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1 ENERGÍA SOLAR: ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGIA PARA EL EDIFICIO YARIGUIES DE LA UNIVERSIDAD DE SANTANDER UDES. Autor LUIS GABRIEL SANDOVAL QUIJANO MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS UNIVERSIDAD DE SANTANDER UDES BUCARAMANGA 2013
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ENERGÍA SOLAR: ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
GENERACIÓN DE ENERGIA PARA EL EDIFICIO YARIGUIES DE LA
UNIVERSIDAD DE SANTANDER UDES.
Autor
LUIS GABRIEL SANDOVAL QUIJANO
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
UDES
BUCARAMANGA
2013
2
ENERGÍA SOLAR: ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
GENERACIÓN DE ENERGIA PARA EL EDIFICIO YARIGUIES DE LA
UNIVERSIDAD DE SANTANDER UDES.
Trabajo de grado para optar al título de
Magister en sistemas energéticos avanzados
Autor
LUIS GABRIEL SANDOVAL QUIJANO
Director:
Phd. GILBERTO CARRILLO CAICEDO
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
UNIVERSIDAD DE SANTANDER
UDES
BUCARAMANGA
2013
3
4
5
6
AGRADECIMIENTOS
El autor de éste documento expresa sus más sinceros agradecimientos a:
En primer lugar a Dios que ha sido mi luz, en este camino, ofreciéndome la
oportunidad de crecer como persona.
A mi madre a quien adoro con todo mi corazón y que es parte de estos
pequeños triunfos que ofrece la vida.
Al Doctor Gilberto Carrillo por ofrecerme su confianza y enseñanzas en este
capítulo de mi vida.
A la Universidad y todas aquellas personas que de alguna u otra forma
forman parte de esta experiencia.
7
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 17 JUSTIFICACIÓN 18
1. GENERALIDADES 20 1.1 SOL; fuente de energía 21 1.2 ASPECTOS BÁSICOS DE LA RADIACIÓN SOLAR 22
1.2.1 Radiación solar 25 1.2.2 Irradiancia (G) 25
1.2.3 Irradiación (Insolación) (H) 26 1.2.4 Radio de Masa de aire (M) 26 1.2.5 Hora solar pico (HSP) 27
1.2.6 Día Solar 27 1.2.7 Constante solar (ISC) 27
1.2.8 Declinación solar 28 1.3 MAPA SOLAR EN COLOMBIA 28 1.3.1 INTERPRETACIÓN DE LOS MAPAS 29
1.3.2 Distribución de la intensidad de la radiación solar en Colombia 30 1.3.3 Radiación solar en Bucaramanga 31
1.3.4 Mapa de radiación solar para Bucaramanga 31 2. GUÍAS TÉCNICAS Y CONTEXTO JURÍDICO NACIONAL E
INTERNACIONAL 33
2.1 MARCO LEGAL 34 2.1.1 CONVENIO DE VIENA 35
2.1.2 CONVENIO DE BASILEA 36 2.1.3 PROTOCOLO DE KYOTO 37 2.1.4 LEY URE “USO RACIONAL Y EFICIENTE DE LA ENERGÍA” 697 DE
2001
38
2.1.5 NORMA ISO “ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DE
NORMALIZACIÓN” 50001
40
2.1.6 RESOLUCIÓN 84 DE 1996 CREG “COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA Y GAS”
41
2.1.7 RESOLUCIÓN 85 DE 1996 CREG “Comisión Reguladora de Energía y Gas”
41
2.1.8 NTC “NORMA TÉCNICA COLOMBIANA” 2050 – GENERACIÓN FOTOVOLTÁICA
43
3. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA 44
3.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN 44 3.2 FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS CELDAS SOLARES 46
3.2.1 Principio de funcionamiento de las celdas fotovoltaicas 48 3.2.2 Eficiencia de conversión de energía solar 50 3.2.3 Parámetros de una celda solar de silicio 51
3.2.3.1 Componentes de una celda típica de silicio. 52 3.2.4 Algunos tipos de celdas solares de silicio 53
3.3 Paneles Fotovoltaicos, diseño y estructuras de arreglos 59
8
fotovoltaicos.
3.3.1 Conexión de los módulos o paneles fotovoltaicos 61 3.4 BATERIAS 63
3.4.1. Especificaciones Eléctricas 64 3.4.2 Tipos de baterías 65 3.5 REGULADORES 70
3.6 INVERSORES 72 4. DIMENSIONAMIENTO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA POR MEDIO DE PANELES SOLARES
75
4.1 ÁREA DISPONIBLE PARA LA COLOCACIÓN DE LOS PANELES
SOLARES
75
4.2 RADIACIÓN SOLAR EN EL TERRENO 76
4.2.1 Medida de radiación solar con “iPhone” 77 4.3 CONSUMO DEL SISTEMA 79 4.3.1 Consumo del sótano 79
4.3.2 Consumo del primer piso (gimnasio) 81 4.3.3 Consumo del segundo piso (pequeño auditorio) 82
4.3.4 Consumo del tercer piso (sala de consulta) 84 4.3.5 Consumo del edificio 86 4.3.6 Consumo del edificio teniendo en cuenta la cantidad de equipos y
el tiempo de funcionamiento
88
4.4 ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LOS PANELES 88
4.5. PROVEEDORES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN COLOMBIA 4.6. DIMENSIONAMIENTO DE LOS DIFERENTES EQUIPOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
90
4.6.1. Estimación de consumos y energía necesaria del generador fotovoltaico
90
4.6.2. Posición óptima de los módulos fotovoltaicos 92 4.6.3. Método de funcionamiento de potencia máxima 92 4.6.4. Cantidad de Paneles fotovoltaicos 93
4.6.5. Método amperios-hora 95 4.6.6. Distancia mínima entre filas de los módulos 98
4.6.7. Dimensionamiento del acumulador 98 4.6.8. Dimensionamiento del regulador. 100 4.6.9. Dimensionamiento del inversor. 101
4.6.10 Dimensionamiento del cableado 101 4.7 DIMENSIONAMIENTO DEL ÁREA QUE OCUPAN LOS PANELES
FOTOVOLTAICOS
102
4.8 COSTOS DEL DISEÑO 102 4.8.1 Costo de los paneles solares
102
4.8.2 Costo del acumulador 103
4.8.3 Costo del inversor 103 4.8.4 Costo del regulador 103
9
4.9 COSTOS GLOBALES DE LA INVERSIÓN 104
4.10 COSTOS DE LA ENERGÍA PRODUCIDA 104
10
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Movimiento de la tierra alrededor del Sol 22 Figura 2. Esfera celestial y coordenadas del sol relativas a un observador
ubicado sobre la Tierra en el punto O
23
Figura 3. Definición del ángulo cenital del sol, la altura y el azimut 24 Figura 4. Espectro Electromagnético 25 Figura 5. Masa del aire 26 Figura 6. Día solar vs horas 27 Figura 7. Variación anual de declinación del sol en Colombia 28 Figura 8 Radiación solar para Santander mes de enero 32 Figura 9. Convención de colores de los rangos de radiación solar global en
kW/m2 día
Figura 10 Posición de los diversos países respecto al protocolo de Kyoto
2011
38
Figura 11. Sistema Fotovoltaico sin acumulador de Energía Eléctrica. 43 Figura 12.Representación esquemática del diagrama de bandas de un 47 Figura 13. Representación esquemática del movimiento de electrones y
huecos libres bajo la acción de un potencial aplicado. 48
Figura 14. Procesos ocurridos en una celda solar fotovoltaica FU 48 Figura 15. La dependencia I-V de una celda solar en oscuridad y bajo
iluminación 50
Figura 16. Eficiencia teórica de las celdas solares vs. el valor de la banda
prohibida del semiconductor 52
Figura 17. Esquema de una celda de contactos encerrados 54 Figura 18. Fotografía de SEM de una muestra policristalina. Se pueden
observar los diferentes cúmulos constituyentes del policristal. 56
Figura 19. Estructura de una celda solar del tipo CdS/CdTe 57 Figura 20. Estructura de la celda CdS/CuInSe2 57 Figura 21. Estructura de una celda solar del tipo p-i-n de a-Si:H CdS/CdTe 58 Figura 22. Materiales típicos utilizados en los módulos de silicio 60 Figura 23. Módulos o celdas Fotovoltaicas conectadas en serie. 62 Figura 24. Módulos o celdas Fotovoltaicas conectadas en paralelo. 62 Figura 25. Conexión mixta de paneles solares 63 Figura 26. Batería de Plomo-acido 66 Figura 27. Batería de gel 67 Figura 28. Regulador de carga solar PV MPPT 70 Figura 29. Zonas de la Universidad de Santander disponibles para
instalaciones de paneles solares 76
Figura 30. Piranómetro. 77 Figura 31. Aplicación para medir la irradiansa 77 Figura 32. Colocacion del dispositovo de difusión en la camara del iPhone 78 Figura 32. Medidas de irradiancia en la ciudad de Bucaramanga (W/m2) en
intervalo de las 6am a 5pm durante el mes de marzo 78
Figura 34. Equipos del sótano 79
11
Figura 35. Equipos del gimnasio 81 Figura 36. Equipos del segundo piso 83 Figura 37. Equipos del tercer piso 84 Figura 38. Consumo promedio del mes marzo edificio YARIGUES 87 Figura 39. Consumo de energía del mes de marzo discriminado por días 87 Figura 40. Promedio mensual de insolación solar en diferentes planos
inclinados
89
Figura 41. Promedio de radiación solar en el mes de marzo del 2012. 95 Figura 42. Ejemplo de distancia entre módulos solares. 98
12
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones 30 Tabla 2. Radiación solar horas picos, Bucaramanga. KW/m2. 31 Tabla 3. Eficiencias de conversión alcanzadas en el laboratorio para
diversas tecnologías de películas delgadas fotovoltaicas 59
Tabla 4. Radiación solar horas picos, Bucaramanga. KW/m2. 76 Tabla 5. Consumo del sótano durante el día y la noche 80 Tabla 6. Consumo del sótano solo durante el día. 80 Tabla 7. Consumo del sótano solo durante la noche. 80 Tabla 8. Consumo del primer piso durante el día y la noche 81 Tabla 9. Consumo del primer piso durante solo el día 82 Tabla 10. Consumo del primer piso durante solo la noche. 82 Tabla 11. Consumo del segundo piso durante el día y la noche 83 Tabla 12. Consumo del segundo piso durante solo el día 84 Tabla 13. Consumo del segundo piso durante solo la noche 84 Tabla 14. Consumo del tercer piso durante el día y la noche 85 Tabla 15. Consumo del tercer piso durante solo el día 85 Tabla 16. Consumo del segundo piso durante solo la noche 86 Tabla 17. Consumo promedio mensual de energía de la Universidad de
Santander en los últimos 5 años 86
Tabla 18. Día y hora de mayor consumo en el edificio YARIGUIES de la
Universidad de Santander año 2012.
88
Tabla 19. Proveedores de sistema fotovoltaico en Colombia y otros países 89 Tabla 20. Media mensual de energía (W-h) 91 Tabla 21.Promedio Mensual de Insolación solar en un plano inclinado [Wh/m]
92
Tabla 22. Tabla de valor medio anual de radiación diaria, para diferentes
inclinaciones 93
Tabla 23. Relación de Lma/Gdm (α,β) 93 Tabla 24. Número total de paneles requeridos según el diseño de consumo. 94 Tabla 25. Total de paneles por los métodos de determinación. 97 Tabla 26. Cálculo de distancia entre módulos. 98 Tabla 27. Dimensionamiento del acumulador 99 Tabla 28. Dimensionamiento del regulador 100 Tabla 29. Dimensionamiento del inversor 101 Tabla 30. Dimensionamiento del área de ocupación de los paneles
fotovoltaicos.
102
Tabla 31. Características de panel seleccionado y su costo unitario. 103 Tabla 32. Características del acumulador y su costo unitario. 103 Tabla 33. Características del inversor y su costo unitario. 103 Tabla 34. Características del regulador y su costo unitario. 104 Tabla 35. Costos globales del proyecto 104
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. OFERTA TECNOLÓGICA DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 110 ANEXO B. OFERTA TECNOLÓGICA DE BATERÍAS DE PLOMO ACIDO 112 ANEXO C. OFERTA TECNOLÓGICA DE INVERSORES 114
ANEXO D. OFERTA TECNOLÓGICA DE REGULADORES DE CARGA 116 ANEXO E. PLANTILLA DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Y DATOS
DEL DISEÑO
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RESUMEN
Título: ENERGÍA SOLAR: ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
DE GENERACIÓN DE ENERGIA PARA EL EDIFICIO YARIGUIES DE LA
UNIVERSIDAD DE SANTANDER UDES
AUTOR: Luis Gabriel Sandoval Quijano
PALABRAS CLAVES: Energía solar, radiación solar, paneles fotovoltaicos,
energías renovables, sistema fotovoltaico, áreas disponibles.
DESCRIPCIÓN:
La generación de energía es una necesidad diaria, y aún más si ésta se hace de
manera limpia. La Universidad de Santander UDES, quiere ser auto sostenible en
este tipo de recurso y en lo posible que no afecte al medio ambiente, sin
embargo para llegar hasta este punto se deben desarrollar estudios que le
permitan situarse en este contexto y aprovechar al máximo los proyectos
relacionados con energías alternativas que se hagan en pregrado y maestrías.
De acuerdo a lo anterior, el objetivo central del proyecto es realizar un estudio de
implementación de un sistema de generación de energía eléctrica a partir de
paneles solares en el edificio Yariguies de la Universidad de Santander UDES,
pues es una de las necesidades inmediatas, sobretodo en el contexto del
programa “UDESVERDE”
La metodología establecida para la elaboración de este proyecto se llevo a cabo
de la siguiente manera. En primer lugar se realiza el análisis de carga de los
últimos dos años de la Universidad. Para el desarrollo de este punto es necesario
hacer la solicitud a la empresa VATIA, la cual facilita estos datos. Dichos datos
están discriminados por horas y días.
Conociendo los niveles de demanda se inicia con un análisis que consiste en hacer una curva de consumo que permita predecir el comportamiento de demanda
anual de energía de la universidad de Santander UDES. Adicionalmente una plantilla para la recolección de información con base en la potencia consumida por cada equipo y la cantidad de equipos, esto a través de una relación de horas
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de consumo de cada uno de ellos, calculando por separado las cargas de
corriente alterna y las de corriente continua.
El cálculo del consumo se trabaja a partir del análisis de un edificio separando piso
a piso. Adicionalmente a esto se realiza un análisis del consumo del día y de la
noche del piso integrado en una sola propuesta y se le agrega un análisis
individual al consumo del día y el consumo de la noche de manera separada. Esto
con el fin que se pueda discriminar de manera detallada cada una de las jornadas
y los costos que estas producen, pues se conoce que las tarifas de consumo
varían según la hora del día.
Paso seguido es determinar el nivel de radiación solar que recibe la universidad, y
el establecimiento del mejor ángulo y los posibles lugares en los que se deben
ubicar los paneles para alcanzar el mejor rendimiento posible. Estos datos también
son registrados por medio de la aplicación Pyranometer y con el difusor correcto
son comparados con los dispositivos profesionales.
Una vez se tiene estos datos se procede al dimensionamiento de paneles,
inversores, reguladores y acumuladores que se necesitarían para satisfacer dicha
demanda.
Es importante resaltar que para el establecimiento de los dispositivos que cubran
con la demanda de la Universidad se tendrán en cuenta diferentes marcas
comerciales y diferentes tipos de paneles solares, a su vez el estudio está basado
en hojas de cálculo diseñadas en Excel, que facilita cambios en cualquier punto
que se requiera.
Al tener calculada las cantidades de paneles, inversores, reguladores y
acumuladores, se da inicio al análisis de costos para cada una de las marcas, en
donde se tienen en cuenta puntos adicionales como la garantía, valores de envió,
instalación y mantenimiento
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ABSTRACT
TITLE: Solar energy,: An implementation study of a solar energy generation system for
The Yariguíes building at Santander University UDES.
AUTHOR: Luis Gabriel Sandoval Quijano
KEY WORDS: solar energy, solar radiation, photovoltaic panels, renewable energy,
photovoltaic system, available areas.
DESCRIPTION:
Energy generation is a common issue, even more if it is made in a clean manner. Santander University UDES, wants to be self-sustaining in this type of resource, and as far as possible that does not affect the environment. However, to reach this point it should be developed studies enabling it to get the context and to take advantage of the projects related to alternative energies that has been carried out in undergraduate and master's degrees. According to what it was mention before, the main objective of the project is to conduct an implementation study of a electric power generation system from solar panels in the Yariguíes building of Santander University , as it is one of the immediate needs,
especially in the "UDESVERDE" program’s context
The chosen methodology to develop the project implied some steps: First, The load analysis of the last two years from the university. To do so it was necessary to ask VATIA company some data which was discriminated by hours and days. Knowing this demand levels, it is started an analysis that consist of making a curve of consumption that allows you to predict the behavior of energy at the University of Santander. In addition a template for the collection of information based on the power consumed by each team and the amount of equipment, through a relationship of hours of consumption of each one of them, calculating separate loads of alternating current and direct current. The consumption calculation is based on an analysis of a building floor by floor. In addition to this is an analysis of consumption of the day and the night on the floor in a single proposal and added an individual day consumption analysis and the consumption of the night separately. In order to discriminate in detail each of the journeys and costs that they produce, as is known that consumption rates vary according to the days’ time. Second, to determine the level of solar radiation that the University receives, and the establishment of the best angle and the possible areas in which the panels should be located to achieve the best possible performance. These data is also register through the Pyranometer application and compared with the right diffuser professional devices. Once you have these data, it is proceeded to the sizing of panels, inverters, regulators and batteries that would be needed to meet that demand.. It is important to highlight that for the establishment of devices that comply with the demand of the University, different brands and different types of solar panels will be taken into account, at the same time the study is based on spreadsheets in Excel, which facilitates changes at any point required. Having calculated the amount of panels, inverters, controllers and batteries, the cost analysis it is started for each of the brands, where additional points as the guarantee, shipping values, installation and maintenance are taking into account.
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INTRODUCCIÓN
La contaminación ambiental se presenta como una de las principales factores de
la pérdida de biodiversidad en Colombia, esta es causada por un sin número de
variables. Entre las que está el uso de diversos métodos para la obtención de
energía eléctrica. Cabe resaltar que en el mundo la población sigue en
crecimiento, y esto trae consigo el aumento de consumo de energía y Colombia no
es la excepción a este caso. Al relacionar tales niveles de crecimiento, el país
debe desarrollar diferentes formas o fuentes de obtención de energía para
minimizar el impacto ambiental, es por eso que en esta búsqueda se hace
necesario comenzar con estudios de factibilidad que permitan establecer las
posibilidades de éxito de un sistema de generación de energía eléctrica con
fuentes renovables, teniendo en cuenta los recursos disponibles y las limitaciones
técnicas.
En este proyecto se busca analizar el sector educativo y para ser más preciso el
nivel de consumo de energía de la Universidad de Santander (UDES). La
Universidad cuenta con oficinas, salones, laboratorios, salones especializados,
consultorios y biblioteca, que lo hace un punto de análisis estratégico, ya que
reúnen los elementos fundamentales de consumo de energía eléctrica que se
presentan en dicho sector. La implementación de un sistema de generación de
energía eléctrica de tales características necesita, ser estudiado a fondo para
permitir tener una óptica del consumo y posibles soluciones al problema.
El presente estudio está dividido de tal forma que se analiza el consumo de
energía de un edificio de la Universidad Santander conocido con el nombre de
YARIGUIES. Adicionalmente se establece dicho consumo de dos formas
diferentes, una de ellas a través de una plantilla para la recolección de información
con base en la potencia consumida por cada equipo y la cantidad de equipos, esto
a través de una relación de horas de consumo de cada uno de ellos. La segunda
forma es aún más sencilla, en donde se le solicito la información al prestador de
servicios de energía de la universidad, para dar comienzo al respectivo análisis.
Al contar con tal información y estar discriminada por pisos del edificio, permite
tener una visión avanzada de cómo se establece la solución al nivel del consumo
de energía del edificio analizado. Para ello se comienza con el dimensionamiento
de equipos necesarios para suplir la necesidad de energía y al tener las
especificaciones de cuáles son los equipos que permiten suplir la necesidad, se da
el paso al análisis de costos del proyecto.
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JUSTIFICACIÓN
Uno de los primeros interesados en promover el uso racional de energías y el uso
de energías alternativas ha sido el estado con la ley 697 del 2001 la cual ha sido
modificado en varias ocasiones a través de los decretos 3683 del 2003 y 130 del
2005.
Según datos de la Agencia Internacional de Energía (IEA), las emisiones de CO2
en Colombia aumentaron en un 17,53% entre 1990 y el 2008, es decir pasaron de
26,8 a 31,5 millones de toneladas de CO2, sin embargo a pesar del aumento de
este agente contaminante, las toneladas per cápita disminuyeron en un 0,6% en
el mismo periodo de tiempo, debido a que al aumento de la población que fue de
un 44,5%.
Lo anterior es una muestra del problema ambiental que se ha venido generando
en Colombia por el aumento indiscriminado de emisiones de CO2 provenientes de
diferentes sectores como: el industrial, transporte, residencial y en la generación
de energía eléctrica; sin embargo a pesar del conocimiento que se tiene de este
problema, aún se siguen aprobando proyectos que pretenden por el uso
indiscriminado de recursos naturales no renovables y así mismo la producción de
gases de efecto invernadero, principales causantes del cambio climático.
La Universidad de Santander- UDES, es una institución de educación superior que
propende por la formación de personas con alto sentido de responsabilidad social,
que a su vez contribuyan al desarrollo de proyectos orientados hacia la
sostenibilidad ambiental en su área de influencia.
Con base en esto desde la Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados se
propone apoyar esta iniciativa mediante el desarrollo de proyectos que permitan
llevar a cabo al interior de la universidad estrategias que mitiguen el impacto
ambiental generado por el alto consumo de formas de energía provenientes de
fuentes no renovables y/o que aumentan el efecto invernadero, siendo este último
un factor determinante en el calentamiento global el cual conlleva cambios
climáticos que afectan la flora y fauna del planeta.
El desarrollo de un sistema propio de generación de energía a partir de fuentes
renovables le permitirá a la UDES hacer parte de las empresas que van acorde al
Marco Normativo Nacional de Colombia, expresado en la Resolución 0551 de
19
2009 del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territoria1l, allí se adoptan
los requisitos y evidencias de contribución de los proyectos al desarrollo sostenible
de Colombia y se establece el procedimiento para la aprobación de proyectos de
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero que optan por el
Mecanismo de Desarrollo Limpio.
1 http://www.minambiente.gov.co/documentos/res_0551_190309.pdf
20
1. GENERALIDADES
Debido a la gran cantidad de emisión de gases contaminantes, relacionados con
los procesos de generación de energía eléctrica por medios convencionales, se han desarrollado diversas tecnologías para aprovechar las energías alternativas, las cuales tienen como principal fuente de energía los recursos renovables.
Las energías renovables como la solar fotovoltaica, eólica y la energía hidráulica,
son ejemplos donde se han desarrollado tecnologías que convierten la velocidad del viento, la radiación solar y el flujo del agua en energía eléctrica. Estas energías son amigables con el medio ambiente y actualmente son una
alternativa para abastecer de energía algunas áreas que no tienen servicio de energía eléctrica.
Dentro de las variantes de utilización de la energía solar, la fotovoltaica es la única que se convierte directamente en electricidad, sin utilizar agua, es versátil,
silenciosa, se instala fácilmente, incluso por partes, generando energía renovable inmediatamente y en la actualidad tiene poco riesgo tecnológico.2
Una desventaja reconocida que se está superando es su costo. A finales de la década pasada se decía que la energía fotovoltaica se haría competitiva cuando el
kW-h de energía eléctrica descendiera del umbral de US $ 0.10 [1], pero en la actualidad con los altibajos tan drásticos del precio del barril de petróleo es difícil
anunciar un pronóstico de competitividad en relación al precio del kW-h producido por las fuentes de energía convencionales. En dependencia de las tecnologías de fabricación de los diversos paneles solares, el precio del kW-h fotovoltaico es de 6
a 10 veces superior al precio del kW-h producido por medios convencionales. Sin embargo con el incremento de los volúmenes de producción de la energía
fotovoltaica se reducen de manera importante los costos [2]. La construcción de plantas de 10-20 MW de energía fotovoltaica conectadas a la
red también hace disminuir los costos [3]. A este punto, es importante resaltar la descentralización que se logra en la entrega de la energía a través de las
instalaciones fotovoltaicas. En Europa, particularmente en Alemania, se ha logrado ir disminuyendo el precio del Watt, a través de una política gubernamental, que ha incentivado el uso de sistemas fotovoltaicos en los sectores públicos,
empresariales y en la población en general.
