ESTUDIO TECNICO-ECONOMICO EN LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA USO RESIDENCIAL

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1 ESTUDIO TECNICO-ECONOMICO EN LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA USO RESIDENCIAL Alejandra Martinez a, Victor Quintero b, Julio García c, Jorge A. Huerta d a Mujica s/n, c.p , Morelia Michoacán, México, martgut@umich.mx. b Mujica s/n, c.p , Morelia Michoacán, México, vqrojas@umich.mx. C Mujica s/n, c.p , Morelia Michoacán, México, jugar_o_06@hotmail.com. d Mujica s/n, c.p , Morelia Michoacán, México, jorgeahb@correo.fie.umich.mx RESUMEN El calentamiento de la tierra, la contaminación y los desastres naturales son temas muy discutidos en diferentes foros. Sucesivas crisis de las distintas fuentes de energía convencionales han servido de estimulo para el desarrollo de nuevas fuentes de generación de energía eléctrica, la producción de este tipo de energías reduce la contaminación al medio ambiente sin embargo el costo de los equipos a utilizar puede ser una limitante para el uso de ellas. El objetivo fue hacer un estudio técnico para conocer la viabilidad de implementar un sistema con celdas solares comerciales para alimentar una casa habitación clase media, en nuestro caso nos enfocamos a alimentar un refrigerador, ya que es el electrodoméstico que mas gasto de energía eléctrica consume. Este estudio se realizo con el tipo de refrigerador mas vendido en tiendas comerciales, el sistema fotovoltaico lo alimentará durante el día y por las noches se utilizara la energía de la empresa suministradora. Los sistemas fotovoltaicos consisten de: modulo de paneles solares, control de carga, pilas y convertidor de cd/ca. En nuestra propuesta omitimos las pilas y el control de cargas con el objetivo de reducir el costo. Después de realizar el estudio para el consumo de energía eléctrica del electrodoméstico, se obtuvo la potencia requerida por este dispositivo, que posteriormente fue utilizada para obtener el dimensionamiento del sistema, así como la inversión requerida para implementar el proyecto, se realizo el estudio para la recuperación de la inversión. A pesar de que la materia prima del modulo solar es muy abundante en el planeta tierra, todavía este tipo de proyectos para una casa habitación tiene un costo elevado. 1. INTRODUCCIÓN Las fuentes alternas de energía (FAE), son todas aquellas formas de generación de energía eléctrica no convencionales. Los orígenes de estas energías residen en fenómenos de la naturaleza o procesos que al sufrir una transformación dan como resultado energía eléctrica aprovechable, que se puede encontrar disponible de manera continua o periódica. Algunas de las FAE son: El viento (energía eólica), El sol (energía térmica o energía solar), Movimiento de agua en causes naturales o artificiales (micro hidroeléctrica), Energía oceánica (maremotriz o maremotérmica), Materia orgánica (biocombustibles o turbo generadores). 1

