UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

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2 2 de 69 INFORMACIÓN DE LA CONVOCATORIA NOMBRE DE LA CONVOCATORIA AÑO Convocatoria Interna de proyectos de Investigación y extensión 2008 TÍTULO DEL PROYECTO INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO Prototipo de planta solar autónoma para uso rural: instalación, prueba y análisis del desempeño DURACIÓN (MESES) 12 LÍNEA INSTITUCIONAL GRUPO Energías alternativas Física Aplica y materiales FACULTAD DEPARTAMENTO Ciencias Básicas Física y electrónica INFORMACIÓN DE INVESTIGADORES NOMBRE CÉDULA TELÉFON O INVESTIGADOR PRINCIPAL Félix Aguas Lastre felixaguas@yahoo.es COINVESTIGADOR José Rafael Narváez Jonal73@hotmail.com COINVESTIGADOR Juan Manuel Oviedo Ocjm19@gmail.com INFORMACIÓN FINANCIERA DEL PROYECTO FUENTE DE FINANCIACIÓN Universidad de Córdoba TOTAL VALOR SOLICITADO oo oo 2

3 3 de 69 RESUMEN En este trabajo se detallan los pasos para la instalación y puesta en operación del prototipo de planta solar autónoma para uso rural, para lo cual se desarrolló un software con el que se dimensionan plantas solares autónomas para la región Caribe Colombiana, usando la información reportada por los fabricantes de módulos fotovoltaicos, el perfil de consumo del usuario y la información sobre la radiación solar y temperatura ambiente obtenido de un estudio del potencias de radiación solar y temperatura para la ciudad de Lorica [1]. Usando el software denominado DISIFVA se dimensionó la planta solar autónoma para una vivienda localizada en la vereda de Ceiba Pareja, perteneciente al corregimiento de Nariño en el municipio de Lorica en el departamento de Córdoba; la vivienda habitada por cinco personas con un perfil de consumo energético de 2.6KWh por día. Los resultados del dimensionamiento de la planta para esta vivienda usando el programa DISIFVA sugirieron la instalación de un generador fotovoltaico de 580Watts y un banco de baterías de con dos día de autonomía formado un banco de baterías de 500Ah/12VDC. Para la evaluación del desempeño de la planta se diseñó un sistema de monitoreo usando el concepto de instrumentación virtual [2]. Los resultados del monitoreo de la planta solar evidenciaron los siguientes resultados: La estabilidad de la tensión y corriente AC, obtenidas mediante el uso los inversores de onda sinusoidal en comparación con la inestabilidad en tensión y corriente predominantes las redes de interconexión de la empresa Electricaribe en la misma zona. La confiabilidad de una planta solar autónoma cuando se dimensiona teniendo en cuenta no sólo la radiación solar promedio del sitio sino la temperatura promedio; más aun cuando se hace uso racional de la energía. La planta solar presentó tres (3) fallas durante el año de operación, mientras que la red de interconexión de la empresa Electricaribe para 3

4 4 de 69 la misma zona y el mismo periodo presentó veinte seis (26) fallas. Las fallas presentadas en la planta solar fueron ocasionadas en parte porque los habitantes de la vivienda usaron más de la energía definida en el perfil de usuario y también debido que fueron en los meses de abril y mayo en donde se presentó más baja radiación. Para suplir esta deficiencia se sugirió hacer un incremento en la capacidad del banco de baterías de 500Ah a 800Ah. La eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos usados en este proyecto es de 12,3% para temperaturas del orden de 30 C y que se ve disminuido 11,4% en las horas del mediodía cuando la temperatura ambiente alcanza valores entre los 35 y 40 C. 4

5 5 de 69 INTRODUCCIÓN Este trabajo se enmarca en el campo de las energías alternativas y la instrumentación virtual como parte de las líneas de investigación que desarrolla el grupo de Física Aplicada y Materiales de la Universidad de Córdoba, en el que una de sus finalidades es incentivar el uso de energías renovables y en especial de la energía solar en la región Caribe de Colombia y en el país. La región Caribe de Colombia cuenta con un potencial de radiación solar que en promedio es de 5Kwatt/m 2 y que nos coloca en una situación de privilegio frente a este tipo de tecnologías en el país. La instalación y puesta en operación de un prototipo de planta solar autónoma para uso rural busca generar confianza en la sociedad de Córdoba y de Colombia, que en la mayoría de los caos por razones estrictamente económicas o por desconocimiento terminan por utilizar fuentes de energías basadas en combustibles fósiles como plantas de ACPM, GLP, Gasolina o gas natural; generando contaminación del aire, la atmosfera y polución acústica. Este trabajo se desarrolla desde la concepción que es realizar un buen dimensionamiento de la planta solar, para que pueda suplir de manera eficiente y confiable las necesidades energéticas de una vivienda en la zona rural. Para lograr un dimensionamiento confiable es necesario tener en cuenta los efectos que producen la temperatura y la radiación sobre los módulos fotovoltaicos que son el corazón de la planta solar, teniendo en cuanta estos aspectos se desarrolló un software con el modelo teórico de de los módulos fotovoltaicos a partir de conocer la física de la celda solar y así poder predecir las características eléctricas de los modulo en el sitio de ubicación de la planta. El programa desarrollado permite dimensionar los elementos que constituyen la planta solar para poder diseñar previamente el prototipo. El programa indica, para las características del sitio, las necesidades de la vivienda y el perfil de 5

6 6 de 69 consumo de carga definidos con el usuario, que el prototipo pudo suplir de manera confiable las necesidades energéticas de la vivienda. Se diseñó un sistema de monitoreo bajo el concepto de instrumentación virtual usando el lenguaje de programación grafica Labview 8.6, y un conjunto de sensores analógicos para medir radiación solar, temperatura, corriente DC y AC, tensión DC en módulos y baterías y una tarjeta de adquisición de datos de 16 bits, con la que se podía monitorear en tiempo el desempeño de la planta solar. Por último se muestran los resultados del monitoreo de las variables antes mencionadas en días claros y los promedios de generación de energía día por día durante el año. Al final se definen las conclusiones del proyecto y los productos. 6

7 7 de 69 MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ENERGÍAS RENOVABLES Las Energías Renovables, son aquellas energías que se encuentran en la naturaleza y provienen directa o indirectamente del sol, y según su origen se pueden clasificar en: Solar, eólica, biomasa, geotérmica, hidráulica, turba, energía de los océanos [3]. La energía solar es la energía radiante emitida por el sol y recibida en la tierra en forma de ondas electromagneticas. El sol emite continuamente radiación a todo el espacio, La tierra intercepta aproximadamente 5,4x10 24 Julios,una cifra que supera 4000 veces el consumo mundial de energía [3]. 1. LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Es quella que permite el aprovechamiento de la energía radiante del sol para generar corriente eléctrica y se basa en un fenómeno físico llamado efecto fotovoltaico, en un dispositivo llamado celda solar fotovoltaica. Estos dispositivos se fabrican fundamentalmente con dos tipos de estructuras. 1.1 Celdas solares tipo homojuntura Es la unión de dos materiales semiconductores, uno tipo p y el otro tipo n, son del mismo material. Las celdas solares basadas en tecnología de silicio se fabrican con este tipo de estructura también se denominan celdas solares de primera generación. La Figura 1 muestra la sección transversal de la estructura de una celda solar tipo homojuntura p/n y su correspondiente diagrama de bandas de energía. En la parte superior de la figura, se observa la forma como varía el campo eléctrico generado en la región alrededor de la unión del semiconductor tipo p con el semiconductor tipo n, llamada zona de carga espacial (ZCE) [4]. 7

8 8 de 69 Figura 1. Estructura de una celda solar tipo homojuntura p/n El funcionamiento de la celda solar incluye básicamente los siguientes tres procesos: I. Formación de pares electrón-hueco, mediante la excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, como consecuencia de la absorción de fotones con energías mayores o iguales a la brecha de energía prohibida E gap del semiconductor (Proceso I). Estos electrones quedan libres para participar en los procesos de transporte eléctrico. II. Difusión de portadores minoritarios liberados en el proceso I, hasta el borde de la ZCE (Proceso II). III. Separación de cargas en la juntura (Proceso III) a través del campo eléctrico E generado en la ZCE y posterior arrastre de éstas hacia los contactos eléctricos. Los portadores de carga que llegan a los contactos son extraídos hacia el exterior de la celda solar, a través de contactos óhmicos, generándose de esta manera la fotocorriente. En el funcionamiento de la celda solar también se presentan procesos de recombinación, que son mecanismos de pérdida de la fotocorriente [4]. 8