Para solucionar el desestimulo en la Unión Europea 16 de 25 estados miembros han establecido primas a la producción de energía solar fotovoltaica dentro del cálculo de la tarifa eléctrica o se ha establecido una reglamentación en la cuál a
2 Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec(Editor), México,
2009, pág. 5
21
todas las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red se les paga un precio
superior, a veces hasta de cuatro veces, el kW-h que generan de la instalación, respecto al que consumen de la red [4].
Esto determina un factor de cuatro en el tiempo de amortización del sistema, es
decir que de más de 20 años se reduce a cerca 5 años, por ejemplo contra la generación por centrales hidro-eléctricas, geoeléctrica etc.; y a cerca de 2 años
contra la generación por diésel. Esto ha estimulado la instalación masiva de estos sistemas, lo que a su vez ha contribuido en la disminución del costo del Watt pico fotovoltáico [5].
Se prevé que en los próximos cinco años el precio del Watt fotovoltaico será
totalmente competitivo en la Unión Europea, Japón y el resto de Asía, mientras que en los Estados Unidos, país que se incorporó a la utilización masiva de sistemas fotovoltaicos se establecen distintas políticas por los estados de la Unión
con el fin de alcanzar la competitividad con otras zonas geográficas del planeta.
Otra alternativa sustancial es la disminución de los costos de producción del silicio, material del cual se produce casi el 90% de las celdas solares. Obtener silicio grado solar barato y abundante es el principal objetivo para la disminución del
precio del kW-h fotovoltaico. El incremento en la energía de conversión de las celdas solares es otro camino en
la disminución de costos. Las celdas solares fabricadas con base en películas delgadas poseen un costo menor por área, al utilizar menos material, y aunque
poseen una eficiencia menor que las de silicio convencional, el costo del Watt fotovoltaico puede llegar a disminuir hasta US $ 0.15 el kW-h fotovoltaico [6].
A pesar de que todavía es necesario continuar trabajando en proyectos de investigación y desarrollo tecnológico para mejorar las eficiencias de las celdas
solares y reducir sus costos; y que el año 2009 comenzó con una recesión económica global, el mercado fotovoltaico sigue creciendo.[7] 1.1 SOL; fuente de energía
La transformación de la radiación solar en energía eléctrica es lo que se conoce
como energía solar fotovoltaica. Este tipo de energía hace parte de las energías renovables y es un método de obtención de energía eléctrica que está teniendo
bastante acogida por sus ventajas ambientales y ahorro económico a largo plazo. Para generar energía eléctrica a partir de la radiación solar, se requieren equipos
como los paneles fotovoltaicos, los inversores, las baterías y los controladores. Este conjunto se denomina sistemas fotovoltaicos.
22
Por otra parte, al ser la radiación solar un recurso renovable y disponible en mayor
parte del mundo, es una alternativa importante para satisfacer la demanda energética de la población mundial. Al dejar de lado la inversión económica inicial,
se puede disminuir la contaminación ambiental, lo cual significa una ganancia importante.
Países industrializados como Alemania, España, Canadá y Japón, son pioneros
en la utilización de sistemas fotovoltaicos para su autoabastecimiento energético, debido en parte a la sensibilización de la población sobre los beneficios ecológicos y económicos.
1.2 ASPECTOS BÁSICOS DE LA RADIACIÓN SOLAR
La tierra se encuentra en una órbita elíptica alrededor del sol que demora 365 días y una cuarto de día, por lo cual cada cuatro años se ajusta el calendario haciendo
un año bisiesto que tiene 366 días. La cantidad de radiación solar que llega a la tierra es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre el sol y la
tierra.
La distancia media entre el sol y la tierra es equivale a 1.496 x 108
kilómetros.
Figura 1.
Figura 1. Movimiento de la tierra alrededor del Sol
Fuente: http://tdx.cat/bitstream/handle/10803/6839/10Nvm10de17.pdf?sequence=11
El plano en el que se mueve la tierra alrededor del sol de denomina plano eclíptico. La tierra gira sobre sí misma alrededor de un eje llamado eje polar, que
se encuentra inclinado aproximadamente 23.5° de la normal del plano eclíptico.
23
Estos factores originan que haya variaciones en la radiación y producen las
estaciones, haciendo días más largos y más cortos [8].
El plano ecuatorial es el plano que se encuentra en el medio del eje polar, este
plano y la línea que une la tierra con el sol forman un ángulo llamado declinación solar. La declinación solar varía en el año entre +23.5° en el solsticio de verano a -23.5° en el solsticio de invierno.
En 1975 Perrin de Brichambaut logró una ecuación para describir de forma aproximada y sencilla la declinación del sol, tomando como variable de entrada el día según calendario Juliano.
Ecuación 1 Ecuación de la declinación del sol de Perrin de Brichambaut
Para conseguir capturar la máxima radiación posible proveniente del sol se tiene
que saber la posición de éste en el cielo con respecto al plano horizontal del observador. Se puede describir un observador ubicado en el medio de una esfera. En cualquier momento, el observador sobre la superficie de la tierra tiene una posición correspondiente en la esfera celestial llamado cenit, que es el punto en la
esfera en el cual cruza una línea normal a la superficie del observador, el punto opuesto es llamado nadir. El horizonte del observador es un gran círculo atravesado por la línea que une el cenit y el nadir.
Figura 2. Esfera celestial y coordenadas del sol relativas a un observador ubicado
sobre la Tierra en el punto O
Fuente: http://tdx.cat/bitstream/handle/10803/6839/10Nvm10de17.pdf?sequence=11
Ecuación 2 Primera Ecuación de Posicionamiento Solar
24
cos𝜃2=𝑠𝑒𝑛 𝛿 𝑠𝑒𝑛 ∅+cos𝛿cos∅cos𝜔=𝑠𝑒𝑛 𝛼
Ecuación 3 Segunda Ecuación de Posicionamiento Solar
El ángulo cenital θz es el ángulo que forman la línea que une el sol y la tierra con
el cenit, este ángulo también se puede describir por la altura solar α, el ángulo que se forma entre el plano en el que están incluidos el cenit y el sol, con el sur del
observador es llamado ψ o azimut del observador, que varía entre -180° a +180°. Ver figura 2.
Donde ω es el ángulo horario con 0° al medio día y positivo en la mañana y Φ es la latitud geográfica del observador.
El sol varía su posición en la semiesfera celeste de una forma predecible, posición
varía dependiendo de la ubicación latitudinal del punto de observador, la fecha y la hora del día. El sol sale cerca del este y se oculta cerca del oeste y tiene su mayor intensidad a medio día. Ver figura 3.
Figura 3. Definición del ángulo cenital del sol, la altura y el azimut
Fuente: http://tdx.cat/bitstream/handle/10803/6839/10Nvm10de17.pdf?sequence=11
25
1.2.1 Radiación solar
La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol, en todas las longitudes de onda existentes. Consta de luz visible, luz infrarroja
y luz ultravioleta, según se observa en la figura 4.
La luz visible se compone de los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul y
violeta, los cuales poseen una longitud de onda específica entre 0,43μm y 0,69μm. Por otra parte, las ondas que se encuentran en la parte infrarroja del espectro
electromagnético se encuentran en un rango entre 0,7μm y 5μm, y las ondas que se encuentran en la zona ultravioleta están entre 0,3μm y 0,4μm.
Figura 4. Espectro Electromagnético
FUENTE. Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente (DAMA), Informe mensual de Red Calidad de Aire de Bogotá. [9]
La radiación solar se divide en tres tipos, teniendo como base para dicha división la forma como se recibe en la superficie de la tierra. La suma de todas las radiaciones recibe el nombre de radiación solar global (H).
Radiación directa (Hb): es aquella radiación que es percibida por la
superficie terrestre directamente del Sol, sin haber sufrido ningún cambio.
Radiación difusa (Hd): es aquella radiación que al momento de atravesar
la atmósfera es absorbida o reflejada por las nubes y por ende, se dirige en todas las direcciones.
Radiación reflejada: es aquella al momento de llegar a la superficie
terrestre, es reflejada por la misma. La cantidad de radiación reflejada
depende únicamente del coeficiente de reflexión de la superficie, al cual se le denomina Albedo.
1.2.2 Irradiancia (G)
Las cantidades de radiación son expresadas generalmente en términos de exposición radiante o irradiancia, que es la potencia instantánea de la radiación solar recibida por unidad de superficie y se expresa (sistema internacional) en
kW/m2.
26
La irradiancia permite calcular la generación de los paneles fotovoltaicos de acuerdo con el máximo valor de potencia especificado, esto se un valor fijo
promedio que contemple las variaciones en el valor de la irradiancia para la respectiva localización [10].
1.2.3 Irradiación (Insolación) (H)
Es la potencia que incide por unidad de superficie en un tiempo determinado. (Es la integración de la irradiancia en un período determinado). La unidad correspondiente en el sistema internacional es el kWh/m2. Se usa “I” para indicar
la insolación horaria y “H” para indicar la insolación en un día.
1.2.4 Radio de Masa de Aire (M)
El radio de masa de aire corresponde a la distancia entre la altura del sol respecto
al horizonte y un observador fijo sobre la tierra. La distancia mínima entre el observador y el sol se alcanzará cuando el sol alcance el cenit, puesto que los
rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto al horizonte. Al ir acercándose el sol al horizonte, la masa de aire (M) crece, y la distancia que deben atravesar los rayos para alcanzar la posición del observador se incrementa.
En la Figura 5 se ve ilustrado este concepto. A la posición del cenit se le asigna, como referencia, una masa de aire unitaria (M1). Para cualquier otra distancia la masa de aire se expresa de la siguiente
forma:
Masa de Aire = 1 / cos (α) =sec(α)
Figura 5. Masa del aire
Fuente: http://ingeniossolares.metroblog.com/archive/2012
La fuente luminosa usada para medir la potencia máxima de salida de un panel
fotovoltaico tiene un espectro luminoso correspondiente a M1,5 esto equivale a
27
una incidencia de los rayos a un ángulo aproximadamente de 48°. Este valor es
uno de los parámetros de medición que han sido adoptados como estándar (STC condiciones de prueba estándar) para evaluar la potencia eléctrica máxima de
salida de un panel fotovoltaico. [11]
1.2.5 Hora solar pico (HSP)
Una hora solar pico es equivalente a la energía recibida durante una hora a una irradiancia promedio de 1000 [W/m2].
Los paneles son evaluados usando una intensidad luminosa 1kW/m2, la duración del día solar promedio representa la cantidad de horas, del total de horas de luz
diaria, en que el panel es capaz de generar la potencia máxima de salida especificada por el fabricante.
1.2.6 Día Solar
El Día solar representa el valor promedio de horas, durante el cual un sol (con radiación constante de 1kW/m2) es capaz de generar la misma cantidad de energía que el sol verdadero entrega, en promedio, en una localización, en la
Figura 6 se ve representado este concepto para un día solar.
Figura 6. Día solar vs horas
FUENTE. ROMERO, Susana. Metodología para la formulación de proyectos de generación de energía eléctrica por medio
de paneles fotovoltaicos.
1.2.7 Constante solar (ISC)
La constante solar es la energía total a todas las longitudes de onda incidentes sobre una superficie normal a los rayos del sol a una distancia de una unidad
28
astronómica (1UA), su valor es de 1.367 [W/m2] según la escala del WRC (World
Radiation Reference Centre); 1.373 [W/m2] según la escala de WMO (World Meteorological Organization).
1.2.8 Declinación solar
Cuando se analiza el movimiento de rotación y traslación de la Tierra, se encuentra que su eje de rotación con respecto al plano de translación alrededor
del Sol, tiene una inclinación fija de aproximadamente 23,45° (no precisa o gira, siempre se encuentra en la misma dirección respecto del plano de translación. Ver Figura 3. El eje siempre tiene la misma orientación). El ángulo formado entre el
plano ecuatorial de la tierra y la línea Tierra-Sol se denomina declinación solar (δ). Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol el valor de este ángulo varía
durante el año. (Ver figura 7).
Figura 7. Variación anual de declinación del sol en Colombia
Fuente: UNIDAD DE PLANTACIÓN MINERO ENERGÉTICA UPME E INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y
ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA IDEAM. Atlas de Radiación Solar de Colombia, apéndice D Mapa de radiación
1.3 MAPA SOLAR EN COLOMBIA
El Atlas de Radiación Solar de Colombia desarrollado por la UPME contiene una aproximación a la distribución espacial del recurso solar, desarrollada con base en
información radiométrica medida directamente en 71 estaciones sobre el territorio nacional, complementada con 383 estaciones meteorológicas donde se realizan medidas rutinarias de brillo solar, y 96 estaciones donde se realizan mediciones de
humedad relativa y temperatura, variables que fueron correlacionadas con la intensidad radiante sobre la superficie. El Atlas ofrece 4 colecciones de 13 mapas
sobre radiación solar global, brillo solar, radiación solar UV, ozono e índices UV. Corresponde en el caso de la radiación solar global a la interpolación de información recolectada y estimada de 550 estaciones meteorológicas y en el caso
de brillo, a 479 estaciones.
29
1.3.1 INTERPRETACIÓN DE LOS MAPAS
Para ilustrar sobre el uso de los mapas de radiación solar global, se debe tener en
cuenta lo siguiente [12]:
Tener presente que el mapa solar es una aproximación a la realidad del
país en el recurso solar.
Todos los valores son referidos en unidades de kWh/m2 durante un día promedio
Las convenciones que mediante colores establecen los rangos de radiación solar global son las que se muestran en la siguiente figura 8.
Figura 8. Convención de colores de los rangos de radiación solar global en kW/m2 día
Fuente: UNIDAD DE PLANTACIÓN MINERO ENERGÉTICA UPME Y INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y
ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA IDEAM. Atlas de Radiación Solar de Colombia.
30
1.3.2 Distribución de la intensidad de la radiación solar en Colombia
El país está caracterizado por las regiones: Andina, Atlántica, Pacífica, Orinoquia y
Amazonia. La intensidad de la radiación solar en la región Andina colombiana muestra que
las zonas de los valles del Cauca y del Magdalena poseen el mayor potencial de esta región, y a medida que se asciende hacia las cimas de las cordilleras ese
potencial va disminuyendo gradualmente, con excepción de algunos núcleos localizados en zonas llamadas altiplanos, donde se observa un potencial solar mayor comparado con el de las laderas.
En las regiones costeras: atlántica y pacífica, los resultados de la evaluación del
recurso solar del país muestran en la región noreste de la costa atlántica (La Guajira) un potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0kWh/m2, el mayor del país. Este valor va disminuyendo gradualmente en dirección sur-oeste hacia la
costa pacífica, donde se presenta el menor potencial solar del país, con valores menores de 3,5 kWh/m2, aunque posee una gran zona con valores entre 4,0 y 4,5
kWh/m2. Las regiones de la Orinoquia y la Amazonia, que comprenden las planicies de los
Llanos Orientales y las zonas de las selvas colombianas; presentan una variación ascendente de la radiación solar en sentido suroeste-noreste, verificándose valores asimilables a los de La Guajira en el noreste (Puerto Carreño).
La Tabla 1 ilustra los rangos de disponibilidad de energía solar promedio
multianual por regiones [12].
Tabla 1. Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones
Fuente: UNIDAD DE PLANTACIÓN MINERO ENERGÉTICA UPME E INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA IDEAM. Atlas de Radiación Solar de Colombia, apéndice D
31
1.3.3 Radiación solar en Bucaramanga
La información que se muestra fue suministrada por la Corporación Autónoma
Regional para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga (CDMB). La CDMB es un organismo competente para realizar las mediciones de radiación solar.
La CDMB cuenta con varias estaciones meteorológicas repartidas a lo largo de la ciudad, una de ellas es la estación meteorológica CENTRO, de la cual tiene datos
históricos (2001-2011) de radiación solar diaria en hora pico de la ciudad de Bucaramanga. En la tabla 2 se muestran los análisis sintetizados y promediados de las Horas Pico Solar en Bucaramanga, para todos los meses del año entre el
2001 y el 2008 en kW/m2.
La ubicación de la estación de referencia para Bucaramanga es; San Antonio y tiene como longitud -730.667° latitud 71.000° y elevación 1539 metros.
Tabla 2. Radiación solar horas picos, Bucaramanga. kW/m2.
ene feb mar abril may jun jul ago sept Oct nov dic prom
2001 5,3 5,3 5,2 5,9 5,3 5,6 5,8 5 5,5 5,2 4,9 4,1 5,25
2002 5,5 5,3 5,5 5,2 5,4 4,8 5 5,4 5,7 5,5 5,3 4,8 5,27
2003 5,2 5,6 5,8 6,6 6,3 5,6 4,8 5,2 5,2 4,8 4,8 4,9 5,39
2004 4,9 5,7 5,5 4,6 5,1 5,1 4,7 5,3 5,3 5,2 4,9 4,9 5,08
2005 4,5 4,8 6,3 5,2 5,6 4,7 4,9 4,9 4,9 5,3 4,6 4,5 5,02
2006 4,9 5,5 5,1 4,9 5,2 4,7 4,4 5 5,1 4,9 4,8 4,4 4,89
2007 5,5 6,1 5,3 5,5 4,9 4,3 4,8 4,7 5,2 5,2 4,8 4,9 5,11
2008 5,2 5,8 5,8 5,4 5,6 4,8 5 5,3 5,2 5,1 5 4,7 5,24
2009 5,4 5,9 5,6 6,1 5,5 4,8 5 5,2 5,4 4,9 5 4,7 5,29
2010 5,4 5,8 5,7 5,3 5,3 4,9 5 5,2 5,2 5,1 5,1 4,9 5,24
2011 5,1 6 5,4 5,9 5,2 4,1 5 5 5,3 5,3 5,1 4,7 5,18
Prom 5,25 5,34 5,23 5,85 5,32 5,62 5,77 4,96 5,46 5,15 4,91 4,14
Fuente: propia del autor
1.3.4 Mapa de radiación solar para Bucaramanga
Las siguientes ilustraciones muestran promedios anuales diarios de la cantidad de energía de la radiación solar que incide por metro cuadrado de superficie
horizontal sobre el territorio colombiano. En la figura 9 se puede observar la relación de radiación solar en Santander desde el mes de enero a diciembre del
año 2010.
32
Figura 9 Radiación solar para Santander mes de enero
ENERO FEBRERO MARZO
ABRIL MAYO JUNIO
JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE
OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE
FUENTE: PROPIA DEL AUTOR
33
2. GUÍAS TÉCNICAS Y CONTEXTO JURÍDICO NACIONAL E
INTERNACIONAL
El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC)3 ha desarrollado dos guías técnicas y unas normas referida a la energía solar. Las siguientes están relacionadas con la utilización de la conversión de energía solar en energía térmica y fotovoltaica.
A) Registro:(1 de 9 ) Paginas( 1 / 3 ) Código NTC 1736
Tipo de Documento Norma técnica Colombiana Título en Español ENERGIA SOLAR. DEFINICIONES Y NOMENCLATURA. Título en Inglés SOLAR ENERGY. DEFINITIONS AND NOMENCLATURE. Número de páginas 23 Estado Vigente Fecha de ratificación 2005/08/24
B) Registro:(2 de 9 ) Paginas( 1 / 3 ) Código NTC 2631
Tipo de Documento Norma técnica Colombiana Título en Español ENERGÍA SOLAR. MEDICIÓN DE TRANSMITANCIA Y REFLECTANCIA
FOTOMÉTRICAS EN MATERIALES SOMETIDOS A RADIACIÓN SOLAR.
Título en Inglés SOLAR ENERGY. CALCULATION OF PHOTOMETRIC TRANSMITTANCE
AND REFLACTANCE IN MATERIALS SUBJECTED TO SOLAR RADIATION.
Número de páginas 6 Estado Vigente Fecha de ratificación 1989/10/18
C) Registro:(4 de 9 ) Paginas( 1 / 3 ) Código NTC 2775 Tipo de Documento Norma técnica Colombiana Título en Español ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. TERMINOLOGÍA Y DEFINICIONES. Título en Inglés SOLAR ENERGY PHOTOVOLTAIC. TERMINOLOGY AND DEFINITIONS. Número de páginas 7 Estado Vigente Fecha de ratificación 2005/08/24
D) Registro:(6 de 9 ) Paginas( 2 / 3 ) Código NTC 3322
Tipo de Documento Norma técnica Colombiana
Título en Español ENERGÍA SOLAR. SELLOS DE CAUCHO USADOS EN COLECTORES
SOLARES DE PLACA PLANA.
Título en Inglés SOLAR ENERGY. STANDARDS SPECIFICATION FOR RUBBER SEALS
USED IN FLAT-PLATE SOLAR COLLECTORS.
Número de páginas 7 Estado Vigente Fecha de ratificación 1992/02/19
3 http://www.icontec.org.co/Home.asp?CodIdioma=ESP
34
E) Registro:(7 de 9 ) Paginas( 2 / 3 ) Código NTC 3507 Tipo de Documento Norma técnica Colombiana Título en Español ENERGÍA SOLAR. INSTALACIÓN DE SISTEMAS DOMÉSTICOS DE AGUA
CALIENTE QUE FUNCIONAN CON ENERGÍA SOLAR.
Título en Inglés INSTALLATION OF SOLAR DOMESTIC HOT WATERS SYSTEMS. Número de páginas 18 Estado Vigente
Fecha de ratificación 1993/03/17
F) Registro:(8 de 9 ) Paginas( 2 / 3 ) Código NTC 4368
Tipo de Documento Norma técnica Colombiana Título en Español EFICIENCIA ENERGÉTICA. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA
CON ENERGIA SOLAR Y COMPONENTES.
Título en Inglés POWER EFFICIENCY. SOLAR POWER WATER HEATING SYSTEMS AND COMPONENTS.
Número de páginas 64 Estado Vigente Fecha de ratificación 1997/12/17
G) Registro:(9 de 9 ) Paginas( 3 / 3 ) Código GTC 108
Tipo de Documento Guía Técnica Colombiana
Título en Español ENERGÍA SOLAR. ESPECIFICACIONES PARA SISTEMAS DE
CALENTAMIENTO DE AGUA CON ENERGIA SOLAR, DESTINADA AL USO DOMESTICO.
Título en Inglés SOLAR ENERGY. SPECIFICATIONS FOR WATER HEATING SYSTEMS WITH SOLAR ENERGY, INTENDED TO DOMESTIC USE.
Número de páginas 33
Estado Vigente
Fecha de ratificación 2004/11/03
2.1 MARCO LEGAL
Para incentivar la implementación de proyectos que promuevan la utilización de energías alternativas algunas naciones han formalizado leyes y tratados para controlar el uso indebido de los recursos naturales y para reducir el despilfarro de
energía eléctrica en instalaciones de uso final. Algunos de los tratados más importantes a nivel mundial y nacional son los siguientes:
Convenio de Viena
Convenio de Basilea
Protocolo de Kyoto
La Ley URE 697 del 2001
Norma ISO 50001
Ejecutando las lecciones contenidas en estos tratados reducirían la utilización de fuentes a base de carbono con su disminución en emisión de gases efecto
invernadero y, en general en contaminación ambiental
35
2.1.1 CONVENIO DE VIENA
Para mitigar el deterioro ambiental que se advirtió en la década de los 80, la
comunidad internacional, por tanto, adoptó en 1985 el Convenio de Viena. El objetivo es la protección de la capa de ozono y reducir una de las causas del cambio climático global, producto de la contaminación ambiental.4
Según estudios realizados por la comunidad científica sobre la reducción de la
capa de ozono en los últimos años, ésta debería recuperarse en algunas zonas del globo terráqueo en el año 2049 (exactamente en las latitudes medias que se encuentran 30-60 grados al norte y al sur). Por otra parte, se prevé que para el
año 2065 estaría recuperada la capa de ozono sobre el Antártico, es decir, 15 años más tarde de la esperada.
A pesar que los resultados no se han dado en las fechas que se esperaban, si se ha podido demostrar que el convenio está resultando de gran ayuda para la
recuperación y la protección de la capa de ozono.
