UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Electricidad

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Electricidad EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO EN PUNTA ARENAS CON DISEÑO DE EMULACIÓN DE POTENCIA SUMINISTRADA POR PANELES SOLARES TRABAJO DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO DE EJECUCIÓN EN ELECTRICIDAD Jean Daniel Martínez Espinoza Profesor guía: Ingeniero Civil Electricista Serafín Ruiz Rebolledo Punta Arenas, Chile 2011

2 A mi familia por su paciencia, apoyo y cariño. Jean Martínez. 2

3 RESUMEN En el presente trabajo de titulación se analizará el uso de la energía solar, considerando paneles solares en conjunto con lámparas de alta eficiencia. El diseño del sistema fotovoltaico será en base a las condiciones geográficas existentes en la región. Además se presenta un sistema de emulación de potencias considerando los paneles solares, el cual permitirá a futuro realizar pruebas de rendimiento en la zona con distintos tipos de paneles. El presente trabajo de titulación está compuesto por los siguientes capítulos: Capítulo I: Se presenta la descripción concisa del proyecto, motivaciones, objetivos y expectativas enfocados en el desarrollo del proyecto. Capítulo II: Descripción de conceptos básicos los cuales están relacionados con la energía solar y la eficiencia energética presente en Chile. Capítulo III: Se entrega información precisa de los equipos que son necesarios para implementar el sistema solar fotovoltaico, redactando sus características y el modo de funcionamiento de cada uno. Capítulo IV: Se define el diseño del sistema fotovoltaico, dando a conocer los métodos utilizados y considerando todos los cálculos realizados para desarrollar dicho diseño. 3

4 Capítulo V: Se expone la evaluación económica del sistema fotovoltaico, el cual se encuentra basado a la disponibilidad actual de los equipos en el mercado nacional. Capítulo VI: En este último capítulo se describe la forma en la cual se realiza el proceso de adquisición de datos considerando el uso del microcontrolador LPC2103. Esta adquisición de datos permite desarrollar el sistema de emulación de potencias antes mencionado. 4

5 TABLA DE CONTENIDO Página RESUMEN 3 INTRODUCCIÓN. 15 CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Especificaciones del problema Objetivos generales Objetivos principales Expectativas del proyecto. 19 CAPÍTULO II: ENERGÍA SOLAR Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Energía solar Tipos de radiación Tipos de energías más utilizadas Irradiación solar Insolación solar Eficiencia y ahorro energético Eficiencia energética (EE) Áreas beneficiadas con el uso de la EE Etiqueta de eficiencia energética Ahorro energético 30 5

6 2.4.5 Modelo de plan de ahorro energético 30 CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS QUE. 33 CONSTITUYEN EL SISTEMA FOTOVOLTAICO 3.1 Equipos del sistema solar fotovoltaico Panel solar Funcionamiento del panel Tipos de paneles solares fotovoltaicos Clasificación del panel según material de 35 construcción Clasificación del panel según su forma Soportes seguidores de energía para paneles 39 solares Factores que inciden sobre los paneles 40 solares Condiciones geográficas y descripción de la 44 ciudad de Punta Arenas 3.3 Batería de ciclo profundo Reguladores de carga Inversor de tensión Lámparas consideradas en el análisis Lámpara Led (diodo emisor de luz) Lámpara fluorescente compacta (LFC) 50 CAPÍTULO IV: DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO Cálculos de iluminancia

7 4.1.1 Cálculo de iluminancia considerando 56 lámparas Led Cálculo de iluminancia considerando LFC Cálculo del consumo energético teórico Cálculo del consumo energético real de la 63 instalación 4.4 Cálculo del banco de baterías necesario para.. 65 la instalación 4.5 Cálculo del número de paneles solares (NP). 67 necesario para la instalación Cálculo del NP considerando lámparas Led Cálculo del NP considerando LFC Factor de cobertura o utilización (F i ) Cálculo del F i considerando lámparas Led Cálculo del F i considerando LFC Cálculo del regulador de carga Cálculo del inversor de tensión Diagrama del sistema fotovoltaico a implementar. 76 CAPÍTULO V: EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO Análisis económico Antecedentes económicos Rentabilidad del proyecto fotovoltaico Rentabilidad del proyecto con venta de excedente

8 CAPÍTULO VI: CAPTURA DE DATOS A TRAVÉS DE MICROCONTROLADOR.. 89 LPC Características del LEM Descripción de los pines del LEM Microcontrolador LPC Principales características Registros del Microcontrolador Conversor A/D Puerto Universal Asíncrono Receptor y 97 Transmisor 6.5 Configuración inicial de parámetros necesarios 99 para trabajar con el LPC 6.6 Descripción de código creado para ejecución del análisis 6.7 Flash Magic Adquisición de datos digitales Descripción del sistema CONCLUSIONES 115 GLOSARIO Conceptos lumínicos Conceptos económicos BIBLIOGRAFÍA

9 ANEXOS Normas chilenas sobre la energía fotovoltaica ÍNDICE DE TABLAS Página TABLA 4.1.1: Resumen de una vivienda tipos y niveles 54 requeridos de lux para cada habitación según estándares mínimos de iluminación TABLA 4.1.2: Planilla Excel, obtención del factor de 57 Utilización (C u ) TABLA 4.1.3: Planilla Excel, número de lámparas 58 necesarios TABLA 4.1.4: Planilla Excel, resumen del sistema 58 considerando lámparas Led TABLA 4.1.5: Resumen del número de lámparas y 59 potencia consumida para cada habitación considerando lámparas Led TABLA 4.1.6: Planilla Excel, número de LFC necesarias 60 para el living-comedor TABLA 4.1.7: Planilla Excel, resumen del sistema 60 Considerando LFC TABLA 4.1.8: Resumen del número de lámparas y 61 potencia consumida para cada habitación considerando LFC TABLA 4.2.1: Consumo energético teórico del sistema 62 fotovoltaico con lámparas Led 9

