II. DETERMINACIÓN DEL RECURSO SOLAR

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1 1 Sistemas Fotovoltaicos Interconectados a la Red Eléctrica Gerardo Cosme Núñez, P.E. Solartek PO Box 1434 Bayamón, PR Tel. (787) Fax. (787) solartek@coqui.net UNIVERSIDAD INTERAMERICANA 1 de noviembre de 2007 Abstracto Una descripción general de los sistemas fotovoltaicos es presentada, especialmente los interconectados a la red eléctrica. Se discute como se conceptúan estos proyectos en términos del recurso solar, comportamiento de operación y parámetros de ejecución. Se discute la situación mundial de esta tecnología y aspectos económicos relacionados. I. INTRODUCCION El creciente costo económico y ambiental de los combustibles fósiles, juntado a la reducción de sus abastos a promovido el desarrollo de las fuentes renovables como alternativas energéticas viables. En el caso de la energía solar y en específico de los sistemas fotovoltaicos, y en la vasta mayoría de sus aplicaciones, el usuario se suple la energía a sí mismo en vez de depender de una compañía de energía. Esto ocurre por la naturaleza intrínseca de los sistemas fotovoltaicos la cual no requiere centralización, combinado con altos costos capitales que impiden a las compañías de energía la venta de energía con renumeración comparable a las tecnologías de combustibles fósiles. La energía solar es usada por consumidores residenciales, comerciales e industriales y fomentada tanto por compañías eléctricas como gobiernos para reducir costos energéticos de los usuarios, tomar ventajas de incentivos gubernamentales, aumentar la confiabilidad y robustez de la red eléctrica, reducir la vulnerabilidad a los cambios del costo de los combustibles fósiles, y contribuir a la protección del ambiente. Todo esto de forma voluntaria o por presiones de orden social. II. DETERMINACIÓN DEL RECURSO SOLAR La radiación solar total que nos llega a nuestro planeta se categoríza en dos componentes principales; directa e indirecta. La radiación directa es la que nos llega, como dice la palabra de forma directa esto es, con poca obstrucción. Este tipo de radiación es típico en las zonas desérticas. Por el contrario, la radiación indirecta es la que llega de forma difusa por condiciones climáticas como nubosidad y contaminación ambiental. Esta radiación es típica en zonas tropicales y de alta nubosidad o alta incidencia a fenómenos naturales o antropológicos de contaminación de aire tales como el smog, ceniza volcánica, polvo fugitivo, entre otros. De la radiación total que nos llega es mayormente la luz visible dentro del espectro de luz solar la cual es útil para las tecnologías actuales comerciales de conversión de luz a electricidad conocido como el efecto fotovoltaico. Para el caso especifico de sistemas fotovoltaicos, es fundamental conocer la radiación incidente en un plaño determinado. Este dato se cuantifica por medición directa y modelos matemáticos 1

2 2 de estimación y se tabula de forma simplificada en kilovatios-hora por metro cuadrado (kwh/m2). Se conoce esta unidad compuesta como un sol o one sun en ingles cuando tenemos en equivalencia a 1,000 vatios o 1 kw de radiación solar por metro cuadrado. Tablas de radiación solar para una localización dada se pueden conseguir en agencias metereológicas o laboratorios especializados como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de Estados Unidos. Para el caso de Puerto Rico, la isla cuenta con una radiación uniformemente distribuida a través de toda la isla, mayormente en su componente difuso, con un valor promediado de entre 4 a 6.5 kilovatios hora por metro cuadrado al día. Esta fluctuación responde a los microclimas. III. ENERGIA SOLAR Y EL EFECTO FOTOVOLTAICO El efecto fotovoltaico implica la conversión directa de luz a electricidad. Esta conversión ocurre en el material conocido como celda fotovoltaica. Aunque estas celdas pueden ser hechas de diversos materiales, es el silicio en su grado de pureza electrónico el más utilizado en escala comercial. Una celda fotovoltaica típica de silicio, como la demostrada en la figura 1, se compone de dos partes unidas formando un emparedado. La parte superior de la celda es dopada o "contaminada" de manera controlada con fósforo para darle