Tesis Final v Digital

Investigacin AcadmicaAnlisis comparativo de alternativas de abastecimiento energtico mediante el uso de un sistema fotovoltaico o grupo electrgeno para un hogar rural sin acceso a la red en la regin de Lavalle, Mendoza.

Trabajo Final UCA 2011 Federico Bianchi Laureano Delorenzi Joaqun Rodrguez Lamas Supervisor: Jorge Mohamad

Trabajo Final UCA 2011

Tabla de contenidoIntroduccin ................................................................................................................................................. 6 Origen de la iniciativa............................................................................................................................. 6 Objetivo del estudio ................................................................................................................................ 6 Descripcin del anlisis ......................................................................................................................... 7 Objetivos especficos ............................................................................................................................. 7 Ubicacin Geogrfica del Proyecto ..................................................................................................... 7 Situacin energtica mundial ................................................................................................................... 9 Mix Energtico Mundial ......................................................................................................................... 9 Petrleo .............................................................................................................................................. 10 Gas ..................................................................................................................................................... 13 Carbn ................................................................................................................................................ 15 Emisiones CO2 ..................................................................................................................................... 15 Energas renovables en el mundo ..................................................................................................... 17 Situacin energtica en Argentina ......................................................................................................... 20 Evolucin del consumo ........................................................................................................................ 20 Las fuentes de energa primaria en la Argentina............................................................................. 21 Gas Natural, caractersticas y horizonte de reservas ................................................................. 21 Petrleo, caractersticas y horizonte de reservas ....................................................................... 23 Energas renovables en Argentina .................................................................................................... 23 Generacin elctrica a partir de sistemas fotovoltaicos autnomos ................................................ 27 Nociones bsicas ................................................................................................................................. 27 Componentes de un sistema fotovoltaico autnomo ...................................................................... 27 Mdulos fotovoltaicos y generadores fotovoltaicos..................................................................... 28 Estructura de soporte mecnica para el generador .................................................................... 36 El regulador fotovoltaico .................................................................................................................. 36 Batera ................................................................................................................................................ 38 Inversor .............................................................................................................................................. 43 Determinacin de las necesidades a satisfacer .................................................................................. 47 Elementos componentes ..................................................................................................................... 47 Consumo energtico estimado........................................................................................................... 49 Correccin del factor de potencia ...................................................................................................... 50

UCA 2011 Federico Bianchi / Laureano Delorenzi / Joaqun Rodrguez Lamas

Trabajo Final UCA 2011 Sistema fotovoltaico autnomo .............................................................................................................. 52 Diagrama de la instalacin .................................................................................................................. 52 Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autnomo .............................................................. 52 Rendimiento del sistema ................................................................................................................. 52 Dimensionamiento de la cantidad de paneles necesarios ......................................................... 54 Dimensionamiento del regulador de carga ................................................................................... 59 Dimensionamiento del banco de bateras .................................................................................... 60 Dimensionamiento del inversor ...................................................................................................... 61 Cableado del sistema ...................................................................................................................... 63 Diagrama final del sistema y flujo de potencia............................................................................. 64 Evaluacin econmica de la instalacin fotovoltaica ...................................................................... 65 Legislacin ......................................................................................................................................... 65 Inversin inicial y VAN de la instalacin ....................................................................................... 65 Generacin elctrica a partir de grupos electrgenos ........................................................................ 67 Introduccin terica a los grupos electrgenos ............................................................................... 67 Clasificacin y descripcin .............................................................................................................. 67 Capacidad de clasificacin del generador (Alternador) .............................................................. 68 El grupo electrgeno y el consumo ............................................................................................... 69 Mantenimiento de Grupos Electrgenos....................................................................................... 71 Factores a tener en cuenta en el dimensionamiento del grupo ................................................ 71 Dimensionamiento del grupo electrgeno para el proyecto .......................................................... 73 Evaluacin econmica del grupo ....................................................................................................... 76 Costo del Combustible..................................................................................................................... 76 Costo de Mantenimiento.................................................................................................................. 78 Inversin inicial y VAN ..................................................................................................................... 79 Dimensionamiento de un generador conectado a un banco de bateras ........................................ 80 Diagrama de la instalacin .................................................................................................................. 80 Dimensionamiento de un generador conectado a un banco de bateras .................................... 81 Dimensionamiento del banco de bateras .................................................................................... 81 Dimensionamiento del grupo electrgeno .................................................................................... 82 Dimensionamiento de inversor conectado luego del generador ............................................... 84 Dimensionamiento del regulador de carga ................................................................................... 84 Dimensionamiento del inversor conectado a los consumos ...................................................... 85 Diagrama final del sistema y flujo de potencia............................................................................. 86