10 TABLA 4.2.2: Consumo energético teórico del sistema 63 fotovoltaico con LFC TABLA 4.3.1: Valores de las variables que forman parte 65 de la fórmula del parámetro de rendimiento global TABLA 4.5.1: Irradiación global diaria (MJ/m 2 *día) 67 TABLA 4.5.2: Irradiación solar diaria media (kwh/m 2 día) 68 TABLA 4.5.3: Horas punta solar (HPS) 69 TABLA 4.5.4: Comparación entre los dos tipos de 71 lámparas en estudio TABLA 4.6.1: Factor de cobertura solar considerando 73 lámparas Led TABLA 4.6.2: Factor de cobertura solar considerando 74 LFC TABLA 5.1.1: Equipos considerados para el desarrollo 77 del sistema TABLA 5.2.1: Costos de los equipos del proyecto con 78 lámparas Led TABLA 5.2.2: Costos de los equipos del proyecto con 79 LFC TABLA 5.3.1: Flujos de caja e indicadores de 81 Rentabilidad para el sistema con lámparas Led TABLA 5.3.2: Flujos de caja e indicadores de 83 rentabilidad para el sistema con LFC TABLA 5.4.1: Flujos de caja e indicadores de 85 rentabilidad para el sistema con lámparas Led con venta de excedente TABLA 5.4.2: Flujos de caja e indicadores de 87 10

11 rentabilidad para el sistema con LFC con venta de excedentes TABLA 6.1.1: Identificación de los pines del LEM 91 TABLA 6.9.1: Resumen de las tensiones, corrientes y 113 potencias obtenidas TABLA 7.2.1: Resumen de la interpretación del VAN 119 ÍNDICE DE FIGURAS Página FIGURA 2.3.1: Curva entre la irradiación diaria y las HPS 24 FIGURA 2.3.2: Movimiento aparente del sol durante el 25 verano e invierno de un año FIGURA 2.4.3: Etiqueta de eficiencia energética 28 FIGURA 2.4.4: Etiqueta de una lámpara clase E 29 FIGURA 3.2.1: Panel solar de silicio puro Monocristalino 36 FIGURA 3.2.2: Panel solar de silicio puro Policristalino 36 FIGURA 3.2.3: Panel solar concentrado 37 FIGURA 3.2.4: Panel solar tipo teja 38 FIGURA 3.2.5: Panel solar bifacial 39 FIGURA 3.3.1: Batería de ciclo profundo 45 FIGURA 3.4.1: Regulador de carga del sistema 46 FIGURA 3.5.1: Inversor de tensión 47 FIGURA 3.6.1: Lámpara Led 49 FIGURA 3.6.2: Lámparas fluorescentes compactas (LFC) 51 FIGURA 4.5.1: Área de las horas punta solar en conjunto 68 con la curva de irradiancia solar FIGURA 4.9.1: Diagrama del sistema fotovoltaico 76 11

12 FIGURA 6.1.1: Transductor de corriente 90 FIGURA 6.2.1: Descripción de los pines del LEM 91 FIGURA 6.3.1: Información de los pines del LPC FIGURA 6.3.2: Diagrama de bloque del LPC FIGURA 6.4.1: Tarjeta utilizada para la adquisición de 95 datos FIGURA 6.6.1: Sub-rutinas de inicialización 100 FIGURA 6.6.2: Rutinas utilizadas en el ADC 101 FIGURA 6.7.1: Entorno Flash Magic 103 FIGURA 6.8.1: Entorno Hyperterminal 104 FIGURA 6.8.2: Configuración del COM 105 FIGURA 6.8.3: Propiedades configuradas en el 105 Hyperterminal FIGURA 6.8.4: Datos obtenidos desde el Hyperterminal 106 operativo FIGURA 6.9.1: Sistema completo en análisis 108 FIGURA 6.9.2: Valores reales obtenidos del 109 Hyperterminal FIGURA 6.9.3: Valores obtenidos emulando horas previas a la mayor irradiación solar diaria 111 FIGURA 6.9.4: Valores obtenidos emulando horas con 112 mayor irradiación solar diaria FIGURA 6.9.5: Valores obtenidos emulando horas 112 posteriores a la mayor irradiación solar diaria 12

13 ÍNDICE DE ECUACIONES Página ECUACIÓN 4.1: Cálculo del índice del local (K) 54 ECUACIÓN 4.2: Cálculo del flujo luminoso total 55 ECUACIÓN 4.3: Cálculo del número de lámparas 56 ECUACIÓN 4.8: Cálculo de la potencia necesaria para la 58 habitación en estudio ECUACIÓN 4.9: Cálculo del consumo energético real 64 ECUACIÓN 4.10: Cálculo del parámetro de rendimiento 64 global ECUACIÓN 4.14: Cálculo del banco de baterías 66 ECUACIÓN 4.17: Equivalencia entre unidades de energía 67 ECUACIÓN 4.18: Definición de irradiación solar 69 ECUACIÓN 4.19: Cálculo del número de paneles solares 69 ECUACIÓN 4.20: Cálculo del factor de cobertura o utilización 72 ECUACIÓN 4.21: Cálculo del regulador de carga 74 ECUACIÓN 6.1: Frecuencia deseada 102 ECUACIÓN 6.2: Valor del divisor de la frecuencia del micro 102 ECUACION 6.3: Valor VIN0 en decimal 109 ECUACIÓN 6.4: Valor VIN1 en decimal 109 ECUACIÓN 6.5: Valor VIN0 dividido por los 10 bits 109 ECUACIÓN 6.6: Valor VIN1 dividido por los 10 bits 109 ECUACIÓN 6.7: Valor en Volt del VIN0 110 ECUACIÓN 6.8: Valor en Volt del VIN1 110 ECUACIÓN 6.9: Despeje de la corriente sensada 111 ECUACIÓN 6.10: Valor de la corriente sensada 111 ECUACIÓN 7.1: Cálculo del VAN

