fotovoltaico uso residencial
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Instalación fotovoltaica para uso residencialTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA
SEDE VIA DEL MAR - JOS MIGUEL CARRERA
DESARROLLO DE ALTERNATIVAS FOTOVOLTAICAS PARA
UTILIZACIN RESIDENCIAL E INDUSTRIAL
Trabajo de Titulacin para optar al Ttulo
Profesional de Ingeniero de Ejecucin en
MECNICA DE PROCESOS Y
MANTENCIN INDUSTRIAL
Alumnos:
Leonardo Antonio Cspedes Albornoz.
Sebastin Eugenio Torrejn Tello.
Profesor Gua:
Ing. Claudio Olgun Bermdez.
2007
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RESUMEN
Keywords: energa fotovoltaica, energa solar, energa elctrica
Principalmente en la agricultura y en lugares aislados nace la necesidad de
conocer algn tipo de energa que para mucha gente en nuestros das es desconocida.
Debido a escasez de energa, dependencia elctrica, y por satisfacciones personales nace
la inquietud de introducirse en el tema de energa solar.
En el primer captulo se observan las energas renovables donde se destaca la
energa fotovoltaica y el sol con un papel fundamental en nuestra vida. Se muestra la
composicin de un sistema fotovoltaico y se plantean los problemas, objetivos o
requerimientos que pueden satisfacer los sistemas solares.
En el segundo captulo cuenta con la explicacin sobre la transformacin de la
energa solar en energa elctrica, los tipos y clases de componentes del sistema, sus
cualidades y caractersticas principales.
El tercer captulo muestra el desarrollo de diversos sistemas fotovoltaicos,
desde 5 W a 2500 W, un ejemplo de diseo elctrico para una cabaa, y la alternativa de
tres sistemas de regado de bajo, medio y alto consumo que puede lograr almacenar un
volumen de 28.950 litros en un da. Se da a conocer el anlisis y clculos para la
eleccin de cada componente del sistema. Tambin existe una evaluacin con los
sistemas tradicionales de energa. Por ltimo estn los diseos y clculos de las
estructuras de soporte de los paneles y las conclusiones finales del proyecto.
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NDICE DE MATERIAS
RESUMEN
SIMBOLOGA
INTRODUCCIN
OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
OBJETIVOS ESPECFICOS
CAPTULO 1: DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
1.1. POSIBLES ALTERNATIVAS PARA OBTENER ENERGA
1.1.1. Motor generador
1.1.2. Conexin a la red SIC
1.1.3. Energas renovables
CAPTULO 2: PRINCIPALES PROBLEMTICAS A SOLUCIONAR CON
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
2.1. LA NECESIDAD DE ENERGA EN LUGARES DESOLADOS Y DIFCIL
ACCESO
2.1.1. Alto costo de instalacin elctrica al SIC (sistema interconectado central) en
sectores aislados
2.2. LA DEPENDENCIA DE PAGOS MENSUALES
2.3. RESPALDO DE ENERGA EN CASO DE EMERGENCIA O EN
HORARIOS PUNTA
2.4. CONTAMINACIN AMBIENTAL POR COMBUSTIBLES
2.5. FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
2.5.1. Paneles solares
2.5.2. Reguladores de voltaje
2.5.3. Inversor de corriente
2.5.4. Bateras
2.5.5. Cables
2.5.6. Diodos de proteccin y de bloqueo
2.5.7. Estructura de soporte
2.6. MTODO DE ELECCIN PARA LOS ELEMENTOS DE
FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA
2.6.1. Generador fotovoltaico
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2.6.2. Estructura de soporte
2.6.3. Batera
2.6.4. Regulador de voltaje
2.6.5. Inversor de corriente
2.6.6. Cables y conectores
2.7. SEGURIDAD DEL SISTEMA
2.8. INSTALACIN Y MANTENIMIENTO
2.9. LISTA DE CHEQUEO
CAPTULO 3: TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
3.1. SISTEMA 12 V 5 W
3.1.1. Batera
3.1.2. Regulador de voltaje
3.1.3. Ampolletas
3.2. SISTEMA 12 V 50 W
3.2.1. Batera
3.2.2. Regulador de voltaje
3.2.3. Ampolletas
3.3. SISTEMA 12 V 2 X 165 330 W
3.3.1. Batera
3.3.2. Regulador de voltaje
3.3.3. Inversor de corriente de 12 CC a 220 CA
3.4. SISTEMA 220V 500 W
3.4.1. Batera
3.4.2. Regulador de voltaje
3.4.3. Inversor de corriente de 12 CC a 220 CA
3.5. SISTEMA DE 2500W
3.5.1. Batera
3.5.2. Regulador de voltaje
3.5.3. Inversor de corriente de 48 CC a 230 CA
3.6. INSTALACIN DE UNA RED ELCTRICA EN UNA CASA CON
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
3.7. DESCRIPCIN DE LA CABAA
3.8. CLCULO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA
3.8.1. Panel solar
3.8.2. Regulador de voltaje
3.8.3. Batera
3.8.4. Inversor de corriente
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3.8.5. Cables y conectores
3.9. ELECCIN DE MATERIALES MS EFICIENTES
3.9.1. Paneles
3.9.2. Regulador
3.9.3. Inversor
3.9.4. Bateras
3.10. COMPARACIN DE COSTOS REALES DE ENERGA SOLAR
3.11. ESTRUCTURAS DE SOPORTE Y PANEL SOLAR DE 130 W PARA
CLCULOS DE CASA
3.12. ESTRUCTURA DE SOPORTE PARA 10 PANELES DE 130 W PANELES
SOBRE TECHO DE CASA
3.12.1. Materiales
3.12.2. Peso que debe soportar la estructura
3.13. SISTEMA DE REGADO
3.13.1. Sistema de bajo consumo
3.13.2. Sistema de medio consumo
3.13.3. Sistema de alto consumo
3.14. ESTRUCTURA DE SOPORTE PARA SISTEMA DE 2500 W
3.14.1. Carga sobre la estructura
3.14.2. Esfuerzo del marco de la estructura
3.14.3. Esfuerzos en los pilares de la estructura
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFA
ANEXOS
ANEXO A: PROMEDIO MENSUALES DE DATOS SOLARIMTRICOS EN
CHILE
ANEXO B: ISOPLETAS DE CHILE CENTRAL Y NORTE
ANEXO C: PLANOS
NDICE DE FIGURAS
Figura 1-1. Energa elica en Aysn
Figura 1-2. Hidroelctrica Colbun VII regin
Figura 1-3. El sol
Figura 2-1. Panel silicio monocristalino
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Figura 2-2. Panel silicio policristalino
Figura 2-3. Panel silicio amorfo
Figura 2-4. ngulo de inclinacin ptimo en invierno y verano
Figura 3-1. Plano cabaa
Figura 3-2. Panel solar de 130 W
Figura 3-3. Dimensin del panel solar
Figura 3-4. Estructura de soporte de cada panel
Figura 3-5. Dimensionado de estructura de soporte
Figura 3-6. Resistencia de soporte de cada panel
Figura 3-7. Marco de la estructura
Figura 3-8. Marco sobre techo de casa
Figura 3-9. Ensamble de marcos y paneles solares
Figura 3-10. Resistencia de marco que va sobre el techo de casa
Figura 3-11. Por mtodo Von Mises
Figura 3-12. Deformacin al esfuerzo sometido
NDICE DE TABLAS
Tabla 1-1. Radiacin solar diaria en Chile
Tabla 2-1. Comparacin de rendimiento, caractersticas y fabricacin de paneles solares
Tabla 2-2. Prdidas en porcentaje de la batera
Tabla 2-3. Lista de chequeo semanal
Tabla 2-4. Lista de chequeo semestral
Tabla 3-1. Caractersticas elctricas y fsicas panel solar A-5J
Tabla 3-2. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-3. Caractersticas elctricas y fsicas panel solar Shell PowerMax Ultra 50
Tabla 3-4. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-5. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Shell Power Max
Ultra 165 W
Tabla 3-6. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-7. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Shell SM 100
Tabla 3-8. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-9. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares SUNMODULE
SW180
Tabla 3-10. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-11. Consumo y precios de artefactos
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Tabla 3-12. Estimacin del consumo de los artefactos durante el da
Tabla 3-13. Prdidas permitidas de voltaje
Tabla 3-14. Comparacin de costos reales
Tabla 3-15. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Kyocera 43 W
Tabla 3-16. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-17. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Shell de 100 W
Tabla 3-18. Costo aproximado del sistema
Tabla 3-19. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Kyocera 130W
Tabla 3-20. Costo aproximado del sistema
Tabla.3-21. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Kyocera 100 W
Tabla 3-22. Costo aproximado del sistema
NDICE DE ESQUEMAS
Esquema 2-1. Funcionamiento mdulo solar
Esquema 2-2. Diodos de proteccin
NDICE DE GRFICOS
Grfico 2-1. Curva caracterstica I-V de la clula Fotovoltaica
NDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 2-1. Sistema solar fotovoltaico
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SIMBOLOGA
N : Newton.
Vcc : Voltaje en corriente contina.
Kg : Kilogramo.
cm : Centmetro.
m : Metro.
: Ohm.
mm : Milmetro cuadrado.
l : Litro.
m : Micrmetro.
Km : kilmetro.
g : Gramo.
h : Hora.
A : Ampere.
V : Volt.
Hz : Hertz.
dB : Decibel.
MW : Mega Watt.
kW : Kilo Watt.
C : Grados Celsius.
F : Grados Fahrenheit.
Kcal : Kilo Calora.
m : Metro Cuadrado.
% : Porcentaje.
$ : Peso Chileno.
mm : Milmetros.
W : Watt.
s2 : Segundo cuadrado
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INTRODUCCIN
Una energa garantizada para los prximos 6.000 millones de aos
El Sol, fuente de vida y origen de las dems formas de energa que el hombre
ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades,
si aprendemos cmo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama
sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de aos, y se
calcula que todava no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
La crisis de la energa esta ante nosotros ya que la demanda del petrleo crece
con mayor fuerza cada da.
La energa fotovoltaica es una valiosa alternativa, si bien no resuelve todos los
problemas, ofrece una fuente de energa inagotable, limpia y gratuita.
Es preciso, no obstante, sealar que existen algunos problemas que debemos
afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una poltica energtica solar avanzada
conllevara por s misma, hay que tener en cuenta que esta energa est sometida a
continuas fluctuaciones y a variaciones ms o menos bruscas. As, por ejemplo, la
radiacin solar es menor en invierno, precisamente cuando ms la necesitamos.