9 9 de 69 También están presentes dos contactos óhmicos (superior e inferior); el metal que se escoja debe cumplir con los siguientes requisitos: Cuando el contacto se realiza sobre el materia tipo p, entonces el metal debe tener una función trabajo φ m mayor que la función trabajo del semiconductor (φ s ), es decir φ m >φ s Cuando el semiconductor utilizado es tipo n, el metal escogido debe tener una función trabajo φ m menor que la del semiconductor φ s, es decir φ m <φ s Recordemos que la función trabajo está definida como la mínima cantidad de energía que hay que suministrar a un electrón para que éste pueda escapar del metal. Cuando no se cumple las condiciones anteriores se genera una barrera de potencial en las interfaces metal/semiconductor que impide la circulación de portadores desde la celda al circuito exterior. En general, las celdas tipo homojuntura p/n, presentan baja fotocorriente en el ultravioleta y en infrarrojo cercano, debido a que en este rango de longitud de onda se producen perdidas grandes de fotocorrientes por atrapamientos de cargas en los estados existentes en la superficie de los materiales p y n que constituyen las celda solar. 1.2 Las celdas solares tipo heterojuntura En este caso los materiales semiconductores p y n que constituyen el dispositivo son de materiales diferentes. Las celdas solares basadas en tecnología de capa delgada se fabrican con este tipo de estructura y los materiales más usados son Cu(InGa)Se 2 y CdTe, estas celadas son conocidas como celdas fotovoltaicas de segunda generación. La figura 2 muestra la sección transversal de una celda tipo heterojuntura, basadas en tecnología de película delgada y actualmente se fabrican usando el concepto, denominado capa absorbente/ventana óptica. La capa absorbente generalmente de un material semiconductor tipo p 9

10 10 de 69 con un alto coeficiente de absorción (10 4 cm -1 ), es la única capa activa del dispositivo, ya que en ésta se genera toda la fotocorriente. La ventana óptica es formada por una doble capa de materiales tipo n y, como su nombre lo indica, no absorbe radiación solar y sólo se utiliza para generar el campo eléctrico en la ZCE. La ventana óptica, a su vez, está conformada por una capa altamente transparente y conductora que hace las funciones de contacto eléctrico transparente superior, y una capa buffer ultradelgada (50 nm), que tiene como función reducir las tensiones mecánicas en la interface del dispositivo, causada por la diferencia de las constantes de red y, con ello, las pérdidas de fotocorriente debidas a atrapamiento de carga en estados de interfaz. En la Figura 2 se muestra en forma esquemática la estructura y el diagrama de bandas de energía de una celda solar tipo heterojuntura de CuInGaSe (CIGS) que utiliza el concepto capa absorbente/ventana óptica. Figura 2. Sección transversal y diagrama de bandas de energía de una celda solar tipo heterojuntura con estructura: capa absorbente/ventana óptica [4]. 10

11 11 de 69 Como contacto superior transparente se usan generalmente óxidos semiconductores que presentan transmitancias superiores al 80% y resistividades del orden de 10-4 cm. Por otra parte, la capa buffer debe ser muy delgada y altamente resistiva, para que actúe también cómo barrera de interdifusiòn entre el contacto eléctrico transparente y la capa absorbente [4]. 1.3 Sistemas Fotovoltaicos (SFV) Un SFV también conocido como planta solar, es una fuente de potencia eléctrica que pueden operar de manera autónoma, en sistemas híbridos, integrados a la red de distribución en forma embebida o integrados a la red en forma distribuida. La operación de los SFV integrados a la red de distribución es la aplicación que mayor crecimiento ha experimentado en la última década [5]. Sin embargo en zonas alejadas de las redes de interconexión, existe una marcada tendencia a usar Sistemas Fotovoltaicos autónomos. 1.4 Sistema fotovoltaico autónomo (SFVA) Un SFVA está constituido básicamente por un generador fotovoltaico compuesto de un arreglo de módulos fotovoltaicos conectados en serie o en paralelo dependiendo de las características del dimensionado, un equipo de acondicionamiento electrónico que generalmente es un controlador de carga que permite proteger al banco de baterías de sobrecargas o descargas muy profundas, un inversor si la carga para el que fue diseñado el sistema es AC, un banco de baterías de respaldo, que permite el almacenamiento de energía para garantizan la prestación del servicio en horas de baja radiación y en las horas de la noche. En la figura 3 se muestran los componentes básicos de un SFVA. En zonas remotas no interconectadas existe una marcada tendencia a usar SFV autónomos, que son diseñados especialmente para suministrar fluido eléctrico a comunidades rurales. Como éstos no están interconectados a la red de distribución eléctrica, requieren de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica para poder suministrar corriente eléctrica durante las horas de la noche. 11

12 12 de 69 Figura 3. Diagrama de bloques de un SFVA, Fuente: Personal 1.5 Sistemas fotovoltaicos interconectados En estos sistemas el generador fotovoltaico se interconecta a la red eléctrica a través de un inversor que convierte la corriente directa (DC) que proviene de arreglo fotovoltaico en corriente alterna (AC). Los SFVI se clasifican a su vez en centralizados como el que se muestra en la figura 4a y el integrado BIPVS (building integrated photovoltaic Systems) como el que se muestra en la figura 4b. Los primeros son SFV de gran capacidad de generación que usualmente se interconectan a la red de alta tensión, mientras que los segundos son pequeños SFV (1-3 kw) instalados en los techos de edificios e interconectados a la red local de baja tensión. Figura 4a. Esquema de un SFVI centralizado Figura 4b.Esquema de un SFVI integrado.(bipvs) 12

13 13 de Característica de una celda solar La celda solar más utilizada es la unión p/n cuyo funcionamiento en la oscuridad difiere muy poco del que presenta un diodo de unión y por consiguiente las características de tensión obedecen a los resultados típicos del diodo [6]. Bajo condiciones de iluminación se crean pares electrón-hueco en exceso sobre las concentraciones de equilibrio en el volumen del semiconductor que son separadas por el campo eléctrico de la unión p/n. provocando la aparición de una corriente eléctrica en la carga conectada exteriormente. Figura 5. Circuito equivalente a una celda solar [6]. En la Figura 5 se muestra el circuito equivalente de una celda solar real. Éste está constituido por un diodo que representa la juntura p/n de la celda en oscuro I d, el cual está en paralelo con una fuente que representa la corriente generada por la celda bajo iluminación I ph, una resistencia en serie R s, que representa la resistencia óhmica de los materiales, y una resistencia en paralelo R p a través de la cual se presentan fugas de corriente. El comportamiento de una celda o módulo solar, puede explicarse como la diferencia entre la corriente fotogenerada I ph ; debida a la generación de portadores minoritarios por la iluminación y la corriente del diodo i d ; que corresponde a la corriente en oscuridad por la recombinación de portadores que producen el voltaje externo v, como se presenta en la ecuación (1). I V IR s I0 exp( ) nvt V IR R p s I ph (1) 13

14 14 de 69 Donde I 0 es la corriente de saturación del diodo, n el factor de idealidad del diodo, R s es la resistencia serie, R p es la resistencia en paralelo, con V T =kt/q, donde k la constante de Boltzmann (k= J/K), T es la temperatura absoluta de la celda en K, q es la carga del electrón (q= Coulomb). 1.7 Parámetros que caracterizan a una celda solar Los parámetros que caracterizan una celda solar son: Corriente de corto circuito I sc, voltaje de circuito abierto v oc, potencia máxima p m (que puede se expresado como el producto del voltaje de potencia máxima v mp y la corriente máxima potencia I mp ) factor de llenado ff y la eficiencia η. Algunos de estos parámetros se observan en la Figura 6. Figura 6. Parámetros que escriben una celda solar Corriente de Corto Circuito (Isc) La corriente de corto circuito I sc, que se determina cuando el voltaje de polarización es cero. Ésta es igual a la corriente fotogenerada por la celda y es directamente proporcional a la intensidad de la radiación solar incidente [4]. I sc = I(v = 0)= I ph - I 0 (e 0-1) 14

