Para qué sirven los sistemas Pico - FV?

Manfred HornUniversidad Nacional de Ingeniería, Lima, Peru mhorn@uni.edu.pehttp://fc.uni.edu.pe/mhorn

XV Encuentro de Física, UNI, Lima 1 – 3 de agosto de 2011

Plan Maestro para la electrificación rural con energías renovables, Ministerio de Energía y Minas, 2008

280 000 hogares están previstos para una electrificación con ER, mayormente con FV

Costo de conexión a la red eléctrica rural (2010): > $ 1500

¿ Por qué se requiere energía fotovoltaica en el Perú?

• La conexión a la red eléctrica es demasiada costosa en regiones rurales• Adicionalmente hay razones de sostenibilidad y de protección del medio ambiente

Consumo eléctrico mensual por hogar (kWh/mes)

Fuente: Anuario OSINERGMIN 2008

12 kWh/mes

61 kWh/mes

262 kWh/mes

Promedio nacional de consumo de electricidad de los hogares conectados a la red eléctrica: 123 kWh / month

Un tercio de los hogares conectados a la red eléctrica consume en promedio12 kWh/mes.

Estos hogares están mayormente en áreas rurales, y usan la electricidad mayormente para iluminación

¿ Cuánto y para qué se usa electricidad en areas rurales en el Perú?

Consumo típico de electricidad en áreas rurales:

promedio de 12 kWh/mes,

mayormente para iluminación.

50 W X 4 horas x 30 días = 6 kWh

50 W X 3 horas x 30 días = 4.5 kWh

10 W X 5 horas x 30 días = 1.5 kWh

TOTAL = 12 kWh/mes

¿ Qué es un “Sistema Fotovoltaico Domiciliario, SFD?

•SFD / SHS tradicional (“Solar home system”):• un panel FV de 50 – 75 Wp; 5 – 8 kWh/mes

• una batería de 12 V, 100 -150 Ah de Pb acido (automotriz o “solar”)

• un regulador de carga

• cargas: varias luminarias LFC de 5 – 20 W, 12 V DC, TV b/n, radio, etc.

• costo $ 500 - 1000

¿ Qué es un “Sistema pico fotovoltaico”?

• Sistema Pico FV (moderno):

• un panel FV de 3 – 10 Wp; 0,3 - 1 kWh/mes

• Cargas: una (s) lámpara(s) LED, radio, celular, etc.

• una batería Li-ion (eventualmente Ni MH),

generalmente incorporada en la luminaria

• un regulador de carga, generalmente incorporado

en la luminaria

• costo $ 50 - 200

Lámparas (luz eléctrica)

La intensidad de la luz visible se

mide en Lumen (lm):

1 W de radiación electromagnética de

555 nm (mayor sensibilidad del ojo

humano) equivale a un

flujo luminoso de 683 lm.

Tipo de lámpara Eficacia (lm / W)

Incandescente (50 W) 11

LFC 50

LED (luz blanca) 5 - 150

Lámpara ideal (luz blanca)

250

Lámpara ideal (555 nm, verde)

683

LED: “Díodo emisor de luz”

Espectro de LED blanco

Luz monocromático

Baterías (acumuladores de energía eléctrica)

Tipo de batería

Vida (ciclos) Eficienciaenergética (%)

Costo ($/Wh) Densidad de carga (Wh / kg)

Plomo ácido 300 (@ 30% DOD) 80 0,1 35

NiMH 500 60 - 80 0,25 70

Li Ion 500 - 2000 85 - 95 0,3 100 - 250

(gasolina) 12 000

Diferentes tipos de baterías de Li Ion:Voltaje 3,3 – 3,7 V

grafito/ electrolito de sal de Li en solvente organico / Li FePO ó LiMn0, LiCoO

Con focos incandescentes (11 lm/W) y 10 kWh/mes de electricidad, se obtiene una energía luminosa de110 klmh/mes.Usando buenos LEDs (110 lm/W), se obtiene la misma energíaluminosa con 1 kWh/mes de electricidad, lo que puedeproducir un panel FV de 5 – 10 Wp .

Por lo tanto, un sistema Pico FV puede producir prácticamentelos mismos beneficios que tienen la gente en áreas ruralesconectados a la red, pero a un costo mucho menor.Basado en este argumento, el MEM había previsto en 2010 un proyecto con la meta de instalar 50 000 sistemas Pico FV. Como un primer paso, y con el apoyo de la GIZ, 11 diferentes lámparas LED habían sido evaluados en el laboratorio de fotometrpia de la UNI. Como siguiente paso se ha previsto un ensayo de campo con 100 – 200 familias, usando las lámparas con la mejorpreformance en el laboratorio, antes de implementar, finalmente, el proyecto principal.

Ensayos de laboratorio

Parámetros eléctricos, fotométricos y colorimétricos de 11 lámpares LED comerciales, usados en sistemas pico FV, fueron medidos:

• Flujo luminoso (lm), espectro, temperatura de color, coeficiente de rendimiento de color

• Tiempo (horas) que las lámparas queden prendidas con lasbaterías inicialmente completamente cargadas, y disiminucióndel flujo luminoso durante este tiempo

• Capacidad de las baterías (en Ah y en Wh) y DOD• Consumo eléctrico (W) y eficacia luminosa ( lm/W)• lluminación (en lux) sobre una mesa de trabajo de 1 m2

Equipment

Integrating sphere

Spectrophotometer

Output of spectrophotometer

Battery test

Ejemplo de algunos resultados de las mediciones fotométricas

Iluminación (en lux)

sobre una mesa de 1 m2

Mediciones con el espectrofotómetro

y esfera integradora

Resultados principales

Con una batería de Li-ion de 16 Wh y 2 W de LEDs,se puede obtener:

Flujo luminoso de 200 lm durante 8 h

Eficacía global > 110 lm/W(varias LEDs sumando 2 W tienen una mayor eficaciaque una sola LED de 2 W.)

Iluminación de 40 – 60 lux sobre una mesa de 1 m2

16 Wh de batería pueden cargarse con un panel FV de 3 Wp durante un día con una radiación solar de 6 kWh/m2 día

Conclusiones

• Existe un amplio espectro comercial de sistemas pico FV,con diferentes características y calidades.

• La tecnología de lámparas Pico FV está cambiando rápidamente,usando baterías de Li – ion y LEDs con una vida muy larga y unaeficacia > 110 lm/W.

• Sistemas Pico FV son una solución para una electrificación ruralbásica, pero un control de calidad y ensayos de campo deben realizarse antes de iniciar proyectos mayores.

Muchas gracias por su atención