuarios.
- Reducirá los impactos ambientales debidos al calentamiento global por emisiones de gases
de efecto invernadero y las lluvias ácidas.
2.4 Localización y características de la instalación.
La instalación se encuentra ubicada en la provincia de Villa Clara, en el Km 259 de la
Autopista Nacional. La cual posee un local donde se encuentra las oficinas y una tienda, así
como los baños, y otro local que posee una cafetería, los almacenes y el área de servicio y
de despacho de combustible, por lo general la estructura de las edificaciones son paredes de
28
panelería ligera (perfiles para la estructura y paneles de yeso para el recubrimiento) y cubierta
de planchas metálicas.
Además de contar con un área adicional continua, a utilizar en la ejecución del proyecto,
estimada en alrededor de 8000 m².
El área seleccionada para el emplazamiento de la planta fotovoltaica es llana, y tiene las
condiciones que facilitan su construcción, conexión a la red eléctrica y futura operación. En
resumen, sus ventajas son:
Excelente exposición de los paneles fotovoltaicos, libres de obstáculos naturales o
edificaciones que proyecten sombras que afecten su eficiencia.
No tiene restricciones para su orientación al Sur puro (acimut 0º) lo cual maximiza la
generación de electricidad.
Buena accesibilidad para el traslado de equipos pesados en su etapa constructiva
(nivelación del terreno, acarreo de materiales, movimiento de tierra).
La calidad del aire en la zona es satisfactoria para el propósito planteado al no haber
emisiones industriales que puedan provocar deposiciones de polvos sobre la superficie de
los módulos fotovoltaicos que afecten su eficiencia. Ni aerosoles marinos.
Figura 2.1 Mapa de la zona de instalación.
2.4.1 Análisis de las cargas eléctricas conectadas por áreas.
Tabla 2.1 Equipos del área de cafetería.
Equipos Cantidad
Equipos de climatización 3
Exhibidores verticales y horizontales 11
Refrigerador 2
Horno de cocción 1
Plancha de cocción 1
Freidora 1
Televisor 2
Cajas registradoras 2
Horno de microondas 1
Máquinas de servicio de café 2
Máquina de servicio de hielo 1
Equipos de congelación de productos 6
Luminarias 34
29
El área de cafetería posee una carga elevada y constante debido al servicio que presta 24
horas y a que los exhibidores y equipos de congelación están siempre conectados para
mantener los productos en buen estado.
Tabla 2.2 Equipos del área de almacenes.
Equipos Cantidad
Cámara fría 1
Compresor 1
Equipos de climatización 2
Luminarias 28
En este local sobresale la cámara fría y un compresor que tienen una demanda constante y
elevada. Tabla 2.3 Equipos del área de oficinas y baños.
Equipos Cantidad
Equipos de climatización 2
Computadoras 3
Televisor 1
Horno de microondas 1
Hornilla eléctrica 1
Refrigerador 1
Luminarias(interiors y exteriores) 50
En el local la demanda es menor en comparación con otras áreas pues no están en
explotación las 24 horas del día.
Tabla 2.4 Equipos del área de servicio de despacho de combustible.
Equipos Cantidad
Surtidores de combustible 8
Computadora 1
Luminarias (interiors y exteriores) 50
Representa una carga bastante variable pues depende sobretodo de la cantidad de clientes
que soliciten el servicio de combustible, oscilando de acuerdo al tránsito de vehículos.
Agregar que en el área trasera del complejo posee un compresor, la planta de respuesta
rápida (Grupo Electrógeno) y las 4 bombas que operan los surtidores.
2.5 Consideraciones acerca de los elementos básicos de los sistemas
fotovoltaicos. (Reglamento Electrotécnico Cubano, 2017).
2.5.1 Los inversores.
Los inversores son dispositivos electrónicos que convierten la corriente continua en corriente
alterna. Ellos pueden ser agrupados en 2 grandes grupos:
Los inversores a batería.
30
Los inversores de conexión a red.
Los inversores a batería convierten la baja tensión de corriente continua de un banco de
baterías en baja tensión de corriente alterna. Ellos pueden generar una onda cuadrada (no
se utiliza), una onda cuadra da modificada o una onda sinusoidal (la técnica más utilizada en
la actualidad). Estos inversores pueden simplemente generar la onda sinusoidal con
parámetros fijos o pueden generar la onda sincronizada a una red externa (denominados
bidireccionales), los cuales en tiempo real ajustan sus parámetros para conseguir que la
energía fluya desde el banco de baterías a la red o de la red al banco de baterías. En la
actualidad son muy utilizados para desplazar energía generada durante el día con sistemas
fotovoltaicos para suministrarla a consumos nocturnos.
Los inversores de conexión a red convierten la baja tensión de corriente continua que se
genera, en baja tensión de corriente alterna generando una onda sinusoidal sincronizada a
una red eléctrica. Estos inversores son red dependiente, por tanto, si no hay una onda
sinusoidal dentro de los parámetros preestablecidos no se sincroniza y no inyecta ninguna
energía. Este es un parámetro indispensable por problemas de seguridad de los operadores
de la red eléctrica.
Los inversores de conexión a red en aplicaciones fotovoltaicas o inversores fotovoltaico s se
diseñan con funciones especiales para determinar en tiempo real el punto de operación en el
que el arreglo fotovoltaico entrega la máxima potencia para hacerlos operar en estos
parámetros, esta función se designa como MPPT.