2 Con la utilización de las FAE se disminuyen las emisiones de contaminantes a la atmósfera y se disminuye la demanda de energía a la compañía suministradora, lo que para el usuario domestico se ve reflejado en una disminución del pago a la empresa que proporciona el servicio. En este documento en particular se habrá de utilizar la energía solar con el fin de disminuir el pago por la energía eléctrica consumida por el refrigerador, que es uno de los aparatos de mayor consumo y cuyo funcionamiento es constante ya que permanece conectado las 24 horas de día. Por lo que se pretende proporcionar energía eléctrica al refrigerador durante el periodo diurno. 2. TEORÍA La luz solar es un conjunto de radiaciones electromagnéticas similares a las ondas de radio pero de mayor frecuencia en longitudes de onda de 0.2 a 3 micras. El sol emite radiación como lo haría un cuerpo calentado a Es importante aclarar que el sol no emite calor como tal, sino radiación, el efecto de esta radiación es el calentamiento de los cuerpos donde la misma incide. La radiación solar interceptada por la tierra en su desplazamiento a su alrededor, constituye la principal fuente de energía renovable. El planeta tierra recibe del sol la asombrosa cantidad de energía anual de 5.4x10 24 Joules cifra que representa 4.5 veces el consumo mundial. Aunque es muy abundante el aprovechamiento de la radiación solar esta condicionada por tres aspectos, la intensidad de la radiación solar recibida por la tierra, los ciclos diarios y anuales a los que esta sometida y las condiciones climatológicas de cada emplazamiento. La radiación solar es una forma de energía de baja concentración oscila entre 1300 y 1400 W/m 2, las perdidas en la atmósfera por absorción, reflexión y dispersión la reducen en un 30%. Si las condiciones climatológicas son buenas se puede llegar a tener 1000 W/m 2, aunque si las condiciones son muy malas podrían ser hasta 50 W/m 2. Por tal motivo en algunas circunstancias es necesario utilizar superficies de captación grandes. Sistemas fotovoltaicos. El funcionamiento de una celda solar consiste en que la luz solar caliente la superficie de la celda, esto ocasiona desplazamiento de electrones y generan un flujo de corriente eléctrica. El total de electricidad producida por el dispositivo dependerá de la cantidad de luz que incida sobre la celda y de su eficiencia. Las celdas solares se instalan junto con otras para construir módulos, los cuales a su vez juntos forman paneles, con el fin de producir cantidades significativas de energía eléctrica. La Figura 1, muestra las celdas, módulos y paneles solares. La energía generada por los paneles solares es siempre en corriente continua (cd), habitualmente en las casas habitación se utiliza corriente alterna (ca), por lo que se tendrá que recurrir al uso de un inversor electrónico, el cual convierte de cd a ca. Figura 1. Celda, módulo y panel solar. Un sistema solar fotovoltaico (SSF) para aplicaciones residenciales esta compuesto de un modulo solar, un centro de control de carga, una batería un inversor que convierte la corriente directa en alterna y la carga o aparatos que van a utilizar la energía. El esquema se muestra en la Figura 2. 2

3 Figura 2. Sistema solar fotovoltaico típico. Sin embargo en este proyecto, el banco de baterías ni el control de carga no serán considerados para este proyecto, la finalidad de no emplear estos dispositivos es reducir el costo, Por lo cual el esquema queda como se muestra en la Figura 3. Figura 3. Esquema del proyecto. 3. Desarrollo del proyecto El primer paso para dimensionar tanto el panel solar como el inversor es conocer las características de la carga que va a ser alimentada, en este caso las características del refrigerador ya que el aparato que generalmente representa la mayor parte del consumo total entre el 30 y 50 % según el tamaño y tiempo de uso. La energía eléctrica consumida dependerá del tipo del refrigerador, de sus dimensiones, del uso que se le de y del tiempo que lleva funcionando. Sin embargo las condiciones de uso no pueden ser previamente definidas. Las características del refrigerador seleccionado se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Características generales del refrigerador elegido. Modelo RT32YHSW1 Voltaje V Frecuencia 60 HZ HP 1/4 El consumo promedio se puede determinar en base al tiempo en funcionamiento, tiempo en reposo y corriente de trabajo. Tabla 2. Datos de funcionamiento de la carga. Lectura Valor promedio Tiempo de funcionamiento 8:39 min Tiempo en reposo 27:4 min Corriente de trabajo 1.42 Amp. 3