15 15 de 69 I sc = I ph (2) La fotocorriente está dada por la expresión (2) [4]: máx I ph = q ( )[1 - R( )]SR( )d 0 (3) () Número de fotones de una longitud de onda R( ) Fracción de fotones reflejados de una longitud de onda SR( ) Numero de fotones colectados a cada longitud de onda, o respuesta espectral Voltaje de Circuito Abierto (V oc ) Es la diferencia de potencial generada por la celda cuando la corriente total en ésta es cero y se puede deducir de la ecuación (1): V oc nkt I ph Ln 1 q I 0 (4) De acuerdo con la teoría de difusión de Schottkley I 0 está dado por: I 0 qn C N V E exp( g ) kt L n n n L p p p p (5) Donde E g es la brecha de energía del material absorbente de la celda, N c : Densidad de estado en la banda de conducción, N v : Densidad de estado en la banda de valencia, L n : Longitud de difusión de los electrones, L p : Longitud de difusión de los huecos, n n, n p, Ƭ n son densidades y tiempos de vida medio de los electrones y huecos respectivamente 15

16 16 de 69 Para celdas solares con eficiencias mayores del 5%, I ph >>I 0 y por lo tanto se tiene que el V oc, puede ser expresado: V kt I ph Ln q M Eg KT oc (6) Donde M es una constante que depende de mecanismo de transporte de portadores dominante en la celda, del nivel de dopaje de cada uno de los materiales y de parámetros asociados con el mecanismo de transporte. En celdas tipo homojuntura el transporte eléctrico es dominado por procesos de difusión M, el cual está definido por la ecuación (7) [4]: donde: A: Área de la sección transversal de la celda solar. N a : Densidad de impurezas aceptadoras. N d : Densidad de impurezas donadoras. D n : Coeficiente de difusión para los electrones. D p : Coeficiente de difusión para los huecos. D D n p M AqN cnv (7) NaLn Nd Lp Potencia Máxima (pm). La potencia máxima p m que genera la celda solar es igual a la potencia generada en el punto de potencia máxima PPM de la curva i-v. Si I pm y V pm son la corriente y voltaje generados por la celda en el PPM, entonces la potencia máxima p m que puede ser generada por la celda es igual al producto I pm. V pm.en la Figura 2.6 se muestra la curva I-V de una celda solar y la curva de variación de la potencia generada en función del voltaje de salida de la celda, indicando el punto potencia máxima potencia (PPM) [7]: 16

17 17 de 69 Figura 7. Curva I-V de una celda solar y curva de variación de la potencia generada en función del voltaje de salida de la celda [7]. Como el voltaje de la celda solar decrece al aumentar la temperatura, la potencia de salida del módulo también decrece al aumentar la temperatura ambiente. En la Figura 7 se muestra la influencia de la temperatura ambiente sobre la curva de potencia en función del voltaje de salida y sobre la potencia máxima generada por una celda solar típica de Si [8]. Figura 8. Curva de variación de la potencia de salida en función del voltaje [8]. 17

18 18 de 69 A la potencia máxima generada por un módulo FV o una celda solar bajo condiciones estándares STC (Radiación solar de 1000 W/m², AM 1.5, Temperatura de la celda de 25 C) se le denomina potencia pico Factor de Llenado (ff) Es un parámetro que indica que tanto se aproxima la potencia máxima generada por el módulo o celda al producto de la tensión de circuito abierto por la corriente de corto circuito, está definida por: ff pm V I oc sc V V pm oc I I pm sc (9) Eficiencia de Conversión (η). La eficiencia de conversión indica que fracción de la radiación solar incidente, es efectivamente convertida en energía eléctrica; se define como el cociente entre la potencia máxima eléctrica que puede entregar el dispositivo sobre la potencia solar incidente sobre el módulo o la celda: V pm p I inc pm (10) Donde P inc es la potencia incidente que está relacionada con la irradiación solar sobre el área de la celda. 1.8 Condiciones de laboratorio Existen varias condiciones de laboratorio bajo las cuales los fabricantes realizan las pruebas a los módulos fotovoltaicos, una es bajo condiciones estándar (STC) y otra es la que recomienda la Unión Europea que exige además de las pruebas bajo condiciones STC, se mida la temperatura nominal de operación de la celda (TONC) a una irradiación 800W/m², MA 1.5, temperatura ambiente de 20 C y velocidad del viento 1m/s. 18

19 19 de 69 Las características que se determinan bajo estas condiciones se resumen en la Tabla 1. Tabla 1: Condiciones de laboratorio para la prueba de módulos fotovoltaicos. Característica Estándar Test Condition (STC) Medida de la TONC Radiación solar (W/m 2 ) Incidencia Normal Normal Air Mass Temperatura de la Celda ( C) 25 NOCT Temperatura Ambiente ( C) - 20 Velocidad del viento (m/s) ESTADO ACTUAL DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Entre las energía renovables tenemos la energía solar fotovoltaica que se destaca por su ritmo de crecimiento en los ultimos años. La figura 9 muestra la producción anual de energía solar fotovltaica a nivel mundial [10]. Los fabricantes de paneles fotovoltaicos alcanzaron un nuevo record de producción de megawatts a nivel mundial en 2009, un impresionante aumento del 51% respecto al año anterior. Aunque no es comparable con la euforia que se produjo en el 2008 que llegó a ser del 89%, ha continuado el rápido crecimiento de una industria que alcanzó una producción acumulada en el 2004 de A finales de 2009 se habían instalado ya megavatios en todo el mundo, en otras palabras suficiente cantidad de paneles solares fotovoltaicos como para alimentar 4,6 millones hogares norteamericanos. La energía solar fotovoltaica es la tecnología energética con un mayor índice de crecimiento en todo el mundo y que genera electricidad en más 100 países. La energía solar vive actualmente un boom sin comparación, sobre todo Alemania. Y puesto que su precio baja, se torna una fuente cada vez más atractiva para los países en desarrollo. Los niveles de crecimiento son enormes y las perspectivas buenas. Hasta finales de 2010 se habían instalado en el mundo paneles solares con capacidad para producir megavatios de electricidad: casi la mitad de ellos en cuestión de seis meses. Según la Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA por 19

20 20 de 69 sus siglas en inglés), ya en 2020 podría el sol suministrar el 12% del consumo eléctrico europeo, y el 9% del mundial en 2030 [10]. Figura 9: Producción anual solar fotovoltaica, La potencia instalada en generación fotovoltaica mundial en la última década ha crecido 16 veces en la última década, debido en gran parte a los incentivos de los gobiernos fomentando el uso de la energía solar. Aunque la producción de fotovoltaica y los costos de instalación se han reducido sustancialmente con el tiempo, el apoyo gubernamental se considera necesario mientras no se llegue a un precio competitivo que sea a la par con el coste del Kwh generado convencionalmente que también es subsidiado por el estado. Los efectos del cambio climático o las enfermedades relacionadas con la contaminación, podrían acelerar la incorporación de la fotovoltaica a la red eléctrica de suministro. 20

21 21 de 69 En los países industrializados, gracias a los avances alcanzados en las tecnologías de dispositivos fotovoltaicos y convertidores estáticos de potencia, así como a la reducción de los costos de fabricación de módulos FV, la generación fotovoltaica se ha venido convirtiendo gradualmente en una alternativa viable en el esquema de generación distribuida. En él, una combinación de plantas centrales y un gran número de pequeños generadores dispersos en la red eléctrica satisfacen la demanda de electricidad. Este concepto es actualmente una realidad en algunos países como Holanda, Alemania, Dinamarca y Japón [10]. En Colombia el desarrollo de la energía solar fotovoltaica se ha venido dando a un ritmo menor y es desde las universidades como la Nacional de Colombia, La tecnológica del chocó, de Cartagena y la Córdoba en donde a través de proyectos que van desde la fabricación de celdas solares a nivel de laboratorio hasta la implementación de proyectos para aplicaciones especificas como bombeo de agua, electrificación y comunicaciones [11,12, 13]. En la universidad de Córdoba los trabajos en energía solar fotovoltaica en principio se desarrollaron en el programa de ingeniería de alimentos y agronómica en el secado de frutas y el bombeo de agua, mas tarde desde el departamento de física y en el grupo de física aplicada y materiales se han desarrollado trabajos y proyectos como la construcción de un segador solar, construcción de sensores de radiación solar, diseño de sistema de monitoreo para bombeo solar [14, 15,16]. 21