14 ECUACIÓN 7.2: Cálculo del TIR 120 ECUACIÓN 7.3: Cálculo del IVAN

15 INTRODUCCIÓN De la energía solar disponible, el hombre captura una pequeña parte, logrando grandes beneficios. Se espera a futuro, capturar una mayor parte de la energía solar que la naturaleza no utiliza y transformarla a voluntad para aprovecharla en beneficio propio. En la actualidad, el ser humano depende casi exclusivamente del uso de las energías no renovables, es decir, del petróleo, carbón, gas natural y nuclear. Estos recursos cada día se extinguen más y más, es por esto, que el mundo necesita una vía para continuar con el estilo de vida que lleva actualmente. Esto ha despertado un gran interés en la energía solar, eólica, geotérmica e hidráulica. En la actualidad, Chile comienza a mostrar problemas con el tema de abastecimiento eléctrico. Se han presentado cortes de suministro en diferentes lugares del país, esto debido al aumento de la población residencial y al crecimiento de la demanda industrial, dando origen a una crisis energética. Por este motivo se debe buscar la forma de reducir los índices de consumo energéticos presentados por los chilenos. Esto se logra realizando un cambio en la conciencia de la gente con respecto al consumo que realizan, es decir, ser responsables al momento de utilizar la energía, actos como: apagar equipos que estén encendidos y que no se estén usando, como por ejemplo el televisor, no dejar lámparas encendidas en habitaciones donde no hay gente en ese momento y aprovechar la luz del día al máximo, estos simples actos ayudan a reducir el consumo eléctrico. Otra forma sería buscar algún tipo de 15

16 fuente energética que permita obtener el suministro necesario para satisfacer las necesidades de las personas en sus hogares y complementar el suministro de energía industrial. La necesidad e incentivo por comenzar a utilizar las energías renovables no convencionales (ERNC), está tomando cada día más fuerza. Chile es un país que presenta buenos índices de irradiación solar en gran parte del año para sus diferentes regiones (unas con más niveles que otras) en comparación con otros países que sí producen electricidad a partir de la energía solar. Por este motivo, este recurso debe ser utilizado y no dejar que se pierda, con todos los problemas de abastecimiento que se están presentando. Además, con el paso del tiempo se irán incrementando si no se busca alguna nueva alternativa a las ya existentes. La disponibilidad de energía solar es muy elevada en el norte de Chile, pero esto no implica que no se pueda emplear en el resto del país. Chile posee grandes registros de irradiación solar, es por este motivo se debe fomentar el uso de esta energía verde (renovable y limpia) tanto para zonas rurales como para el sector residencial de las ciudades. Los sistemas fotovoltaicos están siendo considerados en varios sectores, ayudando a reducir el consumo energético de la red. Por este motivo, en este proyecto se busca analizar la factibilidad y costos actuales de instalar un sistema solar fotovoltaico en una vivienda residencial promedio en la ciudad de Punta Arenas, considerando el mercado existente en el país. 16

17 CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 1.1 Especificaciones del problema Los costos asociados al suministro eléctrico cada vez están siendo más altos, la crisis energética está afectando a todos las personas y su economía. Por esta razón, realizar el análisis de un sistema solar fotovoltaico, en conjunto con lámparas de bajo consumo y alto rendimiento, es de gran importancia para determinar si es o no económicamente viable el proyecto, ya que con él se tendrían índices de consumo inferiores a los registrados mensualmente en los hogares, debido que solo existiría el consumo generado al interior de la vivienda por lo equipos electrodomésticos, por lo que el costo a cancelar a fin de mes se reduciría. Además se busca desarrollar un sistema de emulación que permita a futuro realizar pruebas con paneles solares y de esta forma ver el desempeño que presentan estos equipos en la región de Magallanes. El proyecto fue pensado para ayudar a reducir el consumo mensual realizado por el sistema de iluminación de la vivienda (tanto para interior como para exterior del hogar), con la ayuda de la instalación fotovoltaica, además, reemplazar las lámparas de bajo rendimiento existentes en la vivienda residencial ubicada en la ciudad de Punta Arenas, de esta manera se ayudaría a reducir los costos relacionados a la iluminación del hogar. Al utilizar lámparas de bajo consumo pero de alto rendimiento, se obtendría una baja en los costos energéticos asociados al hogar, es por esta razón que en el presente proyecto se estudian dos tipos de lámparas de diferentes materiales de fabricación, las cuales son las modernas Led y las lámparas 17

18 fluorescentes compactas (LFC), las dos se encuentran presentes en el mercado nacional. 1.2 Objetivos generales Se busca como objetivo general entregar una solución al problema presentado en el cual el diseño y análisis económico satisfaga las expectativas relacionadas al proyecto. Por otra parte, determinar si es factible en la actualidad implementar un sistema solar fotovoltaico en una vivienda residencial en la ciudad de Punta Arenas, esto depende a grandes rasgos de los niveles de irradiación solar incidentes presentes en la zona y del costo asociado a la implementación del sistema, todo esto se describirá en los capítulos siguientes. 1.3 Objetivos principales Para poder llevar a cabo un proyecto de estas características es necesario realizar un estudio de la energía solar en Chile, específicamente en Punta Arenas y su eficiencia energética. De esta manera se podrán realizar los cálculos relacionados con las capacidades necesarias para cada equipo considerado para el sistema fotovoltaico. Una vez obtenidos estos datos, se podrá realizar la parte económica del proyecto, el cual permitirá analizar la fiabilidad del proyecto. De igual manera es necesario describir las lámparas que serán analizadas, esto para ver cuál de todas es la que presenta mejores características versus costo asociado y además cual es la que mejor se desempeña en cada habitación del hogar. 18

19 Analizar si el diseño del sistema solar fotovoltaico permite su implementación en la región, considerando el mejor ángulo de inclinación en función al mes más crítico del año (Junio, pleno invierno) con respecto a la irradiación solar incidente. Establecer un diseño de emulación factible que permita estudiar el rendimiento a futuro de celdas en Punta Arenas. 1.4 Expectativas del proyecto Dentro de las expectativas más importantes es ver si el diseño del sistema solar fotovoltaico, para la iluminación de la vivienda, puede llegar a ser 100% autónomo. Estudiar las ventajas y desventajas relacionadas a la instalación fotovoltaica en Punta Arenas. Finalmente, se comenzará entregando información relacionada con el proyecto, conceptos sobre la energía solar, eficiencia energética y normas relacionadas a estas, lo cual ayudará a la comprensión del trabajo. Con el paso de los capítulos se entregará mayor detalle a la parte concisa del análisis, tanto para el diseño como para la parte de evaluación económica. 19