un carácter negativo o denominado tipo N. La parte posterior es dopada con bóro para darle un carácter positivo o denominado tipo P. Esta diferencia de cargas forma un campo eléctrico estático entre ambas capas el cual le llaman unión. Es entonces que la luz solar o partículas conocidas como fotones son absorbidos en la región de la unión liberando electrones en la celda, que a la vez superan el campo eléctrico, para pasar a través de la celda. Finalmente, estos electrones recorren un circuito externo produciendo así electricidad. Las celdas fotovoltaicas son usualmente interconectadas eléctricamente para obtener el voltaje y corriente necesarios para una aplicación dada. Fig. 1. Diagrama de una típica celda fotovoltaica Un grupo de celdas interconectadas es llamado módulo fotovoltaico y la interconexión de dos o más módulos es llamada panel fotovoltaico. La eficiencia de las celdas fotovoltaicas va entre el 6% para celdas hechas a base del material de silicio amorfo hasta 40% para los sistemas concentradores. Esta eficiencia es determinada por el porcentaje de energía solar que es absorbida en una determinada área colectora de celdas fotovoltaicas. En la práctica se conoce que la potencia generada para un módulo fotovoltaico típico depende de la radiación solar y en cierta medida a la temperatura de la celda como demostrado en la figura 2. La potencia máxima de la celda se puede definir como: Pmax=Vm x Im Donde; P = potencia máxima (la curva o rodilla de la gráfica en la figura) V = voltaje de la celda I = corriente en la celda Como se puede ver en la figura 2, a mayor radiación, mayor potencia es generada, pero a mayor temperatura de celda, el voltaje disminuye y por ende la potencia máxima alcanzable. IV. DEFINICIÓN DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INDEPENDIENTES E INTERCONECTADOS Un sistema fotovoltaico es el conglomerado de componentes que hacen útil el uso de módulos fotovoltaicos. De los múltiples posibles componentes de un sistema fotovoltaicos se destacan los módulos fotovoltaicos, controles de carga y descarga, 2

3 3 Fig. 2. Curva de potencia típica para un módulo fotovoltaico inversores y baterías. Se conoce como sistema fotovoltaico independiente todo aquel que funciona de forma autónoma y no interacciona con ninguna otra fuente de generación. Ejemplo de aplicaciones de estos sistemas son luminarias de alumbrado exterior y equipo de comunicación o medición remota. Por otra parte, un sistema fotovoltaico interconectado es aquel que interactúa con otras fuentes de generación. Ambas posibilidades de sistemas independiente o interconectado pueden o no utilizar baterías para almacenar energía y producir corriente eléctrica directa o alterna dependiendo de su configuración. Para propósitos de esta ponencia se presentará únicamente los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica sin el uso de baterías. acondicionamiento de energía resultando en menores costos de sistemas fotovoltaicos, mayor eficiencia, mayor confiabilidad y durabilidad de los equipos y muy importante, mayor simplicidad en la instalación de los sistemas fotovoltaicos. Según datos suministrados por la Agencia Internacional de Energía y presentados en la figura 3 se ilustra que ya para el año 1999 poco más del 50% o alrededor de 250 MW de las instalaciones fotovoltaicas a nivel global eran conectadas a la red eléctrica. Para el año 2005, las instalaciones interconectadas a la red eléctrica superan mas de 7 veces las instalaciones globales de sistemas fotovoltaicos independientes. En la figura 4 se especifica el caso para Estados Unidos, Japón y Alemania. Nótese la gran diferencia en instalaciones de Japón y Alemania, considerados países pequeños respectivamente con los Estados Unidos. Finalmente en la figura 5 se puede apreciar la distribución mundial en manufactura de celdas solares, en la cual Japón fue el líder para el año China en tiempo reciente entró en la fabricación de celdas solares por lo que se espera un crecimiento mucho mayor en la manufactura de celdas solares. V. SITUACIÓN Y MERCADO MUNDIAL Los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica sin baterías han despegado en el mercado global de forma notable a partir del año 2000 y especialmente en países desarrollados. Mas aún, en tiempo reciente se ve una marcada tendencia de crecimiento del resto del mundo en estos sistemas fotovoltaicos. Este incremento se ha debido a diversos factores como son las presiones ambientales, altos e increméntales costos de los combustibles fósiles tradicionales, y la incertidumbre de oferta y demanda de estos combustibles. Por otra parte, el progreso de los componentes de potencia electrónica han logrado avances en los equipos de Fig. 3. Gráfica de desarrollo de mercados para sistemas fotovoltaicos independientes e interconectados. Referencia: PVPS de la Agencia Internacional de Energía. 3