Este convenio es un ejemplo de la voluntad política y las decisiones de alto nivel para el logro de propósitos individuales para las naciones, pero con beneficios a nivel mundial.
Para el estudio del deterioro de la capa de ozono en los últimos años, el Convenio
de Viena dejó escrito entre las obligaciones generales de las partes, la de cooperar e intercambiar información entre los países que ratificaron el convenio, con el fin de comparar cifras y llevar un adecuado control de la contaminación
ambiental de manera permanente [15].
Todos los países que acogieron el Convenio de Viena, están comprometidos a realizar una serie de investigaciones y observaciones sistemáticas en pro de la protección de la capa de ozono. Algunas de estas actividades son:
Investigar sobre los procesos tanto físicos como químicos que pueden
afectar la capa de ozono.
Indagar sobre sustancias y tecnologías alternativas que puedan ayudar a la
protección y recuperación de la capa de ozono.
Observar cualquier modificación en la capa de ozono que pueda alterar el clima terrestre.
Evaluar los efectos que puedan tener las radiaciones UV-B sobre los seres vivos (debido a la reducción de la capa de ozono.)
4 NACIONES UNIDAS. Manual del convenio de Viena para la protección de la capa de ozono. 2006. Séptima edición. 78 p
36
2.1.2 CONVENIO DE BASILEA
El convenio de Basilea se consolida durante la década de 1980 como una iniciativa para controlar el riesgo de los movimientos transfronterizos de desechos
tóxicos entre naciones. Fue aprobado en 1989 y entra en vigencia en 1992.5
Se basó en la definición de una serie de procedimientos para el manejo de desechos por parte de las grandes empresas. Tradicionalmente, las empresas enviaban los desperdicios a territorios lejanos, donde eran arrojados en los suelos
y ríos afectando el medio ambiente, la salud humana e incluso cobrando vidas humanas y animales.
El convenio fue acogido por 170 países y es un importante esfuerzo para controlar los desechos tóxicos y la eliminación de los mismos.
Para evitar nuevas catástrofes ambientales por la mala disposición final de
desechos tóxicos, el Convenio acordó las pautas que se deben seguir para lograr un manejo adecuado de los mismos.
Las partes convocadas en el Convenio, se comprometieron a realizar un estricto control de sus desechos tóxicos y a adoptar mejores prácticas para minimizarlos.
Se acordó que cada país debe realizar una serie de estudios para aquellos desechos imposibles de eliminar, con el fin de cuantificar los riesgos para la salud humana.
Adicionalmente compromete a cada nación a dar a conocer los procesos que
realiza para la eliminación de los desechos tóxicos producidos por sus industrias y también establece restricciones al transporte de residuos, por medio de procesos que permitan eliminarlos en el mismo lugar donde se producen. Finalmente
estableció una serie de inspecciones desde el momento de la generación de los desechos peligrosos hasta su acopio, transporte, reutilización, reciclado,
recuperación y disposición final. De ser necesario el transporte de residuos a otros lugares para su eliminación, se reglamentó una certificación donde se evidencie el transporte seguro de los
mismos y la aprobación de la recepción por parte del país que los va a tratar [16].
Actualmente, la Convención de Basilea cuenta con 14 centros de coordinación del convenio ubicados en Argentina, China, Egipto, El Salvador, Rusia, Indonesia, Nigeria, la República Eslovaca, Irán, Samoa, Senegal, Sudáfrica, Trinidad y
Tobago y el Uruguay.
5 NACIONES UNIDAS. Convenio de Basilea sobre el control de los movimientos transfronterizos de los desechos peligrosos
y su eliminación adoptado por la conferencia Plenipotenciarios del 22 de marzo de 1989. 1989. 53 p
37
2.1.3 PROTOCOLO DE KYOTO
El protocolo de Kyoto es un convenio pactado entre la mayor parte de los países de todo el mundo, con el fin de reducir las emisiones de los principales gases
causantes del calentamiento global. 6 En el documento se adoptan estrategias para reducir en un mínimo el 5% las
emisiones de gases contaminantes causantes del calentamiento global (dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, hidrofluorocarbono, perfluorocarbono y
hexafluoruro de azufre) en el periodo establecido entre el 2008 y el 2012 con respecto al año 1990. Lo anterior no supone que todos los países que firmaron el acuerdo estén comprometidos a reducir en un 5% sus emisiones, ya que los
países industrializados tienen mayor emisión de gases contaminantes que los países tercermundistas. El Protocolo está vigente desde el 16 de febrero del 2005, aunque fue realizado el 11 de diciembre de 1997 en la ciudad de Kyoto, Japón
[13].
La mayoría de países industrializados firmaron y ratificaron el Protocolo de Kyoto con excepción de Estados Unidos, debido a que este país consideró que era un acuerdo que no tenía sentido, debido a que excluía países con altas emisiones de
gases contaminantes como la China y la India por ser estados que se encuentran con un alto nivel de industrialización. La Figura 9 muestra el mapa con la
inclinación socio-política frente al Protocolo de cada uno de los países del mundo.[13]
El Protocolo de Kyoto determina las emisiones de gases contaminantes que se deben disminuir, e incluye pautas para cumplir el objetivo del acuerdo.
La implementación de energías alternativas para la reducción de la contaminación ambiental es un factor importante que se menciona en el acuerdo. Todos los
países que ratificaron el tratado, se comprometen a disminuir la contaminación ambiental creada por sus industrias por medio de campañas que sensibilicen a los
habitantes sobre la importancia del uso racional y la adopción de las energías alternativas como alternativa para satisfacer su demanda energética [13].
La sustitución de prácticas industriales que conlleven a una alta contaminación ambiental, por procedimientos amigables con el medio ambiente.
El cumplimiento del protocolo de Kyoto está subordinado a un estudio de la capacidad de emisión de gases a la atmósfera efectuado por cada nación. De este
modo a los países con grandes emisiones de gases se les exige de manera más estricta su cumplimiento.
6 NACIONES UNIDAS. Ratif icación del protocolo de Kyoto. 2009. 11 p
38
Figura. 10 Posición de los diversos países respecto al protocolo de Kyoto 2011
Firmado y ratificado (Anexo I y II). Firmado y ratificado. Firmado pero con ratificación rechazada. Abandonó. No posicionado.
Fuente: «Kyoto Protocol: Status of Ratif ication» (en inglés) (PDF). Organización de las Naciones Unidas . Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (14 de enero de 2009).
Para los países en vías de desarrollo que no poseen un alto índice de emisiones de gases nocivos, el protocolo de Kyoto no exige el cumplimiento de las metas cuantitativas que contiene. Por ejemplo, la república de Argentina en consistencia
a lo expuesto en el acuerdo, ratificó el tratado a través de la Ley Nacional 25.438 para lograr una reducción de las emisiones de gases tóxicos o por lo menos evitar
su incremento. 2.1.4 LEY URE “USO RACIONAL Y EFICIENTE DE LA ENERGÍA” 697 DE 2001
Con respecto al uso racional y eficiente de la energía (URE), Colombia expidió la
Ley 697 del 2001 con la cual se busca motivar la adopción de una conciencia colectiva del daño que se logra debido al uso incorrecto de la energía eléctrica. En este propósito se propone la utilización de energías renovables como una
alternativa confiable de abastecimiento de la demanda energética y para disminui r la contaminación ambiental.
La entidad responsable de promover, organizar y asegurar el desarrollo y el seguimiento de los programas del URE es el Ministerio de Minas y Energía.
El objetivo de esta ley es:
Promover y asesorar los proyectos URE, presentados por personas
naturales o jurídicas de derecho público o privado, de acuerdo con los lineamientos del programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía y demás formas de energía no convencionales (PROURE), estudiando la
viabilidad económica, financiera, tecnológica y ambiental.
39
Promover el uso de energías no convencionales dentro del programa de
Uso Racional y Eficiente de la Energía y demás formas de Energía no Convencionales (PROURE), estudiando la viabilidad tecnológica, ambiental
y económica [17].
Para la realización de proyectos de energías no convencionales, el Ministerio de Minas y Energía ha creado el programa de Uso Racional y Eficiente de la Energía
(PROURE), el cual pretende hacer cumplir todas las normativas expuestas en la Ley URE, con el fin de velar por la protección del medio ambiente, el uso apropiado de los recursos renovables y el cumplimiento con los niveles mínimos
de eficiencia energética.
Con la puesta en marcha de la ley URE, todos los usuarios que se vean beneficiados por este tipo de iniciativas, deben ser capacitados por las empresas prestadoras de servicio de energía eléctrica y gas, en programas URE con el fin
de adquirir conocimientos financieros y técnicos de la implementación de este tipo de proyectos.
Para hacer accesible la implementación de proyectos de energías renovables, el gobierno nacional ha dispuesto para los usuarios una serie de garantías, que
ayuden en la puesta en marcha de proyectos de esta índole. Los proyectos relacionados con la investigación y la educación, serán los más beneficiados.
Colciencias deberá crear programas de investigación que vinculen el uso de energías alternativas, según lo establecido en la Ley 29 de1990 y el decreto 393 de 1991.
Por otra parte, el ICETEX respaldado por el gobierno nacional, está obligado a
otorgar préstamos a los estudiantes que deseen cursar programas académicos de educación superior o especializaciones que tengan que ver con el Uso Racional y Eficiente de la Energía. Esto garantiza de cierta manera, que las generaciones
futuras mantengan el interés en la preservación del medio ambiente y busquen la manera de contrarrestar la contaminación ambiental, presentando proyectos
innovadores en este campo. Las personas que logren proyectos URE y se destaquen a nivel nacional por
implementar este tipo de iniciativas, serán galardonas por el Gobierno Nacional, el cual dará a conocer esta condecoración en los medios de comunicación más
importantes del país. Los galardones mencionados anteriormente serán entregados una vez por año.
El Gobierno Nacional representado por el Ministerio de Minas y Energía y las empresas de carácter público y privado, son los encargados de promover el uso
de estas iniciativas por medio de todos medios de comunicación posible, y a su vez, de inculcar en todos los ciudadanos una cultura de uso correcto de los
40
recursos renovables. Para esto se incentivará a las empresas encargadas de la
importación de equipos que se utilicen para la implementación de proyectos de energías no convencionales, con el fin de facilitar la ejecución de los proyectos
URE y de este modo masificar esta iniciativa a nivel nacional. Todos los acuerdos medio ambientales expuestos anteriormente se han elaborado
con el fin de asegurar la supervivencia a largo plazo de todos los seres vivos, de infundir una conciencia ambientalista en las personas y de promover el uso de
energías renovables. En cuanto a la implementación de proyectos de energías renovables, los
gobiernos han determinado una serie de pautas para garantizar que éstos se lleven a cabo de una manera apropiada, protegiendo de esta forma los intereses
de los usuarios y evitando el uso indebido de recursos naturales. Algunas de las normas de este tipo que rigen a los usuarios en Colombia son las resoluciones 84 y 85 de 1996 de la CREG (Comisión Reguladora de Energía y GAS) y el capítulo
6, sección 690-1 de la NTC 2050 (Código Eléctrico Colombiano).
2.1.5 NORMA ISO “ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DE NORMALIZACIÓN” 50001
La norma ISO 50001 fue creada por el comité ISO/PC242 para normalizar los procesos enfocados al uso racional y eficiente de la energía. Su propósito es el
reducir el uso de los recursos naturales y mitigar el cambio climático causado por la contaminación ambiental y el excesivo uso del recurso energético. Este estándar establece unas pautas para las empresas industriales y comerciales para
gestionar la energía eléctrica. Se prevé que su alcance logre influir en un 60% del consumo energético mundial.7
La norma busca que las empresas enfocadas en la gestión energética de sus procesos, certifiquen el modelo de gestión en un marco de referencia genérico y
global. Ha sido adecuada con los mismos estándares de las normas ISO 9001 (gestión de calidad) e ISO 14001 (gestión ambiental) con el fin que tengan una
amplia compatibilidad entre estas 3 normativas [17]. Las empresas que se acojan al estándar de la ISO 50001 podrán lograr beneficios
como:
Pautas para la integración de la eficiencia energética en las prácticas de gestión.
Uso de los equipos que consumen energía eléctrica
7 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO). Norma ISO 50001. 2008.
41
Evaluaciones comparativas, mediciones, documentación e informes de
mejoras en la gestión energética.
Mejores prácticas en la gestión de la energía y las buenas conductas en la
gestión de la misma.
2.1.6 RESOLUCIÓN 84 DE 1996 CREG “COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA Y GAS”
La resolución 84 de 1996 de la CREG (Comisión Reguladora de Energía y Gas) indica las pautas que debe seguir una persona natural o jurídica para generar
energía eléctrica bajo la denominación de autogenerador, con el fin de satisfacer su consumo energético diario.
Esta resolución plantea todas las normas, derechos y deberes que posee un autogenerador en procura de su bienestar y el de los otros consumidores del
servicio energético. Los autogeneradores procuran abastecer su consumo de energía eléctrica y solo
utilizan la red pública en caso de necesitar respaldo del SIN (Sistema de interconexión Nacional) para satisfacer su consumo energético, y por ende, tienen
que estar conectados al SIN. Algunos aspectos importantes de la resolución se describen a continuación.
Para garantizar una conexión adecuada del autogenerador, el STN (Sistema de transmisión Nacional), STR (Sistema de Transmisión Regional) o SDL (Sistema de
Distribución Local), suministra toda la información solicitada por este fin, en un periodo máximo de 2 meses a partir de la fecha de la solicitud.
Por otra parte, la resolución establece que cuando el transportador (STN, STR o SDL) solicite un estudio de la conexión, el autogenerador tendrá un máximo de 3
meses para presentar dicho estudio a partir de la fecha de la solicitud y asumirá los gastos para la realización del mismo.
El autogenerador instalará equipos de medida horaria de energía eléctrica entre su conexión, para controlar el suministro de energía eléctrica.
Para mantener la categoría de autogenerador, el autogenerador solo podrá vender energía a la bolsa, especialmente en caso de racionamiento declarado de energía. 2.1.7 RESOLUCIÓN 85 DE 1996 CREG “Comisión Reguladora de Energía y Gas”
La Resolución 85 de 1996 de la CREG (Comisión Reguladora de Energía y Gas)
indica las pautas que debe atender una persona natural o jurídica para realizar un
42
proceso de producción de energía eléctrica y energía térmica bajo la figura de
cogenerador, con el fin de satisfacer su consumo energético o el de terceros que se encuentran conectados al SIN.
La resolución plantea las normas, derechos y deberes de un cogenerador procurando su bienestar y el de los otros usuarios consumidores del servicio
energético.
Para garantizar una conexión adecuada de la planta generadora del cogenerador, el STN (Sistema de transmisión Nacional), STR (Sistema de Transmisión Regional) o SDL (Sistema de Distribución Local), debe suministrar toda la
información que sea solicitada por el cogenerador para dicho fin, en un periodo máximo a 2 meses a partir de la fecha la solicitud.
Cuando el transportador (STN, STR o SDL) solicite un estudio de la conexión del cogenerador, este tendrá un máximo de 3 meses para presentar dicho estudio a
partir de la fecha de recepción de la solicitud y deberá costear todos los gastos para la realización del mismo.
Un cogenerador regulado es aquel cuya demanda máxima es inferior o igual al límite de potencia que establece la CREG para dicho fin.
De acuerdo con esta resolución, el cogenerador debe cumplir con las siguientes
condiciones:
Todas las conexiones realizadas por el cogenerador deben estar de
acuerdo a los códigos y reglamentos vigentes al momento de realizar dicha conexión.
El Cogenerador con categoría de Usuario No Regulado, debe contratar su respaldo con cualquier comercializador del mercado mayorista.
El Cogenerador con categoría de Usuario Regulado será respaldado por el comercializador del mercado regulado donde se encuentre localizada la planta de Cogeneración.
El Cogenerador tendrá en cuenta el comportamiento de la Bolsa de Energía, ya que este es el escenario donde los comercializadores y
generadores realizan intercambios de ofertas y demandas de energía, por medio de contratos de compra y venta de energía eléctrica.
Los cogeneradores pueden vender energía eléctrica en la Bolsa de Energía
si cumplen con las normativas establecidas en la resolución 85 de 1996 de la CREG.
43
2.1.8 NTC “norma técnica colombiana” 2050 – generación fotovoltaica.
La norma para el diseño y la construcción de instalaciones eléctricas en Colombia
es la NTC 2050. Ésta, en la sección 690, expone los pasos y las indicaciones que se deben llevar a cabo para la adecuada instalación de sistemas solares fotovoltaicos con o sin acumuladores, los cuales pueden ser autónomos o estar
interconectados con otra fuente de generación de energía eléctrica.8
En cuanto a los sistemas fotovoltaicos autónomos, la norma define los componentes necesarios para su instalación (sección 690). Los sistemas solares fotovoltaicos que se encuentran interconectados con otras fuentes de generación
de energía eléctrica, se rigen para su adecuada instalación por los ítems de la sección 705.
La Figura 11 muestra el esquema propuesto por la NTC-2050, para la conexión de un sistema solar fotovoltaico sin acumuladores de energía eléctrica. Aquellos
cálculos para el diseño de Sistemas Solares Fotovoltaicos que no aparezcan explícitos en la sección 690 de la NTC-2050, se tomarán según lo indicado en la
misma o en secciones anteriores de la norma. Todos los equipos están dimensionados para fallas por sobretensiones o
sobrecorrientes en alguno de sus componentes. Se deben instalar los equipos de cierta forma que puedan ser retirados para su mantenimiento sin incurrir a daños
en el sistema eléctrico.
Figura 11. Sistema Fotovoltaico sin acumulador de Energía Eléctrica.
FUENTE. NTC 2050. Sistema solar fotovoltaico
8 http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fbasedoc.superservicios.gov.co%2Fark-
legal%2FServletControl%3Bjsessionid%3D9816DFB6256DE7C6316EBC798A8B490C%3FdocId%3Ddcfd6e36-e519-447d-8378-222668be9ea2%26docName%3Dr_creg_0085_1996.html%26mimetype%3Dapplication%252Fpdf%26operacion%3DdescargarVista&ei=uwvbUrL3K6ersQTmxoGwCg&usg=AFQjCNFyF6j4QMrYCyW9Gk2197LfZOgbxA&sig2=_d0lePrykEjJDQhAoFfFpg&bvm=bv.59568121,d.eW0
44
3. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA
Se han propuesto una variedad de combustibles para ayudar a disminuir la
contaminación ambiental y proporcionar la demanda de energía requerida por la humanidad. Estos combustibles incluyen gasolinas reformuladas, etanol, metanol, líquidos sintéticos, gas natural comprimido e hidrógeno. De todas estas
alternativas el hidrógeno ofrece el más grande potencial para disminuir la contaminación ambiental y los más grandes beneficios para complementar la
demanda de energía. Al igual que la energía eléctrica, el hidrógeno podría ser una fuente de energía versátil, ya que se puede producir de una gran variedad de fuentes primarias de energía renovable (solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, etc.)
y no renovables (petróleo, gas natural y carbón). Si el hidrógeno se obtiene de la descarbonización de algún combustible fósil, el CO2 que se produce podría ser
capturado y almacenado de forma segura para no contaminar. El Hidrógeno puede ser usado como combustible en un motor de combustión interna con una alta eficiencia de conversión, o transformarse electroquímicamente en una celda de
combustible [19].9 3.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE GENERACIÓN
Dentro de las diferentes variantes de utilización de la energía solar, la fotovoltaica
es la única que se convierte directamente en electricidad. Esta tienen las cualidades de; no utilizar agua, ser versátil, silenciosa, e instalarse fácilmente.
ademas, genera energía renovable inmediatamente y en la actualidad tiene poco riesgo tecnológico.
Una desventaja importante que debe resolver la energía fotovoltaica es su costo. A finales de la década pasada se decía que la energía fotovoltaica se haría
competitiva cuando el kW-h de energía eléctrica descendiera del umbral de USA $ 0.10 [20],10 sin embargo en la actualidad con los altibajos drásticos del precio del barril de petróleo es difícil anunciar un pronóstico de competitividad en relación al
precio del kW-h producido por las fuentes de energía convencionales. En dependencia de las tecnologías de fabricación de los diversos paneles solares, el
precio del kW-hr fotovoltaico es superior al precio del kW-h producido por medios convencionales, aunque con el incremento de los volúmenes de producción de la energía fotovoltaica se reducen de manera importante los costos [21] 11. La
construcción de plantas de 10-20 MW de energía fotovoltaica conectadas a la red también hace disminuir los costos [22]12. En este punto, es importante resaltar la
descentralización que se logra en la entrega de la energía a través de las instalaciones fotovoltaicas. En Europa, particularmente en Alemania, se ha logrado
9 Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2009
10 J. Holladay, J.Hu, D. King, Y. Wang, Catalysis Today, 139 (2012) 244-260
11 M. Ball, M. Wietschel, Int. J. Hydrogen Energy, 34 (2011) 615-627
12 O. Solorza-Feria, H2 y Celdas combustible, http://www.relaq.mx/RLQ/h2.html.
45
ir disminuyendo el precio del Watt, a través de una política gubernamental, que ha
incentivado el uso de sistemas fotovoltaicos en los sectores públicos, empresariales y en la población en general.
A los precios actuales el tiempo de amortización de un sistema fotovoltaico es de
más de 10 años. Esto implicaría un desestimulo para su implementación en los sectores anteriormente mencionados. Para solucionar esta situación en la Unión
Europea 16 de 25 Estados miembros han establecido primas a la producción de energía solar fotovoltaica dentro del cálculo de la tarifa eléctrica o se ha establecido una reglamentación en la cuál a todas las instalaciones fotovoltaicas
conectadas a la red se les paga un precio superior, a veces hasta de cuatro veces, el kW-h que generan de la instalación, respecto al que consumen de la red [23]13.
Esto determina el tiempo de amortización que de más de 20 años se reduce a cerca 4 años, lo cual ha estimulado la instalación masiva de estos sistemas,
debido a la disminución del costo del Watt pico fotovoltaico [24]14. Se prevé que en los próximos cinco años, el precio del Watt fotovoltaico será totalmente competitivo
en la Unión Europea, Japón y el resto de Asía, mientras que en los Estados Unidos, país que se incorporó a la utilización masiva de sistemas fotovoltaicos después de los citados anteriormente, se establecen políticas por los diferentes
estados de la Unión para alcanzar la competitividad de otras zonas geográficas del planeta.
Otra alternativa sustancial es la disminución de los costos de producción del silicio, material del cual se produce casi el 90% de las celdas solares. Obtener silicio
grado solar barato y abundante es el principal objetivo para la disminución del precio del kW-h fotovoltaico.
El incremento en la energía de conversión de las celdas solares es otro camino en la disminución de los costos. Las celdas solares fabricadas con base en películas
delgadas poseen un costo menor por área, al utilizar menos material, y aunque poseen una eficiencia menor que las de silicio convencional, el costo del Watt
fotovoltaico puede llegar a disminuir hasta USA $ 0,15 el kW-h fotovoltaico [24]. A pesar de que todavía es necesario continuar trabajando en proyectos de
investigación y desarrollo tecnológico para mejorar las eficiencias de las celdas solares y reducir sus costos; y que el año 2012 comenzó con una recesión
económica global, el mercado fotovoltaico sigue creciendo.
13 O. Solorza-Feria, E. Rios-Leal, E. Poggi-Varaldo, Energías Renovables biológicas-H2-Pilas de Combustible, http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales.html 14 FORMULACIÓN DE UN PLAN DE DESARROLLO PARA LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA EN
COLOMBIA (PDFNCE), DIAGNÓSTICO DE LAS FNCE EN COLOMBIA, UPME, Bogotá, Diciembre 30 de 2010
46
3.2 FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS CELDAS SOLARES
Para la transformación de la energía de la radiación solar en electricidad se
requiere que se cumplan tres aspectos fundamentales:
1. Existencia de una unión p-n.
2. Incidencia de fotones con energías igual o mayor que la banda prohibida del semiconductor.
3. Producción de portadores de carga libres (electrones y huecos), difusión y separación de los portadores a través del campo creado en reunión y cohesión final de los portadores por los electrodos respectivos de la celda
solar.