20 CAPÍTULO II: ENERGÍA SOLAR Y EFICIENCIA ENERGÉTICA 2.1. Energía solar 1 La energía solar no es más que la energía producida por el sol. Ésta se transmite a través de las ondas electromagnéticas presentes en los rayos de sol, las cuales son generadas en forma continua y emitida permanentemente al espacio, cubriendo entre otros, a nuestro planeta. Cerca del 70% de la energía solar recibida por la tierra es absorbida por la atmósfera, la tierra y por los océanos. El porcentaje restante es reflejado por la atmósfera de regreso al espacio. La cantidad de energía emitida y que llega a la tierra en forma de radiación, equivale a aproximadamente 35 millones de veces la energía producida por todas las centrales de generación eléctrica de Chile. Es una fuente de energía renovable, inagotable. Al ser una fuente de energía limpia, no emite contaminantes al medio ambiente y es virtualmente accesible en cualquier lugar del mundo. Producto de la sobreexplotación de los recursos no renovables, y la preocupación por las externalidades que ellas generan (efecto invernadero y el avance del sobrecalentamiento global), existe una creciente conciencia social, y de los gobiernos, de explotar estos tipos de energías. Por esta razón, cada vez es más común observar en Chile el uso de sistemas fotovoltaicos para suministrar soluciones de energía a casas de residencia permanente y de descanso, iluminación en lugares remotos, etc. Incluso, se observa una creciente dependencia de soluciones de energía solar para proveer de electricidad a poblaciones apartadas. 20

21 La potencia de la radiación depende del momento del día, las condiciones atmosféricas y de la ubicación geográfica. Esta radiación puede llegar a la tierra en forma directa o difusa Tipos de radiación 2 La diferencia entre los tipos de radiaciones está en cómo inciden los rayos solares sobre la Tierra. Se tienen tres tipos radiación: Directa: Se recibe cuando los rayos solares no se difunden o se desvían al pasar por la atmósfera terrestre. Es decir, es aquella que llega directamente a un objeto o superficie. Se caracteriza por presentar sombras bien definidas de los elementos que se interponen en su trayecto. Difusa: Cuando la atmósfera terrestre difumina o desvía los rayos solares, se llama radiación difusa. Este desvío de los rayos solares, se produce por el choque directo con las moléculas y partículas contenidas en el aire, por este motivo, los rayos solares no llegan en forma directa. Albedo: Los rayos solares no solamente pueden ser desviados por causas atmosféricas, también pueden sufrir una reflexión a causa de superficies planas. La reflexión que se produce en un terreno nevado y la reflexión que sucede sobre el agua del mar son algunos ejemplos de aquello. El albedo medio de la tierra es del 37-39% de la radiación proveniente del sol. La suma de la radiación directa y difusa recibe el nombre Radiación Global, por otro lado la suma de la radiación difusa, directa y albedo recibe la denominación de Radiación Total. 21

22 En un día despejado, la radiación directa es mucho mayor que la radiación difusa. Por el contrario, en un día nublado no existe radiación directa y la totalidad de la radiación incidente corresponde a radiación difusa. La irradiancia directa normal fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor promedio de 1354 W/m², el valor máximo se encuentra en el perihelio (lugar donde el planeta se encuentra más cercano al sol) y corresponde a 1395 W/m², mientras que el valor mínimo se encuentra en el afelio (lugar donde el planeta se encuentra más lejano al sol) y es de 1308 W/m². Para condiciones normales, dentro de la atmósfera, se considera una irradiancia promedio de 1000 W/m². Actualmente, existen muchas formas para capturar directamente una parte de esta energía, que están siendo mejoradas permanentemente Tipos de energías más utilizadas Se enuncian los tipos de energía más importantes y sus respectivas técnicas para aprovecharlas: Energía solar fotovoltaica: Se refiere a la electricidad producida por la transformación de una parte de la radiación solar mediante una célula fotoeléctrica. Varias celdas están conectadas entre sí en un módulo solar fotovoltaico y se pueden agrupar varios módulos para formar un sistema solar para uso individual o una planta de energía solar fotovoltaica que suministra energía a una red de distribución eléctrica. Energía solar térmica: Consiste en utilizar el calor de la radiación solar. Se presenta en diferentes formas: centrales solares 22

23 termodinámicas, agua caliente y calefacción, refrigeración solar, cocinas y secadores solares. La energía solar termodinámica es una técnica que utiliza energía solar térmica para generar electricidad. Energía solar pasiva: El uso más antiguo de la energía solar, consiste en beneficiarse del aporte directo de la radiación solar. Para que un edificio se beneficie con la radiación solar, se debe tener en cuenta el aprovechamiento de la energía solar en el diseño arquitectónico: fachadas dobles, orientación hacia el norte (hemisferio sur) y superficies vidriadas, entre otros. El aislamiento térmico desempeña un papel importante para optimizar la proporción del aporte solar pasivo en calefacción y en la iluminación de un edificio. Una casa o un edificio que aproveche la energía solar pasiva estará contribuyendo a un importante ahorro energético y además ayudando al medio ambiente Irradiación solar Es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética sobre un captador. En este caso corresponde a radiación proveniente del sol, la cual se puede percibir en forma de calor o luz (visible o no visible, lo cual dependerá de la longitud de onda en particular). Su unidad de medida en el sistema internacional es Watts por metro cuadrado (W/m²). A lo largo del día y bajo condiciones atmosféricas iguales, la irradiación recibida en un captador varía a cada instante, presentando valores mínimos en el amanecer y atardecer, y adquiriendo valores máximos al mediodía. 23