4 Con los datos de la Tabla 1 y Tabla 2, se puede determinar la potencia en watts consumida por el refrigerador considerando un fp de 0.9 en atraso y la energía demandada en kw-hr por dia. P watts =V volts I amp fp (1) P= = Energía Consumida=P t (2) Energíaconsumida= hr = Kw hr 1000 Con el resultado obtenido de la ecuación 2 se puede obtener el consumo mensual del refrigerador considerando un mes de 30 dias, el consumo mensual es 27.6 kw-hr. Dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Como el sistema que se propone para este proyecto no tiene baterías que permitan almacenar la energía, el sistema fotovoltaico funcionara solamente durante el día mientras que durante la noche la carga sera alimentada por la energía de la compañía suministradora. Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico se parte del valor de potencia obtenido de la ecuación 1, que es de watts. De la gran variedad de modelos de paneles solares disponibles en el mercado, se tendrá que elegir uno o una combinación de varios, que cumplan con las características de potencia y costo reducido. El modulo elegido es el modelo KD185GX-LPU de la Marca Kyocera que proporciona una potencia de 180 watts y tiene un costo de USD , el cual tiene un voltaje de salida de circuito abierto de V ca = 29.5 y con carga o de circuito cerrado de V cc = Selección del Inversor. Para el inversor tiene como datos, la potencia requerida por la carga y el voltaje de salida del panel solar, por lo que tendrá que cumplir con estas características aparte de tener un precio contenido. El inversor seleccionado es el modelo IC600-E24S120 de la marca INVERCOM el cual tiene un costo de USD Es un inversor de 250 watts continuos 600 watts de pico y una relación de voltaje de entrada salida de 24vcd / 120vca. Como ya se menciono anteriormente, el sistema va a ser diurno, por lo que requiere de un control cuya función será la de direccionar la alimentación a la carga, ya sea del sistema fotovoltaico o de la compañía suministradora. Este control tiene un costo de USD 6.0. El costo total del sistema fotovoltaico se muestra en la Tabla 3. Tabla 3. Costo de sistema fotovoltaico. Elemento Modelo y Marca Costo (USD) Panel Solar Inversor Mod. IC600-E24S120 Kyocera Mod. IC600-E24S120 INVERCOM Control Genérico 6 TOTAL Recuperación de la inversión Para determinar el tiempo recuperación de la inversión se tiene que considerar el precio total de la Tabla 3, tomando el tipo de cambio a $13 pesos mexicanos, se tendría una inversión inicial de $ pesos mexicanos. La tarifas en el estado de Michoacán para casas habitación esta dada 4

5 según el consumo, considerando como básico de kw-hr con un costo de $0.701 por kw-hr y el intermedio que va hasta los 250 kw-hr con un costo de $1.165 con kw-hr. El excedente de energía se cobra a $2.465 kw-hr. Se tomo como muestra el consumo de una casa habitación que por bimestre consume kw-hr. El cobro de la compañía suministradora se muestra en la Tabla 4. Tabla 4. Costos de la energía consumida en la casa de estudio. Tipo de Consumo Energía Tarifa Total a Pagar Básico 150 kw-hr $ $ Intermedio 75.2 kw-hr $ $ Suma $ Si al consumo total (225.2 kw-hr) le restamos el consumo bimestral del refrigerador durante el día que es de kw-hr, se tendría un consumo total de 170 kw-hr. Con este nuevo consumo se presenta la Tabla 5, que muestra el costo bimestral. Tabla 5. Costos de la energía consumida con el SSF. Tipo de Consumo Energía Tarifa Total a Pagar Básico 150 kw-hr $ $ Intermedio 20 kw-hr $ $ Suma 170 kw-hr $ El ahorro que representa el uso del SSF es de $ pesos bimestrales, por lo que la inversión inicial tardaría en recuperarse 23.4 años a la tarifa actual. 5. Conclusiones Se presento una alternativa viable aunque costosa para el ahorro de energía eléctrica en casas habitación de nivel medio. Se mostró el estudio que permite mostrar que alimentando solo el aparato de mayor consumo del hogar con FAE's es posible reducir de manera significativa el cobro de la compañía suministradora Aunque el silicio es muy abundante, los costos de producción de los paneles solares son muy elevados aun, lo que imposibilita utilizarlos en aplicaciones de potencias pequeñas y que el tiempo de recuperación de la inversión sea atractivo. 6. Bibliografía 1. Fundamentos de energías alternativas, Disponible en Abril Farrington Daniels, Uso directo de la energía solar, H. Blume Jennifer Carles, Energía renovable, Edamex L. Castañeda Muñoz, Energía Solar Fotovoltaica, Ediciones UPC Juan de Cusa, Energía solar para viviendas, Ceac Maldonado G. E., Uso de la energía solar aplicada a sistemas de conversión fotovoltaica, Tesis de Lic. UMSNH Celdas Solares Disponible en: Abril