COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN UNA VIVIENDA RESIDENCIAL CONECTADO A LA RED ELÉCTRICA DE DISTRIBUCIÓN

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN UNA VIVIENDA RESIDENCIAL CONECTADO A LA RED ELÉCTRICA DE DISTRIBUCIÓN Federico A. Morán (*); Marcos L. Facchini (*); Domingo H. Pontoriero (*); Víctor M. Doña (**) (*) Instituto de Energía Eléctrica Universidad Nacional de San Juan. Av. Libertador San Martín Oeste 1109 San Juan Tel (**) Energía Provincial Sociedad del Estado (EPSE). Agustín Gnecco Sur 350 San Juan Tel /27 fmoran@iee.unsj.edu.ar dpontori@iee.unsj.edu.ar facchini@iee.unsj.edu.ar vdona@epsesanjuan.com.ar Palabras Claves: Generación Distribuida, Solar fotovoltaico, Balance Energético, Desempeño del Sistema. Resumen: En la Provincia de San Juan se viene desarrollando el Proyecto Solar San Juan que pretende fundar las bases para el crecimiento de la tecnología fotovoltaica (FV) en todos sus tópicos, desde la producción del silicio grado solar, la fabricación de módulos FV y la inserción de paneles solares en el Sector Residencial, Comercial, Industrial, Bombeo de Agua y en el Montaje de Centrales de Generación de Energía Solar FV. En este trabajo se presenta el comportamiento eléctrico de un sistema FV de 2,65 [kwp] instalado en una vivienda del sector residencial del departamento de Caucete San Juan, conectado a la red eléctrica de distribución. Se analizan aspectos relacionados con el diseño del sistema FV, las configuraciones consideradas de conexión a la red de distribución y los puntos de conexión factibles, describiendo los requerimientos que se deben tener en cuenta en cada caso. Finalmente se presenta la configuración seleccionada y sus propiedades. Por otra parte se muestra y se describe el equipamiento eléctrico necesario para la conexión y el equipamiento de medición requerido para el seguimiento del mismo. También se describen los demás componentes necesarios para el correcto funcionamiento de la instalación FV realizada. Se presentan los resultados preliminares en cuanto al comportamiento eléctrico del sistema FV a partir de la energía generada y los factores que inciden en ella. Por otra parte se analiza el comportamiento del conjunto, considerando el aporte a la vivienda y a la red eléctrica, presentándose las primeras conclusiones obtenidas. 1. INTRODUCCIÓN La Provincia de San Juan viene implementando políticas en el desarrollo y construcción de centrales de energía en base a recursos renovables como el agua, el viento, el sol, y el uso de vapores endógenos. 1 Entre ellas, se ha comenzado a impulsar con mucho interés y decisión, el aprovechamiento de la Energía Solar. La Provincia de San Juan tiene todas las posibilidades, condiciones climáticas, geográficas y de disponibilidad de recursos para que este uso de la energía pueda explotarse masivamente. Es por ello que se viene gestando el Proyecto Solar San Juan, que pretende fundar las bases para el crecimiento de la tecnología FV [1]. En el marco del Proyecto Solar San Juan, el Instituto de Energía Eléctrica (IEE) de la Universidad Nacional de San Juan (UNSJ), ejecuta actualmente en cooperación con la empresa Distribuidora Eléctrica de Caucete S.A. (DECSA), el proyecto denominado Inserción de Energía Solar Fotovoltaico Conectada a Red como Generación Distribuida en el Sector Residencial: Instalación Piloto, Ensayos, Mediciones y Formulación de Procedimientos Técnico-Administrativos. En el marco de este proyecto se han instalado cinco sistemas de generación FV con potencia entre 1.6 [kwp] y 4 [kwp] en los sectores residencial [2], organismos gubernamentales y comercial, encontrándose financiado por el Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FONCYT), la UNSJ y la Dirección de Recursos Energéticos (DRE) del Ministerio de Infraestructura del Gobierno de la Provincia de San Juan. En este contexto se presenta el diseño e instalación realizada del sistema FV en la superficie del techo de una de las viviendas incluidas en el proyecto, el equipamiento instalado y por último se muestra los resultados preliminares obtenidos en dieciséis meses de operación, mostrando la interacción entre el Sistema FV y la Red Eléctrica de Distribución. 2. CONEXIÓNADO DEL SISTEMA FV CON LA RED ELÉCTRICA DE DISTRIBUCION Para el conexionado se tuvo en cuenta el principio de funcionamiento de los Sistemas FV Conectados a la Red (SFVCR) en las viviendas del sector residencial, donde se combinan las