Uno de los obstculos para el aprovechamiento en general de la energa solar es
su baja intensidad. Incluso para las condiciones de tiempo despejado, ha quedado claro
que la baja intensidad (y la variabilidad) de la energa son desventajas importantes en
una potencial fuente de energa.
En base ha lo anterior y considerando las caractersticas de la energa solar nos
motiva a la investigacin y recoleccin de datos con la finalidad de educar y guiar como
usar una tecnologa energtica que esta al alcance de todos, sin embargo no desarrollada
en nuestro pas a pesar de poseer un clima y una geografa favorable para esta fuente.
La metodologa de trabajo se basa fundamentalmente en la investigacin,
recopilacin de datos y la adquisicin de experiencia de proyectos en otros pases. Es el
caso de Espaa donde la utilizacin de esta energa es masiva, tanto as que poseen
normas y reglamentos que nos han servido para aplicarlos en nuestro pas, sin embargo
hemos tenido que adaptar ciertos puntos para hacer ms efectivo el funcionamiento de
un sistema fotovoltaico en Chile.
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OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Dar a conocer una nueva fuente de energa desaprovechada en nuestro pas.
Incentivar el uso de energas alternativas en la agricultura y en lugares
desolados
Demostrar que la energa solar es una fuente eficiente, que est al alcance de
todos y que satisface un gran nmero de necesidades energticas.
OBJETIVOS ESPECFICOS
Disear un sistema fotovoltaico.
Describir y dar a conocer cada componente de un sistema.
Entregar una serie de sistemas fotovoltaicos que puedan satisfacer las
necesidades de cada persona.
Evaluar y Comparar costos con energas tradicionales.
Calcular y disear parmetros elctricos, estructurales y costos que asegurarn
la factibilidad del sistema segn un consumo determinado o requerido.
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CAPTULO 1: DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
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1. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
Permanentemente observamos variaciones en las tarifas de combustibles, cortes
de suministros, altos niveles de contaminacin y una falta de una fuente de energa para
lugares inaccesibles. Una de las soluciones es entregar un medio de energa confiable
que no dependa de personas externas (empresas elctricas) que sea fcil de instalar,
mantener y con una vida til a un precio razonable. La mayora de las alternativas
existente en nuestro pas dependen principalmente del combustible y del SIC (Sistema
Interconectado Central), por lo que mucha de las personas que no logran estar en
contacto con estas alternativas no tienen la posibilidad de satisfacer sus necesidades de
energa. La mayora de las personas no confan en mtodos alternativos de energa ya
que en nuestro pas no existe informacin sobre las diferentes alternativas, al contrario
de pases desarrollados que polticamente estn focalizados en obtener energa de
fuentes naturales.
1.1. POSIBLES ALTERNATIVAS PARA OBTENER ENERGA
1.1.1. Motor generador
Consiste en un motor a combustin de cuatro tiempos, que esta sujeto a una
estructura de acero el cual entrega una potencia elctrica segn las RPM del motor a una
frecuencia de 50 Hz y corriente alterna, generalmente es enfriado por aire forzado y
posee un equipamiento de voltmetro, alarma de aceite, regulador de voltaje. Esta
alternativa tiene que ser mantenida con combustible por lo que genera contaminantes al
medio ambiente, CO2, partculas slidas en forma de holln (humos negros),
hidrocarburos no quemados, xidos de nitrgeno (NOx), SO2 procedente del azufre
contenido en el combustible. El porcentaje de CO equivale al 0.30 % de todos los gases
emitidos por la combustin, adems debe tener una buena mantencin y genera
contaminacin acstica por el ruido excesivo, alrededor de 80 dB. Su rendimiento
promedio de combustible es cercano a 1.2 l / h.
1.1.2. Conexin a la red SIC
Al conectarse a la red del sistema elctrico central en lugares aislados se debe
pagar la instalacin completa que va desde los postes para el tendido de cables hasta
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transformadores para obtener energa, adems del pago mensual de un cargo fijo y del
consumo de energa, lo que lleva a un costo elevado si se trata de un lugar aislado.
1.1.3. Energas renovables
Las energas renovables se caracterizan porque en sus procesos de
transformacin y aprovechamiento en energa til no se consumen ni se agotan en una
escala humana. Entre estas fuentes de energas estn: la hidrulica, la solar, la elica y la
de los ocanos. Adems, dependiendo de su forma de explotacin, tambin pueden ser
catalogadas como renovables la energa proveniente de la biomasa y la energa
geotrmica.
Las energas renovables suelen clasificarse en convencionales y no
convencionales, segn sea el grado de desarrollo de las tecnologas para su
aprovechamiento y la penetracin en los mercados energticos que presenten.
Como energas renovables no convencionales (ERNC) se consideran la elica,
la solar, la geotrmica y la de los ocanos. Adems, existe una amplia gama de procesos
de aprovechamiento de la energa de la biomasa que pueden ser catalogados como
ERNC. De igual manera, el aprovechamiento de la energa hidrulica en pequeas
escalas se suele clasificar en esta categora.
Al ser autctonas y, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generan
impactos ambientales significativamente inferiores que las fuentes convencionales de
energa, las ERNC pueden contribuir a los objetivos de seguridad de suministro y
sustentabilidad ambiental de las polticas energticas. La magnitud de dicha contribucin
y la viabilidad econmica de su implantacin, depende de las particularidades en cada
pas de elementos tales como el potencial explotable de los recursos renovables, su
localizacin geogrfica y las caractersticas de los mercados energticos en los cuales
competiran.
Histricamente la matriz energtica de Chile ha contado con una participacin
importante de energas renovables, en particular de la energa hidrulica convencional
utilizada para generacin elctrica. Esta participacin ha disminuido en los ltimos aos
producto del crecimiento de sectores que tienen un consumo intensivo de derivados del
petrleo, como el transporte, y del aumento de la capacidad de generacin elctrica
trmica a partir de gas natural. Sin perjuicio de ello, la participacin de las energas
renovables sigue siendo significativa en el abastecimiento energtico nacional, tal como
se desprende del balance de consumo bruto de energa primaria del ao 2001.
Por su parte, si bien las ERNC presentan una participacin marginal en el
consumo bruto de energa en Chile, han tenido un espacio de desarrollo en el
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abastecimiento energtico de zonas rurales, situacin que se ver reforzada por las
polticas gubernamentales de apoyo a la electrificacin rural.
1.1.3.1. Energa elica
La energa elica se considera una forma indirecta de energa solar. Entre el 1 y
2% de la energa proveniente del sol se convierte en viento, debido al movimiento del
aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. La energa
cintica del viento puede transformarse en energa til, tanto mecnica como elctrica.
La energa elica, transformada en energa mecnica ha sido histricamente
aprovechada, pero su uso para la generacin de energa elctrica es ms reciente,
existiendo aplicaciones de mayor escala desde mediados de la dcada del 70 en
respuesta a la crisis del petrleo y a los impactos ambientales derivados del uso de
combustibles fsiles.
Una de las caractersticas de este recurso es su condicin aleatoria y variable,
por cuanto depende de condiciones atmosfricas. Esto lleva a que se requieran
exhaustivas mediciones como condicin previa para el desarrollo de proyectos
destinados a su aprovechamiento.
En la actualidad existe en operacin en Chile uno de estos proyectos: "Alto
Baguales". Corresponde a un parque de tres aerogeneradores (660 kW. c/u) con una
capacidad conjunta de 2 MW nominal. Se encuentra conectado desde noviembre de
2001 al Sistema Elctrico de Aysn, que atiende a 19.000 familias de la XI Regin del
pas.
Figura 1-1. Energa elica en Aysn
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1.1.3.2. Energa hdrica
La hidroelectricidad, al igual que la energa elica y solar, es un recurso
energtico "limpio" y renovable, cuyo adecuado aprovechamiento tiene un bajo impacto
ambiental y se utiliza como importante recurso energtico en casi todos los pases del
mundo. La potencia obtenida a travs de los recursos hidrulicos depende del volumen
de agua que fluye por unidad de tiempo y de la altura de cada de sta. Una central
hidroelctrica es un conjunto de obras destinadas a convertir la energa cintica y
potencial del agua, en energa utilizable como es la electricidad. Esta transformacin se
realiza a travs de la accin que el agua ejerce sobre una turbina hidrulica, la que a su
vez le entrega movimiento rotatorio a un generador elctrico.
La energa hidrulica convencional, aquella utilizada para generacin elctrica
en grandes centrales conectadas a sistemas elctricos, es una de las fuentes primarias
principales de abastecimiento energtico en Chile. Por su parte, las mini y micro
centrales hidroelctricas y los hidrocargadores., se consideran como energas renovables
no convencionales, debido a su menor nivel de implementacin y a que en los sectores
rurales se constituyen en una alternativa para la provisin de electricidad. Actualmente
se contabilizan alrededor de 110 instalaciones de este tipo en el pas, destinadas
principalmente a la electrificacin de viviendas y a telecomunicaciones. Existen regiones
del pas que presentan favorables condiciones geogrficas y climticas que las
transforman en un lugar privilegiado para el aprovechamiento de la energa hdrica.
Muchos lugares cordilleranos en casi toda la radiacin de las zonas central y sur, reas
como Chilo continental y zonas aisladas desde la VIII Regin al sur, son especialmente
adecuados para la instalacin de mltiples centrales de pequeo tamao.
Figura 1-2. Hidroelctrica Colbun VII regin
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1.1.3.3. El sol
El Sol es el elemento ms importante en nuestro sistema solar. Es el objeto ms
grande y contiene aproximadamente el 98% de la masa total del sistema solar. Se
requeriran ciento nueve Tierras para completar el disco solar, y su interior podra
contener ms de 1.3 millones de Tierras. La capa exterior visible del Sol se llama la
fotosfera y tiene una temperatura de 6.000C (11.000F). Esta capa tiene una apariencia
manchada debido a las turbulentas erupciones de energa en la superficie.
La energa solar se crea en el interior del Sol. Es aqu donde la temperatura
(15.000.000 C; 27.000.000 F) y la presin (340 millardos de veces la presin del aire
en la Tierra al nivel del mar) son tan intensas que se llevan a cabo las reacciones
nucleares. Estas reacciones causan ncleos de cuatro protones hidrgeno para fundirse
juntos y formar una partcula alfa ncleo de helio. La partcula alfa tiene cerca de 7 por
ciento menos masa que los cuatro protones. La diferencia en la masa es expulsada como
energa y es llevada a la superficie del Sol, a travs de un proceso conocido como
conveccin, donde se liberan luz y calor. La energa generada en el centro del Sol tarda
un milln de aos para alcanzar la superficie solar. Cada segundo se convierten 700
millones de toneladas de hidrgeno en cenizas de helio. En el proceso se liberan 5
millones de toneladas de energa pura; por lo cual, el Sol cada vez se vuelve ms ligero.