Los inversores fotovoltaicos iniciaron su desarrollo por aplicaciones residenciales
subvencionadas por estados como Alemania con potencias del orden de 1 kW. La
masificación de la producción de los módulos fotovoltaicos provocó un acelerado proceso de
reducción de costes haciéndose en la actualidad la generación fotovoltaica menos costosa
que la generación convencional con fuentes fósiles como el petróleo. Este proceso propició
el desarrollo de inversores de una amplia gama de potencia que pueden ser agrupados en 2
tipos:
Inversores string
Inversores centrales
Los inversores string en la actualidad cubren la potencia hasta el orden de 60 kW y pueden
ser conectados a ellos un grupo de cadena de módulos hasta cubrir su potencia. Ellos pueden
tener 1 MPPT o varios MPPT y muchos fabricantes ofrecen opciones de conexión y protección
favorables, permitiendo la agrupación de las cadenas de módulos en el propio inversor con
todas las protecciones correspondientes. En la Figura 2.2 se muestra el inversor TRIO - 50.0-
TL-OUTD de ABB, equipo que ofrece muchas opciones en la configuración de la red de
entrada y salida que pueden ser suministrada con el equipo.
Figura 2.2 Inversor string TRIO- 50.0- TL-OUTD de la ABB
31
Los inversores centrales van desde el orden de 100 kW hasta 5 MW en una sola unidad.
Estos inversores pueden tener 1 o varios MPPT y la agrupación de las cadenas de módulos
se hace con cajas de campo que deben incluir todas las protecciones correspondientes y
normalmente adicionan medición de las cadenas de módulos y comunicación para reportar
mediciones y fallas detectadas.
Figura 2.3 Inversor central SUNNY CENTRAL 1000CP XT de la SMA
Los inversores según su principio de funcionamiento interno pueden ser clasificados como:
a) Inversor es con transformador de hierro.
b) Inversores con transformador de alta frecuencia (de ferrita).
c) Inversores sin transformador.
Inversor con transformador de hierro (transformador de segregación)
El desarrollo de los inversores de conexión a la red comenzó por los que tienen un
transformador de hierro por su sencillez y robustez, se partió del ya conocido inversor a
baterías y se le introdujeron todas las modificaciones necesarias para que pudiera
sincronizarse a una red de corriente alterna y pudiera inyectar energía a esta, luego las
exigencias de seguridad y las características actuales de los módulos y de los S FV han hecho
de él un excelente equipo capaz de trabajar en redes de baja calidad.
Como principales características se pueden señalar que:
Son los más sencillos.
Tienen una elevada fiabilidad.
Tienen buen aislamiento galvánico red de CA – campo FV.
Son los más pesados, por el transformador de hierro.
En la actualidad han sido optimizados hasta alcanzar eficiencias máximas del 97 %.
Inversor con transformador de alta frecuencia (ferrita)
El inversor con transformador de ferrita, se desarrolló principalmente para aplicaciones en las
que es necesario dimensiones y peso reducido, este es el único punto en el que aventaja a
los otros tipos de inversor.
La alta eficiencia del transformador de ferrita utilizado se ve opacada por las sucesivas
transformaciones de la energía.
Algunas de sus características más importantes son:
32
Bajo peso.
Dimensiones reducidas.
La eficiencia puede ser ligeramente inferior a la de los inversores con transformador de
hierro.
Buen aislamiento galvánico.
Inversor sin transformador
Este tipo de inversor es en el que el mercado de la energía fotovoltaica está poniendo sus
mayores esfuerzos por su elevada eficiencia y bajo costo.
Algunas de las características más importantes de este tipo de inversor son:
Peso típico inferior al inversor de transformador de hierro y superior al de transformador
de ferrita.
Elevada eficiencia, llegan hasta el 98,5%, ejemplo el STP20000TL de SMA.
No tiene aislamiento galvánico entre los paneles fotovoltaicos y red de CA, por lo que
necesitan de un sofisticado sistema redundante de chequeo de las corrientes de fallas a
tierra y doble sistema de desconexión en caso de algún fallo, con estos sistemas se
logran cumplir todas las normas de seguridad y funcionamiento.
Ofrecen el menor costo por kW de potencia de todos los tipos de inversores.
En un inversor sin transformador, para que se pueda inyectar energía a la red de forma
sinusoidal sin la necesidad de un circuito elevador de tensión, la tensión de CC siempre ha
de ser superior a la tensión de pico a pico de la red eléctrica.
Para una red de 240 V rms la tensión de CC ha de ser superior a 340 V, si el arreglo
fotovoltaico no alcanza estos valores en su punto de máxima potencia, es imprescindible
utilizar el MPPT elevador para alcanzar el punto de operación necesario.
Grado de Protección (IP) y temperatura de funcionamiento
El IP y los parámetros de temperatura son importantes a la hora de elegir un inversor. Casi
todos los fabricantes de inversores ofrecen inversores IP65 aptos para el exterior. Sin
embargo, esto no significa que deban instalarse a pleno sol, ya que la mayoría de los
inversores funcionan en modo de reducción de potencia con el incremento de su temperatura
a partir de 40°C o 50°C y por tanto se reduce la potencia generada. La instalación de
inversores en el exterior a pleno sol también supone un riesgo de envejecimiento prematuro
de algunos componentes del inversor, como los condensadores electrolíticos. Esto reduce
considerablemente la vida útil del inversor de 10 años a solo 5 años.
2.5.2 Conexiones.
Las instalaciones fotovoltaicas requieren cables y conectores especiales. Puesto que los
módulos se instalan en el exterior, están sometidos a limitaciones climáticas asociadas con
las altas tensiones causadas por la instalación de módulos en serie. El equipo usado también
debe ser resistente a los rayos ultravioletas y al ozono. Debe presentar un elevado nivel de
resistencia mecánica y de resistencia a las variaciones extremas de temperatura.
2.5.3 Cables.
Debe calcularse la caída de tensión entre el campo fotovoltaico y el inversor, y ésta no debe
superar el 3 % de la tensión nominal (recomendación UTE: 1 %). Los cables de corriente
33
continua usados deben ser cables con doble aislamiento específicos para dispositivos
fotovoltaicos.