2 características de generador y consumidor de energía, con el consiguiente intercambio energético entre la vivienda y la red eléctrica [3]. Para el desarrollo del proyecto se plantearon y analizaron dos modalidades de conexión del sistema FV a la red eléctrica, ver Figura 1. En el Caso A) la energía generada es entregada a las cargas de la vivienda y solo el excedente de energía es inyectado a la red eléctrica. Este tipo de conexión requiere la utilización de un solo medidor de energía bidireccional, donde la energía puede fluir a través del medidor en cualquier dirección. Cuando el sistema FV está produciendo mas energía de la que el usuario necesita para el consumo de su vivienda, se vierte el excedente de energía a la red eléctrica, girando el medidor de energía en sentido saliente de la vivienda. En cambio cuando el usuario necesita obtener energía adicional de la red de suministro eléctrico, el giro del medidor de energía es entrante a la vivienda. La medición neta registra la diferencia entre la energía consumida por el usuario y la generada por el sistema FV. En el Caso B) el usuario vierte directamente toda la energía generada a la red eléctrica, teniendo como característica que el usuario propietario del SFCR sigue abasteciendo su consumo de energía comprándosela en su totalidad a la empresa distribuidora al precio que se rige por la tarifa convencional. Así también la totalidad de la energía generada por el sistema FV es vendida a la empresa distribuidora a una tarifa preferencial establecida para el pago de la generación. Para esta configuración del sistema FV se requiere de dos medidores unidireccionales de energía, uno para el registro de la energía consumida por el usuario y otro para la energía generada por el sistema FV e ingresada a la red. distribuidora DECSA, a los fines de definir los criterios técnicos que debían tener las viviendas (consumo por vivienda, orientación, características constructivas, interferencia de elementos ajenos que puedan producir sombras, etc.), definiéndose que las viviendas seleccionadas debían encuadrar en tarifas distintas (Tarifa T1 Sector Residencial R1, R2 y R3). En el presente trabajo se presenta la instalación realizada en la vivienda encuadrada en Tarifa T1-R2 (consumo > a 220 y < a 580 [kwh/bim]) y con una potencia instalada FV de 2.65 [kwp]. La vivienda seleccionada tenía como característica que la superficie del techo se componía de dos áreas con distintos ángulos de inclinación. Dicha característica llevó a diseñar las estructuras contemplando el ángulo existente de inclinación del techo (20 ) y una separación adecuada para facilitar el mantenimiento de los paneles solares. El ángulo de inclinación óptimo para la Provincia de San Juan en instalaciones de paneles fijos es de 30 respecto al plano horizontal y la orientación de 0 hacia el Norte, diseñándose una estructura que respetara esta premisa. 