22 22 de 69 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Desarrollar un prototipo de Planta Solar autónoma con capacidad de generación del orden de 0.9kWp, diseñada y dimensionada para proporcionar fluido eléctrico a una residencia rural típica en el Departamento de Córdoba; esto incluye la determinación de viabilidad de los costos y elaboración de manual de usuario para el aprovechamiento más eficiente de la planta. Adicionalmente se evaluará el desempeño técnico de la planta por medio de un equipo desarrollado dentro del grupo usando el concepto de Instrumentación Virtual. Este equipo tendrá facilidades para medir tanto los parámetros eléctricos de salida de la planta como la radiación solar y la temperatura ambiente, que son necesarios para determinar la eficiencia de la misma. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Dimensionar una planta solar con capacidad de generación de 0.9Kw. y diseñada para suministrar el fluido eléctrico que típicamente se requiere en una residencia rural. Implementar de un sistema de monitoreo para evaluar el desempeño de la planta solar y realizar el análisis estadístico de la radiación solar y temperatura ambiente en el sitio de instalación. Adquisición de datos, procesamiento de señales, visualización en tiempo real y almacenamiento de toda la información. Evaluación del desempeño de la planta solar (corriente, tensión y potencia DC a la salida del generador FV, eficiencia de conversión de la planta y eficiencia del inversor), medición y evaluación estadística de la radiación solar y temperatura ambiente necesarias para determinar la eficiencia de la planta. Instalar, poner en operación y evaluar el desempeño de la planta solar a través de medidas de: radiación solar y temperatura ambiente, promedios diarios y mensuales de potencia y energía generados por el generador FV, eficiencia del inversor y del generador fotovoltaico. Analizar y evaluar los resultados obtenidos a través de medidas realizadas durante 12 22

23 23 de 69 meses de operación de la planta. Estos datos se usarán para obtener el perfil óptimo del consumo (número de horas diarias que deberán estar prendidos los equipos conectados a la planta solar) y para implementar un manual con las recomendaciones básicas de operación y mantenimiento. Implementar de una estrategia para dar soporte técnico a los usuarios de la planta solar, con el propósito de hacer sostenible la operación de la misma. MATERIALES Y MÉTODOS 3.0 Sitio de estudio El proyecto fue desarrollado en una vivienda rural ubicada en la vereda de ceiba pareja perteneciente al corregimiento de Nariño en la margen izquierda del rio sinú en el municipio de Lorica en el departamento de Córdoba. Ceiba pareja es una vereda localizada a unos 10 km de la cabecera municipal y donde habitan unas 40 familias que derivan su sustento de la agricultura y la ganadería, pero con vías de acceso muy deterioradas por el paso del invierno y la falta de mantenimiento. 3.1 Diseño de estudio Para el dimensionamiento se consultó el perfil de usuario de la planta solar de acuerdo con la información obtenida de los habitantes de la vivienda, esta información se encuentra en la tabla 1. La planta fue instalada el 4 de Enero de 2009 y se evaluó su comportamiento y desempeño hasta el 14 de Mayo de Se escogió el sitio porque hasta el año 2007 esta vereda no contaba con el servicio de interconexión a red y esto era determinante en la cultura del uso racional de energía. Otro aspecto importante era que se necesitaba que en el sitio existiera conexión a la red convencional para alimentar el sistema de monitoreo. 3.2 Análisis estadístico El programa desarrollado permitió medir el desempeño del sistema lo que permitió medir las variables que inciden en el desempeño de la planta solar, como son: la radiación solar global, 23

24 24 de 69 temperatura del aire sobre los módulos fotovoltaicos, la potencia suministrada por los módulos fotovoltaicos y la potencia de consumo de la vivienda. Estas variables fueron medidas automáticamente minuto a minuto entre 12:05am hasta las 11:55 pm de cada día con algunas interferencias debido a fallas en el fluido eléctrico que alimentaba al sistema de monitoreo. Con los valores medidos se hicieron promedios diarios anuales de radiación solar global, temperatura ambiente, potencia generada por la planta solar y energía suministrada por la misma. Adicionalmente se determinaron los valores promedios durante un día claro de la eficiencia de conversión de los módulos y la eficiencia del inversor Xantrex. 3.3 Dimensionado de la planta solar Usando el software DISIFVA se ingresa la información del perfil de usuario que se muestra en la tabla 2 y los datos de radiación solar promedio, temperatura ambiente promedio del municipio de Lorica [1] se realizó el dimensionamiento de la planta solar. Tabla 2. Perfil de usuario de la planta solar autónoma instalada en Ceiba Pareja. Tipo de electrodoméstico Cantidad Tiempo de uso por día (h) Televisor 1 6 Radio 1 5 Ventiladores 2 8 Lámparas 5 4 Otros 1 2 Fuente: Información obtenida de entrevista con los habitantes de la vivienda. 24

25 25 de Instalación de la planta solar. Con los resultados obtenidos del dimensionado se inició de trámites de adquisición de los equipos requeridos para el proyecto y la instalación de la planta. En la instalación se consideraron los siguientes aspectos: La orientación de los modelos fotovoltaicos con el fin de aprovechar al máximo la irradiación solar. La ubicación del generador para no estar en presencia de sobras producidas por arboles u otros obstáculos. La inclinación adecuada que no permita la presencia de sombras que disminuyan la generación de potencia eléctrica. La puesta a tierra del marco que encapsula los módulos, la estructura y el soporte, ya que en la zona rural son muy frecuentes las tormentas eléctricas. La ubicación del banco de baterías en un lugar ventilado y con ventilación para evitar la concentración de gases y las altas temperaturas que pueden reducir la vida útil de las baterías. 3.5 Elementos de la planta solar En la figura 10 se muestra un esquema de la planta instalada. Figura 10. Esquema de la planta solar instalada en la vereda de Ceiba Pareja. 25

26 26 de Generador fotovoltaico Conformado por un arreglo de cuatro módulos fotovoltaicos marca Tenesol de 145 watts, conectados en paralelo para una potencia pico del generador de 580 Watt. La ficha técnica del módulo TE 145 se encuentra en el anexo Regulador de carga Se usaron dos reguladores de carga marca SunSaver de 20A/12VDC y las características mecánicas y eléctricas se encuentran en el anexo Banco de baterías Estaba conformado inicialmente por dos baterías marca MTEK de 250AH/12VDC, tipo AGM (Absorbent Glass Mat, electrolito inmovilizado) VRLA (Valve Regulated Lead Acid, válvula de regulación de gases), conectadas en paralelo a dos reguladores. En estas baterías el electrolito se absorbe a las placas por atracción. Estas baterías no requieren ningún tipo de mantenimiento y son utilizadas en UPS s, sistemas de telecomunicaciones, alumbrados de emergencia, unidades médicas, entre otras. En el anexo 3 se muestra la ficha técnica de la batería MTEK usada en este proyecto. El banco de baterías de este prototipo tiene una autonomía de 2 días. Los días de autonomía fueron estimados después de un estudio del potencial de radiación incidente sobre el Municipio de Lorica de Julio de 2006 a Junio de 2008 [1] Inversor DC- AC El inversor tiene la función de convertir la tensión DC (12 V) de las baterías en tensión AC (110V) para los electrodomésticos que conforman la carga AC de la planta. El inversor usado es un inversor marca XANTREX de 400 Watt de potencia, las especificaciones técnicas se muestran en el anexo 4. 26

27 27 de Carga AC Está conformada equipos electrodomésticos conectados en paralelo; lo cuales se especifican en la tabla 1 y define el perfil de consumo de carga del usuario. 3.6 Sistema de monitoreo para evaluar el desempeño del sistema En sistema de monitoreo desarrollado permitió monitorear en tiempo real las siguientes variables que determinan el desempeño de la planta solar: potencia del generador, nivel de tensión del banco de baterías, consumo de energía DC y AC y con esto se determina la eficiencia del generador FV. Para obtener la información de las variables físicas involucradas se usaron los siguientes sensores y transductores Radiación Pirómetro de Silicio Kipp & Zonen SP-LITE con las siguientes características: Impedancia nominal: 50W Tiempo de respuesta: <1seg. Sensibilidad nominal: 72mV/W/m 2 Rango espectral: mm. Tipo de detector: Fotodiodo de silicio Temperatura ambiente Termistor NTC: Como sensor de temperatura se utilizó un termistor NTC, debido a su bajo costo y su alta sensibilidad. Un termistor es una resistencia variable con la temperatura. Una buena aproximación del comportamiento de la resistencia de este elemento como función de la temperatura es dada por la ecuación de Steinhart-Hart. 1 A B T 3 ln( R ) C[ln( )] T R T (11) donde, T es la temperatura del termistor en grados Kelvin, R T su resistencia eléctrica y los coeficientes A, B y C, son valores a determinar experimentalmente. Para el cálculo de los 27