2.5.4 Conectores.
En general, los módulos fotovoltaicos se suministran con dos cables equipados con un
conector macho y un conector hembra. Al usar estos cables es posible conectar dos módulos
instalados uno al lado del otro, lo que permite una disposición en serie sin ningún tipo de
dificultad. El conector macho se conecta al conector hembra del módulo siguiente y así
sucesivamente hasta lograr el valor de tensión requerido. Estos conectores son especiales
de aplicación fotovoltaica (MC4 o compatibles) con sistemas de bloqueo que ofrecen
protección contra contactos cuando está desconectado. Esta protección es necesaria, ya que
un módulo fotovoltaico suministra tensión desde el momento en que se expone a la
irradiación. Si se manipulan los cables que conectan los módulos, para alterarlos o
prolongarlos, es necesario desconectarlos primero, cerciorándose de no realizar nunca una
desconexión de un conector si tiene corriente circulando (bajo carga) porque se destruye el
conector, debe activarse el aislador de CC del circuito de CC en la entrada de la caja de
conexiones. También es posible usar otros conectores disponibles en el mercado. Estos
deben seleccionarse prestando atención a su calidad, contacto y acoplamiento macho -
hembra para evitar contactos deficientes que puedan provocar sobrecalentamientos y
averías.
2.5.5 El regulador o controlador de carga fotovoltaico.
El regulador en un sistema fotovoltaico o regulador fotovoltaico es un dispositivo electrónico
que se encarga de controlar los procesos y el estado de carga del banco de baterías y brinda
información al usuario del estado de carga. Los reguladores FV pueden tener varios principios
de funcionamiento que permitirán un mayor o menor aprovechamiento de la potencia que
puede entregar el módulo fotovoltaico, básicamente se pueden clasificar en 3 grupos:
Regulador paralelo
Reguladores serie, en los cuales tenemos: los reguladores ON - OFF y los PWM (Pulse
Width Modulation)
Los reguladores CC- CC o MPPT
El regulador paralelo se ubica en paralelo con el arreglo fotovoltaico, y para controlar el
proceso de carga de las baterías deriva la energía que genera el arreglo a un banco o bloque
de resistencias para disiparla o sencillamente cortocircuita el arreglo fotovoltaico, haciendo
uso de la característica que opera en condición de cortocircuito sin dañarse. Es de destacar
el diodo que está en la línea de salida hacia las baterías que introduce pérdidas por
conducción, pero evita que en condición de cortocircuito del dispositivo de regulación la
energía de las baterías regrese al regulador.
Este tipo de regulador es obligatorio en otros equipos como aerogeneradores pequeños, que
no se pueden dejar en condición de circuito abierto porque se pueden acelerar en exceso y
dañar, pero en fotovoltaica prácticamente no se utilizan.
34
Figura 2.4 Regulador paralelo
El regulador serie se ubica en serie entre el arreglo fotovoltaico y las baterías cerrando y
abriendo el circuito entre estos dos elementos de acuerdo a los procesos de cargas
necesarios.
Reguladores serie ON- OFF
El regulador ON- OFF utiliza un interruptor (en un principio fue un interruptor electromecánico,
en la actualidad es un transistor MOSFET) para conectar el arreglo fotovoltaico al banco de
baterías, manteniendo la posición de cerrado hasta que el banco de baterías alcanza el valor
de tensión previsto para el proceso de carga en el que se encuentra. Al llegar a este valor lo
desconecta y espera a que la tensión en las baterías descienda hasta el valor mínimo del
proceso de carga y nuevamente lo conecta, manteniendo la batería en una banda de tensión
correspondiente al proceso de carga en curso (Umax-Umin) por el tiempo exigido para este
proceso de carga, después pasa a trabajar en la banda del siguiente proceso de carga. Las
bandas de los procesos de carga para una batería de plomo ácido son:
Banda de carga profunda (“bulk” del inglés): somete a la batería a un intenso proceso
de carga que la llevará hasta aproximadamente el 85 % de su capacidad de carga si se
termina el proceso.
Banda de flotación: solo trata de darle a las baterías una pequeña carga que compensa
la
Auto descarga propia de la batería.
Banda de carga de igualación (ecualización), esta banda no se puede utilizar en las
baterías selladas (VRLA), es un proceso muy ineficiente por el alto grado de burbujeo,
que busca igualar el estado de carga de todas las baterías y llevarlo a más del 95% de
su estado de carga.
Figura 2.5 Esquema de reguladores on-off
35
Reguladores serie PWM
Solo se diferencia del ON- OFF en que cuando alcanza el valor de tensión del proceso de
carga en el que está, comienza a “apagar y encender” el interruptor a una frecuencia del
orden de los kHz y va modificando el ancho del pulso (tiempo en que está “encendido”) para
lograr que la tensión se mantenga constante por el tiempo necesario hasta terminar el proceso
de carga.
Después pasa al siguiente proceso en el que repetirá la acción para el nuevo valor de tensión.
Este regulador trabaja con 1 solo valor de tensión en lugar de las bandas del clásico ON -
OFF en cada proceso de carga.
Todos los reguladores ON- OFF al conectar directamente el arreglo fotovoltaico a las baterías,
fuerzan a los módulos a trabajar en la tensión que impone el estado de carga de las baterías
y la corriente que entrega el arreglo FV, valor que es inferior al del punto de máxima potencia,
lo que conduce a una pérdida de aprovechamiento de capacidad de generación del arreglo
fotovoltaico que puede ser muy significativa si la temperatura de los módulos es baja y el
estado de carga de las baterías es bajo ( el desaprovechamiento puede ser superior a un 30
% en estas condiciones).