Figura 1-3. El sol
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Definicin de energa solar
Recibe el nombre de energa solar aquella que proviene del aprovechamiento
directo de la radiacin del sol, y de la cual se obtiene calor y electricidad. El calor se
obtiene mediante colectores trmicos, y la electricidad a travs de paneles fotovoltaicos.
En los sistemas de aprovechamiento trmico el calor recogido en los colectores
solares puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades, como por ejemplo:
obtencin de agua caliente para consumo domstico o industrial, o bien para fines de
calefaccin, aplicaciones agrcolas, entre otras.
Los paneles fotovoltaicos, que constan de un conjunto de celdas solares, se
utilizan para la produccin de electricidad, y constituyen una adecuada solucin para el
abastecimiento elctrico en las reas rurales que cuentan con un recurso solar abundante.
La electricidad obtenida mediante los sistemas fotovoltaicos puede utilizarse en forma
directa, o bien ser almacenada en bateras para utilizarla durante la noche.
De acuerdo a la informacin disponible en el archivo solarimtrico nacional
elaborado por la Universidad Tcnica Federico Santa Mara, las radiaciones solares
diarias para las regiones del pas son las siguientes:
Tabla 1-1. Radiacin solar diaria en Chile
Regin Radiacin Solar
(Kcal/(m2/da))
I 4.554
II 4.828
III 4.346
IV 4.258
V 3.520
VI 3.676
VII 3.672
VIII 3.475
IX 3.076
X 2.626
XI 2.603
XII 2.107
RM 3.570
Antrtica 1.563 Fuente: archivo solarimtrico nacional elaborado por la Universidad Tcnica Federico Santa Mara.
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El desarrollo de la tecnologa fotovoltaica en nuestro pas incluye los siguientes
tipos de usos: aplicaciones efectuadas por empresas de telecomunicaciones, aplicaciones
en retransmisin de televisin en sectores aislados, sistemas de iluminacin de faros con
paneles fotovoltaicos y electrificacin rural.
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CAPTULO 2: PRINCIPALES PROBLEMTICAS A SOLUCIONAR CON
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
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2 PRINCIPALES PROBLEMTICAS A SOLUCIONAR CON SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS
2.1. LA NECESIDAD DE ENERGA EN LUGARES DESOLADOS Y
DIFCIL ACCESO
Nuestro pas posee extensiones irregulares, un gran nmero de montaas,
bosques, cordillera de la costa y los Andes que muchas veces impiden la accesibilidad
directa del abastecimiento energtico. El caso mas frecuente es el uso de combustible
que posee la desventaja del elevado costo y sumado al transporte diario requiere de una
gran inversin para satisfacer las necesidades elctricas sobre todo si se encuentra a una
gran distancia de la ciudad.
Lamentablemente en los lugares alejados de la ciudad el alto costo de la
conexin al SIC requiere de una gran inversin al no existir redes cercanas, lo que da
como resultado la alternativa de energa que es el combustible.
Para los agricultores y campesinos se hace inminente la necesidad de energa
sobre todo para el riesgo de cultivos y para satisfacer necesidades bsicas que faciliten
su vida, por lo que la energa fotovoltaica es una buena alternativa ya que solo se
requiere de la inversin inicial del sistema que logre satisfacer la necesidad y que el sol
aporte en forma gratuita su energa.
2.1.1. Alto costo de instalacin elctrica al SIC (sistema interconectado central) en
sectores aislados
El costo para sectores aislados es elevado ya que la persona interesada en
conectarse al sistema debe hacer el pago de postes, cableado, transformador y todos los
accesorios correspondientes a la instalacin elctrica, mas el pago mensual a la empresa
elctrica por los servicios de instalacin, consumo y mantencin de los componentes.
2.2. LA DEPENDENCIA DE PAGOS MENSUALES
Con un sistema fotovoltaico, para una casa como ejemplo, evitaremos el pago
mensual de energa a una empresa de electricidad, la inversin inicial de este sistema
ser elevado, pero se amortizara con la cantidad de aos que dure este sistema sin
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renovacin de sus componentes, a lo mas se requiere el cambio de las bateras que duran
alrededor de diez aos. La vida til de los sistemas solares es alrededor de los 25 a 30
aos.
2.3. RESPALDO DE ENERGA EN CASO DE EMERGENCIA O EN
HORARIOS PUNTA
Los sistemas fotovoltaicos pueden almacenar la energa en bateras, con lo cual
se podra contener esta energa para casos especiales de consumo ya sea en casos de
emergencia o en horarios punta para algn equipo en especial.
2.4. CONTAMINACIN AMBIENTAL POR COMBUSTIBLES
La contaminacin es producida por partculas de monxido de carbono, xidos
de nitrgeno y otras partculas fsicas y qumicas que vienen de los diferentes
combustibles usados en Chile. Los sistemas fotovoltaicos no emiten ningn tipo de
contaminacin, ya que la energa entregada por el sol es limpia e inagotable, no usar esta
energa seria irracional, mirado desde el punto de vista del medio ambiente.
2.5. FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
2.5.1. Paneles solares
Los mdulos fotovoltaicos funcionan por el efecto fotoelctrico. Cada clula
fotovoltaica est compuesta de dos delgadas lminas de silicio (u obleas), P y N,
separadas por un semiconductor. Los fotones procedentes de la fuente luminosa inciden
sobre la superficie de la capa P, y al interaccionar con el material liberan electrones de
los tomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor,
pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P.
Si se conectan unos conductores elctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un
dispositivo o elemento elctrico consumidor de energa, se iniciar una corriente
-
elctrica continua (los electrones se mueven siempre en el mismo sentido y de los
potenciales ms bajos a los ms altos.
En un mdulo policristalino tpico, la mayor parte del material es silicio dopado
con boro para darle una polaridad positiva (material P). Una capa delgada en el frente
del mdulo es dopada con fsforo para darle una polaridad negativa (material N). A la
interfase entre las dos capas se le llama unin.
Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su
efectividad depende tanto de su orientacin hacia el sol como de su inclinacin con
respecto a la horizontal, se tiende a las instalaciones fijas, por ahorros en mantenimiento
y con una inclinacin al sur fija que depende de la latitud. Por su potencia, la luz solar es
la ms efectiva, pero las clulas solares funcionan con cualquier tipo, como puede
observarse en las calculadoras de bolsillo, que tambin funcionan en interiores con luz
artificial.
Esquema 2-1. Funcionamiento mdulo solar
Curva caracterstica I-V de la clula Fotovoltaica.
Fuente: ESF Modulo 4
Grfico 2-1. Curva caracterstica I-V de la clula Fotovoltaica
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ste es el grafico caracterstico de una clula fotovoltaica donde Isc
corresponde a la corriente en corto circuito, Voc voltaje en vaci y Pm la potencia
mxima de la clula.
2.5.1.1. Eficiencia del panel fotovoltaico
Se define el rendimiento o eficiencia () de una clula solar como el cociente
entre la potencia mxima que puede dar a la carga y la potencia luminosa recibida por la
clula.
Fuente: ESF Modulo 4
Donde:
Vmp: Voltaje a mxima potencia.
Imp: Corriente a mxima potencia.
Pl: Potencia luminosa recibida por el panel.
2.5.1.2. Factor de forma del panel fotovoltaico
Otra relacin importante es el factor de forma o de relleno, FF. Este factor se
define como el cociente entre la potencia mxima que la clula solar puede dar a la carga
y la potencia terica mxima definida por el punto (Isc corriente en cortocircuito, Voc
voltaje en vaci):
Es una medida de la calidad de la unin y de la resistencia serie de la clula.
Cuanto mayor es este factor, cuanto ms prximo a 1, la caracterstica I-V con
iluminacin se aproxima ms al rectngulo de mxima potencia terica y, por tanto, el
panel es de mayor calidad.
-
Fuente: ESF Modulo 4
Donde
Vmp: Voltaje a mxima potencia.
Imp: Corriente a mxima potencia.
Voc: Voltaje en vaci del panel.
Isc: Corriente en corto circuito del panel.
2.5.1.3. Factores que afectan el rendimiento de una clula fotovoltaica
El rendimiento de una clula viene limitado por distintos factores intrnsecos y
de diseo. Estos son:
Energa de los fotones incidentes
Para generar los pares positivos y negativos es necesario que los fotones que
llegan a la clula tengan una determinada energa. En la radiacin solar, una parte de los
fotones incidentes no tienen energa, por lo que se pierden, y otros tienen una energa
mayor, por lo que se pierde ese exceso. Un 50% de la energa incidente se pierde por
ste motivo.
Prdidas por recombinacin
El proceso de recombinacin depende de los defectos de la estructura cristalina
del semiconductor, cuanto ms puro sea (silicio monocristalino), stas prdidas sern
menores ( un 15%)
Prdidas por reflexin parcial
Parte de la luz que incide sobre la clula es reflejada por la superficie de esta,
por lo que se pierde (se perdera un 30%). Para evitar esta prdida en la fabricacin de
las clulas se emplean capas antirreflectantes y superficies rugosas (con stas capas las
prdidas quedan en aproximadamente 10%)
-
Prdidas por los contactos elctricos
El hecho de dotar a la clula solar de unos contactos que canalicen los
electrones liberados hacia el circuito exterior, hace que parte de su superficie de
captacin se vea tapada por esos contactos elctricos de rejilla, que no son transparentes
y, en definitiva restan iluminacin. Las prdidas por ste concepto pueden evaluarse,
como media, en un 8%, ya que dependen del diseo.
Prdidas por resistencia serie
Son debidas al efecto Joule que se produce al circular la corriente elctrica a
travs del silicio, produciendo un calentamiento. Representan sobre el conjunto un 2% -
3%.
La suma de todas estas prdidas disminuye el rendimiento de la clula, lo que
explica las diferencias que existen entre los rendimientos obtenidos en laboratorios y los
de las clulas comerciales que resultan de los procesos industriales de fabricacin.
2.5.1.4. Tipos de clulas solares
Clulas de Silicio
- Silicio Monocristalino
Presenta una estructura completamente ordenada, cuyo comportamiento
uniforme lo convierte en ptimo semiconductor. Estas celdas se obtienen a partir de
barras cilndricas de silicio Monocristalino producidas en hornos especiales.