24 2.3. Insolación solar 3 La Insolación corresponde a la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la Tierra en un día concreto (insolación diurna) o en un año (insolación anual). En otras palabras, es la energía radiante que incide en una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado. Su unidad de medida es el Watts-hora por metro cuadrado (Wh/m 2 ). La insolación también se puede expresar en términos de horas punta solar (HPS). Una hora punta solar es equivalente a la energía recibida durante un tiempo determinado, a la irradiancia promedio en kw/m 2. La energía útil que entrega el panel fotovoltaico es directamente proporcional a la insolación incidente. Si se representa en un gráfico la distribución horaria de la irradiación incidente sobre la superficie terrestre, se observa que los niveles varían a lo largo del día. Gráficamente, la hora punta solar se interpreta como una función de valor constante que delimita la misma área que la distribución antes mencionada. Figura Curva entre la irradiación diaria y las HPS La insolación es un parámetro muy importante en el diseño de sistemas solares fotovoltaicos. 24

25 Los factores climáticos y el ángulo de posicionamiento del panel con respecto al sol afectan en demasía la insolación sobre la superficie de captación. En zonas de poco sol, ya sea por nubes, neblina u otro factor, la insolación promedio en un periodo de tiempo es menor. En días de invierno los niveles de insolación promedio son considerablemente menores en comparación a los días de verano, esto se da para lugares cuya latitud sea mayor a los 15º. Además de las condiciones atmosféricas, hay otro parámetro que afecta radicalmente a la incidencia de la radiación solar sobre un captador solar, este es, el movimiento aparente del sol a lo largo del día y a lo largo del año. Figura Movimiento aparente del sol durante el verano e invierno de un año Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima insolación cuando se mantiene apuntando directamente al sol. Esto requeriría el ajuste de dos ángulos en el sistema: el azimut para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste, y el ángulo de elevación, para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte-sur Eficiencia y ahorro energético La eficiencia y ahorro energético no tienen igual interpretación, por este motivo es necesario especificar cada uno de estos conceptos. 25

26 Eficiencia energética (EE) 4 La eficiencia energética (EE) es el conjunto de acciones que permiten optimizar la relación entre la cantidad de energía consumida y los productos y servicios finales obtenidos. Esto se logra a través de la implementación de diversas medidas e inversiones a nivel tecnológico, de gestión y de hábitos culturales en la comunidad. La eficiencia energética conduce a obtener el mismo resultado anterior, manteniendo o mejorando su calidad, pero con un menor consumo de energía. El servicio prestado por la energía debe mantenerse o mejorarse Áreas beneficiadas con el uso de la EE Para nuestro país y para cualquier otro es de suma importancia adoptar medidas para optimizar el uso de la EE, ya que esto conlleva directos beneficios a la comunidad y además ayuda al desarrollo de algunas áreas, tales como: Económicos: Si se produce un ahorro de energía, se reducen los gastos de las cuentas energéticas. Como las personas e industrias tendrían un menor consumo, se obtendría un menor gasto en luz y calefacción entre otros factores y por lo que se producirán ahorros considerables. Ambientales: Disminución de la demanda actualmente generada por los recursos naturales. Esto ayuda a reducir el calentamiento global y la emisión de CO 2 entre otros efectos dañinos para la vida y el planeta. 26

27 Sociales: Ayuda a reducir los gastos de todas las personas, pero especialmente a las familias de bajos recursos, ya que serían beneficiados disminuyendo el costo mensual de su consumo. Esto es de suma importancia, porque las familias de escasos recursos destinan una parte importante de su dinero al consumo energético. Estratégicos: Se reduce la dependencia de las fuentes de energía tradicionales Etiqueta de eficiencia energética 5 El Programa País de Eficiencia Energética (PPEE), en conjunto con el Servicio Nacional del Consumidor (SERNAC) y la Superintendencia de Electricidad y Combustibles (SEC), con apoyo del Fondo Innova Chile y organismos asociados, se encuentran trabajando desde el año 2005 en la promoción de la eficiencia energética (EE) en Chile, para lo cual lanzaron el año 2008 el programa de etiquetado obligatorio para algunos electrodomésticos residenciales normados por el Instituto Nacional de Normalización (INN) y que consiste en una etiqueta que muestra el consumo de energía y la eficiencia de conversión del equipo. Chile cuenta con tres normas oficiales sobre etiquetado de eficiencia energética para electrodomésticos de iluminación y refrigeración, éstas son las primeras de un conjunto de 52 normas que regirán artefactos domésticos, equipos industriales y construcción sustentable. Esto obliga a los fabricantes de lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes compactas (LFC), refrigeradores y congeladores a indicar en una etiqueta cuánta es la energía que consumen sus artefactos, de modo que el consumidor pueda elegir según su eficiencia y conveniencia al momento de adquirir el equipo. 27

28 La etiqueta de eficiencia energética es una herramienta pensada para facilitar a los consumidores el buen uso de la energía, la cual debe contener, aparte de la eficiencia energética, ergética, información sobre vida útil en el caso de lámparas y el consumo mensual en refrigeradores. En esta etiqueta de eficiencia energética se describen dos partes, en la izquierda se encuentra la matriz que contiene las categorías energéticas, unidades y conceptos sobre los que se va a dar información. En la parte derecha se ubica la ficha que contiene los datos específicos que corresponden al electrodoméstico que lleva la etiqueta. En la Figura se pueden apreciar dos tipos de etiquetas, para a lámpara y refrigerador respectivamente. La escala se rige por el código de colores y letras para entregar información sobre el grado de eficiencia energética del electrodoméstico, en comparación con otros similares. La gama va desde el color verde y la letra A para los equipos más eficientes, hasta el color rojo y la letra G para los equipos menos eficientes. El consumo de energía para equipos similares, llega a triplicarse en los electrodomésticos clase G en comparación a los de clase A. Figura Etiqueta de eficiencia energética 28

29 La figura muestra la forma adecuada de interpretar una etiqueta de eficiencia energética de una lámpara. Figura Etiqueta de una lámpara clase E 1. Clase energética a la que pertenece la lámpara 2. Flujo luminoso de la lámpara en lúmenes. Mide la cantidad de luz que aporta la lámpara. 3. Potencia absorbida por la lámpara: Energía necesaria para que ilumine, se mide en Watts. 4. Ciclo de vida media nominal de la lámpara: Cantidad de tiempo que la lámpara va a funcionar con las condiciones de flujo luminoso antes expuestas, se mide en horas. En la figura 2.4.4, la etiqueta corresponde a una lámpara de baja eficiencia energética, esto implica que consume mayor energía, por lo que no es eficiente. 29