El regulador MPPT tiene un convertidor CC- CC que desvincula la tensión de operación del
arreglo FV de la tensión del banco de baterías, lo que permite operar el arreglo FV en su
punto de máxima potencia, tarea en la que se centra la operación de este regulador,
consiguiendo un incremento de generación del arreglo FV entre un 20 % y un 35 %. Casi la
totalidad de los reguladores MPPT del mercado son con un convertidor CC- CC del tipo “Step
Down” o paso abajo, lo que significa que la tensión a su entrada siempre tiene que ser superior
a la tensión en el que está el banco de baterías. La razón principal de esta exigencia es que,
en la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas, el arreglo fotovoltaico se encuentra más
distante del regulador que este último del banco de baterías y operar a un a tensión más alta
permite reducir las pérdidas. Hay reguladores que pueden operar hasta con 550 VCC en el
arreglo FV para cargar bancos de baterías de 24 V y 48 V, ejemplo el “XW MPPT 80 600
Solar” de Schneider Electric Xantrex™.
Figura 2.6 Regulador MPPT
Exigencias para los reguladores de carga
a) Protección contra descargas profundas.
b) La “tensión de desconexión de carga" = Umin descarga para la batería.
36
c) Las tensiones de “desconexión”, “reconexión”, y alarma con precisión de ±1 %.
d) La “tensión de fin de carga” en el rango de 2,3 V/vaso a 2,55 V/vaso, a 25 ° C.
e) Deben proveerse protecciones contra corrientes inversas.
f) Consumo propio muy reducido.
g) Indicación con una señal de color verde cuando las cargas puedan ser utilizadas sin
restricciones, por alto estado de carga de la batería.
h) Indicación con señal roja de la desconexión de las cargas por estado de carga del batería
muy bajo.
i) El regulador de carga debe ser capaz de resistir cualquier situación posible de operación
“sin batería”, cuando el generador fotovoltaico opera en condiciones estándar de medida, y
con cualquier condición de carga permitida.
j) El regulador de carga debe también proteger a las cargas en cualquier situación posible
de operación “sin batería”, como fue definida anteriormente, limitando la tensión de salida a
un máximo de 1,3 veces el valor nominal. (También se permite la total interrupción de la
alimentación a las cargas).
k) El regulador de carga debe resistir sin daño la siguiente condición de operación:
temperatura ambiente 45 °C, corriente de carga 25 % superior a la corriente de cortocircuito
del generador fotovoltaico en las condiciones estándar de medida, y corriente de descarga
25 % superior a la correspondiente a todas las cargas encendidas y a la tensión nominal de
operación.
2.5.6 Acumuladores o baterías.
Los acumuladores o baterías almacenan energía en un proceso químico reversible cuando
está disponible para suministrarla de acuerdo a la demanda de la carga, independientemente
del momento de generación. Cumple, por otra parte, una misión de fiabilidad, ya que también
tiene la función de poder alimentar a la carga durante varios días, cuando la producción de
energía es baja debido a las condiciones meteorológicas adversas.
El acumulador o batería se compone esencialmente de 2 electrodos sumergidos en un
electrolito.
Tipos de baterías de aplicación fotovoltaica
a) Baterías de plomo ácido: son las baterías más utilizadas en aplicaciones fotovoltaicas. Se
agrupan por su diseño de placas principalmente en: SLI (Starting, Lighting Ignition), SLI
modificadas y tubulares. Por el modo de contener el electrolito en: abiertas y VRLA (Valve
Regulate Lead Acid). Estas últimas pueden ser con electrolito gelificado (GEL) o con
electrolito en un material absorbente (AGM)
b) Baterías níquel cadmio: se han utilizado en sistemas fotovoltaicos, pero no son frecuentes
en la actualidad.
c) Baterías de Níquel Metal Hidruro: su utilización se ha quedado en sistemas fotovoltaicos
muy pequeños para señalizaciones.
d) Baterías de níquel – hierro: son baterías robustas y muy duraderas, hasta 50 años de vida
útil. Son capaces de soportar muchos maltratos. Son muy adecuadas para respaldos
eléctricos que solo trabajarán cuando ocurra un corte del suministro eléctrico. Sus mayores
dificultades son la baja densidad de energía y la baja eficiencia.
37
e) Baterías de Litio- Ion: son baterías con elevadas prestaciones, pero su precio es elevado
aún y se están comenzando a utilizar en sistemas de almacenamiento de energía conectados
a red y en algunos sistemas fotovoltaicos de conexión a red buscando desplazar generación
fotovoltaica diurna a suministros en horarios nocturnos.
Baterías de plomo ácido
-Baterías de plomo ácido SLI (Starting Lighting Ignition): son las baterías automotrices. Se
utilizan en SFV cuando no hay disponibles las de alta profundidad de descarga. Estas baterías
se diseñan con placas planas delgadas buscando maximizar el área para tener elevados
valores de corriente instantánea necesarias para poner en marcha el motor de un vehículo
automotor.
-Baterías de plomo ácido SLI modificadas: son baterías de alta profundidad de descarga. El
concepto de fabricación es similar a las SLI, pero las placas son engrosadas a más de 2 mm.
Tienen menor corriente máxima, pero pueden suministrar una corriente constante durante
muchas horas sin dañarse. Soportan aproximadamente 400 ciclos de carga y descarga del
80% de su capacidad.
Figura 2.7 Batería de plomo ácido de placas planas
-Baterías de plomo ácido tubulares: estas baterías mejoran el problema de desprendimiento
de materia activa que se presenta en la placa positiva a causa del cambio volumétrico de esta
placa por los procesos de carga y descarga. En ellas las rejillas de las placas positivas son
sustituidas por electrodos redondos verticales y la materia activa se mantiene adherida al
mismo con un forro tubular de un material poroso no conductor eléctrico resistente al ácido
y el extremo inferior está cerrado. De esta forma logran hasta 1 500 ciclos de carga y
descarga del 80 %.