Una celda solar es el dispositivo donde ocurren los tres eventos antes mencionados. La celda solar es un dispositivo electrónico constituido por una unión p-n que convierte directamente la energía de la radiación solar en energía
eléctrica. Al incidir la luz sobre una celda solar genera un voltaje entre sus terminales y al mismo tiempo una corriente que circula por un circuito externo,
produciendo una potencia P = I*V que puede ser empleada para energizar cualquier equipo, aparato o accesorio eléctrico. Nótese que en la celda solar no hay elementos móviles necesarios para la transformación como en los métodos
convencionales, que ocurren en una central eléctrica, la transformación de la energía se da entonces de manera directa [19]15
Para entender el funcionamiento de una celda solar, es necesario comprender las propiedades de los elementos químicos y los materiales que la constituyen.
A temperatura ambiente la red cristalina de un sólido cristalino tiene una energía
térmica que, provoca que los electrones oscilen con mayor amplitud, causando que algunos electrones adquieran energía excedente que les permita poder escapar del enlace que los mantienen unidos a los átomos, convirtiéndose en
electrones libres que participen en la conducción eléctrica [19].
Los átomos que conforman los elementos semiconductores son aquellos que se encuentran en el grupo IV de la tabla periódica, fundamentalmente el Si y el Ge. También existen compuestos semiconductores, formados por la combinación de
elementos del grupo III y V (llamados semiconductores III-V, como el GaAs, el GaP, el GaSb, el InP, y otros) y por la combinación de los elementos del grupo II y
VI (llamados semiconductores II-VI, como el ZnSe, el CdTe, el CdS, el ZnS, etc.) [19].
Otros compuestos semiconductores han sido obtenidos a través de la combinación de elementos de la tabla periódica, agrupándose bajo la denominación de
15
Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
47
compuestos IVIV como el SiC, IV-VI como el PbS, V-VI como el Bi2Te3 y
compuestos ternarios como el CuInSe2, o el HgCdTe lo cual haría interminable esta relación y cuyas propiedades permiten utilizarlos en una amplia gama de
aplicaciones como detectores infrarrojos, diodos emisores de luz, sensores de gases y por supuesto, en celdas fotovoltaicas. [19]
El silicio es el material semiconductor más común en la naturaleza. Se emplea en toda la microelectrónica con el cuál se fabrican los circuitos integrados y se ha
logrado un gran progreso en la producción casi perfecta de estos cristales.
El rasgo más distintivo de un semiconductor es su representación en los llamados
esquemas de bandas. Estas bandas se muestran esquemáticamente en la Figura 12
Figura 12.Representación esquemática del diagrama de bandas de un
semiconductor
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
Cuando un electrón de valencia rompe su enlace y pasa a la banda de conducción
deja atrás un enlace suelto que puede ser ocupado por otro electrón que se encuentra en la banda de valencia. Este movimiento es equivalente al movimiento
de una carga positiva a través del cristal. Es mucho más conveniente analizar este espacio vacío, al cual se le llama hueco, que el conjunto total de los electrones restantes. El hueco es así similar al electrón pero con carga positiva. La Figura 12
muestra esquemáticamente el movimiento de electrones y huecos libres bajo la acción de un campo eléctrico externo. Nótese que el electrón se mueve hacia el
potencial positivo en tanto el hueco lo hace hacia el potencial negativo [19]. El concepto de banda prohibida o “Gap” de energía es fundamental para el
funcionamiento de una celda solar. Para una eficiente operación de una celda solar las propiedades esenciales de los materiales semiconductores están
caracterizadas por los siguientes parámetros:
La banda prohibida
El número de portadores de carga libre que contribuyen a la conducción
Los procesos de generación y recombinación de los portadores libres
cuando incide la luz
48
Figura 13. Representación esquemática del movimiento de electrones y huecos
libres bajo la acción de un potencial aplicado.
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
3.2.1 Principio de funcionamiento de las celdas fotovoltaicas
Cuando la luz del sol incide sobre el material, los fotones generan pares electrón-hueco tanto en el semiconductor tipo p como en el n. Los electrones entonces
liberados de sus enlaces, se comportan ahora como electrones libres, difundiéndose por el material. Igualmente ocurre con los huecos. En la Figura 14
se presenta un esquema simplificado del funcionamiento de una celda solar fotovoltaica [24].16
Figura 14. Procesos ocurridos en una celda solar fotovoltaica FU
FUENTE: DIAGNÓSTICO DE LAS FNCE EN COLOMBIA, UPME, Bogotá, Diciembre 30 de 2010
16
FORMULACIÓN DE UN PLAN DE DESARROLLO PARA LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA EN COLOMBIA (PDFNCE), DIAGNÓSTICO DE LAS FNCE EN COLOMBIA, UPME, Bogotá, Diciembre 30 de 2010
+ -
+ -
Contacto
frontal
Separación de
carga
Recombinación
Contacto posterior Transmisión
Región p
Región n + -
Separación de
carga
+
-
Reflexión
49
Los electrones que se encuentran en exceso en el semiconductor n migran hacia
el semiconductor p y los huecos del semiconductor p al semiconductor n. De esta manera, se establece un campo eléctrico fijo en la región interfacial de la juntura
pn. Este campo eléctrico en la juntura pn es el responsable de establecer la corriente eléctrica a partir de los electrones que en su difusión en el sólido alcanzan la región de la juntura pn donde se encuentra el campo eléctrico. El
potencial asociado con la juntura pn depende del material que conforma la matriz, de la concentración de impurezas y de los portadores intrínsecos.[24]
Debido a la difusión, los portadores de carga minoritarios en cada semiconductor alcanzan la juntura, en donde el campo eléctrico existente se encarga de
desplazarlos a la región donde estos electrones y huecos son portadores de carga mayoritarios. La región p se carga positivamente mientras la n negativamente,
dando lugar a una fuerza electromotriz, y en un circuito exterior acoplado, a una corriente. De esta manera se tiene el efecto fotovoltaico, fundamento de las celdas solares. Sin embargo, no toda la energía del sol puede convertirse en energía
eléctrica, parte de esta energía se refleja en la celda o pasa a través de ella y en algunos casos los electrones se recombinan antes de llegar a la región p o n.
Adicionalmente, cuando la radiación solar es muy débil, no es suficiente para liberar los electrones, pero cuando es muy intensa, sólo parte de esa energía se usa para liberar los electrones, el resto se convierte en calor.[24]
De esta manera los mecanismos físicos básicos en la operación de una celda
solar son:
a) creación en el semiconductor de pares electrón-hueco generados por la absorción de la radiación solar (absorción de fotones)
b) separación de los pares electrón-hueco por el campo de la unión p-n generando una corriente IL c) aparición de un voltaje entre los terminales de la celda solar.
d) utilización de la potencia eléctrica a través de una carga exterior.
A partir de una curva I-V (corriente vs. voltaje), los parámetros importantes para caracterizar a una celda solar son: la corriente de corto circuito Isc, el voltaje a circuito abierto Voc, el factor de llenado o de forma FF y la eficiencia η.
La corriente de corto circuito es la corriente que atraviesa la celda solar cuando el
voltaje entre sus terminales es nulo, esto es, cuando la celda solar está cortocircuitada. El valor de Isc depende de la generación y recolección de los portadores creados por la luz. La corriente de corto circuito es proporcional a la
intensidad de la luz incidente sobre la celda solar [19].17
17
Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
50
El voltaje a circuito abierto es el máximo voltaje que aparece entre los terminales
de la celda solar y ocurre para valores de corriente nulo. El voltaje a circuito abierto es consecuencia de la polarización positiva o directa de la unión p-n
cuando la luz incide sobre la celda solar [19]. La corriente de cortocircuito y el voltaje a circuito abierto son los máximos valores
de corriente y voltaje que se pueden extraer de una celda solar, sin embargo en estos puntos de operaciones, la potencia P =I*V = 0. Por ello es necesario
encontrar un punto de la curva I-V en donde el producto I*V tenga un máximo valor. En la Figura 15 se muestra que este punto corresponde a (Imp, Vmp). El factor de llenado se define como la razón entre la potencia máxima obtenida y el
producto Isc*Voc [25].18
Figura 15. La dependencia I-V de una celda solar en oscuridad y bajo iluminación
FUENTE: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
3.2.2 Eficiencia de conversión de energía solar
La eficiencia de conversión de energía solar es la figura de mérito de toda celda
solar. La eficiencia de conversión o simplemente eficiencia se define como la razón de la potencia eléctrica máxima que suministra la celda a la potencia (P) de
la radiación solar que incide sobre de esta:
18
F. Chen, N. Duic, L.M. Alves, M. da Graça-Carvalho, Renew able and Sustainable Energy Review s, 11 (2007) 1888-1902.
51
La eficiencia depende de muchos factores. Por ejemplo el espectro de radiación
solar no es el mismo en el espacio extraterrestre, que en un país del trópico ó uno nórdico.
También la eficiencia depende de la temperatura a la cual está sometida la celda solar, de la intensidad de la radiación, de los mecanismos de recombinación, en fin
de la suma de factores de los cuales dependen Isc, de Voc y FF. Por ello, se ha establecido un conjunto de normas para poder comparar el funcionamiento de
unas celdas con otras. En general, se trata de obtener altos valores de corriente de corto circuito, voltaje a circuito abierto y factor de llenado para alcanzar elevados valores de conversión de energía solar en eléctrica. Los diferentes
parámetros de una celda solar se muestran en la Figura 14 [19].19
3.2.3 Parámetros de una celda solar de silicio
Cálculos teóricos demuestran que para la transformación de la energía solar en
electricidad, mediante el efecto fotovoltaico, el valor ideal de la banda prohibida del semiconductor debe ser cercano a 1,45 eV. Además para una mayor eficiencia en
el proceso de absorción de los fotones, el material debe ser de “gap-directo” es decir que de acuerdo con las leyes de conservación de la energía y el momentum, sólo debe producirse la interacción fotón-electrón (en los llamados materiales a
“gap-indirecto”, la ley de conservación del momentum requiere la interacción fotón-electrón-fonón). El silicio tiene un valor de banda prohibida a temperatura
ambiente de 1,1 eV y pertenece a los semiconductores de gap-indirecto, por lo que no es el semiconductor idóneo para la fabricación de celdas solares, sin embargo es el más utilizado con estos fines debido a su amplio uso en la
microelectrónica y a su relativa abundancia. Las eficiencias récord de celdas solares de silicio monocristalino son del orden del 22% [19].
En la Figura 16 se muestra un gráfico de la dependencia de la eficiencia de las celdas solares de distintos semiconductores en función del valor de su banda
prohibida. Para el diseño básico de celdas solares de silicio, las limitantes fundamentales son la reflexión superficial, la colección de portadores, la
recombinación de estos y las pérdidas por resistencia parásita [19].
19
Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
52
Figura 16. Eficiencia teórica de las celdas solares vs. el valor de la banda
prohibida del semiconductor
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
3.2.3.1 Componentes de una celda típica de silicio.
A continuación se detallan las diferentes componentes de una celda típica de silicio.
Material del substrato: El silicio cristalino domina actualmente el mercado
fotovoltaico, con un 80 % del producto real. Esto se debe en parte a la prominencia del silicio en el mercado de los circuitos integrados, lo que generó una avalancha de datos experimentales y teóricos sobre el mismo,
además de ser un elemento muy abundante en la naturaleza. El silicio no tiene los valores óptimos de los parámetros necesarios para ser utilizado en
celdas solares. Su ancho de banda prohibida es ligeramente pequeño para una celda solar óptima, además debido a que es un material de “gap” indirecto, su coeficiente de absorción es bajo. Sin embargo, su incidencia
en la industria de semiconductores lo hace un competidor muy difícil de superar.
Dopaje de la base: Un alto dopaje de la base conlleva a altos valores de Voc y bajas resistencias, pero también resulta en un cristal más imperfecto
y dañado lo cual provoca pequeñas longitudes de difusión. Valores de resistividad eléctrica recomendables para las aplicaciones fotovoltaicas
están en el entorno de 0,1 y 1Ω-cm.
Control de la reflexión (texturado superficial): La superficie frontal es de
textura para disminuir la reflexión, aumentando la cantidad de luz que entra en la celda. En la práctica sobre la superficie texturizada se deposita una
53
capa de óxido de estaño o nitruro de silicio, disminuyendo prácticamente
todas las pérdidas por reflexión.
Dopaje del emisor (tipo n): El silicio tipo n tiene una calidad superficial
mucho mayor que el p, por lo que se sitúa en la parte frontal de la celda. Existen otros aspectos tecnológicos como la facilidad de impurificar el silicio con fósforo y lograr niveles muy altos de dopaje (1020 – 10 21Átomos/cm3).
Espesor del emisor (0.2 y 0.5 μm): Una fracción importante de la luz
incidente es absorbida a una distancia de 0,1 a 3 μm de la superficie frontal. Haciendo el emisor muy fino, se logra que una parte importante de los portadores fotogenerados se creen dentro de la base de la celda y muy
cercanos a la unión p-n.
Máscara del enrejado: El enrejado metálico sombrea la celda con respecto
a la radiación incidente, por lo que se debe establecer un compromiso entre la colección de luz y la resistencia del metal de contacto.
3.2.4 Algunos tipos de celdas solares de silicio
Varios materiales semiconductores son susceptibles de ser usados para la fabricación de celdas fotovoltaicas, sin embargo, el silicio es el material más usado
hoy por los fabricantes de celdas solares. El silicio es el segundo material más abundante sobre la corteza de la tierra (después del oxígeno). Este puede encontrarse principalmente en la arena de cuarzo (SiO2) y se obtiene mediante un
proceso de reducción de la arena de cuarzo a altas temperaturas, luego de lo cual se retiran las impurezas del silicio policristalino. Los cristales del silicio
policristalino están orientados de manera desordenada y separados por granos que inducen algunas pérdidas de eficiencia [24]20
a) Celdas Solares de Contacto Enterrado
Las celdas solares de contacto enterrado están basadas en una tecnología comercial de alta eficiencia, la cual consiste en surcos formados por láser rellenos de metal. La tecnología del contacto enterrado supera muchas de las desventajas
asociadas con los contactos serigráficos lo cual permite obtener celdas de altas eficiencias. Un esquema de una celda de contacto enterrado se muestra a
continuación en la Figura 17
20
FORMULACIÓN DE UN PLAN DE DESARROLLO PARA LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA EN COLOMBIA (PDFNCE), DIAGNÓSTICO DE LAS FNCE EN COLOMBIA, UPME, Bogotá, Diciembre 30 de 2010
54
Figura 17. Esquema de una celda de contactos encerrados
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec
(Editor), México, 2011, ISBN 978-607-95065-0-6
En una estructura de contactos enterrados, las pérdidas por sombreado serán sólo de 2 a 3%. Las ventajas de la tecnología de celdas solares de contactos
enterrados de alta eficiencia es que el costo de una celda solar de contactos enterrados es similar a la de una hecha por serigrafía, sin embargo al obtenerse una eficiencia más alta se produce electricidad a más bajo costo. Una ventaja
adicional de la tecnología del contacto enterrado es que puede usarse para los sistemas que trabajan bajo concentración. [19]
b) Celdas Solares de alta eficiencia.
Las celdas solares de alta eficiencia cuestan considerablemente más producirlas, que las celdas normales de silicio y se usan típicamente en automóviles solares o
aplicaciones del espacio.
c) Celdas solares de películas delgadas
Las celdas solares de películas delgadas se basan en el uso de sólidos
policristalinos y amorfos. Por esta razón antes de abordar los distintos tipos de celdas fabricadas mediante películas delgadas, se abordaran, de manera muy general, las propiedades básicas de estos sólidos.
Un sólido, en general, presenta tres formas microscópicas en su estructura: el sólido monocristalino; el sólido policristalino y el sólido amorfo. Un sólido
monocristalino se caracteriza por el arreglo periódico de sus átomos, formando una estructura cristalina dada. Este arreglo periódico está caracterizado por un
potencial también periódico, llamado potencial cristalino. Los portadores de carga están sujetos a la interacción con este potencial, la cual se caracteriza en que
55
algunas de las propiedades del portador de carga difieran de las que el mismo
posee en el vacío. En el caso de un material amorfo el arreglo del potencial es aleatorio, existiendo fluctuaciones tanto de las alturas de los pozos de potencial
como de la distribución espacial de estos. Se dice que se está en presencia de un sólido policristalino, cuando existen regiones en el sólido formadas por granos o clusters monocristalinos, separados por las fronteras entre granos. Este último
factor determina que además de existir el potencial periódico de la red, exista una barrera de potencial intergranular, la cual es una auténtica barrera para el flujo de
portadores en el sólido, si por ejemplo el mismo está sujeto a un campo eléctrico externo. El rasgo distinto en un sólido policristalino, respecto al mismo sólido monocristalino, es la disminución de la movilidad de los portadores de carga, lo
cual se traduce a una disminución de la conductividad eléctrica del sólido en cuestión [19].21
De la definición del policristal, se pueden redefinir un monocristal como policristal de un solo grano, de tal forma que un aspecto importante en un policristal es el
tamaño de grano. A mayor tamaño de grano menor fronteras de grano, es decir que en la medida en que se obtengan granos grandes en una técnica de
crecimiento, mejores propiedades eléctricas, morfológicas y estructurales se obtendrán.
En la eficiencia de conversión de una celda solar fabricada con materiales policristalinos pueden influir en primer lugar el transporte de corriente, la frontera
de granos (es sumidero para los portadores de carga, debido a la recombinación o “atrapamiento” de los mismos en los estados superficiales creados en las fronteras), la incidencia de luz (disminuye la barrera de potencial intergranular y
con ello se mejoran las propiedades de transporte de portadores). Los costos de producción de materiales policristalinos ( son, en general, más bajos que los
correspondientes al mismo material monocristalino y tiene una incidencia directa en el costo de producción de la celda y por lo tanto en el del watt-pico, sin embargo la eficiencia de conversión es más baja) [19].
En el caso de los sólidos amorfos el problema fundamental a resolver se basa en
la alta densidad de defectos creados por la incompletez de los enlaces de los átomos que lo constituyen. Los efectos de este aspecto en las celdas solares se abordarán específicamente en el caso del silicio amorfo, el único material de este
tipo con potencialidades en el campo de las aplicaciones fotovoltaicas.
En la Figura 18 se muestra una foto microscópica de un policristal de CdTe (Telurio de Cadmio), tomada con un microscopio electrónico de barrido (SEM). En la misma se observa, muy definidamente la formación de cúmulos cristalinos, que
en su conjunto constituyen el semiconductor policristalino.
21
Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
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Figura 18. Fotografía de SEM de una muestra policristalina. Se pueden observar
los diferentes cúmulos constituyentes del policristal.
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(Editor), México, 2011, ISBN 978-607-95065-0-6
d) Celdas Solares policristalinas con base en CdTe
El CdTe (Telurio de Cadmio) es un semiconductor de los llamados II-VI, que posee las propiedades óptimas para su utilización en celdas solares, tiene un alto valor
del coeficiente de absorción y un ancho de la banda prohibida de 1,42 eV a temperatura ambiente; óptimo para el acoplamiento con el espectro de la radiación
solar. El hecho de que el CdTe sea un gran absorbente de la radiación solar, permite la utilización de capas delgadas, disminuyendo el costo del dispositivo. Además el CdTe es uno de los pocos semiconductores II-VI que puede ser
obtenido con conductividad tipo p y n, lo que permite la fabricación de homouniones. Sin embargo, las celdas solares fabricadas con base en CdTe
muestran una elevada recombinación superficial, lo cual determina bajos valores de corriente de corto-circuito. Por esta razón, la homounión de CdTe ha sido sustituida por una heterounión del tipo CdS/CdTe., en donde el CdS se utiliza para
la superficie de CdTe, al tiempo que posee una banda energética prohibida de 2,4 eV permitiendo que buena parte del espectro solar sea absorbido en el volumen
del CdTe [19].22 El hecho de utilizar dos materiales diferentes, impone ciertas restricciones a sus
propiedades físicas. Ambos semiconductores deben poseer parámetros reticulares lo más cercanos posibles, constantes dieléctricas próximas, además el material ventana (CdS) debe tener una conductividad mucho mayor que el absorbente
(CdTe) para que la mayor parte de la zona empobrecida se encuentre en el semiconductor de superior absorción. En el caso de heterouniones policristalinas;
22
Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
57
debe existir además un acople entre granos de ambos semiconductores, que
mejoren sus propiedades eléctricas y ópticas [19].
e) Celdas solares policristalinas con base en CuInSe2 y sus aleaciones
El CuInSe2 (diseleniuro de cobre indio) es un semiconductor con valor de banda
prohibida de 1,2 eV a temperatura ambiente y posee un alto coeficiente de absorción de la radiación. Se obtiene con conductividad tipo p y acopla bien
estructuralmente con el CdS.
Figura 19. Estructura de una celda solar del tipo CdS/CdTe
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec
(Editor), México, 2011, ISBN 978-607-95065-0-6
La inclusión de Ga para obtener un compuesto semiconductor con valor de banda
prohibida mayor, más cercano al mejor acople con la radiación solar, contribuyó a mejorar la eficiencia en celdas con estructuras del tipo CdS/CuIn1-xGaxSe2.
Las eficiencias record alcanzadas por las celdas construidas a base de películas delgadas policristalinas de CdTe y CuInGaSe2 son de 16,5 y 19,2 %
respectivamente. Las estructuras típicas de estas dos configuraciones se muestran en las Figuras 19 y 20 [19].
Figura 20. Estructura de la celda CdS/CuInSe2
Fuente : Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (Editor), México, 2011, ISBN
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f) Celdas solares con base en silicio amorfo.
El silicio amorfo es una película delgada con bajo orden lejano en el arreglo
atómico. El silicio amorfo se caracteriza por tener una alta densidad de estados localizados (del orden de 1019 cm-3), los cuales actúan como centros de recombinación, reduciendo el tiempo de vida y la longitud de difusión de los
portadores. Además el nivel de Fermi es desplazado de tal forma que no se logra un efectivo dopaje n o p, por lo cual este material no resulta útil para la electrónica.
La situación anterior cambia si se incorpora alrededor del 10% de hidrógeno. El hidrógeno pasiva gran parte de los estados creados por los enlaces incompletos del silicio amorfo, reduciendo las densidad de éstos a 106 cm-3. Con esto es
posible lograr el dopaje n o p. El nuevo material llamado silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se convierte en un material de interés paras los dispositivos
semiconductores y en especial para las celdas solares. El a-Si:H tiene un borde de absorción óptica mayor que el silicio monocristalino (1.75 y 1.1eV respectivamente). Se requiere de 1 a 2μm de espesor de a-Si:H para absorber
prácticamente toda la radiación con energías por encima de su borde de absorción. El a-Si:H posee sin embargo muchas de las propiedades del silicio
monocristalino. Todas estas condiciones determinan que el a-Si:H se considere como una buena elección de celdas solares de películas delgadas. Las propuestas de celdas solares de a-Si:H se basan en la fabricación de una estructura tipo p-i-n
(región p- región intrínseca- región n). La estructura p-i-n se muestra en la Figura 21 [19].
Figura 21. Estructura de una celda solar del tipo p-i-n de a-Si:H CdS/CdTe
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (Editor), México, 2011, ISBN
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Uno de los problemas a superar en las celdas solares fabricadas con materiales
hidrogenados es, que aún disminuyendo la densidad de defectos, su densidad sigue siendo alta, aumentando bajo los efectos de tratamientos térmicos, particularmente a la exposición a luz de alta intensidad (degradación óptica). Este
hecho es considerado como una de las limitaciones del a-Si:H comparados con las celdas a películas delgadas policristalinas. En la Tabla 3 se muestran las
eficiencias alcanzadas en celdas solares policristalinas y de silicio amorfo [26]
59
Actualmente se realizan celdas solares en el que la unión (pin) se hace con base en silicio microcristalino en vez de silicio amorfo, tratando de evitar problemas
tales como inestabilidad del silicio amorfo y sus pequeños parámetros de transporte eléctrico (movilidad y tiempo de vida) que causan bajas eficiencias. Es decir, se tratará de tener la ventaja de las capas delgadas, como cuando se usa
silicio amorfo, y al mismo tiempo mejores parámetros de transporte que el silicio amorfo, tendiendo a los del silicio poli o mono-cristalino. A este tipo de celdas
solares de capa delgada de silicio (2 a 5 μm se les conoce como celdas solares STAR (Surface Textured and Enhanced Absorption with a Back Reflector). Una celda STAR con únicamente 2 micras en la región activa, genera corriente de
25mA/cm2 y un factor de llenado del 77%, con lo cual se alcanza una eficiencia del 10%. Más recientemente se han reportado celdas tipo STAR con una
estructura híbrida con silicio amorfo en donde alcanzan una eficiencia de 14.7% en un área de 1cm2. En la actualidad varias empresas productoras de celdas y módulos fotovoltaicos han implementado la tecnología de celdas híbridas amorfo-
microcristalino con el propósito de incrementar su producción hacia el futuro.