30 Ahorro energético 6 En materia de consumo de energía, se ha demostrado a nivel mundial que si se aplican medidas ahorrativas a nivel industrial y residencial, es posible obtener un ahorro que se traduzca en un beneficio para el país. Este ahorro de energía se podría realizar identificando las fuentes de mayor consumo. En el caso del sector industrial y minero, la fuerza motriz representa un 86% de consumo en el primero y un 78% de consumo en el segundo, mientras que para la pequeña y mediana empresa, la fuerza motriz es de un 67%. En el caso residencial, la iluminación y refrigeración representan los artefactos de mayor consumo, con un 38% en el primer caso y un 32% en el segundo. Al disminuir el consumo de energía en el hogar se traduce en un ahorro para la economía familiar y personal. Además, se disminuyen las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, principal causa del cambio climático Modelo de plan de ahorro energético Un buen método es iniciar un plan de ahorro energético. Existe una pauta práctica consistente en tomar en consideración tres factores, que se enuncian a continuación: 30

31 Paso 1: Evaluación Energética El primer paso para poner en marcha un plan de eficiencia energética en el hogar es hacer una evaluación para determinar qué áreas son las que consumen más energía. Una evaluación del uso de la energía mostrará aquellas áreas que no son eficientes y ayudará a seleccionar las medidas más efectivas para reducir el costo de las cuentas de energía. Principales recomendaciones para hacer la evaluación de eficiencia energética en el hogar: Evaluar que los electrodomésticos se encuentren funcionando sin problemas. Consultar los respectivos manuales para saber cuál es el mantenimiento recomendado para cada uno de ellos. Identificar los lugares del hogar para determinar los posibles puntos de desperdicio de la mayor cantidad de energía. Verificar si existen grietas, hoyos o agujeros alrededor de paredes, marcos de ventanas, luces, accesorios de plomería, interruptores y enchufes. Revisar los niveles de aislamiento térmico en entretechos, la parte interior de los techos, paredes exteriores, pisos y espacios de acceso a los conductos y tuberías. Analizar los patrones de conducta y las necesidades de uso de energía de la familia. Paso 2: Elaborar un Plan de Ahorro Una vez realizada la evaluación energética, elaborar un plan de ahorro de consumo de energía en función de las compras y mejoras que debe realizar para hacer al hogar más eficiente energéticamente. Hacer una lista, detallando 31

32 de mayor a menor, aquellos lugares donde se desperdicia la mayor cantidad de energía. Luego hacer un presupuesto y determinar tanto la cantidad de tiempo y el gasto de dinero que se debe hacer en mantenimiento, reparaciones y compras potenciales. Paso 3: Adoptar Acciones Encontrar la forma de reducir el consumo energético, una forma puede ser: reemplazar las lámparas incandescentes (si existen en el hogar) por lámparas de bajo consumo y si es posible reemplazar los equipos eléctricos antiguos por nuevos que presenten etiquetas energéticas, de esta forma se tendrá la información correspondiente del equipo respecto al consumo energético que realiza. 1: Energía solar 2: Tipos de radiación 3: Insolación solar 4: Eficiencia Energética 5: Etiqueta energética 6: Ahorro energético 32

33 CAPÍTULO III: DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS QUE CONSTITUYEN EL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO 3.1. Equipos del sistema solar fotovoltaico Para el desarrollo del proyecto es necesario dar información respecto a las características de los equipos que constituyen la instalación solar fotovoltaica. Los cuales son descritos a continuación: Celda o panel solar Batería de ciclo profundo Regulador de carga Inversor Lámparas consideradas en el estudio 3.2. Panel solar Sin duda el panel solar es la parte más importante dentro de la conformidad del sistema solar fotovoltaico. Para este proyecto se considera el uso de energía solar, y para ello la manera o método para obtener y procesar este tipo de energía es utilizando celdas fotovoltaicas, también conocidos como paneles solares. Estos sistemas convierten la luz solar en energía eléctrica. Las celdas fotovoltaicas captan los rayos solares que son emitidos durante todos los días por el sol. 33

34 Para incrementar la capacidad de generación de electricidad se interconectan entre celdas fotovoltaicas formando así un panel solar. A su vez, se conoce como arreglo solar a la interconexión de dos o más paneles solares interconectados para incrementar la capacidad de generación de electricidad Funcionamiento del panel Los paneles están conformados por dos semiconductores ubicados uno al frente del otro. El panel, al ser traspasado por la luz solar, los rayos entran en contacto con el semiconductor negativo (tipo-n) ubicado en la parte superior del panel solar, los electrones son sacados de los átomos del semiconductor, los cuales pasan por un circuito externo hacia el semiconductor positivo (tipo-p) ubicado en la parte inferior del panel. Esto produce un ciclo donde los electrones al entrar en contacto con el semiconductor positivo son enviados de vuelta al semiconductor negativo formando un flujo que genera la electricidad. La energía obtenida por el panel es enviada al banco de batería, a través del regulador de carga, que regula la potencia traspasada a la batería de acuerdo con su carga. Los paneles solares producen energía eléctrica durante todo el día. Una forma sencilla de evaluar la energía producida es considerar que éste la entrega durante un determinado tiempo llamadas horas punta solar, trabajando a su máxima potencia, equivalente a la energía que produce en un día típico de cada mes del año, considerando la estacionalidad. La máxima potencia es el principal parámetro que define un panel solar. Existen en el mercado paneles de diversas potencias máximas. La selección y cantidad de paneles a instalar depende de la cantidad de energía que sea 34