Capacidad de la batería
Es la capacidad definida en condiciones perfectamente establecidas (IEEE, IEC) de la
temperatura ambiente, la duración de descarga y la tensión final. El valor de capacidad está
indicado en Ah referido a una duración de descarga (ejemplo: 100 Ah en 10 h). Indica el valor
total de corriente que la batería está en condiciones de entregar en un tiempo determinado
(10 A en 10 h).
Cx: (expresado en Ampere hora “Ah”) es la energía que es capaz de entregar la batería a un
régimen de descarga constante durante las “x” horas hasta alcanzar un valor de tensión por
celda elemental que depende del régimen de descarga, a 25 °C de la batería.
Ejemplos:
38
Batería plomo ácido tubular abierta de EXIDE OPZs- 765 tiene 765 Ah a C120, Ufinal
=1, 85 V x celda a 25 °C y 750 Ah a C100, Ufinal =1, 85V x celda.
Batería plomo ácido tubular abierta de Hoppecke OPZs - 490 Cn=490 Ah según DIN
407361, tiene 546 Ah a C10, Ufinal =1,8 V x celda a 25 ° C y 730 Ah a C100 Ufinal 1,
85V x celda a 25 ° C, no se ofrece a C120.
Estas 2 baterías son prácticamente iguales y tienen el “mismo ciclado” (cantidad de ciclos de
carga y descarga al 80 % que es de 1 500) y sin embargo la capacidad que expresa su
nombre a primera vista indica que la primera es casi del doble de capacidad de la segunda.
Por tanto, cuando se quiere expresar correctamente la capacidad de una batería se ha de
mencionar los Ah, el Cx al cual lo logra, la tensión final de la descarga y la temperatura a la
cual se realiza.
Al comparar 2 o más baterías se ha de hacer al mismo régimen de descarga.
d: número de días de autonomía que tendrá el sistema, depende de la probabilidad de
ocurrencia de un número de días consecutivos sin sol en el lugar donde se realizará la
instalación.
PDmax: profundidad máxima de descarga del banco de baterías. Depende de la tecnología
de fabricación de las baterías, este valor está directamente relacionado con su
tiempo de vida.
2.5.7 Estructura de soporte para paneles fotovoltaicos.
La estructura de soporte es la que permite fijar los módulos FV y anclarlos, ya sea al suelo
en las instalaciones sobre tierra o a los techos en los sistemas sobre cubierta de casas,
edificios, naves, estadios y otros.
Como estarán expuestas a las mismas condiciones ambientales que los módulos, estas
deben:
Estar construidas con materiales de vida útil igual o superior a los módulos.
Soportar vientos extremos, los que soporta el módulo.
Se pueden utilizar muchos materiales para las estructuras de soporte, entre ellos:
Acero inoxidable.
Aluminio.
Acero galvanizado con una capa protectora entre 30μm − 70μm de acuerdo a las
características de corrosión del lugar.
Madera tratada y otros.
En el caso de módulos fotovoltaicos con marco, su fijación a los soportes sólo puede
realizarse mediante elementos (tornillos, tuercas, arandelas, etc.) de acero inoxidable, o con
piezas especiales en aluminio o acero inoxidable que fijan el marco del módulo por la parte
superior del marco. Los módulos sin marco se fijan con piezas especiales diseñadas para
este fin.
Tipos de estructura
Las estructuras para los módulos se han desarrollado de diferentes tipos buscando maximizar
la generación que se obtiene con el mismo arreglo, entre ellas tenemos:
Estructuras estáticas.
Estructuras de seguimiento Este – Oeste con movimiento azimutal.
39
Estructuras de seguimiento Norte – Sur con cambio de la inclinación de módulo.
Estructura de seguimiento de eje polar.
Estructura de seguimiento de 2 ejes
Estructuras estáticas
En estas estructuras el módulo se fija en una posición y no se cambia, son las más utilizadas
y las adecuadas para techos e integración arquitectónica.
Figura 2.8 Estructura fija sobre suelo
El ángulo de inclinación para sistemas de CR debe maximizar la energía generada durante
todo el año, en un sistema autónomo es más complejo determinarlo porque debe optimizar la
captación de energía solar durante el mes con la peor relación entre los valores diarios de la
irradiación y el consumo, ambos en media mensual.
La inclinación (°) ha de ser igual a la latitud para sistemas de CR, con pequeñas desviaciones
de +/- 5° se consigue prácticamente la misma generación acumulada anual en Cuba. Es
conveniente colocar los módulos con un ángulo ≥ 10° sobre la horizontal para permitir el
drenaje del agua de lluvia.
Es útil señalar que pequeñas desviaciones azimutales (+/ - 30°) tienen una influencia
relativamente pequeña sobre la captación de radiación y, en consecuencia, sobre la
producción del panel FV, ha y que revisar la sombra que provoca una estructura sobre otra y
la separación entre ellas.
Aparte del riesgo de destrucción de los módulos en la sombra de un campo FV debido al
fenómeno de " punto caliente" para el cual los fabricantes han ideado soluciones, los estudios
llevados a cabo por el Instituto Nacional francés de la Energía Solar (INES, por sus siglas en
francés, Institut national français de l'énergie solaire) sugieren que una sombra del 10 % en
la superficie de una cadena de módulos puede causar más de un 30 % de reducción del
suministro. Por tanto, es importante eliminar las sombras directas. Sin embargo, en muchos
casos resulta difícil (árboles, chimenea, valla del vecino, pilar, etc.).
Si un campo fotovoltaico incluye diversas cadenas de módulos y es afectado por sombras,
los módulos en sombra deben incluirse en una única cadena de módulos.
Estructuras de seguimiento Este – Oeste
En este tipo de estructura los módulos se colocan sobre una base que puede rotar en sentido
horizontal cambiando la orientación azimutal de la estructura para seguir al sol de Este a
Oeste. Es una solución que aporta poco incremento de energía para su complejidad.