28 28 de 69 coeficientes, se midió la resistencia del termistor para tres temperaturas diferentes, usando un multímetro marca Fluke con una resolución de 0,01kΩK, obteniéndose un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas, cuya solución permite determinar los coeficientes requeridos. Como la tarjeta de adquisición de datos NI USB 6218, sólo admite señales de tensión, fue necesario incluir un circuito que permita generar una señal de voltaje proporcional a la resistencia del termistor y usando las leyes de Kirchhoff y la ecuación de Steinhart-Hart se hace la medición de la temperatura como una tensión DC. Se usó una resistencia R=5.01kΩ está en serie con el termistor NTC. Este circuito es alimentado por una fuente regulada de 5V que ofrece la tarjeta NI Tensión DC Se tuvo en cuenta el máximo voltaje V oc suministrado por el generador fotovoltaico que era de (22,3 V) y el máximo voltaje de entrada de la tarjeta de adquisición de datos (5 V).para lo cual se debió implementar un divisor de tensión con 5 resistencias en serie 100kΩ/0,5Watt para obtener un voltaje de salida menor que 5V que es enviado a un seguidor de voltaje, para garantizar acople de impedancia Corriente DC Se utilizó una pinza amperimétrica FLUKE i410, con las siguientes características: Temperatura operativa: -10 a 50 C (14 a 122 F). Señal de salida: 1mV por Amperio de AC ó DC. Tensión de trabajo: 600V rms. Impedancia de carga: >1MW,<100pF. Coeficiente de temperatura: ±0.175%/ C (0-18 C, C). Gama de corriente utilizable: A Tensión AC Se utilizó un transformador reductor con relación de transformación 110-5VAC conectado a la salida AC del inversor y analizado médiate el instrumento virtual para obtener el voltaje eficaz sin problemas ya que la tarjeta acepta tensiones hasta de 10V pico. 28

29 29 de Corriente AC Se utilizó una pinza amperimétrica FLUKE i200s, con las siguientes características: Rango de medida: 0.1 a 24A. Corriente máxima: 24A. Señal de salida: 100mV/A. Impedancia de salida: Precisión intrínseca de 48 a 65Hz: <2%+5ª. En la figura 11 se muestra un esquema del sistema de monitoreo instalado para evaluar el desempeño de la planta solar. Figura 11. Esquema del sistema de monitoreo se la planta solar. Fuente: Personal 4.0 Software desarrollado para el monitoreo de la planta El software de adquisición se desarrolló en el lenguaje de programación grafica Labview 8.6 de la National Instruments. En la figura 12 se muestra el panel frontal del instrumento virtual desarrollado, en donde se muestran las medidas en tiempo real de las siguientes variables: G(Radiación solar global), T 29

30 30 de 69 (temperatura ambiente), V G (tensión DC en el generador), I G (corriente DC del generador al regulador de carga), V B (tensión en las baterías), I Dci (corriente DC regulador inversor), V Aci (tensión AC en la salida del inversor) e I Aci (corriente AC entre el inversor y la carga). Figura 12. Panel frontal del instrumento virtual desarrollado para la evaluación del sistema. Fuente: personal El instrumento virtual permite además calcular eficiencia de conversión del módulo fotovoltaico a partir de los valores medidos de radiación solar y potencia generada mediante la expresión. in V V ACi DCi Adicionalmente el software está diseñado para calcular la potencia del generador y la eficiencia de conversión del generador fotovoltaico usando la ecuación: G I I e ACin DCi VG IG GA N Donde V G, I G corresponden voltaje y corriente medidas a la salida del generador, A e corresponde al área efectiva de cada celda del módulo fotovoltaico y N C es el número de celdas del generador fotovoltaico. C (11) (12) 30

31 31 de 69 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para el desarrollo de un programa de dimensionado de plata solares autónomas confiables es indispensable conocer como es el desempeño de los módulos fotovoltaicos en el lugar de instalación, debido a que dependen de la condiciones de radiación y temperatura del sitio de instalación. Para esto se desarrollaron dos programas de simulación de la características I-V y P-V de módulos fotovoltaicos bajo condiciones de radiación solar y temperatura distantitas a las condiciones estándar y de la medida de (NOCT) reportadas por los fabricantes. En la figura 13 se muestra el panel frontal del Programa que simula la característica I-V y consta de cuatro partes: la primera parte solicita los datos suministrado por el fabricante bajo condiciones estándar (STC),y de medida de la NOCT, además del área del módulo, la segunda solicita los datos de la radiación y temperatura promedios en el sitio de instalación de la planta solar y la tercera se piden la dirección de envíos o almacenamiento de los datos para generar la curva I-V y P-V, junto con el nombre del nuevo archivo, la cuarta muestra las características eléctricas del panel en el sitio de instalación y las gráficas I-V y P-V. Figura 13. Panel frontal del programa de simulación de la curva I-V. 31

32 32 de 69 En la Figura 14, se muestra el panel frontal del instrumento virtual 2, que simula la curva de potencias máximas de un panel solar, en el que se piden los datos suministrado por el fabricante bajo condiciones estándar (STC), el área del módulo y NOCT. Figura 14. Panel frontal del programa que simula la curva P-V del módulo fotovoltaico. Los dos programas fueron usados para determinar las características I-V y P-V de los módulos fotovoltaicos policristalinio KC130GT-1 y Monocristalino Tenesol W 2000 y fueron comparadas con las curvas I-V reportadas por los fabricantes en condiciones estándar. Los resultados que se muestran en las figura 15,16 y 17 muestran que los resultados obtenidos con el programa son confiables. También se hizo la simulación para el módulos BP 270F estos resultados fueron comprobadas con los resultados reportados por el grupo de Materiales semiconductores y energía solar de la Universidad Nacional de Colombia mediante un equipo desarrollado por ellos para medir la característica I-V de módulos fotovoltaicos [6]. 32

33 Corriente (A) Corriente (A) UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA 33 de 69 Resultados con el Módulo Policristalino KC130GT T=25 C T=50 C 4 T=75 C Voltaje (V) Figura 15. a). Curvas I-V del módulo KC130GT-1 reportada por el fabricante, para una radiación fija de 1000W/m2 y temperaras de 25 C, 50 C y 75 C, b). Curva I-V simulada con el programa 1, bajo las mismas condiciones. 8 R=1000 W/m 2 R=800 W/m 2 6 R=600 W/m 2 4 R=400 W/m 2 2 R=200 W/m Voltaje (V) Figura 16. a).curvas I-V, suministrada por el fabricante, para una temperatura fija 25 C y radiaciones de 200W/m², 400W/m², 600W/m², 800W/m², 1000W/m². b). Curva I-V simulada con el Programa 1 bajo las mismas condiciones. 33

34 Corriente (A) Corriente (A) Corriente (A) UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA 34 de 69 Resultados con el Módulo Monocristalino BP 2150S En la Figura 16a se muestran los resultados de las curvas I-V, simuladas con el Programa 1, para una radiación fija de 1000 W/m2 y temperaras de 0 C, 25 C y 50 C, y 75ºC del módulo BP 2150S. 6 5 R=1000 W/m 2 4 T=0 C R=800 W/m 2 T=25 C T=50 C R=600 W/m 2 2 T=75 C R=400 W/m 2 R=200 W/m Voltaje (V) Voltaje (V) Figura 16. a) Curvas I-V, simuladas para una radiación fija de 1000 W/m² y temperatura de 0 C, 25 C y 50 C, para el módulo BP 2150S, b) Curvas I-V, simuladas para una temperatura fija 25 C y radiaciones de 200W/m², 400W/m², 600W/m², 800W/m²y 1000W/m² para el módulo BP 2150S En las figuras 17a y 17b se muestran las curvas I-V de los módulos BP 215S simuladas y las curvas I- V medidas en la universidad nacional de Colombia con el mismo módulo. Características IV de módulo BP 270F a 21 C 5 4,5 Radiación: 942 W/m2 Radiación: 523 W/m2 4 Radiación: 196 W/m2 3,5 Radiación: 484 W/m2 3 Radiación: 648 W/m2 2,5 2 1,5 1 0, Tensión (V) Figura 17. a) Curvas I-V, medidas a una temperatura fija de 27º y radiaciones de 942 W/m², 648 W/m², 523 W/m², 484 W/m² y 196 W/m², b) Curvas I-V, simuladas con el Programa desarrollado en este proyecto, bajo las mismas condiciones[6]. 34