3. EQUIPAMIENTO Y COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN FV Panel Solar Fotovoltaico Instalado: Para la selección de los paneles FV se tuvieron en cuenta varias consideraciones tales como: Tecnología a Utilizar, Características de Diseño y Presupuesto Disponible. El SFV está constituido por un arreglo de 9 paneles FV en serie de la Marca Hanwha SolarOne (Qidong) Modelo SF P295*L, de tecnología Policristalina con una potencia de 295 [Wp]. En la Tabla 1 se muestran sus principales parámetros característicos. Tabla 1 Características del Panel Solar. Figura 1 Conexión del Sistema FV con la Red Eléctrica de Distribución. La selección de la viviendas incorporadas en el proyecto se realizó en conjunto con la empresa 2 Inversor Convertidor de Corriente Continua a Corriente Alterna: Para la selección del inversor se simularon y calcularon las tensiones y corrientes máxima y mínima que podrían tenerse a la salida del generador FV, teniendo en cuenta tanto el funcionamiento normal de los paneles a la hora de entregar la máxima potencia, como el

3 funcionamiento de los paneles cuando están sometidos a condiciones de temperaturas extremas, distintas a las establecidas en las Condiciones Estándar de Medida (CEM). Para el criterio de selección se tuvieron en cuenta los siguientes puntos a destacar: El rango de tensiones en que el inversor puede trabajar oscila entre 188 y 440 [V] para el funcionamiento en el punto de máxima tensión. La corriente máxima de entrada al inversor es de 17 [A], siendo este valor superior a la máxima corriente proporcionada por los paneles solares de I sc (75 C) = [A], que será la producida en las condiciones de cortocircuito a una temperatura de celda de 75 C. En la Tabla 2 se muestran las características eléctricas del inversor seleccionado. Tabla 2 Características Eléctricas del Inversor Sunny Boy 3000 TL Equipamiento de Monitoreo de la Instalación: Para caracterizar el desempeño operacional del SFV, se monitorean las variables eléctricas a través de un adquisidor de datos, Modelo Sunny Beam de la Marca SMA, durante las 24 horas del día. En su pantalla grafica se muestran datos como: perfil diario de generación, potencia actual y rendimiento energético diario y total. A su vez permite un almacenamiento de los registros de los últimos 90 días y almacenar eventos ocurridos (últimos 25 eventos). Además para el monitoreo atmosférico y climático se instaló en la sede de DECSA una Estación Meteorológica Marca DAVIS tipo VANTAGE con sensor de velocidad y dirección de viento, sensor de radiación solar, sensor de temperatura y humedad ambiente y sensor de presión atmosférica. Estos datos se complementaron con sensores adicionales de radiación en el plano del módulo y plano horizontal y de temperatura de celdas. Todos estos datos se registran cada 15 min., lo que permitió realizar un análisis de la correlación de los parámetros eléctricos medidos con los parámetros ambientales. En la Figura 2 se puede observar el comportamiento diario de la irradiación incidente sobre la superficie del generador FV y la temperatura de operación de celda, temperatura ambiente, durante un día semi-nublado y un día soleado. Figura 2 Temperatura de Celda y Ambiente por Efecto de la Radiación para dia semi-nublado y soleado. Como se puede apreciar, existe una marcada correlación entre los valores de temperatura de los módulos FV y la temperatura ambiente y la radiación incidente en el módulo FV. Instalación Fotovoltaica Realizada en la Vivienda: La instalación del sistema FV prototipo quedo finalizada en Octubre de 2012, comenzándose con las mediciones en Noviembre de En la Figura 3 se muestran algunas fotos de la instalación completa. Vista de Frente Vista del Techo Figura 3 Instalación FV en la Vivienda. 3

4 4. RESULTADOS OPERACIONALES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO Para la evaluación del funcionamiento del sistema FV se requiere vincular los parámetros eléctricos con los parámetros ambientales y climáticos, ya que están íntimamente relacionados con el comportamiento eléctrico de los módulos. Desde el punto de vista eléctrico, uno de los parámetros que toma mayor importancia en un sistema FV es la energía total generada a la salida del inversor, ya sea que se entrega a la carga (vivienda) o que inyecte a la red eléctrica. La energía generada mensualmente depende de la estación del año, de modo que va aumentando a medida que aumenta la radiación solar anual. En la Figura 4 se observa la energía generada por el sistema FV mensualmente durante el transcurso del periodo analizado. Figura 5 Energía Generada vs Índice de Producción Final. 