Estructura de seguimiento Norte – Sur
40
Los módulos son fijados a una estructura que puede cambiar la inclinación de los módulos
poniendo el ángulo óptimo sobre la horizontal en cada instante en el seguimiento de sol. Esta
técnica aporta un poco más de generación que la anterior.
Estructura de seguimiento de eje polar
En este tipo de estructura los módulos son fijados sobre un eje que se coloca al ángulo de
inclinación Norte Sur óptimo, normalmente igual a la latitud, esta estructura rotará todos los
módulos sobre un eje que seguirá al sol en el sentido Este - Oeste. Se consigue un
seguimiento del sol con una pequeña variación en la perpendicularidad de los rayos en el
sentido Norte Sur por las variaciones de la altitud del sol durante el día y según la época del
año. Esta solución constituye una simplificación de la estructura de 2 ejes y provoca una
pequeña disminución de la generación con respecto a aquella.
Estructura de seguimiento de 2 ejes
En este diseño los módulos son fijados sobre una estructura que puede moverse en 2 ejes
para buscar que el módulo siempre esté orientado de frente al sol en todo momento y en toda
época, con ello se consigue la máxima generación. Esta técnica es casi siempre obligatoria
en módulos de concentración.
La mayoría de los expertos consultados se oponen a los sistemas con seguimiento manual
porque significan riesgo de daño de los módulos y riesgo de perder energía, por falta o mal
ajuste de la orientación. Sin embargo, han sido usadas en algunos lugares con resultados
positivos, no sólo en términos de ganancia de energía sino también en términos de
participación de los usuarios. Naturalmente, es necesaria una adecuada capacitación y los
dispositivos necesarios para permitir el movimiento y ajuste de los módulos.
Los sistemas de seguimiento automáticos son mucho más costosos que las estructuras fijas
y exigen un mantenimiento y una atención constante; por lo que solo se justificaban
económicamente cuando el costo de los módulos era elevado, en la actualidad no se
justifican.
2.6 Dimensionado del Parque Fotovoltaico.
El sistema fotovoltaico autónomo tiene la misión de ajustar dos flujos de energía: la energía
solar disponible (Tabla 2.5) y la demanda energética de la instalación donde se aplicará.
41
Tabla 2.5 Radiación anual según las mediciones de la NASA
Para asegurar la precisión del análisis, de acuerdo a los datos de irradiación y el consumo
que se dispone, se utilizará el Modelo de comportamiento mensual. El cual siguiendo el
criterio del peor mes arroja diciembre como el de mejor relación consumo/irradiación (Tabla
2.6).
Tabla 2.6 Modelo de comportamiento mensual
Meses Consumo Día/Mes Consumo Irradiación Co/I
(kWh/mes) (kWh/día) (kWh/m2.dia)
(m2)
Enero 23171 31 747.45 3.89 192.15
Febrero 22632 28 808.28 4.73 170.88
Marzo 26450 31 853.23 5.42 157.42
Abril 29205 30 973.5 6.18 157.52
Mayo 31280 31 1009.03 5.93 170.16
Junio 29201 30 973.37 5.72 170.17
Julio 31101 31 1003.26 6.01 166.93
Agosto 31222 31 1007.16 5.74 175.46
Septiembre 23673 30 789.1 5.1 154.72
Octubre 26354 31 850.13 4.49 189.34
Noviembre 21984 30 732.8 3.88 188.87
Diciembre 22601 31 729.06 3.54 205.95
42
2.6.1 Estimación de la orientación y la inclinación.
Fue necesario tener en cuenta los siguientes datos de la zona de estudio:
Latitud: 22°24'25"N
Longitud: 79°57'53"W
La orientación de los paneles respecto al sol debe ser hacia el Ecuador, por lo que según la
ubicación de Cuba en el hemisferio Norte o por encima del Ecuador, la orientación óptima de
los módulos es 0° sur.
Se determinó que la inclinación óptima de los paneles (β) es de 22° para tener el mayor
rendimiento de los mismos respecto a la radiación captada.
2.6.2 Cálculo del número módulos.
Para módulos DSM-250 de 250 Wp
Área de un módulo: 1.65 m de largo x 0.99 m de ancho = 1.63 m²
Como aproximación:
Eficiencia Total del conjunto de dispositivos=86% Ƞₑ
Eficiencia del regulador=95%
Eficiencia del inversor=95%
Eficiencia de las baterías=95%
Eficiencia del módulo= 15.3% Ƞp
Eₑ (Energía diaria entregada por los módulos) = Co (consumo)/Ƞₑ (Eficiencia total) = 847.74
kWh/día
(Eₑ) ֢ (Energía diaria de cada módulo) = 0.153*3.54*1.63= 0.883 kWh/día
N (Número de módulos) = Eₑ / (Eₑ) ֢ = 847.74 / 0.833 = 1017.7 =1018
Teniendo en cuenta dos elementos que introducen pérdidas en la generación (Pérdida de
eficiencia con el paso del tiempo y suciedad de los módulos), se introduce el Factor de
Reducción (Fred = 0.78%)
N (Número de módulos) = 1018 x (100/78) =1305
Área de paneles = 1659.34 m²
2.6.3 Consideraciones acerca del inversor.
Se dispone de inversores trifásicos Masterpower – Beta de 15 kW conectándose 20 módulos
en serie y tres ramas en paralelo por inversor. Garantizándose que los parámetros de voltaje
y corriente estén dentro de los permisibles por el dispositivo.
En total 22 inversores.
2.6.4 Consideraciones acerca del regulador.
La Intensidad de entrada o de carga al regulador está dada siempre por la fórmula:
I (entrada)= Isc (panel) x No. Paneles x 1.25
43
Donde Isc (corriente en cortocircuito) recordamos que es el dato que se tiene en el catálogo
del panel o paneles calculados anteriormente.