4 4 Fig. 4. Gráfica de desarrollo de mercados para sistemas fotovoltaicos independientes e interconectados para el caso de Alemania Japón y EU. Referencia: PVPS de la Agencia Internacional de Energía. VI. INVERSORES De los componentes principales de los sistemas fotovoltaicos es el inversor el que diferencia el sistema entre uno independiente a uno interconectado. El inversor es un convertidor electroestático que por medio del uso de componentes electrónicos de potencia convierten la corriente directa en corriente alterna. Estos inversores generan variedad de ondas en su salida, dependiendo de lo sofisticado que sea el equipo. Estas ondas se conocen como onda cuadrada, onda senosoidal modificada y onda senosoidal verdadera. Para los sistemas interconectados lo cual es el enfoque de esta ponencia, solamente es posible la utilización de inversores de onda senosoidal verdadera que sean capaces de producir potencia de igual calidad a la que proviene de la red eléctrica. Los inversores en general producen y entregan corriente alterna a un voltaje y frecuencia dada. Ya dentro de la categoría de inversores interconectados, los mismos son diseñados para operar en sistemas fotovoltaicos a bajo voltaje, estos son 12, 24 y 48 voltios respectivamente o en sistemas de alto voltaje de hasta 600 voltios. Fig. 5. Gráfica de producción mundial de celdas fotovoltaicas para el año Referencia: PVPS de la Agencia Internacional de Energía. Existen tres técnicas de configurar sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica, estas son tecnología de módulo integrado, tecnología central y tecnología de hilo y multihilo. La figura 6 ilustra estas tres técnicas según se describen a continuación. a. Tecnología de Módulo Integrado Esta tecnología se fundamenta en que cada módulo fotovoltaico tiene su propio inversor integrado. Este tipo de módulo fotovoltaico se conoce también como módulo de corriente alterna o módulo AC. El resultado es que el arreglo eléctrico del panel solar es uno de conexiones en paralelo para corriente alterna. La mayor ventaja de esta tecnología es la reducción del calibre del alambrado, mientras la desventaja mayor es la necesidad de una supervisión mas agresiva y a medida que sea mayor su escala aumentan los costos de redundancia del sistema fotovoltaico. En el mercado se consiguen módulos de corriente alterna con rangos de entre 40 a 400 vatios. b. Tecnología Central La tecnología central consiste en la utilización de un solo inversor por sistema fotovoltaico, aunque en ocasiones puede ser dividido en varias unidades de inversores. El alambrado eléctrico del panel solar que se diseña es uno DC en serie y/o en paralelo. Resultando la posible complicación de las combinaciones en serie y/o paralelo la mayor desventaja para 4

5 5 esta tecnología. No obstante, es una opción a considerar para sistemas fotovoltaicos de mediana a gran escala (de 50 kw a varios MW). c. Tecnología de Hilo y Multi-hilo La tecnología de hilo consiste en que los módulos fotovoltaicos en el panel solar son conectados en serie únicamente. Esto resulta en la mayor ventaja de esta tecnología debido a la reducción de costos del alambrado en términos del calibre de los conductores y la simplicidad de conexión. Un inversor de tecnología de hilo puede tener una capacidad de manejo de hasta unos 3 kw a un voltaje de rango variable de entre 100 hasta 600 VDC por hilo. La capacidad de esta tecnología de funcionar a rangos variables de voltaje es lo que permite la optima utilización del seguimiento máximo de potencia o "Maximum Power Point Tracker" (MPPT) en inglés. Bajo un protocolo