Trabajo Final UCA 2011 Anlisis econmico de un generador conectado a un banco de bateras ................................... 87 Estimacin del porcentaje de carga promedio ............................................................................. 87 Estimacin del costo anual de combustible ................................................................................. 88 Gastos de mantenimiento ............................................................................................................... 89 Inversin inicial y VAN de la instalacin ....................................................................................... 90 Dimensionamiento de un sistema mixto ............................................................................................... 92 Diagrama de instalacin ...................................................................................................................... 92 Dimensionamiento de elementos....................................................................................................... 92 Determinacin del tipo y cantidad de paneles solares ............................................................... 92 Consideraciones acerca del generador ........................................................................................ 94 Dimensionamiento del banco de bateras .................................................................................... 95 Dimensionamiento del grupo electrgeno .................................................................................... 97 Dimensionamiento del inversor conectado al generador ........................................................... 98 Dimensionamiento del regulador de carga ................................................................................... 98 Dimensionamiento del inversor conectado a los consumos ...................................................... 99 Diagrama final de la instalacin y flujo de potencia .................................................................. 100 Flujo de potencia de los paneles.................................................................................................. 100 Flujo de potencia del generador ................................................................................................... 101 Anlisis econmico............................................................................................................................. 101 Estimacin del porcentaje de carga promedio ........................................................................... 101 Estimacin del costo anual de combustible ............................................................................... 102 Gastos de mantenimiento ............................................................................................................. 103 Inversin inicial y VAN de la instalacin ..................................................................................... 103 Anlisis de impacto ambiental .............................................................................................................. 105 Emisiones de CO2 a partir de combustibles .................................................................................. 105 Emisiones CO2 gasolina ............................................................................................................... 105 Emisiones CO2 diesel.................................................................................................................... 106 Comparacin de emisiones .............................................................................................................. 106 Conclusiones y recomendaciones ....................................................................................................... 107 BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................................... 108 APNDICE .............................................................................................................................................. 111 A1. Componentes disponibles en el mercado ............................................................................... 111 Tabla A1.1 Paneles solares .......................................................................................................... 111 Tabla A1.2 Reguladores ................................................................................................................ 111


Trabajo Final UCA 2011 Tabla A1.3 Inversores .................................................................................................................... 112 Tabla A1.5 Bateras........................................................................................................................ 113 Tabla A1.6 Generadores ............................................................................................................... 113 B1. Recursos mundiales de energas renovables ......................................................................... 114 B1.1 Potencial solar mundial ....................................................................................................... 114 B1.2 Potencial elico mundial ...................................................................................................... 114 B1.2 Potencial geotrmico de Amrica Latina ........................................................................... 115 C1. Tasas efectivas anuales de plazos fijos tradicionales ........................................................... 115 D1. Imgenes de las fincas objeto de estudio ............................................................................... 116 E.1 Cables AWG................................................................................................................................. 118 F.1 Catlogo de batera Rolls 24ht80.............................................................................................. 118



Introduccin

Origen de la iniciativaEsta iniciativa nace como respuesta a una mltiple coyuntura: El desconocimiento general de gran parte de la poblacin sobre los sistemas de energa solar fotovoltaica, su funcionamiento, requerimientos y caractersticas. Los pronsticos de escasez de energa en el corto plazo para el pas. La importancia de desarrollar fuentes baratas, limpias y accesibles de energa que estn al alcance de todos. La falta de desarrollo del mercado de energas alternativas en el pas. Los problemas de contaminacin asociados a las fuentes de energa tradicionales. Bajo estos marcos, se busca que el estudio sirva para evidenciar las posibilidades que ofrece la energa solar para el abastecimiento de hogares, mostrando a su vez conceptos, metodologas y ecuaciones fcilmente replicables para dimensionar cualquier instalacin fotovoltaica autnoma como as tambin instalaciones que busquen abastecerse mediante el uso de un generador. Combatir el desconocimiento es el primer paso para fomentar el uso y desarrollo de esta fuente de energa. La energa solar, representa a su vez, una respuesta limpia, ilimitada y gratuita (ms all de la inversin inicial) de combatir los problemas de escasez de energa y contaminacin que actualmente afligen al mundo y a la Argentina.

Objetivo del estudioRealizar un anlisis comparativo de abastecimiento energtico mediante un sistema de generador diesel, un sistema fotovoltaico o un mix de ambos para un hogar rural, sin acceso a la red elctrica, ubicado en Lavalle, Mendoza. Este frente de anlisis permite desarrollar distintos escenarios a la hora de hacer la comparacin econmica: 1. Abastecimiento de un hogar por medio de un sistema solar fotovoltaico autnomo. 2. Abastecimiento de un hogar por medio de un generador a base de combustible. 3. Abastecimiento de un hogar a travs de un sistema mixto solar fotovoltaico - grupo electrgeno. Al momento de desarrollar el estudio, se lleg rpidamente a una encrucijada: Se deba optar entre desarrollar un anlisis puramente terico, que resultase didctico y fcilmente replicable, o definir una locacin geogrfica, sacrificando generalidad en pos de valores y parmetros particulares. Para otorgarle un estrato tangible y prctico al anlisis, el ensayo se basa en contemplar dichas alternativas para un hogar en la provincia de Mendoza. El mismo se eligi por la facilidad de acceso del equipo de trabajo a la informacin meteorolgica y orogrfica de la regin. Cabe destacar, que si bien las conclusiones y los valores obtenidos en este anlisis se refieren a dicho punto particular de nuestro pas, tanto la metodologa como los procedimientos y muchas de las suposiciones que se desarrollan en este trabajo, son universales, y fcilmente replicables para cualquier regin del pas.