5. BALANCE ENERGETICO DE LA VIVIENDA Se realiza el análisis del comportamiento del sistema en cuanto a la energía que entrega a la vivienda y la energía que entrega a la red eléctrica de distribución [5]. Este comportamiento se puede apreciar a través de las curvas de carga y generación, Ver Figura 6. Figura 4 Energía Generada por el Sistema FV en forma Mensual. Índice de Producción Final del Sistema FV (Y F ) [3][4]: es la porción de energía neta de salida diaria de toda la planta FV que fue suministrada por el campo FV por kw de campo FV instalado. Se expresa según la Ecuación. Y F = E L P 0 Siendo E L, la energía de salida del sistema FV en kwh y P 0 la potencia instalada en el sistema FV en kwp. El índice de producción final nos proporciona el número de horas por día que el campo FV necesitaría operar a su potencia nominal de salida P 0 para generar la misma energía diaria que la obtenida cuando el sistema fue monitoreado. En la Figura 5 se muestra el comportamiento mensual de la energía generada por el sistema FV y los valores promedios, máximos y mínimos del índice de producción final, durante el periodo de análisis (1 de Noviembre del 2012 hasta el 25 de Febrero del 2014). Figura 6 Curva de Carga Diaria de Distribución de Potencia Vivienda vs Sistema FV. Se observa que la potencia tomada de la red (línea verde) por la vivienda está representada como potencia negativa (potencia de red ingresante a la vivienda) y se produce cuando no hay generación FV o si la misma es insuficiente para abastecer la carga. Cuando el sistema FV comienza a generar potencia llega un momento que abastece la carga por completo y no se necesita de energía de la red (línea punteada morada). En el caso de la potencia FV entregada a la red (línea celeste) se produce cuando el sistema FV genera (línea amarilla) más energía que el consumo de la vivienda (línea punteada roja) y ese sobrante de energía es saliente a la vivienda e inyectada a la red de distribución. Las curvas mostradas en la Figura 6 presentan valores interesantes de analizar a lo largo del año para viviendas con distintos consumos y potencias FV instaladas. Esto permitiría realizar simulaciones respecto de la cantidad de energía factible de inyectar a la red en diversas situaciones de consumo y generación. A partir de los mencionados parámetros 4

5 se podrá analizar la interacción conjunta de sistemas FV en la red de distribución. En la Tabla 3 se muestra el balance energético resultante para el periodo analizado en convivencia con el consumo de la vivienda desde diversas ópticas: A) distribución de la energía generada por el sistema FV, entre la vivienda y lo inyectado a la red de distribución. B) energía abastecida en la vivienda por el sistema FV y la red de distribución. C) balance entre lo generador por el sistema FV y lo consumido por la vivienda. En el mes de Junio de 2013 se realizó un control y chequeo del medidor de energía durante los días 28, 29 y 30 del correspondiente mes, presentándose en el balance de energía solo los 27 días restantes. Tabla 3 Balance Energético del Sistema FV C) De las tablas se aprecia que la vivienda, en el periodo analizado, tiene un consumo total de 7677,16 kwh y el sistema FV generó 6418,75 kwh (83.6% del consumo total). Del total consumido por la vivienda un 26% es abastecido por el sistema FV (ahorro directo en la facturación del servicio de energía) y 74% es abastecido por la red eléctrica de distribución. Es de mencionar que este usuario presenta su mayor consumo en el horario nocturno (20 hr a 24 hr), fuera del horario de generación FV. El excedente de energía FV generada e inyectada a la red es de 4416,6 kwh (68,8% de lo generado). Esta inyección a la red, con una normativa que permitiera su remuneración, brindaría ingresos al usuario [5]. A) En la Figura 7 se muestra el balance de energía desde el punto de vista de lo generado por el sistema FV, lo consumido por la vivienda y lo consumido por la vivienda vs lo generado por el sistema FV, correspondiente al neto resultante del periodo de operación del sistema. B) Figura 7 Distribución de Energía entre el Sistema FV, el Consumo de la Vivienda y la Red de Distribución. 5