I (entrada)= 8.55 x 1305 x 1.25 = 13947.18 A
Estimando que la Tensión en nuestro sistema opere con baterías de 12 V cuyo rendimiento
aproximado es de un 80 %.
Aplicando la siguiente fórmula, estaremos conociendo la Intensidad Máxima de Instalación
(Imax) como sigue:
Imax = 326250/ (12×0.80) = 33984.375 A
Cuyo dato será finalmente considerando un 25 % de seguridad.
I (salida)= Imax * 1.25
I (salida)= 33984.375 x 1.25
I (salida)= 42480.47 A
Por lo que se requiere un regulador con capacidad de I (entrada)= 34 kA e I (salida)= 42 kA.
2.6.5 Dimensionado de las baterías.
Para el análisis anterior se consideró el peor mes que fue diciembre con un consumo de
729.06 kWh/día y una irradiación de 3.54 (kWh/m2.dia) brindando la peor condición de la
relación consumo/demanda. En cambio, desde el punto de vista absoluto de la demanda, el
peor caso de consumo es de 1009.03 (kWh/día) en mayo. Suponiendo que se diseña para
un día confiable de autonomía.
Considerando una profundidad de descarga del 50% para garantizar durabilidad de las
baterías.
PD=0.5
Eₐ (Energía Almacenada) = E / PD = 1009.03/0.5= 2018.06 kWh
Utilizando Eₐ= 2018.06 kWh= 2018060 Wh y seleccionando V=24 volt
Q (Carga)= 2018060/24=84085.833 Ah
Seleccionando baterías de 6volt y de capacidad 420 Ah
420 (Ah)x 6(V) =2.52 kWh
Para lograr 24 volt se necesitan agrupaciones de 4 baterías en serie
2.52x4=10.1 kWh
2018.06/2.52=801
Serían necesarias 801 baterías.
2.7 Cálculo de la Energía Generada.
Para realizar los cálculos de la producción de energía se dispone de los datos de irradiación
solar del sitio donde se instalarán los paneles fotovoltaicos. A partir de los valores de radiación
solar y temperatura ambiente del lugar, para cada mes del año, podemos calcular la energía
generada por la central para cada día típico del mes (kWh/día).
La energía que una central fotovoltaica puede inyectar al sistema energético; depende de la
potencia fotovoltaica de la central, de las características de la radiación solar en el sitio y las
pérdidas de todo el sistema (temperatura, caídas de tensiones, eficiencias de inversores,
trasformadores, etc.). Para una central fotovoltaica de inyección a red, resulta importante
44
conocer la relación: kWh generado/kWp instalado, este término nos dirá cuanta energía
eléctrica puede entregar a la red el sistema de inyección, por cada kWp instalado, y es
conocido como Tiempo Característico de la instalación
Según la NASA, para el punto de ubicación (22.4°N; -79.96°W) la irradiación promedio es de
5 kWh/m2 diarios.
La eficiencia de un módulo fotovoltaico es del 15.3%
Energía eléctrica diaria generada: (5 x 0.153 = 0.765) y se obtiene 0.765 kWh/m2 diarios.
Energía anual generada por el parque es de: (0.765 x 365 x 1659.34 = 463329.21), o sea 463
MWh/año energía generada por el parque.
Total, de kWp instalados = 1305 x 250 =326.25 kWp
Tiempo Característico de la instalación = kWh generado/kWp instalado =1421 kWh/año/KWp
2.8 Ahorro del Proyecto
Para evaluar la factibilidad del proyecto se calcularon los ahorros e ingresos que se originan
por concepto de:
2.8.1 Ahorro de combustible.
Una de las ventajas del uso de energías renovables, es precisamente la sustitución de
combustibles fósiles, los cuales además de contaminar el medioambiente han tenidos
constantes variaciones en los precios, destacando que a partir del mes mayo de 2018 alcanzo
valores de hasta US$75 el precio más alto en casi tres años y medio, confirmando una
tendencia alcista que podría seguir creciendo, según distintos análisis.
Favorablemente, la instalación del Parque Solar Fotovoltaico permitirá ahorrar anualmente
115750 $/año. Dejando de utilizar 116 toneladas al año de diésel.
0.25 $/kWh x 463000 kWh/año = 115750 $/año.
2.8.2 Impacto medioambiental.
Con la ejecución del proyecto se pretende incrementar las entregas de energía al Sistema
Eléctrico Nacional a partir de fuentes renovables, lo que permite reducir el consumo de
combustible fósiles en el SEN, y, por consiguiente, disminuye la contaminación ambiental.
El efecto positivo que supone la generación eléctrica con energía solar queda reflejado en
primer término, en la eliminación de las emisiones gaseosas, en comparación con las
producidas en centrales térmicas.
Para el cálculo de la cantidad de emisiones de CO2 se tuvo en cuenta el factor de emisión
utilizada por la UNE con cierre año 2012, dato ofrecido por la UEB de Ingeniería Ambiental
de INEL: 0,862 t de CO2 por cada MWh generado. El impacto considerado en el presente
estudio se basa en el siguiente cálculo
GPS ∗ F𝒆 = T𝒏 𝐂𝐎𝟐
Dónde:
GPS: Generación anual del parque (MWh).
Fe: Factor de Emisión de CO2 por cada MW/h generado en el SEN.
Lo que representa 383 toneladas/año dejadas de emitir hacia la atmósfera. Un impacto
considerable que el medioambiente agradece.
45
2.9 Análisis económico simplificado.
La evaluación económica financiera constituye la etapa donde se mide si la magnitud de los
beneficios obtenidos con la ejecución del proyecto supera los costos y gastos en que se
incurrieron. Los resultados de esta evaluación indicarán la rentabilidad del proyecto, así como
sus aportes en divisas a la economía nacional.
Tabla 2.7 Evaluación económica.