de MPPT el inversor monitorea continuamente el punto de mayor potencia en la curva de corriente vs voltaje y por medio de un convertidor DC a DC modifica el voltaje originalmente producido por el panel solar al óptimo para el inversor en su entrada y así maximar la producción de potencia eléctrica. Un inversor de tecnología de hilo permite conexiones en paralelo de forma interna (dentro del inversor) a través de sus puertos de entradas en hilo de un panel solar, una vez cada hilo entrante es convertido en corriente AC. La tecnología de multi-hilo es similar a la de hilo, la diferencia y ventaja del de hilo es que cada puerto de paralelización AC en el inversor está dotado con capacidad de MPPT. El resultado de esto es que este inversor puede utilizar diferentes módulos fotovoltaicos en diferentes orientaciones. VII. INTERCONEXIÓN - ASPECTOS FÍSICOS, PROTOCOLOS Y CALIDAD DE POTENCIA Dentro de los requisitos típicos de interconexión de compañías eléctricas, se requiere que exista un desconectivo de la salida del inversor cerca del contador para acceso de la compañía eléctrica de ser necesario. Fig. 6. Diagrama de técnicas de configuración para alambrado de inversores a red fotovoltaica Referencia: Cramer, G., String Tecnnology- A successful Standard of the PV-System Technology for 10 years now ; 20 th European Photovoltaic solar Energy Conference, June 2005, Barcelona, Spain. Los inversores deben estar localizados en las áreas mas frescas, secas y limpias posibles, aunque existen alternativas mas costosas de inversores para ambientes mas adversos, de ser esta la única alternativa de instalación. El panel solar debe ser colocado con anclajes que toleren vientos de al menos 120 MPH para el caso de Puerto Rico y/o proveer medios alternos para proteger el panel solar de los embates del viento. El protocolo para los Estados Unidos que incluye a Puerto Rico, de interconexión y requerimientos mínimos de calidad de potencia están cubiertos en el Estándar IEEE 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems Este estándar especifíca valores o niveles de tolerancia para voltajes, frecuencia, harmónicas, tiempos de conexión y desconexión y factor de potencia entre otros. También detalla procedimientos de instalación y operación programada de equipos de generación distribuida, el cual incluye a los sistemas fotovoltaicos. El Estándar IEEE , Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems especifíca pruebas de verificación de cumplimiento con el Estándar 1547 para 5

6 6 inversores y otros equipos de generación distribuida. Otros Estándares y certificaciones aplicables son los siguientes: NEC 690, National Electric Code, Solar Photovoltaic Systems IEEE 929 AC Over Voltage / Under Voltage, AC Over Frequency / Under Frequency Detection Anti-Islanding Component A. UL 1741 Standard for Inverters, Converters, and Controllers for use in Independent Power Systems FCC Chapter 15 Part B CSA C22.2 No. 107,1-01 General Use Power Supplies IEEE C Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits (Location Category B3) VIII. IMPACTOS A LA RED ELÉCTRICA La utilización de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica ofrece beneficios a los proveedores de servicios eléctricos debido a que se maximiza el uso de las líneas de distribución y provee mayor estabilidad a los alimentadores en términos de voltaje y potencia reactiva. Esto a su vez provee para que se extienda la vida útil de estos alimentadores reduciendo los costos de reparación y mejoras a los mismos. No obstante, que tan beneficiosos estos sistemas fotovoltaicos sean para la red eléctrica dependerá de las condiciones especificas de la misma. En Puerto Rico, La Autoridad de Energía Eléctrica comisionó un estudio al Electric Power Research Institute, EPRI para determinar efectos adversos sí alguno a la infraestructura eléctrica por el uso de generación distribuida o sistemas fotovoltaicos conectados a la red en su proceso de respuesta a los requerimientos de la Ley Federal de Energía de No obstante y aparte de este estudio, la Autoridad de Energía Eléctrica se ha beneficiado de la experiencia de manejar por varios años durante los años ochenta de un sistema fotovoltaico interconectado a la red y sin baterías, con