35 necesaria para satisfacer la demanda energética presente en el lugar de estudio. Una celda fotovoltaica se encuentra conformada por las siguientes capas: Cubierta de Vidrio Adhesivo transparente Capa antirreflejo Contacto frontal Semiconductor tipo-n Semiconductor tipo-p Contacto posterior Cada una de estas capas ayuda en la efectividad y calidad del panel, de esta forma el panel entrega mejores resultados al momento de realizar su trabajo Tipos de paneles solares fotovoltaicos 7 Se pueden clasificar en dos grupos, según el material de construcción y según la forma del panel. El Silicio y el Arseniuro de Galio son los materiales más usados para su fabricación, pero los más comunes son de Silicio, por tener un menor costo Clasificación del panel según material de construcción Existen tres grandes grupos de clasificación las cuales son presentadas a continuación. 35

36 Silicio puro Monocristalino. Se basan en secciones de una barra de silicio perfectamente cristalizado en una sola pieza. En laboratorio se han alcanzado rendimientos máximos del 24,7% para éste tipo de paneles, y en los comercializados un 16%. Figura Panel solar de silicio puro Monocristalino Silicio puro Policristalino. Los materiales son semejantes al anterior, aunque en este caso el proceso de cristalización del silicio es diferente. Los paneles policristalinos se basan en secciones de una barra de silicio que se han estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Son visualmente muy reconocibles por presentar su superficie un aspecto granulado. Se obtiene con ellos un rendimiento inferior que con los monocristalinos, en laboratorio del 19.8% y en los módulos comerciales de un 14%, siendo su precio también más bajo. Figura Panel solar de silicio puro Policristalino. 36

37 Silicio Amorfo. Basados también en el silicio, pero a diferencia de los dos anteriores, este material no sigue una estructura cristalina. Paneles de este tipo son habitualmente empleados para pequeños dispositivos electrónicos (calculadoras y relojes) y en pequeños paneles portátiles. Su rendimiento máximo alcanzado en laboratorio ha sido del 13%, y para módulos comerciales de un 8% Clasificación del panel según su forma También es posible clasificar los tipos de paneles en función de su forma. Empleándose cualquiera de los materiales antes comentados, se fabrican paneles en distintos formatos para adaptarse a una aplicación en concreto o bien para lograr un mayor rendimiento. Algunos ejemplos de formas de paneles distintos del clásico plano son: Paneles con sistemas de concentración. Están formados por una serie de superficies reflectantes que concentran la luz sobre los paneles fotovoltaicos. Aunque el porcentaje de conversión no varía, una misma superficie de panel producirá más electricidad ya que recibe una cantidad concentrada de fotones. Figura Panel solar concentrado. 37

38 Actualmente se investiga iga en sistemas que concentran la radiación solar por medio de lentes. La concentración de la luz sobre los paneles solares es una de las vías que están desarrollando los fabricantes para aumentar la efectividad de las células fotovoltaicas y bajar los costos de producción. Paneles de formato teja o baldosa. Estos paneles son de tamaño pequeño y están pensados para combinarse en gran número para así cubrir las grandes superficies que ofrecen los tejados de las viviendas. Son aptos para cubrir grandes cantidades de demandas energéticas, y presentan una buena captación. Figura Panel solar tipo teja. Paneles bifaciales. Basado en un tipo de panel capaz de transformar en electricidad la radiación solar que recibe por cualquiera de sus dos caras. Para aprovechar esta cualidad, se coloca sobre dos superficies que reflejen la luz solar hacia el reverso del panel. Presentan una mayor captación de energía, siendo más eficientes, pero ocupan un espacio considerable. 38

39 Figura Panel solar bifacial Soportes seguidores de energía para paneles solares Existe la posibilidad de emplear elementos seguidores al movimiento del Sol que favorezcan y aumenten la captación de la radiación solar. Al momento de fabricar el soporte sostenedor del panel, este puede ser adaptado de tal forma que permita realizar un seguimiento del sol, para así captar una mayor cantidad de energía a través del panel. Sin estructura seguidora, es decir, soporte estático (es el soporte más sencillo de colocar), se tiene que considerar que la obtención de energía dependerá de la latitud donde se instale el sistema y del correcto ángulo de inclinación del panel. Existen dos tipos de soportes seguidores del sol: Sistemas de seguimiento solar de 1 eje. Estos soportes realizan un cierto seguimiento solar. La rotación del soporte se hace por medio de un solo eje, ya sea horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento es el más sencillo y el más económico, pero es incompleto, ya que sólo podrá seguir la inclinación o el azimut del Sol, pero no ambas a la vez. 39

40 Sistemas de seguimiento solar de dos ejes. Con este sistema ya es posible realizar un seguimiento total del sol en altitud y en azimut y siempre se conseguirá que la radiación solar incida perpendicularmente, obteniéndose la mayor captación posible por parte del panel. Existen tres sistemas básicos de regulación del seguimiento del sol por dos ejes: a) Sistemas mecánicos: El seguimiento se realiza por medio de un motor y de un sistema de engranajes, que gira el panel a velocidad constante durante el día y retorna en la noche. Dado que la inclinación del Sol varía a lo largo del año, es necesario realizar ajustes periódicos, para adaptar el movimiento del soporte. b) Mediante dispositivos de ajuste automático: El ajuste se realiza por medio de sensores que detectan cuando la radiación no incide perpendicular al panel, corrigiéndose la posición por medio de motores. c) Dispositivos sin motor: Sistemas que mediante la dilatación de determinados gases, hacen que su evaporación y el juego de equilibrios logren un seguimiento del Sol. Se estima que con estos sistemas se puede lograr un aumento de entre el 30% y el 40% de la energía captada. Para estos casos es necesario evaluar el costo del sistema de seguimiento y la ganancia derivada del aumento de la energía para determinar la eficiencia y rentabilidad. Pero su costo será mucho mayor comparados con los sistemas que no presentan soportes seguidores Factores que inciden sobre los paneles solares 40