35 35 de 69 El Programa que simula la curva P-V, tiene las mismas variables de entradas es decir la radiación y temperatura, Las variables de salida son los datos del voltaje y potencia simulados minuto a minuto durante todo un día (6:00 a.m. hasta 6:00 p.m.) y reportados en una curva P-V. En la Figura 18a y 18b se muestran los resultados obtenidos con este programa, en el cual se muestra el monitoreo del módulo KC130GT-1 y BP215S. Figura 18. a) Monitoreo del módulo KC130GT-1, b) Monitoreo del módulo BP 215OS, típico de un día claro. En la Tabla 3 se compara los resultado de la potencia máxima medida para diferentes radiaciones (Figura 18a y Figura 18b), con los resultados simulados con el Programa 1. Tabla 3: Comparación de características eléctricas simuladas y medidas. Radiación (watt/m 2 ) V max Medida V max Simulada I max Medida I max Simulada P max Medida P max Simulada ,196 16,25 4,073 3,948 57,826 64, , ,718 2,758 40,696 43, , ,343 2,192 37,621 35, , ,760 2,026 30,246 32, ,368 15,75 0,891 0,825 13,694 12,991 35

36 36 de Software de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos DISIFVA En este trabajo se ha desarrollado un software en el lenguaje de programación LabVIEW 8.5, que dimensiona sistemas fotovoltaicos autónomos para la región Caribe colombiana. El cual está formado por panel frontal y diagrama de bloques. 5.1 Panel frontal Trata de la interfaz gráfica con el usuario. Esta recoge las entradas suministradas por el usuario, tales como: ciudad, módulo, batería, voltaje de operación del sistema, días de autonomía, distancia Modulo regulador, distancia batería inversor, Perfil de usuario y presenta las salidas proporcionadas por el programa. En el anexo 5 se muestra en diagrama de bloques de este programa. Figura 19. Panel frontal del software desarrollado para el dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos en la región Caribe de Colombia. El dimensionamiento de un SFV se basa en el concepto de balance energético, es decir se calcula la energía requerida y las posibles pérdidas y así se obtiene la energía que este debe generar este debe suministrar la potencia eléctrica y la energía requerida por el usuario. Para dimensionar un sistema existen diversos criterios; algunos, poco rigurosos que al final pueden ocasionar que el sistema no sea confiable. Por el contrario, un dimensionamiento óptimo puede ser realizado si se tienen datos 36

37 37 de 69 confiables de radiación solar y temperatura ambiente del lugar donde se instala el sistema y si se hace una evaluación realista de la potencia consumida por la carga y del perfil de consumo un parámetro muy importante HPS (horas promedio de radiación solar estándar diaria: 1000watt/m 2 ) y este valor se toma como promedio diario anual el perfil de consumo de usuario, nos determina la energía que se necesita generar para satisfacer las necesidades más prioritarias del usuario e incluye el número de horas que deben diariamente estar encendidos los equipos que constituyen la carga del sistema para que el consumo no exceda a la potencia generada por el SFV. En el anexo 6 se muestra el modelo empleado en el programa DISIFVA para el dimensionado de sistemas fotovoltaicos autónomos. 5.2 Resultados del dimensionado De acuerdo con el perfil de usuario reportado en la tabla 1, los datos que reporta el fabricante de módulos fotovoltaicos tenesol, la información sobre temperatura y la radiación solar obtenidas de un estudio realizado por la Universidad Nacional de Colombia para el municipio de lorica. Tabla 2. Resultado del dimensionado. Elemento Cantidad Descripción Módulos fotovoltaicos 4 145watt/12VDC Controlador de carga 2 20A/12VDC Inversor 1 400Watt/VDC Banco de baterías 2 250Ah/VDC 5.3 Resultados del monitoreo para un día claro En las figuras 19 se puede observar los valores de radiación y temperatura alcanzados en días con atmosfera despejada indican valores de radiación con valores cercanos a los 1000Watt/m 2 en las horas del mediodía lo que evidencia la dispersión de la radiación solar con la atmosfera debido a que no se alcanzan valores del orden de 1300Watt/m 2 presentes cuando hay movimiento de nubes que permiten la entrada da radiación solar directa. 37

38 38 de 69 En relación con la temperatura se observa una relación similar con valores temperatura más elevada en las horas de la tarde lo que hace que la potencia de los módulos se vea un poco disminuida por este efecto. Figura 19. Se muestran los valores de radiación solar y temperatura ambiente En la figura 20 se aprecia como la tensión del módulo se ve muy poco afectada por la radiación en cambio la corriente del generador guarda una proporcionalidad con la radiación solar, lo que es entendible debido a que un módulo fotovoltaico es una fuente de corriente. 20. Tensión y corriente en generador fotovoltaico 38

39 39 de 69 En la figura 21 se observa como potencia de la radiación solar es mayor que la potencia generada por el módulo fotovoltaico y esto obedece a las pérdidas que existen en el módulo en especial por calentamiento, mecanismos de recombinación en la celda, perdidas en los la interconexión de celdas y otros fenómenos físicos dentro de la celda. Figura 21. Se muestran los valores de potencia generada por el conjunto de módulos y la potencia contenida en la radiación incidente. Para este caso calculamos la eficiencia de conversión del generador usando la ecuación 12 y se observa sus variaciones entre el 11 y el 12% y la eficiencia que reportan los fabricantes de loa módulo fotovoltaicos es del orden de 13%. 22. la radiación global y la eficiencia de conversión del generador fotovoltaico. 39

40 Radiación Acumulada promedio (watt/m 2 ) Enegía Generada Promedio (wh) UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA 40 de 69 En cuanto a la eficiencia del inversor se pudo verificar usando la ecuación 11, haciendo medidas de potencia de entrada (DC) y salida (AC) con todos los electrodomésticos conectados y operando, para el inversor Xantrex 400watt, la eficiencia varía entre 85% y 95% siendo menor cuando se tienen operando menores electrodomésticos, es decir la eficiencia del inversor depende de la potencia en la que opera siendo mayor cuando más cerca se está de la potencia nominal. 5.4 Resultados promedios mensuales Los valores de energía en (Wh) y la radiación acumulada promedio (Watt/m 2 ) fueron promediados y los mensualmente y los resultados se muestran en figura 23. La energía solar incidente sobre la superficie de módulos fotovoltaicos medida muestra que los meses de mayor generación de energía corresponden a los meses de mayores valores de radiación solar acumulada con valores máximos de generación de 3000When el mes de febrero y los valores mínimos de generación correspondientes a los meses de abril y mayo que es la temporada de mayor pluviosidad y baja radiación en el municipio de Lorica, con promedio generado de 2700Wh, lo que generó las 3 fallas presentadas en el sistema durante el año de operación Radiación Acumlulada Energía Generada jul. ago. sep oct nov dic ene feb mar abr may Meses Figura 23. Radiación acumulada promedio y energía generada diaria. 40

41 Radiación acumulada (Watt/m 2 ) Energía Generada (Wh) Tensión en el banco de baterias (V) Eficiencia de conversión (%) UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA 41 de 69 La variación promedio de la tensión en el banco de baterías se agudiza en los meses de más baja radiación, esto se ve compensado por que en estos meses se ve disminuido el consumo de energía debido a una disminución en las horas de uso de los ventiladores y esta situación se refleja en la figura Energía generada Tensión en el banco de baterias jul. ago. sep oct nov dic ene feb mar abr may Meses Figura 24. Energía generada o producida por la planta solar. En la figura 25 se muestra la eficiencia de conversión promediada promedio durante el mes y se evidencia que para meses con baja radiación la eficiencia se disminuye pero sigue oscilando entre el 9% y el 12%, siendo mayor para los meses con radiaciones mayores Radiación acumulada Eficiencia de conversión jul. ago. sep oct nov dic ene feb mar abr may Meses 6 Figura 25. Energía generada o producida por la planta solar. 41