6 6. CONCLUSIONES En este trabajo se presentan los resultados obtenidos, para un periodo de 16 meses de funcionamiento, del funcionamiento de un sistema FV de 2,65 kwp instalado en una vivienda en la Provincia de San Juan, conectada a la red eléctrica de distribución, cuyo consumo de energía eléctrica se encuadra en la Tarifa T1-R2 (consumo entre 220 y 580 kwh-bimestre). En términos generales, el desempeño operacional del Sistema FV interactuando con los consumos de la vivienda y la conexión con la red eléctrica es satisfactorio, realizándose un abastecimiento correcto, tanto en situaciones en que la generación FV es superior como inferior al consumo propio de la vivienda, absorbiéndose energía de la red o inyectando a la misma, según corresponda y sin introducir perturbaciones al usuario ni a la red. La máxima producción de energía del sistema FV, para el periodo de análisis, se registró en el mes de Octubre ( kwh/mes) y la mínima en el mes de Junio ( kwh/mes), con una producción total de kwh. En cuanto al balance energético se puede apreciar que de la energía total generada por el sistema FV, en el periodo analizado (Noviembre de 2012 a Febrero de 2014), un 68 % es inyectado a la red eléctrica y el 32 % restante es consumido por la vivienda. Del consumo total de la vivienda ( kwh) un 26 % es abastecida por el sistema FV un 74 % es consumida desde la red eléctrica (principalmente en horario nocturno). Esto en cuanto al modo de conexión en que la generación del sistema FV, en primer término abastece la vivienda y el excedente es inyectado a la red eléctrica de distribución. En la modalidad en la cual la conexión del sistema FV es directa a la red de distribución el total de la generación ( kwh) es inyectado a dicha red. A partir de estudios como el presente, extendidos a múltiples sistemas FV de distintas potencias e instalados en viviendas con diversas modalidades de consumo, se podría analizar la interacción técnica con la red (por ej. flujos de potencia no unidireccionales, calidad, niveles de tensión) [3] y aspectos económicos [6] (tarifas de remuneración de la generación FV). 7. REFERENCIAS [1] V.M. Doña, T.J. Strada, A. Hoese. ( ) Proyecto Solar San Juan: Objetivos y Etapas. Gobierno de la Provincia de San Juan Argentina. [2] D.H. Pontoriero, M.L. Facchini, J.M. Serrano Mora, G.D. Baron, L.I. Hoese (2013) Evaluación Técnica de Sistemas de Generación Fotovoltaica Conectada a Redes de Distribución. XV Encuentro Regional Ibero-Americano del CIGRE Brasil, [3] Brito A., Morante F. O uso de indicadores de qualidade no fornecimento de energia elétrica utilizando sistemas fotovoltaicos domiciliares. Publicada en la Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente (AVERMA). Vol. 14, pp / 08 88, Impreso en la Argentina. ISSN [4] Norma Internacional IEC Monitorización de sistemas fotovoltaicos -Guías para la medida, el intercambio de datos y el análisis. Primera edición [5] F.A. Morán, M.L. Facchini, D.H. Pontoriero, V.M. Doña, A. Galván. Balance energético del comportamiento de un sistema fotovoltaico instalado en una vivienda residencial conectado a la red eléctrica de distribución. ASADES 2013 Tucumán. Revista ERMA Nº 32, 2014 [6] M.L. Facchini, V.M. Doña, F.A. Morán (2010). Valoración Técnica y Económica del Impacto de Penetración de Generación Distribuida a Través de Energía Solar Fotovoltaica. CIDEL 2010 Argentina. 6