Las celdas se obtienen por cortado de las barras en forma de obleas cuadradas
delgadas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en conversin de luz solar en
electricidad es superior al 12%. En este caso el silicio que compone las clulas de los
mdulos es un nico cristal. La red cristalina es la misma en todo el material y tiene muy
pocas imperfecciones. El proceso de cristalizacin es complicado y costoso, pero, sin
embargo, es el que proporciona la mayor eficiencia de conversin de luz en energa
elctrica. Es fcilmente reconocible por su monocromia azulada oscura y metlica.
-
Figura 2-1. Panel silicio monocristalino
- Silicio Policristalino
Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusin de
trozos de silicio puro en moldes especiales. En los moldes, el silicio se enfra
lentamente, solidificndose. En este proceso, los tomos no se organizan en un nico
cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separacin entre los
cristales, por tanto, el proceso de cristalizacin no es tan cuidadoso y la red cristalina no
es la misma en todo el material. Este proceso es ms barato que el anterior pero se
obtiene rendimientos ligeramente inferiores.
Su eficiencia en conversin de luz solar en electricidad es algo menor a las de
silicio Monocristalino. Su aspecto es una composicin de diferentes cristales azulados y
grises metlicos.
Figura 2-2. Panel silicio policristalino
-
- Silicio Amorfo
Difiere de las dems estructuras cristalinas por presentar un alto grado de
desorden en la estructura de los tomos, con lo cual contiene un gran nmero de defectos
estructurales y de enlaces.
Por presentar una respuesta espectral tirando ms para el azul, se muestran muy
eficientes bajo iluminacin artificial (principalmente bajo lmparas fluorescentes) con
eficiencia, en este caso, superior a la del silicio cristalino. Con respecto a las clulas
cristalinas tienen un proceso de fabricacin ms simple y por tanto un costo muy
inferior.
Su eficiencia en conversin de luz solar en electricidad vara entre un 5 y un 7
%.
Figura 2-3. Panel silicio amorfo
-
Tabla 2-1. Comparacin de rendimiento, caractersticas y fabricacin de paneles solares
Clulas Rendimiento
Directo
Caractersticas Fabricacin
Monocristalinos
15-18 %
Es tpico los azules
homogneos y la
conexin de las clulas
individuales entre si
Se obtiene de
silicio puro
fundido y dopado
con boro
Policristalino
12-14 %
La superficie esta
estructurada en
cristales y contiene
distintos tonos azules
Igual que el del
monocristalino,
pero se disminuye
el numero de fases
de cristalizacin.
Amorfo
-
2.5.1.6. Angulo de inclinacin
El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los paneles solares alcanzan su
mxima efectividad cuando estn orientados hacia el sol, en un ngulo perpendicular con
ste a medioda. Por lo general, los paneles solares son colocados sobre un techo o una
estructura y tienen una posicin fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el cielo.
Por lo tanto, no estarn orientados hacia el astro con un ngulo ptimo (90 grados)
durante toda la jornada. El ngulo entre el plano horizontal y el panel solar se denomina
ngulo de inclinacin.
Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen tambin variaciones
estacinales. En invierno, el sol no alcanzar el mismo ngulo que en verano.
Idealmente, en verano los paneles solares deberan ser colocados en posicin
ligeramente ms horizontal para aprovechar al mximo la luz solar. Sin embargo, los
mismos paneles no estarn, entonces, en posicin ptima para el sol del invierno. Con el
propsito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los paneles solares debern
ser instalados en un ngulo fijo, determinado en algn punto entre los ngulos ptimos
para el verano y para el invierno.
Figura 2-4. ngulo de inclinacin ptimo en invierno y verano
2.5.2. Reguladores de voltaje
La funcin primordial del regulador de carga es proteger a la batera contra las
sobrecargas y contra las sobredescargas. Adems, se emplea para proteger a las cargas
en condiciones extremas de operacin, y para proporcionar informacin al usuario.
Idealmente la regulacin de carga debera atender directamente al estado de carga de la
batera, y en la actualidad hay sofisticados reguladores de carga en el mercado que
-
funcionan bajo este principio. Sin embargo, son an muy complejos y caros, por lo que
su uso es difcil de justificar en el sistema.
Tpicamente el costo del regulador de carga representa slo el 5 % de la
inversin inicial del sistema.
2.5.3. Inversor de corriente
La mayora de los electrodomsticos convencionales necesitan para funcionar
corriente alterna a 220 V y 50 Hz de frecuencia. Puesto que los paneles como las
bateras trabajan siempre en corriente continua, es necesaria la presencia de un inversor
que transforme la corriente continua en alterna. Las principales caractersticas vienen
determinadas por la tensin de entrada del inversor, que se debe adaptar a la del
generador, la potencia mxima que puede proporcionar la forma de onda en la salida
(sinusoidal pura o modificada, etc.), la frecuencia de trabajo y la eficiencia, prximas al
85%.
2.5.4. Bateras
La funcin prioritaria de las bateras es la de acumular la energa que se
produce para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal
tiempo. Otra importante funcin de las bateras es la de proveer una intensidad de
corriente superior a la que el generador fotovoltaico pueden entregar. Tal es el caso de
un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6 veces
su corriente nominal durante unos pocos segundos. Las bateras de plomo - cido se
aplican ampliamente en los sistemas de generacin fotovoltaicos. Dentro de la categora
plomo - cido, las de plomo - antimonio, plomo - selenio y plomo - calcio son las ms
comunes. La unidad de construccin bsica de una batera es la celda de 2 V. Dentro de
la celda, la tensin real de la batera depende de su estado de carga, si est cargando,
descargando en circuito abierto. Se puede hacer una clasificacin de las bateras en base
a su capacidad de almacenamiento de energa (medido en Ah a la tensin nominal) y a
su ciclo de vida (numero de veces en que la batera puede ser descargada y cargada a
fondo antes de que se agote su vida til). La cantidad de energa que es capaz de
almacenar una batera depende de su capacidad, que se mide en Amperios hora. Por
ejemplo, suponiendo una descarga total una batera de 100Ah puede suministrar 1 A
durante 100 h o 2 A durante 50 h, o 5 A durante 20 h. El nmero de das que la batera
puede mantener el consumo de la instalacin (autonoma) depender de su capacidad;
cuantos ms Ah pueda almacenar, mayor nmero de das.
-
2.5.5. Cables
Son los conductores de la energa y tendrn la seccin adecuada para reducir las
cadas de tensin y los calentamientos.
Voltajes relativamente bajos y corrientes relativamente altas son caractersticos
en los sistemas fotovoltaicos. Por lo tanto, incluso pequeas cadas de tensin tienden a
ser importantes y pueden producir efectos negativos sobre:
La corriente entregada por el generador fotovoltaico (un aumento de la tensin
de operacin hace que el punto de operacin se mueva hacia la regin de baja
corriente de la curva I-V del generador fotovoltaico).
La regulacin de la carga de la batera (debido a las diferencias entre los
voltajes reales de la batera y los valores del voltaje en los terminales del
regulador de carga).
La vida til de las lmparas fluorescentes (bajo voltaje de operacin).
2.5.6. Diodos de proteccin y de bloqueo
Los diodos de bloqueo evitan que la corriente pase en sentido contrario al de
generacin y tambin previenen que la batera se descargue a travs de ellos durante la
noche. Esto no supone problemas para el mdulo pero se traduce en una prdida de
energa de la batera.
Esquema 2-2. Diodos de proteccin
-
2.5.7. Estructura de soporte
La funcin principal de las estructuras es darle la orientacin e inclinacin
necesaria a los paneles para captar de mejor forma la radiacin entregada por el sol. Hay
dos tipos de estructuras las fijas y las de seguimiento.
Diagrama 2-1. Sistema solar fotovoltaico
2.6. MTODO DE ELECCIN PARA LOS ELEMENTOS DE
FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA
2.6.1. Generador fotovoltaico
Mdulos fotovoltaicos certificados de acuerdo con la norma internacional IEC-
61215 o con la norma nacional para mdulos fotovoltaicos utilizada en el pas de inters.
1000 W-h /m Potencia nominal del panel en W.
Radiacin del lugar en W-h /m X
X = Potencia Entregada por el Panel en Wh
-
2.6.2. Estructura de soporte
Las estructuras de soporte deben ser capaces de resistir, como mnimo, 10 aos
de exposicin a la intemperie sin corrosin o fatiga apreciables.
Las estructuras de soporte deben soportar vientos de 120 km / h, como mnimo.
Se pueden utilizar muchos materiales para las estructuras de soporte, entre ellos
acero inoxidable, aluminio, hierro galvanizado con una capa protectora de 30 m,
madera tratada, etc.
En el caso de mdulos fotovoltaicos con marco, su fijacin a los soportes slo
puede realizarse mediante elementos (tornillos, tuercas, arandelas, etc.) de acero
inoxidable.
El ngulo de inclinacin debe optimizar la captacin de energa solar durante el
peor mes, es decir el mes con la peor relacin entre los valores diarios de la irradiacin y
el consumo, ambos en media mensual. Generalmente puede suponerse que la demanda
de los usuarios es constante, lo que lleva a la frmula:
Esta frmula conduce a un ngulo mnimo de inclinacin de 10, el cual es
suficiente para permitir el drenaje del agua de lluvia. Es til sealar que pequeas
desviaciones acimutales (+/- 30) y/o de inclinacin (+/- 10) tienen una influencia
relativamente pequea sobre la captacin de radiacin y, en consecuencia, sobre la
produccin del panel fotovoltaico.
Estructuras de soporte estticas son generalmente preferibles a las de
seguimiento.
En caso de que se utilicen sistemas de seguimiento manual (2 a 3 posiciones por
da movindose de este a oeste), todos sus componentes debern satisfacer los requisitos
especificados anteriormente para las estructuras de soporte.
2.6.3. Batera
La caracterstica de operacin ms importante de una batera en un sistema rural
fotovoltaico es el ciclado.
-
Durante un ciclo diario la batera se carga durante el da y se descarga durante
la noche. Sobrepuesto al ciclado diario hay un ciclo estacional, que est asociado a
perodos de reducida disponibilidad de radiacin. Estos ciclos, junto con otros
parmetros operativos (temperatura ambiente, corriente, voltaje, etc.), afectan la vida de
la batera y a los requisitos de mantenimiento. Para maximizar la vida til de las bateras
de plomo-cido, hay que evitar las siguientes condiciones operativas:
Altos voltajes durante la carga (para prevenir la corrosin y la prdida de agua).