una capacidad de 100 kw en el pueblo de Juana Díaz. De la misma manera también tuvo la oportunidad de manejar la planta de baterías de Sabana Llana de una capacidad de 20 MW. Esta planta de baterías aunque es una facilidad para almacenaje de energía en un ejemplo de integración de generación distribuida a base del uso de inversores como sería en el caso de sistemas fotovoltaicos. IX. ALTERNATIVAS DE FACTURACIÓN Existen dos conceptos de facturación básica y un tercero a discreción de la compañía eléctrica. Los primeros dos son basados en el costo evitado y en la medición neta respectivamente, el tercero es un contrato de compra y venta de energía. La figura 7 ilustra la facturación bajo el concepto de costo evitado y el de medición neta los cuales se describen a continuación. a. Costo Evitado El concepto del costo evitado es mandatario por el Public Utility Regulatory Policies Act (PURPA) de 1978 que establece que toda compañía eléctrica en Estados Unidos tiene la obligación de comprar la energía producida por una facilidad cualificada en por lo menos el costo evitado de producción de esa compañía eléctrica. El costo evitado es el costo que la compañía eléctrica no incurrirá en suplir la energía desplazada por el generador cualificado. En el caso de Puerto Rico es la misma compañía eléctrica, la que establece el costo evitado de su generación a diferencia de otras jurisdicciones en Estados Unidos donde una agencia externa determina estos costos. El costo evitado provisto por la compañía eléctrica puede ser visto en una analogía como el costo del mayorista y el del consumidor como el costo detallado. Para el año 1983 la Autoridad de Energía Eléctrica estableció un Reglamento titulado Rates and Conditions of Service for Cogenerators and Small Electric Power Producers. en respuesta a los requerimientos de PURPA y luego derogó el mismo a finales de los años noventa. 6

7 7 b. Medición Neta El concepto de medición neta, del cual 40 estados ya cuentan con provisiones para el mismo implica que tanto la venta de energía como la compra de energía corren al mismo precio Desde el 2005 es parte de la Ley Federal Energética, la cual obliga a las compañías eléctricas a considerar este concepto de facturación al cliente. c. Contrato de Compra y Venta de Energía El tercer concepto es la firma de un contrato de compra y venta de energía el cual lo establecen libremente ambas partes, cliente y compañía eléctrica. La tarifa resultante puede ser menor o mayor al costo evitado. X. ALTERNATIVAS DE MEDICIÓN Las compañías eléctricas establecen las reglas para poder pagar la generación producida por sus clientes. Existen diversas configuraciones utilizando uno o dos metros. Usualmente en los Estados de Estados Unidos que tienen vigencia tarifas de medición neta, utilizan un solo metro que tenga la capacidad de sumar consumo en la compra de energía por parte del usuario y restar consumo en la venta de energía por parte del usuario. En otras jurisdicciones que facturan bajo el concepto de costo evitado utilizan dos metros para diferenciar las tarifas. XI. COSTOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A LA RED ELECTRICA El costo de los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red sin baterías al presente en los Estados Unidos está por los $10 USD por vatio instalado. Si tomamos de ejemplo un sistema fotovoltaico de 3 kw en una residencia con un consumo eléctrico mensual de 1,000 kwh, este produce un ahorro anual de alrededor de $1, USD al año lo cual representa un 40% de reducción de energía por medio de combustibles fósiles. Net Metering Cost Concept cent-kilowatt-hour cent-kilowatt-hour Avoided Cost Concept 4-6 cent-kilowatt-hour cent-kilowatt-hour Fig. 7. Diagrama de conceptos de facturación posibles para los EE.UU. bajo PURPA y Ley Federal 2005 Si este sistema fotovoltaico se puede lograr a un costo reducido equivalente de $8,000 USD por kilovatio instalado del costo promedio en EE.UU. de $10,000 USD por kilovatio instalado por medio del uso de incentivos, el costo equivalente del sistema por kwh será de centavos USD. Este es o muy cerca del costo de electricidad que prevaleció durante el año 2006 en la Autoridad de Energía Eléctrica de Puerto Rico para el sector residencial y menor al costo de electricidad para el sector comercial. El costo por kilovatio hora del sistema fotovoltaico se asume de la manera siguiente. El factor de capacidad (FC) es equivalente al número de horas que un sistema opera en un año, dividido entre el total de horas (8,760 horas) calendario del año. 7