42 42 de Recomendaciones para la instalación y uso de SFVA. Las recomendaciones generales que presentamos en este trabajo son un resumen de una serie de normas técnicas usadas en sistemas FV aislados de la red Para la orientación del conjunto de módulos. Las pérdidas de radiación causadas por una orientación inclinada del generador distinta a las óptimas, y por sombreado, en la etapa de diseño no deben ser superiores a los valores que se presentan en la tabla Normas de seguridad en el diseño. El principio general es asegurar el aislamiento eléctrico de equipos y materiales. Se incluirán todas las protecciones necesarias para proteger a la instalación frente a cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones Los materiales y equipos Los elementos situados a la intemperie se protejan contra agentes ambientales, en particular contra el efecto de la radiación solar y la humedad. Todos los equipos expuestos a intemperie tendrán un grado mínimo de protección IP65 y los de interior, IP Soporte de instalación La estructura de soporte y el sistema de fijación de módulos permitirán las necesarias dilataciones térmicas sin transmitir cargas que puedan afectar la integridad de módulos. Siguiendo las normas del fabricante. La estructura soporte de los módulos he de resistir, con lo módulos instalados, las sobrecargas del viento y la nieve, de acuerdo con la normativa básica de edificación NBE.AE-88. El diseño de la estructura se realizara para la orientación y el ángulo de inclinación especificado para el generador fotovoltaico, teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje, y la posible necesidad de sustitución de elementos. La estructura se protegerá superficialmente contra la acción de los agentes ambientales. La tornillería empleada deberá ser de acero inoxidable. En el caso que la estructura sea galvanizada se admitirán tornillos galvanizados, exceptuando los de sujeción de los módulos a la misma, que serán de acero inoxidable. Los topes de sujeción, y la propia estructura, no 42

43 43 de 69 arrojaran sobras sobre los módulos El banco de baterías El acumulador será instalado siguiendo las normas del fabricante y se debe garantizar lo siguiente: El banco de baterías se situará en un lugar ventilado y con acceso restringido. Se deben adoptar las medidas necesarias para evitar corto circuitos accidentales en los terminales del banco de baterías, por ejemplo, mediante cubiertas aislantes El regulador de carga Los reguladores de carga estarán protegidos frente a cortocircuitos en la línea de consumo. El regulador de carga se seleccionará para que sea capaz de resistir sin daño la sobrecarga simultánea, superior a la corriente de cortocircuito del generador a 25 C y en la línea de consumo superior a la corriente máxima de la carga de consumo. El regulador de carga también debe estar protegido contra la posibilidad de desconexión accidental del banco de baterías, el generador, y la carga El inversor Los inversores estarán protegidos frente a las siguientes situaciones: Tensión de entrada fuera del margen de operación. Desconexión del banco de baterías. Cortocircuito en la línea AC. Sobrecargas que excedan la duración y límites permitidos. El autoconsumo del inversor sin carga será menor al 2% de la potencia nominal de salida. Las pérdidas de energía ocasionadas por el autoconsumo del inversor serán inferiores al 5% del consumo diario de energía. Se recomienda que el inversor tenga un sistema de stand-by para reducir estas pérdidas cuando el inversor trabaja en vacio Carga de consumo DC 43

44 44 de 69 Los enchufes y tomas de corriente para corriente continua deben estar protegidos contra inversión de polaridad y ser distintos de los de uso habitual para corriente alterna Conductores Los conductores necesarios tendrán la sección adecuada para reducir las caídas de tensión y calentamientos. Se incluirá toda la longitud de los cables necesarias (parte continua y/o alterna) para cada aplicación concreta, evitando esfuerzos sobre los elementos de instalación y sobre los propios cables. Los positivos y negativos de la parte continua de la instalación se conducirán separados, protegidos y señalizados (usando código de colores, etiquetas ) Protecciones y puesta a tierra Todas las instalaciones con tensiones nominales superiores a 48 Voltios contarán con una toma de tierra a la que estará conectada por lo mínimo, la estructura soporte del generador y los marcos metálicos de los módulos. El sistema de protecciones asegurará la protección de las personas frente a contactos directos e indirectos. En caso de existir una instalación previa no se alteraran las condiciones de seguridad de la misma. La instalación estará protegida frente a cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones. Se prestará especial atención a la protección de la batería frente a cortocircuitos mediante un fusible Mantenimiento del sistema En todo SFVA es necesario realizar un mantenimiento a todos los componentes, con el fin de evitar el daño de los equipos y posibles fallas generadas por esta razón. Uno de los aspectos más importantes del mantenimiento de SFVA es mantener limpio la superficie captadora del módulo FV y verificando que no tenga elementos que obstaculicen la incidencia de la radiación solar bien sea por medio de objetos o por la aparición se sobras sobre el modulo durante el día. 44

45 45 de Otros aspectos a tener en cuenta en el mantenimiento son: Verificación del funcionamiento de todos los componentes y equipos. Revisión del cableado, conexiones, terminales Estructura soporte: revisión de daños en ella por agentes ambientales, oxidación. Nivel del electrolito de la batería, limpieza de la superficie y engrasado de los terminales. Verificación de los elementos de seguridad y protección, tomas a tierra, interruptores, fusibles. CONCLUSIONES El prototipo de planta solar autónoma fue monitoreado mientras era utilizado por una familia del caserío de Ceiba pareja en la zona rural del municipio de Lorica en el departamento de Córdoba. Después de un año de uso los resultados evidencian: Que el prototipo de planta solar autónoma para uso rural instalado con una potencia pico de 580Wp, controlador de 50AH a 12V, Inversor de 400watt y una autonomía de dos días garantizada por un banco de acumuladores de 800Ah, pudo suplir satisfactoriamente las necesidades energéticas de una vivienda ocupada por 5 personas, con los elementos recomendados en este trabajo. La calidad de energía que suministran las plantas solares en especial por su estabilidad en tensión AC mediante el uso de convertidores se onda sinusoidal con eficiencias del orden de 85%. La confiabilidad del servicio de energía entregado por la planta solar cuando se respeta el perfil de uso de la planta en cuanto a las horas de uso de cada elemento conectado. A pesar de lo anterior se evidenció que cuando se excedía un poco el consumo sugerido en el perfil de uso, el sistema presentó caídas. Los cálculos sobre la capacidad de almacenamiento (baterías) que se realizan con base a la profundidad de descarga máxima permitida por la batería y que son reportada por el fabricante garantizado una mayor duración de vida útil dejan de ser confiables cuando se 45

46 46 de 69 trabajan a temperaturas del orden de los 35 C, por lo que se hace necesario precisar que para esos cálculos de dimensionamiento de plantas autónomas para uso en este región del país se tenga en cuenta que la profundidad de descarga máxima de las baterías estacionarias de plomo/acido es de 0,4 y no de 0,6 como lo indican la bibliografía para este tipo de baterías [3]. Lo cual hizo necesario ampliar el banco de acumuladores para garantizar la autonomía de dos días propuesta en el diseño inicial de la planta solar. El uso de plantas solares autónomas en las zonas rurales de la región Caribe que están aisladas de red de interconexión eléctrica, es una excelente alternativa en especial por la calidad de la energía y por su alto grado de confiabilidad cuando se hace uso racional de la energía. A pesar de que la inversión inicial de una planta solar como la estudiada en este trabajo es del orden de de pesos es claro que su costo está por el orden de lo que cuesta actualmente instalar redes de interconexión por un kilometro y teniendo en cuenta la producción generación de energía limpia. Un aspecto para tener cuidado es el tipo de baterías usadas para el almacenamiento de energía debido a las altas temperaturas registradas en esta región lo que generó desarrollar estrategias de refrescamiento de las mismas. 46

47 47 de 69 RECOMENDACIONES Estrategias para el uso de plantas solares autónomas para uso rural El grupo de física aplicada y materiales de la universidad de Córdoba ofrece asesorías en instalación y puesta en operación de plantas solares autónomas para uso rural con el fin de ofrecer soluciones energéticas en zonas alejadas de la red de interconexión nacional. En este trabajo planteamos un procedimiento para la incorporación de plantas solares autónomas, para electrificación rural, basados en el diagrama de flujo que se muestra en la figura 25. Figura 25. Diagrama de flujo de la implementación de plantas solares autónomas. 47