Bajos voltajes durante la descarga (corrosin)
Descargas profundas (sulfatacin, crecimiento de dendritas)
Perodos extensos sin recargas totales (sulfatacin)
Temperaturas altas de la batera (todos los procesos de envejecimiento se
aceleran)
Estratificacin del electrolito (sulfatacin)
Corrientes de carga muy bajas (sulfatacin)
Estas reglas conducen a especificaciones para el dimensionamiento (tanto de la
batera como del generador fotovoltaico) y para los procedimientos de proteccin de la
batera (reguladores de carga).
La necesidad de evitar descargas excesivas lleva a limitar la mxima
profundidad de descarga hasta un cierto valor, PDMAX, que generalmente est entre 0,3
y 0,6, pero que puede aproximarse a 0,5 segn el tipo de batera. Cuando se alcanza este
lmite, hay que interrumpir el suministro de energa a las cargas. La capacidad
disponible, CU, es, por lo tanto, menor que la capacidad nominal, CB, que se refiere a la
carga total que podra extraerse de la batera si no se impusiesen lmites de ningn tipo.
Es obvio que CU es igual al producto CB X PDMAX.
Tpicamente, se puede obtener un buen compromiso entre costo y confiabilidad
con una batera que tenga una capacidad til que est entre 3 das (en lugares donde no
se esperen perodos nublados prolongados) y 5 das (en regiones donde sean probables
perodos nublados prolongados) veces la demanda total diaria de energa de la vivienda.
La seleccin de un valor de capacidad en particular depende principalmente del
tipo de batera.
Las bateras de mejor calidad para uso fotovoltaico estn hechas con placas
tubulares y rejillas con bajo contenido de Sb-Se (Antimonio - Selenio). Con estas
bateras se pueden alcanzar vidas tiles superiores a 8 aos, con profundidad de descarga
diaria = 0,2 y frecuencias de mantenimiento entre 1 y 2 veces al ao. Una desventaja
particular de las bateras tubulares en los sistemas fotovoltaicos es que no aceptan
-
fcilmente regmenes de carga muy bajos, adems, son caras y estn poco disponibles en
los mercados actuales de los pases en desarrollo. Sin embargo, no deberan ser
excluidas de los programas fotovoltaicos.
Las bateras para automviles, usualmente referidas como SLI (STARTING,
LIGHTING, IGNITION), tienen algunas ventajas:
Son las bateras ms baratas cuando se las compara en trminos de capacidad
nominal (la diferencia de precio puede llegar a 4 5 veces).
Son frecuentemente producidas localmente y estn ampliamente disponibles en
todos los mercados.
Mejor posibilidad para el reciclado de las bateras usadas y, en consecuencia,
para evitar problemas ambientales.
El principal inconveniente es su relativa corta vida. Debido a que el diseo de
loa vasos se optimiza para entregar altas corrientes durante periodos cortos de tiempo.
Por lo tanto, es necesario utilizar bateras de capacidad ms grande, PDd 0,1. Esto es
necesario para reducir la corrosin y prolongar as la vida de las bateras. Las bateras
SLI clsicas utilizan aleaciones de plomo y antimonio en las rejillas, y exigen ser
frecuentemente rellenadas con agua destilada.
Las bateras SLI Modificadas son de placas ms gruesas y mayor cantidad de
electrolito en el espacio por encima de las placas. Estas bateras SLI modificadas se
comercializan a veces como bateras solares.
Para que una batera pueda ser apropiadamente considerada como "SLI
modificada", debe cumplir las siguientes condiciones:
El espesor de cada rejilla debe exceder los 2mm.
La cantidad de electrolito debe exceder 1,15 l por vaso y por cada 100
Ah de capacidad nominal en 20 h.
Los separadores deben ser de polietileno microporoso
La densidad del electrolito no debe exceder 1,25 g/l.
Las bateras SLI de bajo mantenimiento:
Utilizan aleaciones de plomo y calcio en las rejillas.
Son particularmente vulnerables a los daos por descargas profundas.
Estn sujetas a deterioro por grandes variaciones de temperatura.
-
Las bateras sin-mantenimiento:
Utilizadas para aplicaciones profesionales utilizando electrolito gelificado.
Ms resistentes a descargas profundas.
Generalmente muy caras para su uso en sistemas fotovoltaicos
Su reciclado requiere de instalaciones especficas.
Para dimensionar la capacidad de la batera:
0.205 2
+
VPt
VPt
Donde:
Pt: potencia aparente en el da. (Suma de cargas)
V: Voltaje nominal de la batera. (12V, 24V, etc)
El numero 2 es asumiendo que la batera se puede descargar un 50 % y el 0.205
equivale a la suma de las perdidas de la batera.
Tabla 2-2. Prdidas en porcentaje de la batera
Coeficiente de rendimiento Porcentaje %
Perdidas en batera 0.05
auto descarga 0.005
Perdidas varias 0.15
TOTAL 0.205 Fuente: Elaboracin propia
2.6.4. Regulador de voltaje
Debe haber proteccin contra descargas profundas.
Todos los terminales del regulador deben poder acomodar fcilmente cables de,
al menos, 4 mm de seccin.
Deben proveerse protecciones contra corrientes inversas.
-
El regulador de carga debe ser capaz de resistir cualquier situacin posible de
operacin sin batera, cuando el generador fotovoltaico opera en condiciones
estndar de medida, y con cualquier condicin de carga permitida.
El regulador de carga debe resistir sin dao la siguiente condicin de operacin:
temperatura ambiente 45C, corriente de carga 25% superior a la corriente de
cortocircuito del generador fotovoltaico en las condiciones estndar de medida,
y corriente de descarga 25% superior a la correspondiente a todas las cargas
encendidas y al voltaje nominal de operacin.
Las cajas de los reguladores de carga deben como mnimo proveer proteccin
IP 32, segn las normas IEC 529 o DIN 40050.
El regulador de carga no debe producir interferencias en las radiofrecuencias en
ninguna condicin de operacin.
Cuando las cargas puedan ser utilizadas sin restricciones, porque el estado de
carga de la batera es suficientemente elevado, se indicar con una seal de
color verde.
Cuando las cargas hayan sido desconectadas de la batera, porque el estado de
carga es excesivamente bajo, se indicar con una seal de color rojo.
2.6.4.1. Para el clculo del regulador
1 Condicin: Corriente en corto circuito del panel x 1.25 = Corriente del
regulador.
2 Condicin: (Potencia de todas las cargas /12) x 1.25 = Corriente del
regulador.
2.6.5. Inversor de corriente
Se debe observar el mayor consumo que ocurra al mismo tiempo en Watt, el
inversor debe ser mayor a este valor.
2.6.6. Cables y conectores
Las secciones de los conductores deben ser tales que las cadas de tensin en
ellos sean inferiores al 3% entre el generador fotovoltaico y el regulador de carga,
inferiores al 1% entre la batera y el regulador de carga, e inferiores al 5% entre el
regulador de carga y las cargas. Todos estos valores corresponden a la condicin de
mxima corriente.
-
Para los cables de cobre (resistividad = 0,01724 .mm / m a 20C) y con
tensiones nominales de 12 V, se puede emplear la siguiente frmula:
( ) ( )
=(%)
Imx m 1 0,036 mm 2V
AS
Donde:
S: Seccin mnima de los cables.
l: Longitud de los cables.
Imax: mxima corriente.
V: Prdidas permitidas de voltaje.
Las mnimas secciones de los cables en cada una de las lneas sern las
siguientes:
Del generador fotovoltaico al regulador de carga: 2.5 mm.
Del regulador de carga a las bateras: 4 mm.
Por ejemplo, suponiendo que la distancia entre el generador fotovoltaico y el
regulador de carga es igual a 10 m, y que la corriente mxima es de 5 A, la seccin de
los cables debe ser mayor que 0,036x10x5/0.6 = 3 mm
Los cables externos debern ser aptos para operar a la intemperie segn la
norma internacional IEC 60811 o la norma nacional para cables que sea
relevante en el pas de inters.
Todos los terminales de los cables deben permitir una conexin segura y
mecnicamente fuerte.
Deben tener una resistencia interna pequea, que no permita cadas de tensin
superiores al 0,5 % del voltaje nominal. Esta condicin es aplicable a cada
terminal en las condiciones de mxima corriente.
Los terminales de los cables no deben favorecer la corrosin que se produce
cuando hay contacto entre dos metales distintos.
Los extremos de los cables de seccin 4 mm deben estar dotados con
terminales especficos y de cobre. Los extremos de los cables de seccin 2,5
mm podrn retorcerse y estaarse para lograr una conexin adecuada.
-
Todos los cables deben respetar un cdigo de colores y/o estar debidamente
etiquetados.
Los fusibles deben elegirse de modo tal que la mxima corriente de operacin
est en el rango del 50 al 80% de la capacidad nominal del fusible.
Los fusibles deben instalarse preferentemente en las lneas de polaridad
positiva.
Los interruptores deben ser especialmente aptos para corriente continua (CC).
Si se permite el uso de interruptores para Corriente alterna (CA), la corriente
nominal en CA debe exceder como mnimo en 200 % la corriente mxima a ser
interrumpida en CC.
Las combinaciones enchufe / toma de corriente deben tener protecciones contra
la inversin de la polaridad del voltaje suministrado a los aparatos elctricos.
Interesa comentar que, cuando no se disponga de productos especficos para
CC, un modo prctico de implementar la proteccin contra inversin de polaridad
consiste en utilizar productos CA precisamente de los que tienen dos conductores y
tierra. En este caso, los dos terminales principales pueden cortocircuitarse y ser usados
como uno de los polos (por ejemplo, positivo) mientras que el terminal de tierra se usa
como el otro polo (negativo).
2.7. SEGURIDAD DEL SISTEMA
En lo que concierne a seguridad, los sistemas fotovoltaicos tienen la ventaja de
la baja tensin (tpicamente 12 V) y la desventaja de la presencia de bateras, las cuales
tienen corrientes de cortocircuito muy altas, contienen cido sulfrico, y liberan gases
inflamables. Para evitar los riesgos asociados, interesa cumplir los siguientes requisitos:
Tanto la batera como el regulador de carga deben estar protegidos contra
sobrecorrientes y corrientes de cortocircuito por medio de fusibles, diodos, etc.
Las protecciones deben afectar tanto a la lnea del generador fotovoltaico como
a la lnea de las cargas.