8 8 Entonces el factor de capacidad (FC) es; FC=5 horas por día x 365 días al año/8760 horas al año = 0.21 Por otra parte, el costo total de electricidad (CTE) es igual a la suma de los componentes de costo tales como costos capitales y de instalación (C&I), operación y mantenimiento, y combustible (F). Para el caso de los sistemas fotovoltaicos los costos capitales y de instalación son los mayores, mientras que costos operacionales y de mantenimiento son ínfimos y el costo de combustible es inexistente. Entonces para simplificar; Costo Total =C&I=$8,000 por kw(1/25) años de amortización FC x 8,760 horas por año ó Costo Total = $0.174 USD por kwh El costo total ilustrado arriba no asume reemplazo del inversor y costos de decomisar el proyecto entre otras posibles variables. Se asumió una amortización total del equipo en 25 años para efectos de simplificación. Los módulos fotovoltaicos tienen una garantía general de 25 años con una expectativa de vida útil de 40 años o mas. Mientras que para el caso del inversor su expectativa de vida debe estar de entre 5 a 15 años. Es importante notar que más del 75% del costo de estos sistemas fotovoltaicos van destinados al costo de los módulos y materiales tales como cables, estructura de soporte y gastos de instalación relacionado a los mismos. XII. CONCLUSION El uso de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica es una alternativa real para los consumidores residenciales, comerciales e industriales. El crecimiento sostenido del uso de estos sistemas a nivel mundial y en especial de los países industrializados es prueba de la madurez tecnológica y su viabilidad económica. Puerto Rico y Latinoamerica no deben ser la excepción del mundo. Estos sistemas proveen benéficos tanto al consumidor como a la red eléctrica como a los países en general. Es necesario establecer una plataforma de incentivos y simplificar el proceso de establecer estos proyectos a nivel residencial, comercial e industrial de forma similar a los países que exitosamente han logrado desarrollar esta industria. Todo esto es necesario para obtener los beneficios económicos y de creación de empleos que produce, el robustecimiento de la infraestructura eléctrica, reducir la vulnerabilidad de la dependencia de los combustibles fósiles y un mejor ambiente para todos. XIII. REFERENCIAS Photovoltaic Fundamentals, SERI/TP , Solar Energy Research Institute, Golden, Colorado, September AEE, Rates and Conditions of Service for Cogenerators and Small Electric Power Producers, January, California Energy Comission, California Interconnection Guidebook: A Guide to Interconnecting Customer-owned Electric Generation Equipment to the Utility Distribution System Using California s Electric Rule 21, September, Web page: The Database of State Incentives for Renewable Energy (DSIRE) is a comprehensive source of information on state, local, utility, and selected federal incentives that promote renewable energy. IEA, International Energy Society, Photovoltaic Power System Programme, PVPS Annual Report 2004, Implementing Agreement on Photovoltaic Power Systems, Cramer, G., String Tecnnology- A successful Standard of the PV-System Technology for 10 years now ; 20 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, June 2005, Barcelona, Spain. XIV. DATOS DEL AUTOR Gerardo Cosme Núñez ingeniero licenciado en Puerto Rico. Graduado de la Universidad del Estado de Kansas en Ingeniería Eléctrica y Ciencias Físicas. Especialista en planificación, 8

9 9 evaluación, diseño e implantación de proyectos y estudios relacionados a equipos y sistemas de alta eficiencia, fuentes de energía renovable y no renovable. En 1992 funda su empresa Solartek, en la cual el Ing. Cosme ha prestado servicios al gobierno federal, estatal, empresa privada y universidades. Además, ha dictado conferencias y publicado trabajos técnicos relacionados al campo de la energía tanto a nivel local como internacional. 9