Tabla 3. Eficiencias de conversión alcanzadas en el laboratorio para diversas
tecnologías de películas delgadas fotovoltaicas Tipo de celda Eficiencia en celdas (%) Eficiencia en módulos (%)
A-Si:H 13 8 CuInSe2 19 12
CdTe 16 10 Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (Editor), México, 2011, ISBN
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En años recientes se ha incrementado el interés en celdas solares a películas delgadas ligeras y flexibles tanto para aplicaciones espaciales como terrestres, las
cuales requieren muy alta potencia específica, definida como la potencia eléctrica suministrada por un módulo solar respecto al peso del mismo. Celdas solares a
películas delgadas pueden alcanzar más de 2 kW/kg de potencia específica. Celdas solares de estructura CIGS (Cobre Indio Galio Selenio) con eficiencias de 14% han sido procesadas sobre substratos plásticos flexibles de polímeros. La
mayor eficiencia alcanzada en celdas de CdTe es de 11% mientras que eficiencias en el rango de 3,5-8% han sido reportadas en celdas de CdTe procesadas sobre
substratos flexibles metálicos. 3.3 PANELES FOTOVOLTAICOS, DISEÑO Y ESTRUCTURAS DE ARREGLOS
FOTOVOLTAICOS.
Para alcanzar los niveles de voltaje y potencia requeridos, se construyen sistemas fotovoltaicos combinando módulos solares en serie y en paralelo (arreglo)23. Una
23 http://hibarrap.tripod.com/
60
de las principales ventajas de los SFV es su flexibilidad para el diseño e
instalación derivada de su modularidad. Estas unidades modulares pueden ser adicionadas o retiradas para ajustar los requerimientos de potencia sin necesidad
de modificar la unidad básica de generación. En el caso de que un módulo falle, las conexiones redundantes en serie y en paralelo le permitirán al sistema mantener su operación a pesar de una disminución de potencia. Esta modularidad
también facilita la reposición de partes y el mantenimiento.
Varios aspectos en el diseño de los módulos fotovoltaicos (FV), que pueden reducir el rendimiento de la potencia del módulo o su tiempo de vida, deben ser evaluados. Los efectos más importantes en módulos FV o en arreglos son [19]24:
Pérdidas debido a la interconexión de celdas solares con distintas
características.
Temperatura del módulo.
Modos de falla de módulos. El esquema de las diferentes componentes de un módulo FV se muestra en la
Figura 22. Allí se observa la superficie superior (vidrio con bajo contenido de hierro que garantice una buena transmisión de la luz solar), el EVA como material
encapsulante y el Tedlar como superficie posterior. La densidad de empaquetamiento de las celdas solares en un módulo FV se
refiere al área del módulo que se cubre con celdas solares respecto al área total del módulo. La densidad de empaquetamiento influye en su temperatura de
operación así como el costo final del módulo.
Figura 22. Materiales típicos utilizados en los módulos de silicio
Fuente: Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec (Editor), México, 2011, ISBN
978-607-95065-0-6
24 Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011
61
En los módulos típicos FV de silicio, las múltiples celdas solares individuales están
casi siempre conectadas en serie, para aumentar el voltaje. Normalmente el voltaje del módulo FV se escoge que sea compatible con una batería de 6 ,12 o 24
volts. Una celda solar de silicio de manera individual tiene un voltaje de sólo 0,6 V bajo iluminación AM1,5 y 25 °C.
Teniendo en cuenta una reducción esperada del voltaje debido al incremento de la temperatura y al hecho de que una batería puede exigir voltajes de 15V o más, la
mayoría de los módulos contienen 36 celdas solares en serie. Esto da un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 21 volts bajo condiciones normales de prueba, y un voltaje de operación a máxima potencia y temperaturas de trabajo de
aproximadamente 17 o 18 V. El voltaje en exceso restante es incluido para considerar las caídas de voltaje causadas por otros elementos del sistema FV,
incluidas el funcionamiento lejos del punto de máxima potencia y reducciones de la intensidad de la luz. Mientras que el voltaje del módulo FV está determinado por el número de celdas solares conectadas en serie, la corriente que circula a través
del módulo, depende principalmente del área de las celdas solares y de su eficiencia de conversión.
A AM1,5, esto es a una intensidad de insolación de 1000 Watts/m2 y bajo condiciones óptimas de inclinación del módulo, la densidad de corriente de una
celda solar comercial es entre 20 y 30 mA/cm2. Las celdas solares de silicio monocristalino son a menudo de 100cm2, dando una corriente total del módulo
entre 2 y 3 A. Los módulos de silicio policristalino que tienen celdas solares individuales de mayor área pero más baja densidad de corriente pueden llegar a tener corrientes de corto circuito de hasta 4 amperes.
3.3.1 Conexión de los módulos o paneles fotovoltaicos
Normalmente los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterías de tensiones múltiplos de 12 V. Los módulos se pueden
conectar en serie o en paralelo, con la combinación más adecuada para obtener la corriente y el voltaje necesario para una determinada aplicación. Todos los
paneles conectados deben tener las mismas características eléctricas.
a) Conexión en serie.
Este tipo de conexión se basa en conectar el terminal positivo de un módulo con el
negativo del siguiente, y así sucesivamente hasta completar la serie como se muestra en la Figura 23. Los terminales del grupo generador estarán en el terminal positivo del último modulo conectado y el negativo del primero. Cuando los
paneles se conectan en serie, la tensión resultante es la suma de la de todos los paneles, mientras que la intensidad será la proporcionada por uno solo de ellos. Si
falla uno de los paneles conectado en serie, puede hacer que el conjunto deje de funcionar. Para evitar que esto suceda, los diodos de bloqueo puentean ese
62
modulo, haciendo que la corriente siga su camino. Normalmente se conectan
módulos en serie para conseguir voltajes de 24 V o 48 V, en instalaciones autónomas de electrificación, y superiores, 96 V a 144 V, en instalaciones
conectadas a la red o de alimentación para bombeos directos. El voltaje de un módulo fotovoltaico puede llegar a ser 1,4 veces el voltaje nominal, cuando funciona en el punto de máxima potencia [27]25.
Figura 23. Módulos o celdas Fotovoltaicas conectadas en serie.
FUENTE. A GOETZBERGER y V.U. HOFFMAN. Solar Cells and Solar Modules
b) Conexión en Paralelo
Este tipo de conexión consiste en conectar por un lado los terminales positivos de
todos los paneles fotovoltaicos, y por otro, los terminales negativos. La salida del grupo generador la forman el terminal positivo común y el terminal negativo,
también común como se muestra en la Figura 24.
Figura 24. Módulos o celdas Fotovoltaicas conectadas en paralelo.
FUENTE. A GOETZBERGER y V.U. HOFFMAN. Solar Cells and Solar Modules
Cuando los módulos se conectan en paralelo, la tensión coincidirá con la que proporcione un solo modulo, pero la intensidad será la suma de las intensidades
de todos los módulos, de manera que el aumento de potencia se basa en mantener la potencia de un módulo y la suma de intensidades que proporcionen los módulos conectados. Normalmente se hacen conexiones en paralelo para
conseguir intensidades de 20A ó 25A, en instalaciones autónomas de
25
SÁNCHEZ, Miguel Ángel. Energía Solar Fotovoltaica. 1ª. Ed. México, D.F. 2008, Limusa, 2008.
63
electrificación o bombeo o superiores en instalaciones de conexión a la red de
elevada potencia.
Hay que recordar que el aumento de intensidad produce un aumento de pérdidas por efecto joule (calentamiento de los conductores) de forma cuadrática, ya que obliga a utilizar conductores de mayor sección para que puedan soportar
intensidades elevadas, aunque siempre teniendo en cuenta que no superen las establecidas en la NTC 2050 para cada sección de conductor.
c) Conexión mixta
Para satisfacer diferentes necesidades de tensión y potencia, los módulos pueden combinarse en agrupaciones serie-paralelo como se muestra en la Figura 25.
Desde el punto de vista del rendimiento; es decir, el que procura minimizar las pérdidas de energía por calentamiento de los conductores y/o de los equipos de regulación.
Desde el punto de vista económico, es decir el que procura el mínimo costo de la instalación. Se recomienda instalaciones de 12 V, con lo que se requiere baterías
de menor tamaño, pero con intensidades de paso altas en los conductores y controladores, a medida que aumenta la potencia de la instalación.
Figura 25. Conexión mixta de paneles solares
FUENTE. A GOETZBERGER y V.U. HOFFMAN. Solar Cells and Solar Modules
3.4 BATERIAS
La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad para
poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso
64
de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4
a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos [27]26.
3.4.1. Especificaciones Eléctricas
Las especificaciones eléctricas de una batería indican sus condiciones de trabajo.
Las principales son: tensión, capacidad y profundidad de descarga.
a) Tensión
La unidad de construcción básica de una batería de plomo –ácido es la celda de
2V. Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga: en general, la tensión de una celda varía entre 1,75 V y 2,5 V, se suele
llamar tensión nominal de la celda. Cuando las celdas de 2V se conectan en serie, las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose, baterías de 4 V, 6 V, 12 V, etc. Si las baterías están conectadas en paralelo las tensiones no cambian, pero
se sumaran sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de igual tensión y capacidad [27]27.
b) Capacidad
Es la cantidad de energía que puede suministrar la batería a unas condiciones de trabajo dadas. Se expresa en amperios-hora (Ah). La capacidad de almacenaje de
energía en una batería depende de la velocidad de descarga. Teóricamente una batería de 200 Ah puede suministrar 200 A durante una hora, o 50 A durante 4 horas, etc. Pero existen factores que pueden hacer variar la capacidad de la
batería. En general si la batería se descarga a un nivel más lento, su capacidad aumentara ligeramente, si el ritmo es más rápido la capacidad se reducirá. Cuanto
mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Las baterías tienen un voltaje nominal que suele ser de 2 V, 6 V, 12 V, 24 V, aunque siempre varíe durante los distintos procesos de operación. Es
importante el voltaje de carga, que es la tensión necesaria para vencer la resistencia que opone el acumulador a ser cargado [27].
La capacidad se ve influenciada por la temperatura de la batería y la de su ambiente. Si una batería se especifica para una temperatura de 25 grados,
temperaturas más bajas reducen su capacidad significativamente, y las temperaturas más altas provocarían un ligero aumento en su capacidad, pero esto
puede incrementar la pérdida de agua, disminuyendo así el número de ciclos de vida de la batería [27].
26
SÁNCHEZ, Miguel Ángel. Energía Solar Fotovoltaica. 1ª. Ed. México, D.F. 2008, Limusa, 2008. 27
SÁNCHEZ, Miguel Ángel. Energía Solar Fotovoltaica. 1ª. Ed. México, D.F. 2008, Limusa, 2008.
65
c) Profundidad de descarga
Es la cantidad, expresada en tanto porciento, que representa el cociente entre la
carga extraída y la capacidad nominal de la batería, o sea, lo que se ha descargado de una batería en proceso de descarga. Pueden ser descargas superficiales (20%) o descargas profundas, que llegan al 80%. Para aplicaciones
fotovoltaicas se fabrican baterías que soportan descargas de hasta un 80 % de capacidad, sin dañarse [27].
La profundidad de descarga afecta la vida útil de la batería de forma que cuanto mayor es la descarga, menor es el número de cargas que la batería puede tener.
Para la mayoría de los tipos de baterías, un acumulador que queda totalmente descargado, puede quedar dañado seriamente y perder gran parte de su
capacidad de carga. Las baterías deben permanecer en un lugar fresco, bien ventilado y fuera del alcance de los niños y personas inexpertas, ya que son peligrosas [27]. 3.4.2 TIPOS DE BATERIAS
Dentro de los principales tipos de baterías existen dos grandes grupos que son:
a) Baterías de Plomo - ácido de electrolito líquido
Las baterías de plomo - ácido se aplican ampliamente en los sistemas de generación fotovoltaicos. Dentro de la categoría plomo - ácido, las de plomo - antimonio, plomo - selenio y plomo - calcio son las más comunes. La unidad de
construcción básica de una batería es la celda de 2 Volts [27].
Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto. En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 Volts y 2,5 Volts, aunque 2 Volts, se reconoce como
tensión nominal de la celda [27].
Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de 4 V, 6 V,12 V, etc. como se muestra en la Figura 26. Si las baterías están conectadas en paralelo (POSITIVO
A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no cambian, pero se sumarán sus capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo
baterías de igual tensión y capacidad [27].
Se puede hacer una clasificación de las baterías con base en su capacidad de almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su ciclo de
vida (número de veces en que la batería puede ser descargada y cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).
66
Figura 26. Batería de Plomo-acido
Fuente: http://w w w .technologyreview .es/read_article.aspx?id=35355
La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de
descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100hs. Por ejemplo, una batería que posee una
capacidad de 80Ah en 10hs (capacidad nominal) tendrá 100Ah de capacidad en 100hs.
Dentro de las baterías de plomo - ácido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas fotovoltaicos. Ellas
poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de su carga) y unos 1200 ciclos
cuando la profundidad de descarga es del 50 % (batería con 50 % de su carga). Las baterías estacionarias poseen además, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo - ácido convencional) y
un reducido mantenimiento. Dentro de estas características se encuadran también las baterías de plomo-calcio y plomo- selenio, que poseen una baja resistencia
interna, valores despreciables de gasificación y una baja auto descarga [27].
b) Baterías Selladas (Gelificadas)
Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con consistencia que puede
variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una jalea. No se derraman, pueden montarse en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas.
En la Figura 27 se puede observar que el electrolito se encuentra absorbido en
una fibra de vidrio micro poroso o en un entramado de fibra polimérica. Al igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y admiten descargas moderadas.
67
Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren mantenimiento en forma
de agregado de agua, no desarrollan gases evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida de servicio [27].
Figura 27. Batería de gel
Fuente:http://w w w .mopar-extreme.org/foro/show thread.php?3731-Baterias-De-Gel%A1%A1%A1%A1%A1%A1%A1
c) Baterías Selladas (Níquel – Cadmio)
Tienen una estructura física similar a las de plomo-ácido. Las placas son de acero inoxidable, con depresiones donde se coloca el material activo, y en lugar de
plomo, se utiliza hidróxido de Níquel par las placas positivas y oxido de cadmio para las negativas. El electrolito es hidróxido de Potasio, que forma parte del proceso químico como conducto, y suele ser una solución acuosa al 20%. Se
requiere una fina capa de aceite en la superficie superior para evitar su oxidación por el oxígeno del ambiente.
Las baterías de Ni-Cd están diseñadas específicamente para aplicaciones fotovoltaicas. El voltaje nominal de un elemento de batería es de 1,2 V, en lugar de
2V de los elementos de las baterías de plomo-acido. Las baterías de Ni-Cd aguantan procesos de congelación y descongelación sin ningún efecto sobre su
comportamiento. Las altas temperaturas tienen menos incidencia que en las de plomo-acido. Los valores de auto descarga oscilan entre 3% y 6% al mes.
Les afectan menos las sobrecargas. Pueden descargarse totalmente sin sufrir daños. Su capacidad para aceptar un ciclo de carga es independiente de la
temperatura. El costo de una batería de Ni-Cd es mucho más elevado que el de una de Plomo-Acido; no obstante tiene un mantenimiento más bajo y una vida más larga, por lo que, en ciertas aplicaciones, su costo por ciclo de vida útil puede
68
resultar más bajo. Esto las hace aconsejables para lugares aislados o de acceso
peligroso [27].
Las baterías de Ni-Cd no pueden probarse con la misma confiabilidad que las de Plomo-Acido, por tanto, es necesario controlar el estado de carga y reducir su capacidad efectiva. Esto se debe a que el compuesto químico que se forma en
una placa cargada se tiende a cristalizar, por lo que si se le deja el tiempo suficiente queda inutilizada, perdiéndose capacidad. Este proceso no es
irreversible pero si de difícil reversión [27]. Las principales características son:
1) Electrolito alcalino 2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal
3) Bajo coeficiente de auto descarga 4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura 5) Tensión nominal por elemento de 1,2 Volts
6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %) 7) Alto costo comparado con las baterías ácidas
Al igual que las baterías de plomo - ácido, éstas se pueden conseguir en las dos versiones, estándar y selladas, utilizando la más conveniente según la necesidad
de mantenimiento admisible para la aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización en aplicaciones rurales [27].
d) Baterías de Iones de Litio
Las baterías recargables usan reacciones electroquímicas que son eléctricamente reversibles, es decir, cuando la reacción transcurre en un sentido, se agotan los
materiales de la pila mientras se genera una corriente eléctrica. Para que la reacción transcurra en sentido inverso, es necesaria una corriente eléctrica para
regenerar los materiales consumidos. Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes
combinaciones de productos químicos. Las celdas secundarias (batería recargable) utilizadas con más frecuencia son las de plomo-ácido, las de níquel-
cadmio (NiCd), las de níquel-metal hidruro (NiMH), las de iones de litio (Li-ion), y las de polímero de iones de litio (polímero de Li-ion).
Las baterías recargables pueden ofrecer beneficios económicos y ambientales en comparación con las pilas desechables. Algunos tipos de baterías recargables
están disponibles en los mismos tamaños que los tipos desechables. Aunque las pilas recargables tienen un mayor costo inicial, pueden ser recargadas muchas veces. La selección adecuada de una batería recargable puede reducir los
materiales tóxicos desechados en los vertederos, frente a una serie equivalente de
69
pilas de un sólo uso. Por ejemplo, los fabricantes de baterías o pilas recargables
de NiMH proclaman una vida de servicio de 100-1000 ciclos de carga/descarga para sus baterías [28]28.
Hay aplicaciones de almacenamiento de energía en red que emplean baterías recargables industriales para nivelación de carga, almacenando la energía
eléctrica durante períodos de carga máxima para su posterior uso, y para aprovechamiento de energías renovables, tales como el almacenamiento de
energía generada a partir de paneles fotovoltaicos durante el día para ser utilizada durante la noche. Al cargar las baterías durante los períodos de baja demanda y devolver la energía a la red durante los períodos de alta demanda eléctrica, la
nivelación de carga ayuda a eliminar la necesidad de costosas plantas de energía en horas punta y ayuda a amortizar el costo de los generadores durante las horas
de más funcionamiento [28].
e) Baterías de Litio de Nanotubos de Carbono
La incorporación de estos elementos permite almacenar cinco veces más energía con relación a otros tipos de baterías. Esto permite contar con baterías dotadas de una mayor autonomía, esto es capaces de funcionar por más tiempo sin
necesidad de recargas.
La autonomía es una de las principales limitaciones de las baterías de iones de litio en su aplicación en artefactos electrónicos de todo tipo. Se ha avanzado en la creación de una nueva tipología de baterías de litio-ion, que gracias a la utilización
de nanotubos de carbono logran ampliar su capacidad de almacenamiento energético y pueden funcionar así por más tiempo sin requerir recargas.
En una batería de iones de litio con un electrodo positivo compuesto de nanotubos
de carbono alcanza una potencia diez veces mayor que una batería convencional, y puede almacenar cinco veces más energía. El litio se almacena en la superficie,
pudiendo entrar y salir del electrodo con rapidez, lo que agiliza en gran medida la carga y descarga de la batería.
Además de las ventajas indicadas, como la alta potencia o la mayor capacidad de almacenamiento, los electrodos de nano tubos de carbono mostraron muy buena
estabilidad en el tiempo. Después de mil ciclos de carga y descarga aplicados a una batería de pruebas, no se registró ningún cambio perceptible en el rendimiento del material. El desarrollo de este tipo de baterías garantizará en un
futuro la reducción de tamaño y cantidad de elementos de almacenamiento de
28
LINDEN David, REDDY Thomas B. Handbook Of Batteries 3rd Edition. McGraw -Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-135978-8 chapter 22.
70
energía, y muy seguramente una reducción en los costos para la aplicación en
sistemas de generación fotovoltaica [29]29.
3.5 REGULADORES
Para el funcionamiento satisfactorio de la instalación en cuanto a la unión de los
paneles fotovoltaicos con las baterías, debe instalarse un sistema de regulación de carga. Este sistema es siempre necesario, salvo en el caso de los paneles
autorregulados. El regulador tiene como función fundamental impedir que la batería continúe recibiendo energía del panel fotovoltaico una vez que ha alcanzado su carga máxima.
Si una vez que se ha alcanzado la carga máxima, se intenta seguir introduciendo
energía, se inician en la batería procesos de gasificación (hidrólisis del agua en hidrógeno y oxígeno) o de calentamiento, que pueden llegar a ser peligroso y, en cualquier caso, acortarían sensiblemente la vida de la misma [27].
El regulador alta eficiencia MPPT que se ve en la figura 28. Es capaz de gestionar
de forma automática y segura la energía desde el panel fotovoltaico, con el fin de cargar en la mejor forma la batería de almacenamiento. La gestión de la carga se lleva a cabo a través de un microcontrolador programado para medir de forma
continua, y leer los valores de salida de voltaje y la corriente desde el panel. Un algoritmo llamado "persecución" busca el punto de máxima potencia de la curva IV
del panel (MPPT). El punto de máxima potencia de cualquier panel esta sujeto a un cambio continuo debido a parámetros tales como temperatura, luz incidente, y efectos de sombreado. El control de estos parámetros permite alcanzar una alta
eficiencia de conversión, lo que resulta en el aumento de la producción de electricidad fotovoltaica [28].
Figura 28. Regulador de carga solar PV MPPT
FUENTE: http://w w w .mpptsolar.com/es/regulador-de-carga-solar-mppt.html
29
RIVAS MARTINEZ, María Jesús. ROMAN GANZER, José. COSME HUERTAS María Luisa. ―Aplicaciones actuales y
futuras de los nanotubos de carbono En: Informe de Vigilancia Tecnológica Madrid .76a. Edición. Fundación de Madrid para el Conocimiento. 2009.
71
Otra función del regulador es la prevención de la sobredescarga, siendo éste un
fenómeno, que como ya se ha dicho, puede provocar una sensible disminución en la capacidad de carga de la batería en sucesivos ciclos. Dado que los módulos
solares tienen una tensión nominal mayor que la de la batería, si no existiera regulador se podrían producir sobrecargas.
Las razones que justifican esta tensión nominal son:
Atenuar posibles disminuciones de tensión por el aumento de la temperatura.
Asegurar la carga correcta de la batería. Para ello la tensión Voc del panel
deberá ser mayor que la tensión nominal de la batería.
Algunos reguladores incorporan una alarma sonora o luminosa previa a la
desconexión para que el usuario pueda tomar medidas adecuadas, como reducción del consumo, u otras. Los reguladores más modernos integran las funciones de prevención de la sobrecarga y las sobredescargas en un mismo
equipo, que además suministra información del estado de carga de la batería, la tensión existente en la misma, además de ir provistos de sistemas de protección
tales como fusibles, diodos, etc. El dimensionamiento de la instalación solar se realiza de manera que se asegure
el suministro de energía en las peores condiciones de luminosidad. Por ello, se toman como referencia los valores de irradiación en invierno. Esto puede provocar
que en verano la energía aportada por los módulos solares sea en ocasiones mucho mayor que los cálculos estimados, por lo que, si no se conecta el regulador entre los paneles y las baterías, el exceso de corriente podría llegar incluso a
hacer hervir el electrolito de los acumuladores, con el riesgo que conlleva [29]30.
Los reguladores se pueden clasificar de la siguiente forma:
Según la tecnología del interruptor, estos pueden ser de relé
electromagnético o de estado sólido (MOSFET, IGBT, etc.).
Según la estrategia de desconexión del consumo: Pueden ser por tensión,
por algoritmo de cálculo del estado de carga.
Según posición del interruptor de control de generación, pueden ser en
serie o en paralelo.
Los reguladores, serie y paralelo (shunt) tienen las características que se
describen a continuación:
30
RIVAS MARTINEZ, María Jesús. ROMAN GANZER, José. COSME HUERTAS María Luisa. ―Aplicaciones actuales y
futuras de los nanotubos de carbono En: Informe de Vigilancia Tecnológica Madrid .76a. Edición. Fundación de Madrid para el Conocimiento. 2009.