Cantidad Índice Costo($) Módulos (1305)x(250 Wp)=326.25kWp 0.60 ($/Wp) 195750
Baterías (801)x(2.52kWh)=2018kWh 75 ($/kWh) 151350
Inversor (22)x(15kW)=330kW 0.25 ($/Wp) 82500
Regulador (24V)x(42480A)=1019520VA 0.08 ($/VA) 81561
Subtotal 511162
Otros 20% del subtotal
102232.32
Instalación 326250 Wp 0.20($/Wp) 65250
Costo de la inversión 678644
Costo de operación y mantenimiento
326250 Wp 0.50($/Wp) 163125
Total 841769
Nota: El costo es representado en dólares.
2.9.1 Tiempo de recuperación de la inversión.
Para el análisis del tiempo de recuperación se tiene en cuenta que el tiempo de explotación
de la instalación se considera de 25 años. Además, no se tienen en cuenta las pérdidas de
eficiencia debido al desgaste con el tiempo ya que se introdujo en la estimación del número
de paneles el Factor de Reducción que prevé dicha situación.
Costo total del parque fotovoltaico: 841769 dólares
Ahorro Anual: 115750 dólares
841769/115750= 7.27
Aproximadamente nos demuestra que se recupera la inversión en un período de 7 años.
Aclarar que en el análisis económico no se utilizaron métodos, ni modelos financieros que
tienen en cuenta una serie de aspectos como los impuestos, tasas de descuento y el cambio
del valor del dinero en el tiempo.
2.10 Resultados.
Tabla 2.8: Resultados
Unidad de Medida Cantidad
Potencia del sistema fotovoltaico kWp 326.25
Energía Generada anualmente MWh/año 463
Ahorro anual (0.25$/kWh) $/año 115750
Área que ocupan los paneles m2 1660
Gases contaminantes CO2 deja de emitir t/año 399
Cantidad de petróleo que no se quema t/año 116
Tiempo Característico Esperado kWh/año/KWp 1421
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Ciclo de vida del sistema (CV) años 25
Energía Generada en CV MWh/CV 11575
Costo estimado de la inversión ($) $ 841769
Tiempo de Recuperación Instalación Años 7
Se aprecia como es realmente factible la puesta en marcha de dicho parque fotovoltaico de
326 kWp, ya que se ahorra una cantidad considerable de petróleo, se ahorra también una
suma elevada de dinero, sin olvidar el impacto ambiental que avizora, pues se dejan de emitir
399 toneladas de CO2 a la atmósfera y se recupera la inversión en alrededor de 7 años.
Se debe de señalar claramente que todos los cálculos se desarrollaron tomando en
consideración los parámetros estandarizados antes señalados, sin embargo, las valoraciones
económicas se realizaron sobre la base de considerar el costo de la energía a 0.25 $/kWh,
por lo que, de variar ese valor, proporcionalmente variará el ahorro anual, el tiempo en que
se recupera la inversión.
2.11 Valoración económica del proyecto sin utilización de baterías.
En el caso de sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red no es imprescindibles el
empleo de bancos de baterías, debido a que en caso de días nublados o lluviosos donde la
generación del parque no sea la esperada la red proporcionaría dicha energía. Anteriormente
dichos acumuladores se calcularon a petición de los clientes, en este caso CIMEX.
Tabla 2.9 Evaluación económica sin baterías.
Cantidad Índice Costo($) Módulos (1305)x(250 Wp)=326.25kWp 0.60 ($/Wp) 195750
Inversor (22)x(15kW)=330kW 0.25 ($/Wp) 82500
Regulador (24V)x(42480A)=1019520VA 0.08 ($/VA) 81561
Subtotal 359811
Otros 20% del subtotal
71962
Instalación 326250 Wp 0.20($/Wp) 65250
Costo de la inversión 497023
Costo de operación y mantenimiento
326250 Wp 0.50($/Wp) 163125
Total 660148
Nota: El costo es representado en dólares.
Costo total del parque fotovoltaico: 660148 dólares
Ahorro Anual: 115750 dólares
660148/115750= 5.7
Aproximadamente nos demuestra que se recupera la inversión en un período de cerca de 6
años.
Como se aprecia, con la no inclusión de baterías se abarata considerablemente el costo de
la inversión inicial, así como se disminuye en alrededor de un año la recuperación de la
inversión.
47
Conclusiones
Tras analizar las características del lugar donde se realiza el estudio se determinó a la energía
solar fotovoltaica como la que brinda las mayores posibilidades y por ende resulta la más
factible.
Como resultado de la correspondiente revisión bibliográfica e implementación de los cálculos
pertinentes se determinó el posible impacto tanto ambiental como económico del parque
fotovoltaico que se pretende, ya que se dejarían de emitir 399 toneladas de CO2 a la
atmósfera, anualmente, se ahorrarían un total de 115750 dólares al año, dejándose de
quemar 116 toneladas de petróleo anuales.
Se presenta el proyecto como un modelo a implementar en otras unidades de la corporación,
ya que es totalmente factible. Recuperándose la inversión en 7 años.
48
Recomendaciones
Seguir fomentando la utilización de fuentes renovables para la generación de energía eléctrica.
Llevar a cabo el proyecto sin la implementación de baterías. Ya que en los sistemas conectados a la red estas no son imprescindibles. Lo que reduciría el costo.
Utilizar el proyecto como modelo para otras unidades de la corporación.
49
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[13] D. W. Aitken, "Transición hacia un futuro basado en las Fuentes Renovables de Energía."
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[19] A. C. M. Christiner., "Azimuth-Altitude Dual Axis Solar Tracker," WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE, 2010.
[20] M. A. Abella, "Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos autónomos," Escuela de Organización Industrial.
50
Anexos
Anexo 1: Módulo solar fotovoltaico. DSM 250 Wp
51
Anexo 2: Inversores MASTERPOWER. 6 y 10 KW