Las protecciones contra sobrecorrientes o cortocircuitos pueden realizarse
fcilmente de varias maneras (fusibles, diodos, etc.) y pueden estar o no incluidas dentro
de la caja del regulador. En cualquiera de los casos, tales protecciones deben ser
-
consideradas como parte del regulador de carga y, en consecuencia, cumplir con los
requisitos relativos a cadas de tensin.
Pueden ocurrir accidentes con la batera si sta, o su contenedor, se vuelca, o si
accidentalmente se cortocircuitan sus terminales, por ejemplo, mediante un
destornillador u otra herramienta. Por ello, la ubicacin y montaje de bateras debe
respetar lo siguiente:
La batera debe estar ubicada en un espacio bien ventilado y con acceso
restringido.
Deben tomarse precauciones para evitar el cortocircuito accidental de los
terminales de la batera.
Estos requisitos pueden cumplirse de distintas maneras. En general se han
utilizado extensamente cajas especiales para contener bateras, con la ventaja de ser
productos estandarizados y rpidos de instalar, pero que agregan costo a los sistemas.
En regiones con tormentas elctricas frecuentes se debe instalar algn medio de
aislar manualmente los polos positivo y negativo del lado del generador fotovoltaico. De
este modo se puede aislar el generador fotovoltaico cuando hay riesgo de descargas
elctricas atmosfricas.
2.8. INSTALACIN Y MANTENIMIENTO
El generador fotovoltaico debe estar totalmente libre de sombras durante por lo
menos 8 horas diarias, centradas al medioda, y a lo largo de todo el ao.
Se debe prestar especial atencin a que el suministro incluya todos los
materiales necesarios para la instalacin, como tornillos, terminales de bateras, etc., y
que estn debidamente identificados.
Las tareas de mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos que pueden ser
realizadas directamente en el propio lugar de operacin son:
Limpieza de los mdulos fotovoltaicos.
Modificaciones del cableado.
Relleno de agua de las bateras.
Reemplazo de fusibles, lmparas y reguladores de carga.
-
Con el fin de facilitar estas tareas, y de simplificar la instalacin inicial de los
sistemas, se considera apropiado requerir que:
El diseo de las estructuras de soporte debe facilitar la limpieza de los mdulos
fotovoltaicos y la inspeccin de las cajas de conexin.
El montaje de las estructuras de soporte debe preservar su resistencia a la fatiga,
corrosin y efectos del viento.
Es preferible montar los mdulos fotovoltaicos sobre pedestales o paredes, que
hacerlo sobre los tejados.
Los montajes sobre pedestal o sobre pared generalmente permiten el fcil
acceso a los mdulos fotovoltaicos, sin poner en riesgo la estanqueidad del techo, y
pueden representar un grado de libertad adicional cuando se buscan localizaciones sin
sombras para el generador fotovoltaico. Los montajes sobre tejados a veces permiten
reducir costos y, por lo tanto, tambin pueden ser aceptados, a condicin de dejar un
espacio entre el techo y los mdulos para que circule aire. Por lo tanto:
Si se permite el montaje en los tejados, deber haber una separacin de, por lo
menos, 5 cm entre los mdulos y el tejado cubierta para permitir la
circulacin de aire.
Si se permite el montaje en los tejados, las estructuras de soporte no debern
fijarse a las tejas o a las chapas, sino a las vigas del tejado u otro elemento de la
estructura de la vivienda.
La batera debera ubicarse en un lugar de fcil acceso y buena ventilacin
(Nota: el acceso debera estar restringido por ejemplo mediante el uso de una puerta con
cerradura). Fcil acceso significa que la limpieza de los terminales de las bateras, la
verificacin del nivel de electrolito, el relleno de agua y el reemplazo de fusibles (si los
hay) pueda realizarse sin mover las bateras.
Deben tomarse precauciones para evitar el cortocircuito accidental de los
terminales de la batera.
No se permite la conexin en paralelo de ms de dos bateras.
No se permite la conexin paralelo de bateras diferentes.
No se permite la conexin en paralelo de bateras nuevas y viejas.
Los reguladores de carga y las lmparas deben suministrarse con elementos de
soporte y fijacin adecuados para su montaje (la instalacin debe ser relativamente
simple).
-
El diseo de luminarias y reguladores de carga debe permitir el acceso con
cierta facilidad a los fusibles y terminales de cables.
Las lentes, cubiertas, etc. (si existen) deben poder desmontarse fcilmente por
el usuario, para el reemplazo de las lmparas o para limpieza.
La necesidad de herramientas debe minimizarse. (Evitando tuercas de diferente
tamao / distintos tamaos de tornillos, etc.).
Finalmente, todo el cableado debe hacerse de acuerdo con las normas
habituales, en particular:
Los cables deben asegurarse a las estructuras de soporte o a las paredes, para
evitar esfuerzos mecnicos sobre otros elementos de la instalacin elctrica
(cajas de conexin, interruptores, etc.).
Si estn montados en superficie, los cables deben graparse a las paredes, a
intervalos adecuados, para asegurar su posicin vertical y horizontal. De no ser
as, deben embutirse en las paredes y recubrir se con yeso o similar.
Los cables deben mantenerse fuera del alcance de los nios.
En general, los cables deben disponerse horizontalmente o verticalmente, nunca
oblicuamente.
2.9. LISTA DE CHEQUEO
Para aumentar la vida til de los elementos del sistema fotovoltaicos y la
seguridad de las personas que estn en contacto con estos sistemas, se recomienda
respetar el mantenimiento y sobre todo la seguridad, que es fundamental para un buen
funcionamiento.
El chequeo semanal consiste principalmente en una inspeccin visual de todo el
sistema para evitar que los daos vayan evolucionando y as tratar de minimizar las
fallas y fatigas de los materiales.
El chequeo semestral cumple un papel de mayor relevancia, ya que en este
punto se requiere de implementos elctricos para verificar todos los parmetros
calculados segn las capacidades de carga del sistema.
-
Tabla 2-3. Lista de chequeo semanal
ELEMENTOS A
INSPECCIONAR X OBSERVACIONES
Limpieza en la superficie de los mdulos. Limpiar con esponja o pao, con
agua y un agente suave, no abrasivo.
Revisar uniones y estado de cables. Sulfatacin de las uniones y cables
con aislante en mal estado.
Verificar estado fsico de la Batera.
Hinchazn o inflamacin es signo
de mal funcionamiento del
regulador.
Sulfatacin en los terminales de las bateras. Se produce debido a cargas y
descargas excesivamente profundas.
Verificar visualmente corrosin o desgaste
de la estructura
Si existe corrosin o desgaste
reparar la estructura
Inspeccin visual del sistema en general
Fuente: Elaboracin propia
Tabla 2-4. Lista de chequeo semestral
ELEMENTOS A
INSPECCIONAR X OBSERVACIONES
Verificar corrosin y desgaste en la estructura
de soporte
Uniones soldadas, pernos, pintura y
corrosin.
Verificar parmetros calculados para el
sistema
Las cargas no deben exceder el
consumo mximo del diseo
Verificar el voltaje y amperaje entregado por
el regulador de carga hacia la batera
El rango de voltaje debe estar entre
12.2 y 14.8 V (fuera de este
parmetro disminuye
considerablemente la vida til de la
batera)
Inspeccin visual del sistema en general
Fuente: Elaboracin propia
-
CAPTULO 3: TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
-
3. TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
El objetivo de crear un sistema fotovoltaico es principalmente entregar
soluciones de energa para satisfacer diversas necesidades abarcando una gran gama de
potencia, desde 5 W hasta 2500 W, que puede llegar a generar 13608 W en un da.
Para idear los sistemas fotovoltaicos, lo primordial es tomar en cuenta la
radiacin del sector, tomando en cuenta la mnima y mxima radiacin existente, que en
nuestro pas generalmente cuenta con una mnima en junio y mxima en diciembre.
Estos sistemas cuentan con las caractersticas de abastecer consumos elctricos
que estn dentro de la potencia generada y contienen todos los elementos para un buen
funcionamiento.
Para los clculos se tomaron dos radiaciones, a modo de ejemplo la mnima en
invierno es de 2900 Wh/m, y la mxima en verano de 6000 Wh/m.
3.1. SISTEMA 12 V 5 W
Panel Solar Marca: Atersa Modelo A-5 J
Tabla 3-1. Caractersticas elctricas y fsicas panel solar A-5J
CARACTERSTICAS ELCTRICAS
Potencia W 5 W
Corriente punto de mxima potencia (Imp) 0.35 A
Tensin punto de mxima potencia (Vmp) 16.5 V
Corriente en cortocircuito (Isc) 0.4 A
Tensin de circuito abierto (Voc) 20.5 V
Mxima tensin del sistema 600 V
CARACTERSTICAS FSICAS
Dimensiones mximas (mm) 365x195x25
Peso (aproximado) 10.78 N Fuente: Elaboracin propia
-
La potencia que se ocupara es el 90% de la capacidad del panel debido a las
perdidas.
En verano con radiacin 6000 Wh/m por da: 27 Wh
(4 ampolletas de 7 W por 1 horas)
En invierno con radiacin 2900 Wh/m por da: 13.05 Wh
(1 ampolleta de 7 W por 1 hora)
3.1.1. Batera
12 V baja mantencin y descarga profunda: 12 Ah para 27 Wh
12 V baja mantencin y descarga profunda: 4,5 Ah para 13.5 Wh
3.1.2. Regulador de voltaje
Hay que ocupar un regulador mayor a 0.5 A, para este sistema es suficiente un
regulador de 3 A, en caso de aumentar la cantidad de paneles se pude llegar hasta 8
paneles.
3.1.3. Ampolletas
Una ampolleta de 7 W de consumo es equivalente a una de 45W normal
Ejemplo:
Para una persona que quiera ocupar una lavadora en verano de un consumo de
500Wh debera cargar una batera de 100 Ah por 19 das.
Para el invierno con la misma lavadora de 500Wh debera cargar una batera de
100 Ah por 38 das.
Para este caso se requiere un inversor de corriente de 12 CC a 220 CA.
Tabla 3-2. Costo aproximado del sistema
Panel solar A-5J $58.310
Batera 12 Ah $7.500
Regulador de voltaje 3A $27.000
Total $92.810 Fuente: Elaboracin propia
-
Evaluacin con una vida til de treinta aos:
Costo de sistema solar fotovoltaico = Costo del sistema + Costo del mantenimiento
Costo del mantenimiento: Principalmente es la renovacin de batera cada 10
aos
Costo de sistema solar fotovoltaico = $92.810 + $15.000 = 107.810
Total a 30 aos: $107.810
Costo anual: $3.594
Costo mensual: $300
En el caso que se desee conectar un artefacto a un voltaje de 220 se debe sumar
el costo de un inversor. Para el ejemplo de la lavadora se requiere un inversor de 550 W
con un valor de $ 430.000
Costo de la conexin a la red = Costo kW + Costo de Instalacin
Costo de kW: Cobro de la empresa por uso de energa en kW.