72
a) Serie
El control de sobrecarga se efectúa interrumpiendo la línea campo de generación-
batería, mientras que el control de sobredescarga se efectúa interrumpiendo la línea batería-consumo. Cuando el interruptor de control es de tipo electrónico (transistor), éste evita que
se pueda producir la descarga inversa de la batería hacia el campo de generación eléctrica (paneles FV, aerogeneradores). Este interruptor no disipa potencia
cuando está interrumpiendo la corriente de carga, por lo que este tipo de reguladores es adecuado para instalaciones de cualquier potencia. Durante el funcionamiento normal del regulador, el interruptor de control genera una pequeña
caída de tensión en la línea campo de generación-batería [30]31.
b) Paralelo
El control de sobrecarga se efectúa cortocircuitando. Mientras que el control de
sobredescarga se efectúa interrumpiendo la línea batería-consumo, al igual que el regulador tipo serie.
Independiente del tipo de interruptor (electrónico o electromecánico), es necesario un diodo interno que impida que el cortocircuito detecte la batería, evitando así
también la descarga inversa de la batería hacia el campo de generación eléctrica. Este interruptor disipa potencia cuando está cortocircuitando la corriente de carga,
por lo que este tipo de regulador se limita a instalaciones de baja potencia. Al igual que en el regulador tipo serie, durante su funcionamiento, el diodo interno genera una pequeña caída de tensión en la línea campo de generación-batería [30].
Los fabricantes proporcionan los valores de trabajo del regulador sobre una hoja
de características así:
Características físicas del regulador como peso, dimensiones, material
empleado en su construcción, etc.
Características eléctricas.
Normas de seguridad que cumple.
3.6 INVERSORES
Los acondicionadores de potencia para cargas DC son muy simples y económicos. Están conformados por un convertidor DC/AC que permite
suministrar a la carga un voltaje fijo.
31 ALCOR CABRERIZO, Enrique. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. 3ra. edición. España: Editorial: PROGENSA,
Promotora general de estudios, S.A. 2008.
73
Los inversores son una opción interesante debido a la gran variedad de aparatos
de bajo costo que funcionan con AC. Sin embargo, es recomendable operar la mayor parte de las cargas (o la totalidad si es posible) con DC.
La corriente alterna que producen los inversores puede ser de onda cuadrada, senoidal modificada o cuasisenoidal. Los inversores de onda cuasisenoidal
tienden a ser de mejor calidad y eficiencia, pero cuestan el doble o más que los de onda senoidal modificada o cuadrada. La señal de onda cuadrada puede ser
perjudicial para la operación de algunos aparatos electrónicos por la alta distorsión armónica del voltaje y requiere por lo tanto de filtros. Son simples, robustos y apropiados para aplicaciones de potencia. La mayoría de los inversores
disponibles en el rango de menos de 50 W a 1,000 VA son de onda senoidal modificada y son apropiados para casi todas las cargas AC. Se pueden conseguir
inversores de este tipo con baja distorsión armónica, alta eficiencia y buena calidad.
El voltaje de alimentación en DC debe corresponder al voltaje de las baterías (12 V, 24 V, etc.). Los inversores de menos de 1000 VA son de 12 V o 24 V DC El
voltaje de salida es 120 V AC, 60 Hz, que es compatible con la electricidad de la red en Colombia. Además del voltaje de entrada y salida requeridas, los datos más importantes son la capacidad (V-A) y el tipo de onda. Generalmente se dan dos
especificaciones para la capacidad de salida: la capacidad continua y la capacidad de arranque. La capacidad continua debe ser suficiente para operar todas las
cargas CA a la vez. Durante el arranque, algunos equipos demandan una potencia en V-A varias veces mayor que la potencia continua. Esta demanda sólo dura un periodo corto de tiempo. Los inversores tienen una capacidad de arranque de 2 ó
3 veces mayor que la capacidad continua para estas situaciones.
En la conversión de DC/AC se pierde energía en forma de calor. A mayor carga, mayor es la energía que se pierde. Los inversores de menos de 1,000 VA tienen una eficiencia cercana al 90% trabajando a plena capacidad.
Los inversores se diseñan para operar conmutados externamente, cuando se trata
de sistemas conectados a la red, o autoconmutados, usados para trabajar conectados a la red o para aplicaciones en sistemas aislados.
Los parámetros característicos de un inversor son: Tensión nominal: es la que se debe aplicar a los terminales de entrada del
inversor. Los inversores disponibles para uso fotovoltaico y/o eólico, se ofrecen con tensiones nominales características de estos sistemas.
Potencia nominal: es aquella que puede suministrar el inversor de forma
continuada. Su rango comercial oscila normalmente los 100 W y 5000 W, aunque existen de potencias superiores.
74
Capacidad de sobredescarga: se refiere a la capacidad del inversor para
suministrar una potencia considerablemente superior a la nominal, así como al
tiempo que puede mantener esta situación. Forma de onda: en los terminales de salida del inversor aparece una señal
alterna caracterizada principalmente por su forma de onda y los valores de tensión eficaz y frecuencia de la misma.
Eficiencia o rendimiento: relación expresada en tanto por ciento, entre las
potencias presentes a la salida y a la entrada del inversor. Su valor depende de
las condiciones de carga del mismo, es decir, de la potencia total de los aparatos de consumo alimentados por el inversor en relación con su potencia nominal.
Además de las ya mencionadas, los modernos inversores disponibles para sistemas aislados, disponen de toda serie de características, entre ellas:
protección contra sobrecargas, protección contra cortocircuitos, protección térmica, protección contra inversión de polaridad, estabilización de la tensión de
salida, arranque automático, señalización de funcionamiento y estado. Inversores autónomos: utilizados en los sistemas fotovoltaicos y/o eólicos de baja
potencia autónomos o aislados de la red eléctrica externa. Hay algunas variantes de este tipo en el mercado [30]:
Entrada de batería: es el más común, en el que la entrada del inversor se conecta única y directamente a la batería o acumulador. Este tipo de
inversores suele disponer de la función de protección contra la sobredescarga de la batería, ya que esta conexión directa constituye una
línea de consumo no controlada por el regulador
Entradas de batería y generador auxiliar: permite la conexión directa de un
grupo electrógeno o un sistema eólico auxiliar, o de la propia red externa, posibilitando la carga de las baterías y la alimentación directa del consumo.
Salida alterna y continua: hay inversores que disponen de doble salida, continua y alterna, diseñados especialmente para su utilización en sistemas
que precisan estos dos tipos de alimentación.
75
4. DIMENSIONAMIENTO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN
DE ENERGÍA ELECTRICA POR MEDIO DE PANELES SOLARES
Para realizar el diseño de un sistema fotovoltaico de acuerdo al propósito de este proyecto se deben seguir los siguientes pasos en su respectivo orden, los cuales
fueron escogidos a criterio propio:
a) Identificar, medir y calcular el área disponible para la implementación del sistema.
b) Realizar los estudios pertinentes para determinar la radiación solar del terreno.
c) Determinar el consumo energético que se desea suplir.
d) Investigar la inclinación adecuada a la cual se van a colocar los paneles fotovoltaicos para aprovechar al máximo la radiación solar.
e) Establecer un banco de información de proveedores en Colombia de materiales fotovoltaicos.
f) Dimensionar y escoger los diferentes equipos del sistema fotovoltaico,
teniendo en cuenta que sean los más apropiados para obtener la mayor eficiencia y rentabilidad en la generación de energía eléctrica.
g) Establecer el área que ocupan los equipos necesarios para suplir el consumo energético.
h) Costo generales del diseño
4.1 ÁREA DISPONIBLE PARA LA COLOCACIÓN DE LOS PANELES SOLARES
La Universidad cuenta con 5 edificaciones y una zona libre, que permiten tener un área distribuido de la siguiente manera;
a) Edificio GUANE área de 258m2 b) Edificio ARUACO área de 399 m2
c) Edificio PARQUEADERO área 446 m2 d) Edificio MOTILONES área 464 m2 e) Edificio YARIGUIES área de 572 m2
f) Edificio MUICAS área de 160 m2 g) ZONA LIBRE, este lugar se encuentra abierto y disponible para proyectos y
cuenta con una área de 6746 m2 La siguiente grafica permite ver la distribucionde los bloques. Es importante resaltar que el area total de intalación de paneles solares se aproxima a 9045 m2.
76
Figura 29. Zonas de la Universidad de Santander disponibles para instalaciones
de paneles solares
Fuente: Propia del autor
4.2 RADIACIÓN SOLAR EN EL TERRENO
La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol. Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la
irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado).
La información de radiación solar que se ha tomado de la ciudad de Bucaramanga se trabajo a partir de una base de datos suministrada por CDMB desde el año
2001 al 2011. Ver la tabla 4.
Tabla 4. Radiación solar horas picos, Bucaramanga. KW/m2. Ene Feb mar abril may Jun jul ago sept Oct Nov dic Prom
2001 5,3 5,3 5,2 5,9 5,3 5,6 5,8 5 5,5 5,2 4,9 4,1 5,25
2002 5,5 5,3 5,5 5,2 5,4 4,8 5 5,4 5,7 5,5 5,3 4,8 5,27
2003 5,2 5,6 5,8 6,6 6,3 5,6 4,8 5,2 5,2 4,8 4,8 4,9 5,39
2004 4,9 5,7 5,5 4,6 5,1 5,1 4,7 5,3 5,3 5,2 4,9 4,9 5,08
2005 4,5 4,8 6,3 5,2 5,6 4,7 4,9 4,9 4,9 5,3 4,6 4,5 5,02
2006 4,9 5,5 5,1 4,9 5,2 4,7 4,4 5 5,1 4,9 4,8 4,4 4,89
2007 5,5 6,1 5,3 5,5 4,9 4,3 4,8 4,7 5,2 5,2 4,8 4,9 5,11
2008 5,2 5,8 5,8 5,4 5,6 4,8 5 5,3 5,2 5,1 5 4,7 5,24
2009 5,4 5,9 5,6 6,1 5,5 4,8 5 5,2 5,4 4,9 5 4,7 5,29
2010 5,4 5,8 5,7 5,3 5,3 4,9 5 5,2 5,2 5,1 5,1 4,9 5,24
2011 5,1 6 5,4 5,9 5,2 4,1 5 5 5,3 5,3 5,1 4,7 5,18
Prom 5,25 5,34 5,23 5,85 5,32 5,62 5,77 4,96 5,46 5,15 4,91 4,14
Fuente: autor propio (cortesia CDMB)
77
Esta información se obtiene a partir de un piranómetro que mide la radiación solar
(directa+difusa) que incide en una superficie horizontal. El piranómetro se observa en la Figura 30.
Figura 30. Piranómetro
Fuente: HUKSEFLUX THERMAL SENSORS (LP02)
4.2.1 Medida de radiación solar con “iPhone”
Esta base de datos se complemento a partir de una aplicación que trae los
telefonos inteligentes “iPhone” conocida con el nombre de “PYRANOMETER”, este gadget sólo se usa con fines educativos. Este aplicativo es proporcionado por una empresa conocida como Hukseflux la cual es lider a nivel mundial en
instrumentos de medición solar. En la figura 30A se puede observar el dispositvo con la apalicación.
a) Caracteristicas de la aplicación
Con el fin de realizar buenas mediciones de la radiación solar, la lente de su iPhone tiene que estar cubierto con un "Difusor". El difusor permite trabajar los niveles de luz mucho más bajos y que se acercan a los medidos por dispositivos
profesionales. El tipo de disfusor esta anexo en la figura 31
Figura 31. Aplicación para medir la irradiansa
A B
Fuente: propia del autor
78
b) Posición del difusor
El difusor se debe colocar en la camara del iPhone, una vez puesto se enciende la
camara, se debe tener presente que este difusor cuenta con una guía de cuatro puntos centrales los cuales deben quedar bien alineados con la lente. Esto se puede observar en la siguiente figura
Figura 32. Colocacion del dispositivo de difusión en la camara del iPhone
Fuente: propia del autor
c) Datos registrados
Los datos que se registraron con este dispositivo se tomaron por horas durante un mes. La figura 33 muestra el registro del mes de marzo en el bloque de horas de
6am a 5pm con el dispositivo. La figura muestra los promedios por día y hora del mes de marzo del año 2013 el cual fue de (5128).
Figura 33. Medidas de irradiancia en la ciudad de Bucaramanga (W/m2) en
intervalo de las 6am a 5pm durante el mes de marzo
Fuente: propia del autor
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
01-Mar-12
02-Mar-12
03-Mar-12
04-Mar-12
05-Mar-12
06-Mar-12
07-Mar-12
08-Mar-12
09-Mar-12
10-Mar-12
79
4.3 CONSUMO DEL SISTEMA
Para calcular la carga total del sistema se utiliza una plantilla para la recolección
de información con base en la potencia consumida por cada equipo y la cantidad de equipos, esto a través de una relación de horas de consumo de cada uno de ellos, calculando por separado las cargas de corriente alterna y las de corriente
continua.
El cálculo del consumo se trabaja a partir del análisis de un edificio separando piso a piso. Adicionalmente a esto se realiza un análisis del consumo del día y de la noche del piso integrado en una sola propuesta y se le agrega un análisis
individual al consumo del día y el consumo de la noche de manera separada. Esto con el fin que se pueda discriminar de manera detallada cada una de las jornadas
y los costos que estas producen, pues se conoce que las tarifas de consumo varían según la hora del día.
Para comenzar el análisis de consumo de energía se toma en primera estancia el sótano y de manera consecutiva los siguientes pisos. 4.3.1 Consumo del sótano
En el análisis del consumo se busca discriminar 3 aspectos. Estos tres aspectos están divididos de la siguiente manera;
a) Análisis de consumo durante el día y la noche b) Análisis de consumo SOLO durante el día c) Análisis de consumo SOLO durante la noche
Para el primer caso los resultados son los siguientes;
a) Consumo durante el día y la noche en el sótano
En el sótano se toma registro de cada uno de los equipos tanto de corriente alterna como de corriente directa y se consulta al personal presente el tiempo de consumo de cada uno de ellos, un ejemplo de estos equipos se puede ver en la
figura 34. Figura 34. Equipos del sótano
Fuente: Propia del autor
80
El consumo del sótano se analiza teniendo en cuenta la cantidad de dispositivos
de consumo DC y AC de manera separada. En la tabla 5 se muestra un consumo Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 4572(W-h) y
el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 7432 (W-h). Los datos registrados se pueden ver en la siguiente tabla. Estos cálculos están anexados en el diseño de hoja de Excel, que se entrega con el
proyecto en el cual están detallados los diferentes equipos tenidos en cuenta.
Tabla 5. Consumo del sótano durante el día y la noche
Sótano
Completo (W-h)
Lmd,DC 4752 Lmd, AC
7432
Fuente: propia del autor
b) Consumo del sótano solo durante el día
La disposición de separar los consumos es encontrar un punto en el que el
sistema se vuelva más rentable, para ello se toma el análisis de consumo durante las horas del día. La tabla 6 muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 2712(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía
consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 4608(W-h).
Tabla 6. Consumo del sótano solo durante el día.
Sótano
análisis día (W-h)
Lmd,DC 2712
Lmd, AC 4608 Fuente: propia del autor
c) Consumo del sótano durante la noche
En la búsqueda de un mejor análisis de los resultados se toma de manera separa el consumo de energía del sótano durante la jornada nocturna. La tabla 7 muestra
la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 2040(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 2824(W-h).
Tabla 7. Consumo del sótano solo durante la noche.
Sótano
análisis noche (W-h)
Lmd,DC 2040
Lmd, AC 2824 Fuente: propia del autor
81
4.3.2. Consumo del primer piso (gimnasio)
El primer piso cuenta con un gimnasio en el cual se toma registro de cada uno de
los equipos tanto de corriente alterna como de directa y se consulta al personal presente el tiempo de consumo de cada uno de ellos, un ejemplo de estos equipos se puede ver en la figura 35.
Figura 35. Equipos del gimnasio
Fuente: Propia del autor
El proceso de análisis del primer piso también se realiza como el del sótano, tomando el consumo consolidado de carga de la jornada del día y de la noche, y
de manera separada cada una ellas.
a) Consumo durante el día y la noche en el primer piso
El consumo del primer piso se realiza teniendo en cuenta la cantidad de
dispositivos de consumo DC y AC de manera separada. En la tabla 8 se muestra un consumo Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 1572(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h))
que llego a 1555(W-h).
Tabla 8. Consumo del primer piso durante el día y la noche
Piso 1 gimnasio
Completo (W-h)
Lmd,DC 1572
Lmd, AC 1555 Fuente: Propia del autor
b) Consumo del primer piso solo durante el día
La disposición de separar los consumos es encontrar un punto en el que el
sistema se vuelva más rentable, para ello se toma el análisis de consumo durante
82
las horas del día. La tabla 9 muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida
diariamente en DC (W·h)), que llego a 420(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 650(W-h).
Tabla 9. Consumo del primer piso durante solo el día
Fuente: Propia del autor
c) Consumo del primer piso durante la noche
En la búsqueda de un mejor análisis de los resultados se toma de manera separa el consumo de energía del sótano durante la jornada nocturna. La tabla 10
muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 1152(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 905(W-h).
Tabla 10. Consumo del primer piso durante solo la noche.
Fuente: Propia del autor
4.3.3. Consumo del segundo piso (pequeño auditorio)
En el segundo piso se cuenta con un auditorio menor, en el cual se toma registro de cada uno de los equipos tanto de corriente alterna como de directa y se consulta al personal presente el tiempo de consumo de cada uno de ellos, un
ejemplo de estas zonas se puede ver en la figura 36.
El registro de consumo del segundo piso se lleva a cabo como el del sótano y el del primer piso, relacionando el consumo del día y de la noche de manera separa
como en una sola.
Piso 1
análisis día (W-h)
Lmd,DC 420
Lmd, AC 650
Piso 1
análisis noche (W-h)
Lmd,DC 1152
Lmd, AC 905
83
Figura 36. Equipos del segundo piso
Fuente: Propia del autor
a) Consumo durante el día y la noche en el segundo piso
El consumo del segundo piso se realiza teniendo en cuenta la cantidad de
dispositivos de consumo DC y AC de manera separada. En la tabla 11 se muestra un consumo Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 2316(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h))
que llego a 4010(W-h).
Tabla 11. Consumo del segundo piso durante el día y la noche
Fuente: Propia del autor
b) Consumo del segundo piso solo durante el día
La disposición de separar los consumos es encontrar un punto en el que el sistema se vuelva más rentable, para ello se toma el análisis de consumo durante las horas del día. La tabla 12 muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida
diariamente en DC (W·h)), que llego a 516(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 1855(W-h).
Piso 2 auditorio
Completo (W-h)
Lmd,DC 2316
Lmd, AC 4010
84
Tabla 12. Consumo del segundo piso durante solo el día
Fuente: Propia del autor
c) Consumo del segundo piso durante la noche
En la búsqueda de un mejor análisis de los resultados se toma de manera separa el consumo de energía del sótano durante la jornada nocturna. La tabla 13
muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 1800(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC
(W·h)) que llego a 2155(W-h).
Tabla 13. Consumo del segundo piso durante solo la noche
Fuente: Propia del autor
4.3.4. Consumo del tercer piso (sala de consulta)
El tercer piso cuenta con una sala de consulta, en donde los estudiantes pueden llevar sus equipos portátiles. En este piso los datos son muy oscilatorios pues el
personal que brinda la información no lleva ningún registro de cuantos y cuánto tiempo los equipos son conectados a la red. Sin embargo se realiza un estimado en donde se registra cada uno de los equipos tanto de corriente alterna como de
directa, un ejemplo de estos equipos se puede ver en la figura 37.
Figura 37. Equipos del tercer piso
Fuente: Propia del autor
Piso 2
análisis día (W-h)
Lmd,DC 516
Lmd, AC 1855
Piso 2
análisis noche (W-h)
Lmd,DC 1800
Lmd, AC 2155
85
La metodología sigue siendo la misma.
a) Consumo durante el día y la noche en el tercer piso
El consumo del segundo piso se realiza teniendo en cuenta la cantidad de dispositivos de consumo DC y AC de manera separada. En la tabla 14 se muestra
un consumo Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 1152(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC (W·h))
que llego a 5320(W-h).
Tabla 14. Consumo del tercer piso durante el día y la noche
Piso 3 sala consulta
Completo (W-h)
Lmd,DC 1152
Lmd, AC 5320 Fuente: Propia del autor
b) Consumo del tercer piso solo durante el día
La disposición de separar los consumos es encontrar un punto en el que el sistema se vuelva más rentable, para ello se toma el análisis de consumo durante
las horas del día. La tabla 15 muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 340(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía
consumida diariamente en AC (W·h)) que llego a 3280(W-h).
Tabla 15. Consumo del tercer piso durante solo el día
Piso 3
análisis día (W-h)
Lmd,DC 340
Lmd, AC 3280 Fuente: Propia del autor
c) Consumo del segundo piso durante la noche
En la búsqueda de un mejor análisis de los resultados se toma de manera separa el consumo de energía del segundo piso durante la jornada nocturna. La tabla 16
muestra la relación Lmd,DC (Energía consumida diariamente en DC (W·h)), que llego a 812(W-h) y el consumo Lmd, AC (Energía consumida diariamente en AC
(W·h)) que llego a 2040W-h).
86
Tabla 16. Consumo del segundo piso durante solo la noche
Piso 3
análisis noche (W-h)
Lmd,DC 812
Lmd, AC 2040
Fuente: Propia del autor
4.3.5. Consumo del edificio
Para complementar la información de consumo de energía se realiza una solicitud a la empresa “VATIA” encargada de suministrar el servicio y muy amablemente
ofrecen la información de los promedios de consumo mes a mes de los últimos 5 años, esta información se puede ver en la siguiente tabla. Tabla17. Consumo promedio mensual de energía de la Universidad de Santander
en los últimos 5 años
Fuente: suministrada por la empresa “VATIA”
87
Dentro de la información que la empresa facilita también se tiene la matriz de
consumo de energía día a día y la relación de consumo por hora. Estos datos son muy valiosos, pues parte del análisis está basado en las jornadas diarias y
nocturnas. La figura que se muestra a continuación deja ver el consumo promedio del mes de marzo discriminado por potencia de consumo versus las horas del día para el edificio Yariguies.
Figura 38. Consumo promedio del día de marzo edificio YARIGUIES
Fuente: Diseño propio
La figura 39 permite ver la potencia de consumo versus los días del mes de marzo del año 2012.
Figura 39. Consumo de energía de la universidad del mes de marzo discriminado por
días y horas
Fuente: Diseño propio
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
CONSUMO (Kw-h)
CONSUMO (Kw-h)
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00h1
h2
h3
h4
h5
h6
h7
h8
h9
h10
h11
88
La figura anterior permite determinar que los fines de semana el consumo se va a
los valores mínimos entre los 50KWh.
4.3.6 Consumo del edificio teniendo en cuenta la cantidad de equipos y el tiempo de funcionamiento
Una parte muy particular que esta tesis presenta es el cálculo de la carga total del sistema utilizando una plantilla para la recolección de información con base en la
potencia consumida por cada equipo y la cantidad de equipos. Esta información se corroboro con la información que entrega la Universidad para permitir establecer que los cálculos que sean venido realizando son correctos. La tabla 18 muestra
dicha información. Tabla 18. Día y hora de mayor consumo en el edificio YARIGUIES de la Universidad de
Santander año 2012.
(07/03/2012) (kw -h) HORA
13,32 H1
13,31 H2
12,69 H3
12,71 H4
13,2 H5
11,97 H6
22,98 H7
35,16 H8
54,97 H9
64,52 H10
68,03 H11
66,81 H12
48,99 H13
43,57 H14
59,18 H15
68,35 H16
67,31 H17
69,01 H18
64,52 H19
60,98 H20
49,22 H21
36,67 H22
27,07 H23
19,07 H24
954,502 TOTAL
FUENTE: PROPIA DEL AUTOR
Cabe resaltar que en el día 7 de marzo del 2012 presento un consumo de
924,502KWh y la hora de mayor consumo han sido las seis de la tarde. 4.4 ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LOS PANELES
Los colectores se deben situar de tal forma que a lo largo del período de utilización
el equipo solar aproveche día a día el máximo posible de la radiación incidente. Estos datos son gracias a la CDMB quien facilito las diferentes medidas.
La figura 40 muestra la relación de promedio de insolación solar en diferentes planos inclinados en los meses del año 2010.
Al tener estos resultados se determina que el rango de colocación de los paneles solares para obtener el mejor rendimiento esta entre 5° a 8°. Es importante
resaltar que el techo de los edificios cuenta con un grado de inclinación, que puede ser ajustado a las necesidades del diseño.