48 48 de 69 BIBLIOGRAFÍA [1] J. R. Narváez, G. Gordillo, G. Dielman, Estudio del Potencial de Radiación Solar y de la Temperatura Ambiente en Lorica-Córdoba, Revista Colombiana de Física, vol. 40, No. 2, Julio [2] N. Forero, L.M. Caicedo, G. Gordillo, Monitoreo de una planta solar a partir de sistemas de adquisición desarrollados con instrumentación virtual, Revista Colombiana de Física, vol. 36, No. 2, Julio [3] M. Rodríguez, Energías Renovables, Editorial Thompson- Paraninfo, 1999 [4] G. Gordillo, Conversión fotovoltaica de la energía solar, Revista Colombiana de Física, Separata N 83, junio de 1998[5] Renewable 2005, Global Status Report. Eric Martinot, REN 21 Renewable Energy Policy Networks Washington, DC: Worldwatch Institute. [6] O. Herrera, C. Quiñones y G. Gordillo, Medida y simulación teórica de la característica I-V de una Celda solar, Revista colombiana de física, vol. 33, No [7] M. C. Alonso Garcia, J. L. Balenzategui, Estimation of photovoltaic module yearly temperature and performance based on nominal operation cell temperature calculations, Renewable Energy, Marzo de [8] E. Radziemska, The effect of temperature on the power drop in crystalline silicon solar cell Renewable Energy, January [9] EPI de Worldwatch, Prometeus Institute, Greentech Media. [10] of 13)08/02/2006 [11] E. Banguero, W Murillo, G. Aragón, Dimensionamiento e Instalación de un Sistema Fotovoltaico Autónomo en el Municipio de Quibdó-Chocó, Revista Colombiana de Física, vol. 40, No. 2, Julio [12] A.J. Aristizabal, Trabajo de Grado, Dept. Ing. Eléctrica, Universidad Nacional. 4, pp , Manizales, Colombia, Febrero [13] [1] J. A. CANO, E. G. CEDIEL, J. A. HERNANDEZ, Trabajo de grado, Dept. Ing. Eléctrica, Universidad Nacional. 1, pp , Bogotá, Colombia, Abril [14] J. Hernández Mora, Diseño e instalación de primer sistema fotovoltaico interconectado en Colombia y desarrollo de equipo para su monitoreo, Tesis de maestría en Ingeniería Universidad 48

49 49 de 69 nacional de Colombia [15] J. Perosa, T. Mercado, Diseño montaje y evaluación de prototipos de suministro de agua en entornos rurales con energía no convencional (solar y arietes hidráulicos), Oficina de investigación, Universidad de Córdoba, 2OO2 [16] Y. Pastrana, J. Oviedo, R. Cogollo, Diseño y construcción de un circuito de control para seguidores solares electrónicos Revista colombiana de física, vol. 38, no. 2,

50 50 de 69 PRODUCTOS PRODUCTO OBTENIDO INDICADOR BENEFICIARIO IMPACTO DEL PRODUCTO TIEMPO ESTIMADO DEL IMPACTO Estudio teórico del Este trabajo sirve potencial de Ponencia IV como herramienta radiación solar en el municipio de Lorica, encuentro regional de física Santa marta Zona rural del municipio de Lorica para el desarrollo de aplicaciones en 5 años sitio donde se instaló energía solar en el la planta. municipio. Estudio de la influencia que tienen la radiación solar y la temperatura ambiente sobre los módulos fotovoltaicos. Trabajo de Grado para optar al título de físico, año 2009 Ponencia IV encuentro Regional de física 2008 Comunidad científica nacional e internacional Permite predecir el comportamiento de los módulos fotovoltaicos bajo las condiciones de radiación y temperatura de la región Caribe. 10 años Instrumento virtual para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos para la región Caribe Trabajo de Grado para optar al título de físico, 2010 Ponencia XXII congreso Nacional de física 2009 Zonas no interconectadas de la región Caribe de Colombia. Permite dimensionar plantas solares autónomas para uso en zonas no interconectadas 2 años colombiana Diseño y Construcción de una Estación de Monitoreo para un Sistema de Bombeo de Agua con Energía Solar Usando Instrumentación Virtual Trabajo de Grado Física, 2008, Montería Ponencia IV encuentro regional de física 2008, Santa Marta. Comunidades de la región Caribe donde no existe sistema de acueducto. Permite evaluar el desempeño de los sistemas de bombeo de agua con energía solar. 3 años Desempeño de una Trabajo aceptado Zona no Se instaló y evaluó 5 años 50

51 51 de 69 planta solar como ponencia el interconectada de la el desempeño de un autónoma para uso XXIII congreso región Caribe prototipo de planta rural instalada la nacional de física Colombiana. solar autónoma. región Caribe de octubre 2011, Colombia Bogotá. Desempeño de una planta solar autónoma para uso rural instalada la región Caribe de Colombia Artículo en revisión para publicación en la revista colombiana de física agosto de Comunidad científica nacional e internacional Se instaló y evaluó el desempeño de un prototipo de planta solar autónoma. 10 años Modelo para simular las curvas i-v, p-v de módulos fotovoltaicos comerciales. Trabajo aceptado como ponencia el XXIII congreso nacional de física octubre 2011, Bogotá. Comunidad científica nacional e internacional Permite predecir el comportamiento de los sistemas fotovoltaicos antes de instalarlos. 2 años Modelo para simular Artículo en revisión Permite predecir el las curvas i-v, p-v de para publicación en Comunidad científica comportamiento de módulos la revista colombiana nacional e los sistemas 3 años fotovoltaicos de física agosto de internacional fotovoltaicos antes comerciales de instalarlos. Metodología para la estudio de fenómenos físicos usando adquisición de datos mediante instrumentación electrónica y virtual. Tesis de maestría en curso. Artículo en revisión para publicación en la revista colombiana de física agosto de Comunidad científica nacional e internacional Presenta una metodología para estudiar fenómenos físicos usando la instrumentación electrónica y la adquisición de datos por computador. 3 años 51

52 52 de 69 ANEXOS 52

53 53 de 69 Anexo 1: Ficha técnica del modulo fotovoltaico Tenesol 145. Fuente: 53

54 54 de 69 Anexo 2: Ficha técnica del controlador de carga Sunsaver Fuente: 54

55 55 de 69 Anexo 3. Ficha técnica de la bacteria MTEK Fuente: 55

56 56 de 69 Anexo 4: ESPECIFICACIONES DEL INVERSOR XANTREX 400 WATT Fuente: 56

57 57 de 69 ANEXO 5: Diagrama de bloques del programa de dimensionado DISIFVA En esta parte está el código fuente del programa, aquí se realiza la implementación del software para controlar cualquier proceso de las entradas y salidas que se crean en el panel frontal. (Ver Figura A51) Figura A5.1: Diagrama de bloques del programa DISFVA La parte 1 en el diagrama de bloques está contenido el perfil de usuario y la parte 2 está constituida por cuatro partes y cada una cumple una función en el funcionamiento del programa la Parte A (SUBVI ciudades) mostrado en la figura A5.2., está incluida información de temperatura, radiación solar, velocidad del viento, latitud y altitud de diez puntos localizados en cada departamento de la región 57todo colombiana. 57

58 58 de 69 Figura A5.2: Sub-VI ciudades Una estructura Case tiene al menos dos subdiagramas (verdadero y falso). Únicamente se ejecutara el contenido de uno de ellos, dependiendo del valor de lo que se conecte en el selector. En nuestro caso cada estructura corresponde a una ciudad diferente, es decir, cuando se escoge una determinada ciudad la estructura visualiza la información contenida en el subdiagrama verdadero de dicha selección y visualiza ceros en el resto de estructuras (subdiagrama falso). (Figura A5.3) Figura A5.3:estructura Case Cuando se escoge la ciudad, matemáticamente se está seleccionando un arreglo vectorial, es decir, muestra las componentes del vector escogido y anula las componentes del resto de vectores. Ver esquema matemático 58

59 59 de 69 Figura A5.4: Diagrama de bloque esquema matemático La Parte B (SUBVI módulos) mostrado en la figura A5.5, está incluida información de las características entregada por los fabricantes de los módulos FV mas usados en Colombia. El funcionamiento de este programa también se basa en las estructuras CASE. Figura A5.5: Sub-VI módulos La parte C (SUBVI) permite calcular las características eléctricas de los módulos FV bajo las condiciones de temperatura y radiación no estándar Figura A5.6 59