Costo de Instalacin: En este caso especfico es de $1.000.000 siempre y
cuando la distancia a la red de conexin sea menor a 500 m
Costo de la conexin a la red =
$95 x 0,027 kW x 30 das + 1.000.000 / (30 x 12) aos
$76.95 + $2.777
Costo de la conexin a la red mensual = $ 2.855
Costo con motor generador = Costo del generador + Costo del combustible +
traslado de combustible + Costo de mantenimiento
Costo del combustible = 1 litro al mes = Bencina $610
Costo del generador = $80.000
Costo de mantenimiento = Incluye cambio de aceite y filtros tres veces al ao
por treinta aos = 180.000
Traslado de combustible: Depende de la localidad y geografa.
Costo con motor generador mensual = $1.332
-
3.2. SISTEMA 12 V 50 W
Panel Solar Marca: Shell Modelo: PowerMax Ultra 50 W
Tabla 3-3. Caractersticas elctricas y fsicas panel solar Shell PowerMax Ultra 50
CARACTERSTICAS ELCTRICAS
Potencia W 50 W
Corriente punto de mxima potencia (Imp) 3.10 A
Tensin punto de mxima potencia (Vmp) 16.2 V
Corriente en cortocircuito (Isc) 3.40 A
Tensin de circuito abierto (Voc) 21 V
Mxima tensin del sistema 120 V
CARACTERSTICAS FSICAS
Dimensiones mximas (mm) 861x536x34
Peso (aproximado) 53.9 N Fuente: Elaboracin propia
La potencia que se ocupara es el 90% de la capacidad del panel debido a las
perdidas.
En verano con radiacin 6000 Wh/m por da: 270Wh
(7 ampolletas de 7 W por 5 horas)
En invierno con radiacin 2900 Wh/m por da: 130Wh
(4 ampolletas de 7 W por 4 horas)
3.2.1. Batera
12 V baja mantencin y descarga profunda: 75Ah para 270Wh
2 bateras 12 V baja mantencin y descarga profunda: 12Ah c/u para 130Wh
3.2.2. Regulador de voltaje
Hay que ocupar un regulador de 10 A, en caso de aumentar la cantidad de
paneles se pude llegar hasta 1 paneles.
-
3.2.3. Ampolletas
Una ampolleta de 7 W de consumo es equivalente a una de 45W normal
Ejemplo:
Para una persona que quiera ocupar una lavadora en verano de un consumo de
500Wh debera cargar una batera de 100 Ah por 2 das.
Para el invierno con la misma lavadora de 500Wh debera cargar una batera de
100 Ah por 4 das.
Para este caso se requiere un inversor de corriente de 12 CC a 220 CA, por
calculo se necesita un inversor de 550 W.
Tabla 3-4. Costo aproximado del sistema
Panel solar 50 W $ 297.500
Batera 75 Ah $86.400
Regulador de voltaje 10 A $46.080
Total $429.980 Fuente: Elaboracin propia
Evaluacin con una vida til de treinta aos:
Costo de sistema solar fotovoltaico = Costo del sistema + Costo del mantenimiento
Costo del mantenimiento: Principalmente es la renovacin de batera cada 10
aos
Costo de sistema solar fotovoltaico = $429.980 + $172.800 = 602.780
Total a 30 aos: $602.780
Costo anual: $20.092
Costo mensual: $1674
En el caso que se desee conectar un artefacto a un voltaje de 220 se debe sumar
el costo de un inversor. Para el ejemplo de la lavadora se requiere un inversor de 550 W
con un valor de $ 430.000
Costo de la conexin a la red = Costo kW + Costo de Instalacin
Costo de kW: Cobro de la empresa por uso de energa en kW.
-
Costo de Instalacin: En este caso especfico es de $1.000.000 siempre y
cuando la distancia a la red de conexin sea menor a 500 m
Costo de la conexin a la red =
$95 x 0,27 kW x 30 das + 1.000.000 / (30 x 12) aos
$770 + $2.777
Costo de la conexin a la red mensual = $ 3.547
Costo con motor generador = Costo del generador + Costo del combustible +
traslado de combustible + Costo de mantenimiento
Costo del combustible = 8 litro al mes = Bencina $610
Costo del generador = $80.000
Costo de mantenimiento = Incluye cambio de aceite y filtros tres veces al ao
por treinta aos = 180.000
Traslado de combustible: Depende de la localidad y geografa.
Costo con motor generador mensual = $ 5.663
3.3. SISTEMA 12 V 2 X 165 330 W
2 Paneles Solares Marca: Shell Modelo: Power Max Ultra 165 W
Tabla 3-5. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Shell Power Max
Ultra 165 W
CARACTERSTICAS ELCTRICAS
Potencia W 165 W
Corriente punto de mxima potencia (Imp) 4.72 A
Tensin punto de mxima potencia (Vmp) 35.0 V
Corriente en cortocircuito (Isc) 5.40 A
Tensin de circuito abierto (Voc) 44.5 V
Mxima tensin del sistema 600 V
CARACTERSTICAS FSICAS
Dimensiones mximas (mm) 1622x32x56
Peso (aproximado) 176.4 N
Fuente: Elaboracin propia
-
La potencia que se ocupara es el 90% de la capacidad del panel debido a las
perdidas.
En verano con radiacin 6000 Wh/m: 1782Wh
Televisor de 21 135 W por 4 horas.
5 ampolletas de 27 W por 3 horas.
PC de 75 W por 4 horas.
Lavadora de 500 W por 1 hora.
En invierno con radiacin 2900 Wh/m por da: 861Wh
5 ampolletas de 27 W por 3 horas.
Televisor de 21 135 W por 2 horas
PC de 75 W por 2 horas.
3.3.1. Batera
12 V baja mantencin y descarga profunda: 500 Ah para 1782Wh
12 V baja mantencin y descarga profunda: 165 Ah para 861Wh
3.3.2. Regulador de voltaje
Hay que ocupar un regulador de 35 A, para este caso son 2 paneles de 165 W.
3.3.3. Inversor de corriente de 12 CC a 220 CA
Por clculo se necesita un inversor de 550W.
Tabla 3-6. Costo aproximado del sistema
2 Paneles Shell 165 W $ 1.834.560
Batera 500 Ah $945.360
Regulador de voltaje 35 A $199.440
Inversor 550W $430.000
Total $3.409.360 Fuente: Elaboracin propia
Evaluacin con una vida til de treinta aos:
-
Costo de sistema solar fotovoltaico = Costo del sistema + Costo del mantenimiento
Costo del mantenimiento: Principalmente es la renovacin de batera cada 10
aos
Costo de sistema solar fotovoltaico = $3.409.360+ $1.890.720 = $5.300.080
Total a 30 aos: $5.300.080
Costo anual: $176.669
Costo mensual: $14.722
Costo de la conexin a la red = Costo kW + Costo de Instalacin
Costo de kW: Cobro de la empresa por uso de energa en kW.
Costo de Instalacin: En este caso especfico es de $1.000.000 siempre y
cuando la distancia a la red de conexin sea menor a 500 m
Costo de la conexin a la red =
$95 x 1,782 kW x 30 das + 1.000.000 / (30 x 12) aos
$5078 + $2.777
Costo de la conexin a la red mensual = $ 7.855
Costo con motor generador = Costo del generador + Costo del combustible +
traslado de combustible + Costo de mantenimiento
Costo del combustible = 54 litro al mes = Bencina $610
Costo del generador = $80.000
Costo de mantenimiento = Incluye cambio de aceite y filtros tres veces al ao
por treinta aos = 180.000
Traslado de combustible: Depende de la localidad y geografa.
Costo con motor generador mensual = $ 33.662
3.4. SISTEMA 220V 500 W
5 Paneles Solares Marca: Shell Modelo: SM 100
-
Tabla 3-7. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares Shell SM 100
CARACTERSTICAS ELCTRICAS
Potencia W 100 W
Corriente punto de mxima potencia (Imp) 5.90 A
Tensin punto de mxima potencia (Vmp) 17.0 V
Corriente en cortocircuito (Isc) 6.50 A
Tensin de circuito abierto (Voc) 21.0 V
Mxima tensin del sistema 600 V
CARACTERSTICAS FSICAS
Dimensiones mximas (mm) 1316x660x40
Peso (aproximado) 112.7 N Fuente: Elaboracin propia
La potencia que se ocupara es el 90% de la capacidad del panel debido a las
perdidas.
En verano con radiacin 6000 Wh/m por da: 2700Wh
Televisor de 21 135 W por 5 horas.
5 ampolletas de 27 W por 5 horas.
PC de 75 W por 5 horas.
Lavadora 500W por 1,5 horas.
En invierno con radiacin 2900 Wh/m por da: 1305 Wh
5 ampolletas de 27 W por 5 horas.
Televisor de 21 135 W por 3 horas
PC de 75 W por 3 horas.
3.4.1. Batera
12 V baja mantencin y descarga profunda: 750 Ah para 2700Wh
12 V baja mantencin y descarga profunda: 225Ah para 1305Wh
3.4.2. Regulador de voltaje
Hay que ocupar un regulador de 45 A, para este caso son 5 paneles de 100 W.
-
3.4.3. Inversor de corriente de 12 CC a 220 CA
Por clculo se necesita un inversor de 550W.
Tabla 3-8. Costo aproximado del sistema
5 Paneles Solares 100 W $ 2.836.800
Batera 750 Ah $945.360
Regulador de voltaje 45 A $230.400
Inversor 550W $430.000
Total $4.442.560 Fuente: Elaboracin propia
Evaluacin con una vida til de treinta aos:
Costo de sistema solar fotovoltaico = Costo del sistema + Costo del mantenimiento
Costo del mantenimiento: Principalmente es la renovacin de batera cada 10
aos
Costo de sistema solar fotovoltaico = $4.442.560 + $ 1.890.720 = $6.333.280
Total a 30 aos: $6.333.280
Costo anual: $211.109
Costo mensual: $17.592
Costo de la conexin a la red = Costo kW + Costo de Instalacin
Costo de kW: Cobro de la empresa por uso de energa en kW.