89
También se resalta que el mes de marzo tiene un promedio de insolación de
5600W a un ángulo de 7,2°.
Figura 40. Promedio mensual de insolación solar en diferentes planos inclinados
Fuente: Propia del autor
4.5. PROVEEDORES DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN COLOMBIA
Para dar un inicio al diseño del sistema fotovoltaico es necesario conocer los
proveedores disponibles en Colombia. Algunos de estos se pueden observar en la siguiente tabla.
Tabla 19. Proveedores de sistema fotovoltaico en Colombia y otros países
EMPRESA Sede WEB Teléfono
HEMEVA LTDA Bogotá www.hemeva.com
AMPA SOLAR Piedecuesta www.ampaenergysolutionscolombia.es.tl/ 3178141706
COLTECNICA LTDA Bogotá www.coltecnica.com
APROTEC Cali www.aprotec.com.co (2) 653 5797
KIOCERA http://www.kyoceramita.es/
SOLAR CENTER LTDA Bogotá www.solarcenter.com.co
APS SERTEL Bogotá www.aps-sertel.com/ 57 (1) 3470593
ENERGÍA INTEGRAL
ANDINA Manizales www.colombiaexport.com/eiase.htm
(968)891617-
891448 GESTIÓN INTEGRAL
ENERGETICA S.A. Bogotá www.gie.com.co 621 93 01
M Y M INGENIEROS Bucaramanga Cr 38 34-40 6341595
EESOCOL Bucaramanga Cr 33 52 (057) 6843021
TRAFOCOL Bogotá http://www.trafocol.com (571) 2678764
ENERGIA INTEGRAL
ANDINA Bogotá http://www.energiaintegralandina.com
3.500
4.000
4.500
5.000
5.500
6.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
7.2°
4.2°
3°
8°
10°
15°
20°
25°
30°
0°
90
EXTRANJERAS
EMPRESA sede WEB Teléfono
JH ROEDEN Madrid http://www.jhroerden.com (34)914586436
ENERGIA SOLAR CM CHILE http://www.energiasolarcm.com
(809)-740-(809)
PUNTO SOLAR CHILE http://www.puntosolar.cl/
pvsolar china china http://es.pvsolarchina.com/paneles-solares-policristalino-y-monocristalino.html
Fuente: Propia del autor
4.6. DIMENSIONAMIENTO DE LOS DIFERENTES EQUIPOS DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
Para el dimensionamiento de los equipos es necesario considerar los siguientes
pasos; 4.6.1. Estimación de consumos y energía necesaria del generador fotovoltaico
Para dar comienzo a la selección de los equipos se debe tener presente el nivel de consumo del edificio “Yariguies”. Durante los últimos 5 años el consumo de
energía del edificio ha venido subiendo, en el 2008 presento un consumo de 16174W y al 2012 el consumo fue 25915W. Cabe resaltar que en los últimos 5 años el consumo más bajo de la Universidad de Santander se presenta en los
meses de enero y diciembre de manera constante. Parte de esto se debe al continuo crecimiento que tiene la universidad, sin
mencionar la cantidad de equipos que ha venido adquiriendo, en el transcurso del tiempo.
Se debe recordar que el análisis de consumo de energía se lleva a cabo a través de dos formas una que es la que la empresa prestadora de servicio entrega la información y la otra a través de una plantilla de consumo teniendo en cuenta la
cantidad de equipos y el tiempo de servicio.
a) Consumo medio diario en alterna y en continua
Dentro del análisis de consumo se tiene en cuenta el consumo medio diario en
alterna y en continua.
91
Lmd,AC: Energía consumida diariamente en alterna (Wh)
Lmd,DC: Energía consumida diariamente en continua (Wh) PAC: Potencia de alterna
PDC: Potencia de continua tdi: Tiempo diario de uso
Estos resultados se analizan de manera particular piso por piso del edificio YARIGUES, en ítems anteriores. El valor total del edificio en Lmd,AC ;18317Wh y
de Lmd,DC:9729, estos valores corresponden al consumo del todo el día. Sin
embargo se realiza el análisis parcial tanto del día y de la noche de estos valores, lo que arrojaron fue; En el día Lmd,AC: 10393Wh y Lmd,DC:3988Wh para la
noche, Lmd,AC; 7924Wh y Lmd,DC:5804Wh
b) Media mensual de energía diaria que se debe suministrar.
Para el cálculo de media mensual de energía diaria que se debe suministrar se tiene en cuenta la siguiente ecuación.
Lmd: Energía necesaria media diaria (W·h) ŋb: Eficiencia carga/descarga de la batería ŋinv: Eficiencia media diaria del inversor.
Los valores que se toman para los diferentes cálculos están el de ŋb:95% y ŋinv: 90%, esto permite que los valores del Lmd se puedan observar en la siguiente
tabla. Tabla 20. Media mensual de energía (W-h)
Sótano Piso 1 Piso 2 Piso 3 Edificio completo
Todo 13694,5 3473,45029
7127,95322
7434,8538
29129,2654
Día 8244,21 1202,33918
2712,74854
4194,15205
15884,9568
Noche 5450,2 2271,11111
4415,20468
3240,70175
13244,3086
Fuente: Propia del autor
c) Media anual de energía diaria que debe suministrarse.
Si el consumo de media anual de energía diaria se establece en la hoja de cálculo con el valor del edificio completo y con el día de mayor consumo
Lma=29129,26Wh
92
4.6.2. Posición óptima de los módulos fotovoltaicos
La figura 39 permite ver las diferentes radiaciones solares a diferentes ángulos.
Para el análisis y la selección de los dispositivos se tiene en cuenta la tabla 21. Que muestra los planos de inclinación del ángulo seleccionado.
Tabla 21.Promedio Mensual de Insolación solar en un plano inclinado [kW/m2] Mes/ángulo 7,2
1 5.611
2 6.019
3 5.662
4 5.294
5 5.339
6 4.594
7 4.818
8 5.138
9 5.248
10 5.227
11 4.882
12 4.666
Fuente: propia del autor
Para continuar con el análisis se selecciona el mes crítico de la posición óptima,
este mes corresponde a junio en donde la medida de radiación 4,5kW/m2. 4.6.3. Método de funcionamiento de potencia máxima
En este apartado se genera una variable conocida como PR (rendimiento
energético de la instalación o Performance Ratio), la cual tiene en cuenta las perdidas debido a;
Temperatura de las células
Dispersión de parámetros y suciedad de los paneles
Errores en el seguimiento del punto de máxima potencia
Eficiencia energética del regulador y la batería
Eficiencia energética del inversor Los valores típicos asignados a esta variable son;
Instalaciones con batería e inversor: PR = 0.6
Instalaciones sin batería y con inversor: PR = 0.7
93
Para el análisis final se trabajan con las dos variables para establecer la totalidad
de paneles.
a) Criterio de máxima capacitación energética anual
Para realizar la elección del criterio se debe analizar la tabla 22 de valor medio
anual de radiación diaria, para diferentes inclinaciones
Tabla 22. Tabla de valor medio anual de radiación diaria, para diferentes
inclinaciones Media anual
Gd Global KW/m2 7,2 4 3 8 10 15 20 25 30 0
5.208 5.202 5.20 5.207 5.201 5.163 5.091 4.985 4.846 5.179 Fuente: propia del autor
Se calcula la relación Lma/Gdm (α,β), para cada inclinación en donde la Lma es
29129,26Wh
Tabla 23. Relación de Lma/Gdm (α,β)
Media Anual
Lma/Gdm (α,β) 7,2 4 3 8 10 15 20 25 30 0
4,638 4,643 4,645 4,639 4,644 4,678 4,744 4,845 4,984 4,664 Fuente: propia del autor
Teniendo en cuenta este dato se escoge el menor cociente de inclinación que es 4,638, el cual me da como resultado la inclinación óptima, que es de 7,2°
4.6.4. Cantidad de Paneles fotovoltaicos
Para determinar el número total de módulos o NT se realiza teniendo en cuenta la siguiente ecuación.
Lma: Media anual del consumo diario (W·h)
GCEM: Irradiancia en condiciones estándar (1 kW / m2) PR: Rendimiento energético de la instalación (Performance Ratio) PM,MOD: Potencia pico del módulo (Wp)
Gdm(α, β): Valor medio de radiación diaria sobre superficie con cualquier
posición(kWh/m2)
94
Se debe recordar que la forma en que se calculó el Lma varia debido a que se
toman varias modalidades para determinar el nivel de consumo de energía del edificio Yariguies.
Como consecuencia final se tienen resultados muy parecidos de la cantidad de módulos que necesitan para suplir la cantidad de energía del edifico.
La siguiente tabla 24 permite observar la necesidad de paneles, divida por pisos o ya sea para el edificio completo.
Tabla 24. Número total de paneles requeridos según el diseño de consumo.
Sótano
Piso 1 gimnasio
Piso 2 auditorio
Piso 3 sala consulta
TOTALES
edificio completo
Completo
completo
completo
completo relación de consumo
NT 11 TOTAL
NT 3 TOTAL
NT 6 TOTAL
NT 6 TOTAL NT 26 NT 23 TOTAL
sótano
Piso 1
Piso 2
Piso 3
edificio completo
análisis día
análisis día
análisis día
análisis día
análisis día
NT 7 TOTAL
NT 1 TOTAL
NT 2 TOTAL
NT 3 TOTAL NT 13 NT 12 TOTAL
sótano
Piso 1
Piso 2
Piso 3
edificio completo
análisis noche
análisis noche
análisis noche
análisis noche
análisis noche
NT 5 TOTAL
NT 2 TOTAL
NT 4 TOTAL
NT 3 TOTAL NT 14 NT 10 TOTAL Fuente: propia del autor
Esta cantidad de paneles se puede determinar de manera automática, y depende de los niveles de radiación que se seleccionen. Para este caso se toma el
promedio de radiación del mes de más alto consumo, el cual es de 5095Wh/m2. La figura 41 permite observar los niveles de radiación solar para el mes de marzo del
2012, en el cual se ha venido trabajando en los análisis. Hay que mencionar que mientras más bajo sea los niveles de radiación la cantidad
de paneles aumentan, sin embargo el valor escogido está cercano al promedio en los últimos 10 años de radiación solar en la ciudad de Bucaramanga que es de
5180 Wh/m2.
a) Numero de módulos conectados en serie
Para determinar la cantidad de módulos que se deben conectar en serie se toma la siguiente ecuación.
VB: Tensión nominal de la batería (V)
95
VM.MOD: Tensión de los módulos en el punto de máxima potencia (V)
Este valor relaciona la tensión nominal de la batería y la tensión de los módulos en
el punto de máxima potencia.
b) Numero de ramas conectados en paralelo
Para determinar la cantidad de módulos conectados en paralelo se tiene en cuenta
la siguiente ecuación.
NT: Número total de módulos fotovoltaicos. Ns: Numero de módulos conectados en serie.
La relación del número de módulos en paralelos se tiene en cuenta en el cálculo total de carga del edificio y también se realiza de manera parcial piso a piso en el
caso que se quiera solo alimentar dicha área de energía.
Figura 41. Promedio de radiación solar en el mes de marzo del 2012.
Fuente: Propia del autor
4.6.5. Método amperios-hora
Para este método los módulos o paneles trabajan con tensión Vmod (Tensión de los módulos en el punto de máxima potencia (V) submúltiplo de Vb y la corriente prácticamente igual a ISC,MOD (Corriente de cortocircuito de los módulos (A)) y a
IM,MOD (Corriente de los módulos en el punto de máxima potencia (A)). Cada uno
de los resultados de las ecuaciones de esta sección se pueden observar en el
anexo E.
3800
4300
4800
5300
5800
1 2 3 4 5 6 7 8 91
01
11
21
31
41
51
61
71
81
92
02
12
22
32
42
52
62
72
82
93
03
1
Radiación solar mes de marzo (W-h)
Radiación solar
96
a) Media anual de carga diaria que debe suministrar el generador
Al tener estos aspectos en cuenta se determina la Media anual de carga diaria
que debe suministrar el generador, por medio de la siguiente ecuación.
Lma: Media anual del consumo diario (W·h) VB: Tensión nominal de la batería (V)
b) Corriente total del generador fotovoltaico
Para continuar con este método se determina la corriente total del generador fotovoltaico y para ello se utiliza la siguiente ecuación.
QAh: Consumo diario medio anual (Ah / día)
GCEM: Irradiancia en condiciones estándar (1 kW / m2) Gdm(α, β): Valor medio de radiación diaria sobre superficie con cualquier posición
(kWh/m2) PR: Rendimiento energético de la instalación (Performance Ratio)
c) Numero de ramas en paralelo
Una vez se ha definido la corriente del generador fotovoltaico, se trabaja en determinar el número de ramas en paralelo, para ellos se tiene en cuenta la
siguiente ecuación.
IMG: Corriente producida por el generador fotovoltaico (A)
IM,MOD: Corriente de los módulos en el punto de máxima potencia (A)
97
d) Número de módulos en serie
Para determinar la cantidad de módulos en serie se tiene presente la siguiente
ecuación.
e) Número total de módulos
Teniendo en cuenta los pasos anteriores y por medi o de la siguiente ecuación se puede determinar el número total de módulos. Esto permite comparar el resultado del método anterior.
En la tabla 25 se pueden observar los resultados y lo obtenido por el método anterior. Estos resultados son muy parecidos lo cual permite establecer que los
cálculos realizados permiten establecer la cantidad de paneles necesarios para el edificio Yariguies de la Universidad de Santander UDES.
Tabla 25. Total de paneles por los métodos de determinación.
sótano
Piso 1 gimnasio
Piso 2 auditorio
Piso 3 sala consulta
TOTALES
edificio completo
completo
Completo
completo
Completo relación de consumo
NT 11 TOTAL
NT 3 TOTAL
NT 6 TOTAL
NT 6 TOTAL NT 26 NT 22 TOTAL
NT 12 TOTAL
NT 3 TOTAL
NT 6 TOTAL
NT 6 TOTAL NT 27 NT 23 TOTAL
sótano
Piso 1
Piso 2
Piso 3
edificio completo
análisis día
análisis día
análisis día
análisis día
análisis día
NT 6 TOTAL
NT 1 TOTAL
NT 2 TOTAL
NT 3 TOTAL NT 12 NT 12 TOTAL
NT 7 TOTAL
NT 1 TOTAL
NT 3 TOTAL
NT 4 TOTAL NT 15 NT 13 TOTAL
sótano
Piso 1
Piso 2
Piso 3
edificio completo
análisis noche
análisis noche
análisis noche
análisis noche
análisis noche
NT 4 TOTAL
NT 2 TOTAL
NT 4 TOTAL
NT 3 TOTAL NT 13 NT 10 TOTAL
NT 5 TOTAL
NT 2 TOTAL
NT 4 TOTAL
NT 3 TOTAL NT 14 NT 11 TOTAL Fuente: propia del autor
Gracias a que el análisis es por pisos, se crea la ventaja de instalación en una sola de zonas del edificio o en cualquiera de ellas, permitiendo reducir costos en la
factura de energía.
98
4.6.6. Distancia mínima entre filas de los módulos
Debido a las sombras, para garantizar al menos 4 horas de sol al mediodía en el
solsticio de verano. Esta distancia se calcula a través de la siguiente ecuación.
h: Altura de los módulos
Ф: Latitud del lugar (º) Se considera, a d como la separación entre la parte posterior de una fila y la
superior de la siguiente y a h como la diferencia de alturas entre la parte alta de una fila y la baja de la siguiente. En la figura 42 se puede observar un ejemplo de
posición. La distancia recomendada es de 0,3m entre módulos, este resultado se puede observar en la siguiente tabla.
Tabla 26. Cálculo de distancia entre módulos.
DISTANCIA ENTRE MODULOS (cm)
altura de los módulos h 0,215
latitud del lugar ɸ 73
distancia d 0,3 Fuente: propia del autor
Figura 42. Ejemplo de distancia entre módulos solares.
Fuente: Presentaciones de la maestría
4.6.7. Dimensionamiento del acumulador
Es importante resaltar que en la selección del acumulador juega un papel importante los días de autonomía que se quieran tener. Para cuestiones del ejercicio se toma como ejemplo solo un día. Es también necesario mencionar que
el diseño y análisis de este trabajo busca establecer los costos teniendo en cuenta los acumuladores y así mismo sin ellos, esto en la búsqueda de reducir costos en el diseño.
99
a) Capacidad nominal diaria de la batería.
Para establecer la capacidad nominal de la batería se tiene en cuenta las
siguientes ecuaciones.
PDmax,d: Máxima profundidad de descarga diaria de la batería (tanto por uno) Lma: Media anual del consumo diario (W·h) VB: Tensión nominal de la batería (V)
Los cálculos de la capacidad nominal se pueden observar en la tabla 27. De uno de los pisos del edificio YARIGUIES.
b) Capacidad nominal estacional de la batería.
Para determinar la capacidad nominal estacional de la batería se tiene en cuenta las siguientes ecuaciones.
PDmax,e: Máxima profundidad de descarga estacional de la batería (tanto por
uno) N: Número máximo de días de autonomía (días)
Lma: Media anual del consumo diario (W·h)
En muchas hojas técnicas del fabricante del acumulador recomiendan el PDmax,e
(Máxima profundidad de descarga estacional de la batería). Sin embargo para
cuestiones del ejercicio se tiene un porcentaje del 70%
Una vez terminado el cálculo de las dos capacidades se comparan y se escoge la de mayor valor. Parte de los resultados del cálculo se encuentra en el tabla 27.
Tabla 27. Dimensionamiento del acumulador
Capacidad del acumulador CB 774,269006 Ah Valor seleccionado
CBd 18582,4561 Wh CBe 3981,95489 Wh
774,269006 Ah 165,914787 Ah Fuente: Propia del autor
Los valores que aparecen en la tabla anterior hacen referencia al tercer piso del
edificio YARIGUES,
100
4.6.8. Dimensionamiento del regulador
Para el dimensionamiento del regulador se tiene en cuenta los siguientes
aspectos.
a) Intensidad de entrada del regulador.
Para el cálculo de la intensidad del regulador se toma la siguiente ecuación
El dato de Isc,G representa la Intensidad que produce el generador fotovoltaico,
esta se determina a través de la siguiente ecuación.
Np: Número de ramas en paralelo
ISC,MOD: Corriente de cortocircuito de un módulo (A)
b) Intensidad de salida del regulador
La intensidad de salida del regulador se calcula a partir de la siguiente ecuación.
PDC: Potencia de las cargas en DC PAC: Potencia de las cargas en AC VAC: Valor eficaz de la tensión alterna
inv: Eficiencia media diaria del inversor
Al tener la intensidad de entrada del regulador y la intensidad de salida regulador se elige la mayor entre las dos. Esto para garantizar el buen funcionamiento de los
dispositivos. El resultado de estas ecuaciones se puede observar en la tabla 28.
Tabla 28. Dimensionamiento del regulador
Intensidad del regulador
intensidad de entrada del regulador IREG,e 3,50416667 A
intensidad de salida del regulador IREG,s 32850,8553 A
Im,G 2,62 A
intensidad que produce el generador FV Isc,G 2,80333333 A Fuente: Propia del autor
Los valores que aparecen en la tabla anterior hacen referencia al tercer piso del edificio YARIGUES,
101
4.6.9. Dimensionamiento del inversor
Para realizar el dimensionamiento del inversor se tiene en cuenta los siguientes pasos
a) Potencia nominal.
La potencia nominal es aquella que puede suministrar el inversor de forma continuada. Para ello la Pinv (Potencia nominal del inversor) ≈ PAC (Potencia de
las cargas en AC(W)) esto con el fin de evitar sobredimensionar el inversor y buscarlo que trabaje en la zona de mejor rendimiento.
Es también importante que la tensión nominal de entrada deba adquirir un rango de variación del 15%, para permitir el correcto funcionamiento del dispositivo.
En la tabla 29 se puede observar el valor mínimo para la selección del inversor
para el tercer piso del edificio YARIGUIES.
Tabla 29. Dimensionamiento del inversor
INVERSOR
Pinv ≈ PAC 2040 W Fuente: Propia del autor
4.6.10 Dimensionamiento del cableado
Es importante tener presente que siempre se presentan perdidas en los conductores. Para seleccionar un buen cableado se debe tener en cuenta la siguiente ecuación
I: Corriente que circula por los conductores (A)
: Resistividad lineal ( · mm2 / m)
L: Longitud del cable (m) A: Área de la sección del cable (mm2)
RC: Resistencia de los cables ()
102
4.7. DIMENSIONAMIENTO DEL ÁREA QUE OCUPAN LOS PANELES
FOTOVOLTAICOS
Para el dimensionamiento del área de ocupación se debe tener en cuenta el consumo del edificio, en el análisis este consumo se sectorizo de tal forma que se pueden proponer diferentes áreas de ocupación.
Al hablar de diferentes áreas de ocupación se hace referencia a que en el análisis
de consumo se dispone por pisos de tal forma que se tiene la cantidad de paneles necesarios por piso. Esto genera diferentes áreas. Sin embargo en la siguiente tabla se relaciona el edificio completo.
Tabla 30. Dimensionamiento del área de ocupación de los paneles fotovoltaicos.
Dimensionamiento del área del panel
largo 1,96 m ancho 0,99 m alto 46 mm área panel 1,9404 m² área total 42,6888 m2 VATIA
área total 50,4504 m2 Cargas Fuente: Propia del autor
4.8 COSTOS DEL DISEÑO
La inversión necesaria para adquirir un sistema fotovoltaico depende de varios
factores, por ejemplo: los precios internacionales del mercado fotovoltaico, la disponibilidad local de distribuidores e instaladores de equipos fotovoltaicos, la
ubicación y demanda energética de los usuarios. Las características particulares de todos los equipos necesarios para satisfacer la demanda energética (en calidad, cantidad y capacidad), la distancia y la facilidad de acceso entre el lugar
de venta de los equipos y el lugar donde se instalará el sistema (en cantidad de kilómetros por recorrer en vehículo todo terreno, en vehículo normal, en bestia o caminando), y los márgenes de ganancia de vendedores e instaladores de
equipos (generalmente entre el 10 a 30%).
4.8.1 Costo de los paneles solares
En el anexo A se muestra la oferta tecnológica de paneles, tanto de proveedores
nacionales como extranjeros. La siguiente tabla muestra las características del panel seleccionado y el costo unitario del mismo.
103
Tabla 31. Características de panel seleccionado y su costo unitario.
Fuente: Propia del autor
4.8.2 Costo del acumulador
En el anexo B se muestra la oferta tecnológica de acumuladores, tanto de
proveedores nacionales como extranjeros. La siguiente tabla muestra las características básicas del acumulador seleccionado y el costo del mismo.
Tabla 32. Características del acumulador y su costo unitario.
OFERTA TECNOLÓGICA DE BATERÍAS DE PLOMO ACIDO
EMPRESA REFERENCIA
PROPIEDADES ELÉCTRICAS DIMENSIONES
costo
Voltaje[V]
Capacidad Factor de Largo[mm]
Ancho[mm] Alto[mm] [Ah] Descarga
Permitida
ENERSYS ECOSAFE OPzV
12 3932
343 171 275 600000
Fuente: Propia del autor
4.8.3 Costo del inversor
En el anexo C se muestra la oferta tecnológica de los inversores, tanto de
proveedores nacionales como extranjeros. La siguiente tabla muestra las características básicas del inversor seleccionado y el costo del mismo.
Tabla 33. Características del inversor y su costo unitario.
OFERTA TECNOLÓGICA DE INVERSORES
EMPRESA DESCRIPCIÓN POTENCIA [W]
potencia de
trabajo óptimo EFICIENCIA
FORMA DE ONDA costo
MULTIPLUS Multiplus 48/5000 5000 10000 9000 0,9 Senoidal
$ 5.000.000,00
Fuente: Propia del autor
4.8.4 Costo del regulador
En el anexo D se muestra la oferta tecnológica de los reguladores, tanto de
proveedores nacionales como extranjeros. La siguiente tabla muestra las características básicas del regulador seleccionado y el costo del mismo.
104
Tabla 34. Características del regulador y su costo unitario.