41 Orientación e inclinación 8 Como se mencionó anteriormente, el panel solar capta la mayor cantidad de energía al estar de forma perpendicular al sol. Para el caso de los paneles que presentan soportes de seguimiento solar no existe gran problema con respecto a este factor, no así para el caso de los paneles con una infraestructura fija, es decir, soporte sin seguimiento. Es por esto que se tiene que instalar el panel con una inclinación acorde a la ubicación geográfica del lugar, ya que de esta forma este factor no será tan relevante con respecto a la obtención de la energía. En el registro solimétrico Irradiancia solar en territorios de la República de Chile, se aprecia para Punta Arenas que el grado de inclinación de 43 es el que presenta mayores índices de captación de radiación solar anuales, pero para 53 se presenta mejor captación de radiación e n el mes de Junio. Esto es importante destacar, ya que el análisis teórico se realiza en base al mes más crítico con respecto a la radiación solar incidente (mes de Junio). Si se logra un buen diseño para este mes, se obtiene un sistema compatible con todo el resto del año, por este motivo la inclinación a utilizar corresponde a 53 y con respecto a la orientación, esta será hacia al norte, debido a que Punta Arenas se ubica en el hemisferio sur. Energía de la luz incidente El nivel de radiación que incide en el panel solar tiene que estar dentro de ciertos límites, para que se pueda generar el flujo de corriente. No todas las ondas de radiación son recibidas por el panel. 41

42 La corriente es directamente proporcional a la radiación incidente y recibida por el panel, lo que implica que si existe un bajo nivel de energía radiante se generará una corriente baja. Reflexión Son pérdidas producidas en la superficie del panel solar debido a la reflexión de los rayos incidentes. Actualmente los fabricantes están solucionando este inconveniente utilizando capas antirreflejo. Factor sombra Produce una importante baja en el rendimiento del panel solar, por este motivo es de suma importancia escoger de muy buena forma la ubicación que se le va a dar al panel, para así evitar sombras de edificaciones cercanas a la instalación. Para el proyecto no se consideran pérdidas asociadas al factor sombra, debido a la ubicación geográfica de la vivienda residencial estudiada, y se espera que ninguna colina o edificio entregue sombra a la instalación. Punta Arenas se caracteriza por no poseer grandes edificaciones, por este motivo el factor sombra es irrelevante. Temperatura y viento Otro factor a considerar en el diseño de un sistema fotovoltaico es la temperatura, ya que afecta directamente a la generación de energía. Si aumenta la temperatura se produce un aumento leve de la corriente pero la tensión baja en forma significativa, esto implica que la potencia de salida 42

43 disminuye. Por el contrario, si la temperatura disminuye, la tensión aumenta pero la corriente disminuye levemente. El efecto combinado es un aumento leve en la potencia de salida. Aproximadamente cada aumento de grado de temperatura sobre 25 Celsius produce una disminuci ón de 0.5% en la potencia nominal del panel. Con respecto al factor viento, este puede afectar a la instalación fotovoltaica si no posee un soporte adecuado y de buen material de construcción. Por esta razón es importante adquirir el soporte correcto, para así evitar que se produzcan accidentes y que el dinero invertido en los paneles no se pierda drásticamente. Factor agua El factor agua puede provocar efectos dañinos sobre los paneles, conexiones y sellos. Para evitar potenciales daños se debe considerar tres procedimientos, para así asegurar un buen funcionamiento de los paneles solares. Instalar los paneles solares con cierta inclinación, nunca horizontal. De esta forma el agua escurre por la gradiente y no se acumula sobre los módulos solares. Asegurarse que exista un pequeño espacio de libre circulación de aire debajo de los paneles solares. Mantener los paneles solares limpios. Para ello basta pasar un paño limpio y seco sobre los módulos solares con una determinada frecuencia. 43

44 En caso de detectarse fisuras en el marco que rodea un panel solar, puede sellase con silicona de ferretería Condiciones geográficas y descripción de la ciudad de Punta Arenas 9 Se ubica en el extremo austral del país, de coordenadas geográficas 53 8 de latitud sur, y de longitud oeste, con una elevación media de 3 metros sobre el mar. Predomina un clima continental transandino con degeneración esteparia. En esta zona, donde Chile logra un desarrollo transandino se produce la concurrencia de valores modestos de precipitación, originándose un clima frío y húmedo, que se aproxima al de una estepa. Con promedios de precipitaciones que no sobrepasan los 300 mm., fuertes vientos dominantes del oeste y bajos promedios térmicos, son parte de los rasgos característicos de la Patagonia. Las bajas temperaturas no resultan exageradas si se considera la latitud de la ciudad Batería de ciclo profundo 10 La energía producida por los paneles es almacenada en las baterías para su posterior uso. También puede ser utilizada en los momentos en que la energía proporcionada por los paneles no sea suficiente para satisfacer la demanda energética presentada. Por ejemplo, falta de potencia al atardecer, amanecer o días nublados. La naturaleza de la radiación solar es variable a lo largo del día y del año, la batería es el elemento que solventa este problema ofreciendo una disponibilidad de energía de manera uniforme durante todo el año. 44

45 Figura Batería de ciclo profundo. Las baterías de ciclo profundo soportan sucesivos y continuos ciclos. Un ciclo es una carga y descarga al 80% de la capacidad de la batería. Una batería de ciclo profundo promedio tiene sobre 2000 ciclos de vida, es decir, mínimo 3 años de vida útil, siempre que se descargue su energía en forma lenta. Una batería de auto puede descargar gran parte de su energía rápidamente, para dar arranque al motor, pero su vida útil es limitada y menos aún si se descarga al 80%varías veces. Existe un conjunto enorme de tipos de baterías que se clasifican según sus diferentes tamaños, amperaje, voltaje, líquidos de composición, etc. No obstante, hay sólo dos grandes agrupaciones de ellas, las de partida, como las de los automóviles y las de descarga profunda, consideradas para las instalaciones fotovoltaicas. Las baterías de ciclo profundo pueden operar en ciclos largos, en los cuales se le demanda una entrega medianamente alta de corriente y por muchas horas. En estas baterías hay una tasa de descarga óptima por horas, por ejemplo una tasa de descarga de 6 horas es relativamente rápida, comparada con una lenta de 72 horas. En el primer caso hay más corriente que se puede sacar de la batería durante la fase de descarga del ciclo, en el segundo caso hay una disponibilidad de amperes-hora por mayor tiempo. 45