Costo de Instalacin: En este caso especfico es de $1.000.000 siempre y
cuando la distancia a la red de conexin sea menor a 500 m
Costo de la conexin a la red =
$95 x 2,7 kW x 30 das + 1.000.000 / (30 x 12) aos
$7.695 + $2.777
Costo de la conexin a la red mensual = $ 10.472
-
Costo con motor generador = Costo del generador + Costo del combustible +
traslado de combustible + Costo de mantenimiento
Costo del combustible = 81 litro al mes = Bencina $610
Costo del generador = $80.000
Costo de mantenimiento = Incluye cambio de aceite y filtros tres veces al ao
por treinta aos = 180.000
Traslado de combustible: Depende de la localidad y geografa.
Costo con motor generador mensual = $ 50.132
3.5. SISTEMA DE 2500W
14 Paneles Solares Marca: SUNMODULE Modelo: SW180
Para este caso son 14 paneles, dos en serie y siete en paralelo de 180 W.
Tabla 3-9. Caractersticas elctricas y fsicas de los paneles solares SUNMODULE
SW180
CARACTERSTICAS ELCTRICAS
Potencia W 180 W
Corriente punto de mxima potencia (Imp) 5.01 A
Tensin punto de mxima potencia (Vmp) 36.0 V
Corriente en cortocircuito (Isc) 5.40 A
Tensin de circuito abierto (Voc) 44.6 V
CARACTERSTICAS FSICAS
Dimensiones mximas (mm) 1610x810x34
Peso (aproximado) 147 N Fuente: Elaboracin propia
La potencia que se ocupara es el 90% de la capacidad del panel debido a las
perdidas.
En verano con radiacin 6000 Wh/m por da: 13608 Wh
-
5 viviendas, una pequea comunidad.
Con un promedio de 2700 W c/u
En invierno con radiacin 2900 Wh/m por da: 6600 Wh
2 viviendas de consumo 3300 W c/u
3.5.1. Batera
12 V baja mantencin y descarga profunda: 4167 Ah para 13608 Wh
12 V baja mantencin y descarga profunda: 1249 Ah para 6600 Wh
3.5.2. Regulador de voltaje
Hay que ocupar un regulador de 474 A
3.5.3. Inversor de corriente de 48 CC a 230 CA
Por clculo se necesita un inversor de 5000W.
Tabla 3-10. Costo aproximado del sistema
14 Paneles Solares 180 W $ 14.300.000
Batera 4167 Ah $5.500.000
Regulador de voltaje 474 A $2.304.000
Inversor 5000W $4.000.000
Total $26.104.000 Fuente: Elaboracin propia
Evaluacin con una vida til de treinta aos:
Costo de sistema solar fotovoltaico = Costo del sistema + Costo del mantenimiento
Costo del mantenimiento: Principalmente es la renovacin de batera cada 10
aos
Costo de sistema solar fotovoltaico = $26.104.000 + $ 11.000.000 =
$37.104.000
Total a 30 aos: $37.104.000
-
Costo anual: $1.236.800
Costo mensual: $103.066
Costo de la conexin a la red = Costo kW + Costo de Instalacin
Costo de kW: Cobro de la empresa por uso de energa en kW.
Costo de Instalacin: En este caso especfico es de $1.000.000 siempre y
cuando la distancia a la red de conexin sea menor a 500 m
Costo de la conexin a la red =
$95 x 13,608 kW x 30 das + 1.000.000 / (30 x 12) aos
$38.783 + $2.777
Costo de la conexin a la red mensual = $ 41.559
Costo con motor generador = Costo del generador + Costo del combustible +
traslado de combustible + Costo de mantenimiento
Costo del combustible = 408,2 litros al mes = Bencina $610
Costo del generador = $800.000
Costo de mantenimiento = Incluye cambio de aceite y filtros tres veces al ao
por treinta aos = 250.000
Traslado de combustible: Depende de la localidad y geografa.
Costo con motor generador mensual = $ 251.942
3.6. INSTALACIN DE UNA RED ELCTRICA EN UNA CASA CON
SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO
Se requiere obtener energa elctrica para resolver las necesidades bsicas en
una cabaa para esto se decide realizar la instalacin de una red de paneles fotovoltaicos,
definiendo las caractersticas tcnicas del montaje de la instalacin para su posterior
puesta en servicio.
La vivienda consta de 100 m2 repartidos en: 2 habitaciones, sala, cocina, WC,
garaje y recibidor.
La potencia mnima que se necesita debe ser capaz de suministrar alumbrado a
los puntos de luz situados en las 2 habitaciones, sala, cocina, WC, garaje, recibidor y
adems el uso de un TV, jugera, refrigerador y lavadora.
Puntos para analizar la eleccin de la fuente de energa
-
Zona aislada
Alto costo de conexin al SIC, sistema interconectado central
Independencia energtica
Posibles alternativas
Motor generador
Conexin a la red SIC
Energas Renovables
3.7. DESCRIPCIN DE LA CABAA
La vivienda consta de 100 m2 repartidos en: 2 habitaciones, sala, cocina, WC,
garaje, recibidor.
Figura 3-1. Plano cabaa
-
Tabla 3-11. Consumo y precios de artefactos
Artefactos Marca Potencia Precio
Ampolleta p1 PHILIPS 27 W $3.190
Ampolleta p2 PHILIPS 27 W $3.190
Tubo
fluorescente
cocina
ECOLIGHT 32 W $3.480
Ampolleta
living PHILIPS 27 W $3.480
Ampolleta WC PHILIPS 15 W $1.890
Tubo
fluorescente
garaje
PHILIPS 40 W $1.190
TV SONY 21 135 W $134.800
Radio PHILIPS 20 W $45.990
Refrigerador MADENSA 150 W $124.990
Licuadora SOMELA 300 W $15.990
PC TOSHIBA 75 W $565.500
Lavadora MADEMSA 500 W $189.990 Fuente: Elaboracin propia
-
Tabla 3-12. Estimacin del consumo de los artefactos durante el da
Horas 7/8 8/9 9/10 10/11 11/12 12/13 13/14 14/15 16/17 17/18 18/19 19/20 20/21 21/22 22/23 23/24 24/01
Artefact os
Amp p1 * *
Amp p2 *
Amp coci n *a
Amp living * * * * * * *
Amp garaje * * *
Amp bao 0.5 0.1 0.1
TV * * * *
Radio 0.5
Refrigerador * * * * * * * * * * * * * * * * *
Jugera 0.1
P C
Lavadora *
Total Watt 222 285 150 650 150 180 150 285 285 150 177 224 480 217 179 177 177 Fuente: Elaboracin propia
Para un da normal 3638 Wh, para el da de lavado 4138 Wh
-
De todos los paneles que ofrece el mercado se eligi un panel de 130 W por su
potencia y por sus caractersticas fsicas.
El consumo de la lavadora es de 500 W / 7 das = 71,4 W diarios. Por lo tanto el
total de potencia que requiere el sistema diario es de 3609,4 Wh
El consumo de cada da sin tomar en cuenta la lavadora es de 3638 Wh, como
la lavadora se ocupa una vez a la semana, se tienen siete das para acumular esta energa.
El panel por norma internacional entrega su potencia nominal en las siguientes
condiciones:
3.8.1. Panel solar
3.8. CLCULO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA
Para el clculo del sistema fotovoltaico en primera instancia se toma el
consumo diario comn, lo que generalmente funciona todos los das, en este caso solo se
discrimina la lavadora que se usa une vez a la semana. Para un da comn se calcularon
3638 Wh.
Esta potencia se multiplica por el nmero de paneles necesarios para suplir el
consumo diario, en este caso por diez, por lo tanto, los 10 paneles generan 3770 Wh al
dia para el consumo de 3709.4Wh
Esta es la potencia que es capaz de entregar un panel con la radiacin de 2900
W-h/m en el da.
El clculo para los paneles se hace tomando en cuenta la mnima radiacin en el
sector, en este caso de 2900 W-h /m.
Energa que capta un panel de 130 W en el da:
Nivel de irradiacin 1000 W/m y 25 C
En invierno para este se estima como mnima 2900 W-h /m en el da.
En verano se estima como mxima 6000 W-h /m en el da.
1000 W -h/m 130 Wh
2900 W-h /m X
X = 377 Wh (para un panel)
Con el consumo de 3609,4 Wh necesitamos 10 paneles de 130 W
-
3.8.2. Regulador de voltaje
Para el clculo del regulador:
1 Condicin: Corriente en corto circuito del panel x 1.25 = Corriente del
regulador.
2 Condicin: Potencia de todas las cargas /12 x 1.25 = Corriente del regulador.
1 Condicin: 80.2 x 1.25 = 100.25 A
2 Condicin: 650/12 x 1.25 = 67.7 A
Por estas condiciones se necesita un regulador de 100.2 A
3.8.3. Batera
Para dimensionar la capacidad de la batera:
0.205 2
+
VPt
VPt
.2052
VPt
Donde:
Pt: potencia aparente en el da. (Suma de cargas)
V: Voltaje nominal de la batera. (12V, 24V, etc.)
El nmero 2 es asumiendo que la batera se puede descargar un 50 % y el 0.205
equivale a la suma de las prdidas de la batera.
lavadorasin sistema el paraAh 661.5 .205212600.3
=
Hay que agregar la batera para la lavadora
La lavadora gasta 500 W en una 1 hora una vez a la semana, bastara con un
panel de 25 W, durante siete das lograra juntar la carga necesaria y una batera de 100
Ah.
Para el conjunto seria una batera mayor a 761.5 Ah.
-
3.8.4. Inversor de corriente
Se debe observar el mayor consumo que ocurra al mismo tiempo en Watt, el
inversor debe ser mayor a este valor.
Ser un inversor sobre 650 W.
3.8.5. Cables y conectores
Para los cables de cobre (resistividad = 0,01724 .mm / m a 20C) y con
tensiones nominales de 12 V, se puede emplear la siguiente frmula:
( ) ( )
=(%)
Imx m 1 0,036 mm 2V
AS
Donde:
S es la seccin mnima de los cables.
l es la longitud de los cables.
Imax es la mxima corriente.
V las prdidas permitidas de voltaje.
Tabla 3-13. Prdidas permitidas de voltaje
Circuito Tensin nominal del
circuito en V
Cada de tensin
admisible en %
Cada de tensin
admisible en V
12 5 0.6
24 8 1.92 Paneles Regulador
48 10 4.8
12 0.5 0.06
24 0.5 0.12 Regulador Batera
48 1.5 0.72
12 0.5 0.06
24 1 0.24 Batera Inversor
48 2 0.96
Fuente: Centro