OFERTA TECNOLÓGICA DE REGULADORES DE CARGA
EMPRESA DESCRIPCIÓN CORRIENTE[A]
Máximo TENSIÓN
Tecnología
COSTO
Voltaje de [VDC]
entrada
KYOCERA STECA 30A 30 60 24 PWM 330000
Fuente: Propia del autor
4.9 COSTOS GLOBALES DE LA INVERSIÓN
Entre los costos globales de la inversión se tiene en cuenta los costos de importación, estructuras metálicas de colocación de los paneles y mano de obra. En la siguiente tabla se puede observar en detalle cada uno de los elementos, los
cuales están en la matriz de análisis señalada en anexo E. cabe resaltar que la estructura de aluminio se cotiza con una empresa local la cual ofrece un costo
166750 pesos para cada panel y la mano de obra para el proyecto está en un rango de 5 a 7 millones de pesos.
Tabla 35. Costos globales del proyecto
elemento costos Modelo cant Total Importación Total
panel $ 3.000.000,00 SSB300W-36P 28 $ 84.000.000,00 $ 13.440.000,00 $ 97.440.000,00
acumulador $ 600.000,00
ECOSAFE
OPzV 2 $ 1.200.000,00 $ 192.000,00 $ 1.392.000,00
regulador $ 450.000,00 Steca 1 $ 450.000,00 $ 72.000,00 $ 522.000,00
inversor $ 5.000.000,00 Multiplus 48/5000 5 $ 25.000.000,00 $ 4.000.000,00 $ 29.000.000,00
estructuras $ 166.750,00 estru. Aluminio 28 $ 4.669.000,00
$ 4.669.000,00
mano obra
$ 7.000.000,00
$ 7.000.000,00
total global del proyecto $ 140.023.000,00
Fuente: Propia del autor
4.10 COSTOS DE LA ENERGÍA PRODUCIDA
Para determinar el costo de energía producida, se calcula de la siguiente manera.
Teniendo en cuenta la cantidad de paneles, el tipo de panel y el tiempo que los paneles reciben luz solar.
Si durante un día tenemos el equivalente a 8 horas de luz (en realidad tenemos más horas, pero como sólo tenemos el máximo de luz en un número reducido de
horas, en total es equivalente a 8 horas de la máxima potencia), con 26 paneles de 2 metro cuadrado aproximadamente se captaría:
26X300watiosx8 horas= 62400 watios·hora = 1.6 kw-h.
105
Este número puede reducirse notablemente en invierno debido a que tenemos menos horas y menos intensidad de radiación.
Si consideramos una vida útil de 25 años, en dicho tiempo, en el mejor de los casos se genera la siguiente cantidad de energía:
25años*365días/año*8 horas/día=73000horas
Como se sabe, la energía es igual a la potencia multiplicada por el tiempo.
Con una producción de unos 23kW de potencia media, la producción sería de:
E=23kw·73000 horas= 1,7MWh
Si dividimos el costo de los equipos por la energía generada tendríamos una aproximación del costo de cada unidad de energía:
Costo= 172.843.750$/167900Wh·= 102,9$/Wh
Se debe tener en cuenta que todo esto son aproximaciones que sirven para hacerse una idea. La cantidad de energía que se puede captar puede aumentar ligeramente con paneles de mejor rendimiento, aunque su costo también será
superior. Por otra parte, la intensidad de radiación solar varía según la parte del planeta y la época del año y también hay que contar los días nublados.
Aunque se ha contado una vida útil de 25 años, durante ese tiempo habrá algún gasto en mantenimiento. Es probable que en dicho tiempo sea necesario sustituir
las baterías, las cuales son bastante caras, por lo que el costo real a tener en cuenta para calcular el costo de la energía será algo mayor.
Este costo se hace teniendo en cuenta condiciones nominales, lo cual se presta para errores sin embargo sirve como parámetro para futuros análisis.
106
CONCLUSIONES
Con la investigación se puede establecer las características técnicas de los
dispositivos necesarios para el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos en el edificio “Yariguies” de la Universidad de Santander UDES.
Los dispositivos electrónicos smartphone o teléfonos inteligentes gracias a la
aplicación “Pyranometer” y con el correcto uso de un difusor se transforman en un censor de irradiación solar que permite tener medidas cercanas a los dispositivos profesionales.
Los días de autonomía del diseño, exige un aumento en la cantidad de baterías o acumuladores, generando que los costos finales del proyecto se eleven. Sin embargo el dimensionamiento cuenta con la particularidad del análisis de
consumo de energía eléctrica en el día y en la noche. Esto con el fin de prescindir del uso de baterías durante las horas día y permitiendo una reducción en los
dispositivos y la disminución de costos. La implementación de un sistema de generación de energía fotovoltaica en la
Universidad de Santander UDES, además de estar enfocado a suplir el consumo de energía eléctrica consumida por el edificio Yariguies, se relaciona con las
políticas ambientales de la Universidad . Los métodos de determinación del consumo de energía eléctrica del edificio
Yariguies permiten tener mayor confiabilidad en los datos de la cantidad de elementos que se requiere para la implementación de un sistema fotovoltaico.
El instrumento de medición diseñado permite establecer de manera rápida y ágil las características de los dispositivos (cantidad de paneles, tipo de inversor, tipo
de acumulador, tipo de regulador y tipo de cableado) que hacen parte de un sistema fotovoltaico. Así mismo calcula los costos y el área de ocupación de los
elementos del sistema y determina los parámetros para la selección de los dispositivos que se requieren.
Los incentivos en Colombia se hacen necesarios para motivar a la comunidad Bumanguesa en la inversión de proyectos de generación de energía fotovoltaica,
para beneficio del medio ambiente, ya que a medida que pasa el tiempo el costo de los paneles solares ha venido en disminución, sin embargo para que la tecnología se vuelva más atractiva al usuario final.
107
REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA
[1] Photovoltaic Generation of Electricity, Rome, Italy, edited by T.J. Coutts, G.Guazzoni and J.Luther (American Institute of Physics, Melville, New York),
(2003), p.18. [2] Renewable Energy World Review July-August (2002) [3] Martin Green. Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond.
Physica E, 14, 65, (2002). [4] A. Jäger-Waldau, European Commission, DG JRC: “PV Status Report 2005:
Research, Solar cell Production and Market Implementation of Photovoltaics” EUR 21836 EN (2005). http://ies.jrc.cec.eu.int/Units/re . [5] Tecnología Solar Fotovoltaica: Investigación, Desarrollo e Implantación en el
Mercado, http://www.pv-era.net/doc_upload/documents/ [6] http://www.las7enpunto.com/hacer-que-las-celulas-solares-sean-mas-baratas/
[7] PV activities in Japan and global PV Highlights, Vol.15, No2, Februay 2009 [8] http://tdx.cat/bitstream/handle/10803/6839/10Nvm10de17.pdf?sequence=11
[9] Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente (DAMA), Informe
mensual de Red Calidad de Aire de Bogotá
[10] RAFAEL, Lamaison. Energía Solar Fotovoltaica.,(ESF)2004
[11] ARCHER, Mary D y HILL, Robert. Clean electricity rom photovoltaics series on photoconversion of solarenergy. Vol. 1, 2001. pag 678.
[12] UNIDAD DE PLANTACIÓN MINERO ENERGÉTICA UNME Y INSTITUTO DE
HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA
IDEAM. Atlas de Radiación Solar de Colombia, 2005.
[13] NACIONES UNIDAS. Ratificación del protocolo de Kyoto. 2009. 11 p
[14] «Kyoto Protocol: Status of Ratification» (en inglés) (PDF). Organización de las
Naciones Unidas. Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio
Climático (14 de enero de 2009).
[15] NACIONES UNIDAS. Manual del convenio de Viena para la protección de la capa de ozono. 2006. Séptima edición. 78 p. [16] NACIONES UNIDAS. Convenio de Basilea sobre el control de los
movimientos transfronterizos de los desechos peligrosos y su eliminación adoptado por la conferencia Plenipotenciarios del 22 de marzo de 1989. 1989. 53
p. [17] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO). Norma
ISO 50001. 2008.
[18] CONGRESO DE LA REPÚBLICA DE COLOMBIA. Ley 697 del 2001. Bogotá.
2001. 5p.
[19] Libro de Ciencia y Tecnología N° 2 Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, (Editor), México, 2011 [20] J. Holladay, J.Hu, D. King, Y. Wang, Catalysis Today, 139 (2012) 244-260
[21] M. Ball, M. Wietschel, Int. J. Hydrogen Energy, 34 (2011) 615-627.
108
[22] O. Solorza-Feria, H2 y Celdas combustible, http://www.relaq.mx/RLQ/h2.html.
[23] O. Solorza-Feria, E. Rios-Leal, E. Poggi-Varaldo, Energías Renovables biológicas-H2-Pilas de Combustible, http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales.html
[24] FORMULACIÓN DE UN PLAN DE DESARROLLO PARA LAS FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA EN COLOMBIA (PDFNCE), DIAGNÓSTICO DE LAS FNCE EN COLOMBIA, UPME, Bogotá, Diciembre 30 de 2010
[25] F. Chen, N. Duic, L.M. Alves, M. da Graça-Carvalho, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11 (2007) 1888-1902.
[26] D. Fairless, Nature, 447 (2007) 1046-1048. [27] SÁNCHEZ, Miguel Ángel. Energía Solar Fotovoltaica. 1ª. Ed. México, D.F. 2008, Limusa, 2008.
[28] LINDEN David, REDDY Thomas B. Handbook Of Batteries 3rd Edition.
McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-135978-8 chapter 22.
[29] RIVAS MARTINEZ, María Jesús. ROMAN GANZER, José. COSME
HUERTAS María Luisa. ―Aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de
carbono En: Informe de Vigilancia Tecnológica Madrid .76a. Edición. Fundación de
Madrid para el Conocimiento. 2009.
[28] http://www.mpptsolar.com/es/regulador-de-carga-solar-mppt.html
[29] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO). Norma
ISO 50001. 2008.
[30] ALCOR CABRERIZO, Enrique. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. 3ra.
edición. España: Editorial: PROGENSA, Promotora general de estudios, S.A.
2008.
R. Van Overtraeten, R. Mertens and J. Nijs, “Progress in Photovoltaic Energy
Conversion”, Reportson Progressin Physics 45 (1982) 1041-1112
INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES
(IDEAM). Atlas de Radiación Solar de Colombia. 2010
BIOMASS USERS NETWORK. Manuales sobre la Energía renovable Solar Fotovoltaica. Costa Rica. 2002. 48 p.
UNIDAD DE PLANTACIÓN MINERO ENERGÉTICA, UPME. Plan de expansión de referencia generación transmisión 2002-2011. p. 64. Citado por: CORTES,
Camilo y CHAPARRO, RAFAEL, Estudio Del Desempeño Para El Sistema De Energía Solar Fotovoltaica En El Parque Nacional Natural (Pnn) Tayrona De Colombia, Monografía Para Optar Él Título De Ingeniero Electricista, Universidad
De La Salle, 2006.
BANGUERO, E; MURILLO, W y ARAGÓN, G. Dimensionamiento e Instalación de un Sistema Fotovoltaico Autónomo en el Municipio de Quibdó-Chocó. Revista
109
Colombiana de Física, vol. 40, No. 2, Julio 2008. Universidad Tecnológica del
Chocó. Departamento de Matemáticas y Física.
ARCHER, Mary D y HILL, Robert. Clean Electricity From Photovoltaics. Series On Photoconversion Of Solar Energy, Vol. 1, 2011
GOETZBERGER, A y Hoffmann, U. Photovoltaic solar energy generation. springer
series in optical sciences, Vol.112. 2008 Dr. Quaschning, Volker. Enero – Febrero 2004. Technology Fundamentals
Photovoltaic Systems. En: Renewable Energy World. London, UK. Vol. 7, No. 1; p.
http://proyectos.aragua.gob.ve/descargas/ESTUDIOFACTIBILIDADECON%C3%9
3MICA.pdf
http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=9&cad=rja
&ved=0CFwQFjAI&url=http%3A%2F%2Fwww.frsf.utn.edu.ar%2Fmatero%2Fvisita
nte%2Fbajar_apunte.php%3Fid_catedra%3D119%26id_apunte%3D219&ei=cpLc
UZCMN5TI9QTF8oDYDQ&usg=AFQjCNGnw-
nrLoDH6Fhm0fRfM4eiQlY6TQ&sig2=-8qSM0ZZaAzxky6mmuIEvQ
http://www.redmujeres.org/biblioteca%20digital/guia_elaboracion_estudios_factibili
dad.pdf
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Código Eléctrico
Colombiano. Primera Actualización. Bogotá: ICONTEC, 1998. 797p. NTC 2050.
UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA - UPME. Boletín estadístico
de minas y energía 2010-2011. Bogotá D.C. : s.n., 2011.
110
ANEXO A. OFERTA TECNOLÓGICA DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
OFERTA TECNOLÓGICA DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
PROVEEDOR DESCRIPCIÓN
PROPIEDADES ELÉCTRICAS DIMENSIONES Garantía
Pmp Vmp Imp V_Tmax Voc Isc
Ajuste Eficiencia
Tecnología Longitud Ancho Espesor Peso [Años]
[W] [V] [A] 28 [V] [A] % [mm] [mm] [mm] [Kg] costo aproximado
Ampa Solar
ASM 50W-12V-3,05A 55 17,2 2,9 16,3 21,6 3,1 0,95 16 Monocristalino 1007 462 24,5 5,5 20 880 680
ASM 80W-12V-4,85A 80 17,5 4,85 16,6 21,8 4,85 0,95 16 Monocristalino 1200 527 24,5 16,7 20 1 210 000
ASM 150W-24V- 4,85A
150 26,6 4,35 25,3 43,2 4,7 0,95 17 Monocristalino 1224 1047 39,5 17 20 1 850 000
Ky ocera
Hemev a
Ky ocera 40Wp 40 16,9 2,34 16,1 21,5 2,48 0,95 >14 Policristalino 652 536 54 4,5 25 $
810.000,00
Ky ocera 65Wp 65 17,4 3,75 16,5 21,7 3,99 0,95 >14 Policristalino 651 652 40 6 25 $1 020 000
Ky ocera 85Wp 85 17 4,9 16,2 4,7 0,95 >14 Policristalino 41554,00 25 $1 310 000
Ky ocera 130Wp 130 17,6 7,39 16,7 21,9 8,02 0,95 >14 Policristalino 1425 652 35,7 41554,00 25 $2 075 000
Hemev a LTDA
TE 501 A2 50 17 2,94 16,2 21,9 3,3 0,95 20 Policristalino 5,5 25
TE 850 A6 65 16,3 4,4 15,5 21,2 4 0,95 15 Policristalino 7,8 25
TE 1250 A5 110 17,3 6,3 16,4 21,7 6,8 0,95 9 Policristalino 11,4 25
TE 170 A4 150 33,9 4,4 32,2 42,6 4,7 0,95 7 Policristalino 16 25
ColtecnicalTDA,
CS 35 39,15 0 18 2,5 0,95 26 Monocristalino 10
CS 50 50,93 16,43 3,1 15,6 19,8 3,5 0,95 20 Monocristalino 1048 548 24 13 10
$
1.868.000,00
CS 90 93,96 0 18 6 0,95 11 Monocristalino 10
CS 60 65,25 0 30 2,5 0,95 15 Monocristalino 10
CS 90 90,72 16,43 5,52 15,6 19,8 6 0,95 11 Monocristalino 1048 548 24 13 10 $
2.865.000,00
CS 150 156,6 0 30 6 0,95 6 Monocristalino 10
Solar Center
TE 500CR 60 3,35 3,2 22,5 3,7 0,95 17 Policristalino
1003 462 24,5 5,5 20 Alta potencia
TE 850 85 4,8 4,6 22,2 5,4 0,95 12
Policristalino
1231 556 24,5 7,8 20 Alta potencia
TE 1250 110 6,3 6 21,7 6,8 0,95 9 Policristalino
1.464 657 38 11,4 20 Alta potencia
TE 1700 170 4,8 4,6 43,6 5,2 0,95 6 Policristalino 1.240 1.080 38 16 20
111
Alta potencia
TE755/75 75 4,2 4 22 4,6 0,95 13 Policristalino
1231 556 24,5 7,8 20 Alta potencia
TE 200 20 16,8 16 21,6 1,4 0,95 50
Policristalino
546 462 24,5 3,15 25 Baja Potencia
TE505/50 50 17,6 16,7 21,7 3,1 0,95 20 Policristalino
858 516 24,5 5,8 26 Baja Potencia
TE505/55 55 17,8 16,9 22 3,4 0,95 18 Policristalino
858 516 24,5 5,8 27 Baja Potencia
TE 1300 130 18 17,1 22,2 7,8 0,95 8 Monocristalino 1.507 676 38 12 20
W1600/150 150 32,8 31,2 42 5,18 0,95 7 Monocristalino 1690 859 42 32 20
W1600/155 155 32,8 31,2 42 5,34 0,95 6 Monocristalino 1690 859 42 32 20
W1600/160 160 32,8 31,2 42 5,45 0,95 6 Monocristalino 1690 859 42 32 20
TE300i 30 16,4 15,6 20 2,2 0,95 33 Monocristalino 550 530 24 4,5 10
TE200i 20 >16 15,2 20 1,5 0,95 50 Monocristalino 335 275 24 2,45 10
KYOCERA Ky ocera 205Wp 205 26,6 7,71 25,3 33,2 8,36 0,95 5 Policristalino 1501 991 36 18,5
kYOCERA Ky ocera130Wp 130 17,6 7,39 16,7 21,8 7 0,95 8 Policristalino $
1.800.000,00
QS SOLAR QS solar Si-a 85Wp 85 87,5 0,98 83,1 114,2 1,19 0,9 12 Si-a 1400 1100 35 26,6 5
KYOCERA Ky ocera 210Wp 210 26,6 7,9 25,3 33,2 9,58 0,95 5 Policristalino
energia solar cm poder 200w 200 32,9 7,35 27,3 40 8 0,8 15,2 Policristalino 1484 987 40 17
solar tec XSSP250M48 250 49,7 5,03 59 5,42 16,9 monocristalino 1580 1060 40 19,5 25
punto solar C SUN250w 250 29,7 8,25 37,1 8,74 policritalino 1640 990 40 25
$
1.300.000,00
pvsolarchina
SSB155W-24P 155 22,85 6,78 28,85 7,26 Policristalino 1330 990 40 15
SSB200W-27P 200 29,16 6,85 36,12 7,33 Policristalino 1640 990 40 19,5 25
$
2.100.000,00
SSB250W-36P 250 35,42 7,05 43,41 7,55 15,46 Policristalino 1960 990 40 19,5 25 $ 2.600.000,00
SSB300W-36P 300 36,89 7,86 43,99 8,41 Policristalino 1960 990 46 22,4 25 $ 3.000.000,00
112
ANEXO B. OFERTA TECNOLÓGICA DE BATERÍAS DE PLOMO ACIDO
OFERTA TECNOLÓGICA DE BATERÍAS DE PLOMO ACIDO
EMPRESA REFERENCIA
PROPIEDADES ELÉCTRICAS DIMENSIONES costo
Voltaje[V]
Capacidad Factor de Largo[mm]
Ancho[mm] Alto[mm]
[Ah] Descarga Permitida
AMP M-TEK 12 35 0,8 228000
SOLAR M-TEK 12 55 0,8 360000 M-TEK 12 75 0,8 455000
M-TEK 12 100 0,8 481000
M-TEK 12 150 0,8 641000 M-TEK 12 200 0,8 863000
HEMEVA MT12120HR 12 12 0,8 151 98 94
C20 MT12180HR 12 18 0,8 181 76 167 MT12260HR 12 26 0,8 166 175 126
MT12330HR 12 33 0,8 196 132 155
MT12550HR 12 55 0,8 230 138 207 MT12750HR 12 75 0,8 260 168 207
MT12100L 12 100 0,8 305 168 207
MT12120L 12 120 0,8 350 167 179 MT12150L 12 150 0,8 485 172 240
MT12200L 12 200 0,8 522 238 218
MT12250L 12 250 0,8 499 260 218 MT6300L 6 300 0,8
MT6200L 6 200 0,8
PS-12120 12 12 0,8 151 98 94 PS-12180 12 18 0,8 181 76 167
PS-12260 12 26 0,8 166 175 126
PS-12280 12 28 0,8 166 126 175 PS-1233- 12 35 0,8 198 132 158
113
PS-12400 12 40 0,8 197 165 170 HEMEVA PS-12550 12 55 0,8 230 138 207
C20 PS-1275 12 75 0,8 260 168 207
PS-121000 12 100 0,8 305 168 207 PS-121100 12 110 0,8 330 172 213
PS-121400 12 140 0,8 343 171 275
KYOCERA
Coups 12/100 12 100 0,8 315000
Coups 12/130 12 130 0,8 390000
Coups 12/150 12 150 0,8 412000
HGL200-12 12 200 0,8 950000
GAZ Gama KL...P 12 1700 100000
ENERSYS ECOSAFE OPzV
12 3932 343 171 275 600.000
114
ANEXO C. OFERTA TECNOLÓGICA DE INVERSORES
OFERTA TECNOLÓGICA DE INVERSORES
EMPRESA DESCRIPCIÓN POTENCIA [W]
potencia de
trabajo óptimo
EFICIENCIA ÓPTIMA DE CARGA %
EFICIENCIA FORMA DE
ONDA
costo
continuo pico
AMPA SOLAR
Cobra 400 800 352 88 0,9 Modificada 24200
Cobra 800 1600 704 88 0,9 Modificada 290000 Cobra 1500 3000 1320 88 0,9 Modificada 51000
Cobra 3000 6000 2640 88 0,9 Modificada 810000
TRAFOCOL
Power master 600 1200 528 88 0,95 Senoidal 1102000
Power master 1000 2000 880 88 0,95 Senoidal 1450000
Power master 1500 3000 1320 88 0,95 Senoidal 1716000
Power master 2000 2000 4000 1760 88 0,95 Senoidal 2639000
Power master 2000 3000 6000 2640 88 0,95 Senoidal 2992000
Aps-sertel
SA1000 1000 2000 1800 0,9 Modificada
SA1500 1500 3000 2700 0,9 Modificada
SA2000 2000 4000 3600 0,9 Senoidal
SA3000 3000 6000 5400 0,9 Senoidal
APROTEC
XANTEX 100 200 180 0,9 Senoidal
Xpower X400 400 800 720 0,9 Senoidal
TR1524 1500 3000 2700 0,9 Senoidal
AMPA SOLAR
Cobra 3000 6000 5400 0,9 Modificada
XW4548-120/240 4500 9000 8100 0,9 Modificada
XW6048-120/240 6000 12000 10800 0,9 Modificada
JHRoeden
GMS 40/48 4000 8000 7200 0,9 Senoidal
XTENDER XTH 6000- 5000 10000 9000 0,9 Senoidal
115
48
XTENDER XTH 8000-48 7000 14000
12600
0,9 Senoidal
MULTIPLUS Multiplus 48/5000 5000 10000 9000
0,9 Senoidal
$ 5.000.000,00
116
ANEXO D. OFERTA TECNOLÓGICA DE REGULADORES DE CARGA
OFERTA TECNOLÓGICA DE REGULADORES DE CARGA
TIPO EMPRESA DESCRIPCIÓN CORRIENTE[A]
Máximo TENSIÓN
Tecnología
Voltaje de [VDC]
entrada
1 AMPA STECA 10 125 24 PWM 30500
0
2 SOLAR STECA 15 125 24 PWM 32400
0
3 STECA 20 125 24 PWM 35200
0
4 STECA 30 24 PWM 44700
0
5 STECA 45 24 MPPT
6 SUM SA VER 6,5 24 PWM
7 SUM SA VER 12 24 PWM
8
APROTEC
STECA 5 24 PWM
9 STECA 6 24 PWM
10 STECA 8 24 PWM
11 STECA 12 24 PWM
12 STECA 20 24 PWM
13 STECA 30 24 PWM
14 XANTREX 90 140 24 MPPT 2900000
15 XANTREX 60 140 12 MPPT 2200000
16 XANTREX 40 12 PWM
17
KYOCERA
STECA 10A 10 125 24 PWM
18 STECA 15A 15 24 PWM
19 STECA 20A 20 24 PWM
20 STECA 30A 30 60 24 PWM 330000
117
14
APROTEC
XANTREX 90 140 24 PWM
15 XANTREX 60 140 12 PWM
16 XANTREX 40 12 PWM
17
KYOCERA
STECA 10A 10 125 12,00 PWM
18 STECA 15A 15 24,00 PWM
19 STECA 20A 20 24,00 PWM
20 STECA 30A 30 60 24,00 PWM
118
ANEXO E. PLANTILLA DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Y DATOS DEL DISEÑO
119