Descripcin del anlisisPara el desarrollo del estudio, se comienza por abordar rpidamente el marco situacional de la energa en el mundo y especialmente en la Argentina buscando identificar los principales hitos, problemticas y tendencias del mercado. Seguidamente, se busca entender el rol de las energas renovables como respuesta a la problemtica energtica actual y su desarrollo tanto en el mundo como en Argentina. Se contina el anlisis repasando los conceptos bsicos para disear e implementar una estacin fotovoltaica autnoma. Entendido el funcionamiento del sistema fotovoltaico, se realiza un anlisis con el objeto de encontrar el sistema de abastecimiento energtico ptimo entendiendo los parmetros que deben cumplir cada uno de los elementos componentes. Determinados dichos parmetros, se efecta un anlisis de proveedores de componentes en la Argentina para determinar qu elementos se adecuan mejor a la instalacin de acuerdo a la relacin costo, beneficio. Este ltimo anlisis tambin permite entender la oferta de productos real que existe hoy en da en el mercado. Un recorrido similar se realiza para el sistema basado en el uso de un grupo electrgeno o generador para finalmente, analizados ambos sistemas, ver la forma ms eficientes de combinar ambos. En sntesis, el estudio comprende el anlisis terico, de dimensionamiento y anlisis financiero de los siguientes sistemas: Abastecimiento energtico del hogar cien por ciento a travs de energa solar. Abastecimiento energtico del hogar cien por ciento a travs de un generador diesel. Abastecimiento energtico del hogar a partir del mix ptimo de utilizacin de un generador diesel y un generador fotovoltaico. El anlisis se cierra midiendo el impacto ambiental de los sistemas previamente mencionados para finalmente extraer conclusiones y recomendaciones sobre el estudio realizado. 1. 2. 3.

Objetivos especficos Realizar una investigacin sobre los niveles promedio de radiacin solar en la regin de Mendoza donde se ubica el hogar. Investigar sobre las principales caractersticas y los costos de los equipos que componen un sistema de generacin fotovoltaica y un sistema de generador diesel. Estimar la carga que se encuentra conectada en la vivienda de Mendoza. Disear un sistema fotovoltaico de generacin elctrica para satisfacer las necesidades energticas de la vivienda utilizando tecnologas sencillas y de fcil mantenimiento. Disear un sistema de generador diesel para el abastecimiento elctrico del hogar. Disear un sistema mixto que combine ambos elementos (generador y paneles) de forma ptima. Realizar un anlisis econmico para la construccin del sistema fotovoltaico, del sistema basado en el uso de un generador diesel y el sistema mixto. Comparar las tres alternativas y extraer conclusiones respecto de las ventajas y desventajas de cada sistema. Realizar un anlisis de impacto ambiental para cada una de las alternativas estudiadas.

Ubicacin Geogrfica del ProyectoEl estudio del proyecto se realiz sobre una propiedad ubicada en el distrito La Palmera, el cual pertenece al departamento de Lavalle, en la provincia de Mendoza. Dicho departamento se encuentra ubicado al norte de


Trabajo Final UCA 2011la provincia de Mendoza y limita con la Provincia de San Juan al norte, la provincia de San Luis al este, el departamento de Las Heras al oeste y los departamentos de Santa Rosa, La Paz, San Martin, Maip y Guay mallen al sur. El departamento de Lavalle, conocido como el desierto mendocino, recibe esta calificacin gracias a sus rigurosas caractersticas: una zona de escasas precipitaciones y temperaturas extremas.

Figura 1. Ubicacin del departamento de Lavalle, Mendoza. El clima en la regin es templado y seco. En verano las temperaturas son altas debido a la gran irradiacin solar. La presencia de suelos arenosos y salinos favorecen la absorcin de las escasas precipitaciones. En poca de invierno se registran temperaturas muy bajas con fuertes heladas. La propiedad de estudio, es una vivienda precaria ubicada a 620 metros sobre el nivel del mar, a 3309'60"S de Latitud y 6829'00"O de Longitud. La vivienda no cuenta con tendido del red elctrica, el cual se encuentra en su punto de toma ms cercano a aproximadamente unos 8 Km. La casa posee tres habitaciones, un living, una cocina y un bao, provista de necesidades bsicas, sin comodidades extras. El estudio de alimentacin elctrica de la propiedad, se enfocar principalmente en satisfacer estas necesidades bsicas, como ser sus principales requisitos la luz y la alimentacin de una heladera, entre otras.



Situacin energtica mundialMix Energtico MundialPara entender la situacin energtica actual a nivel mundial es necesario conocer cules son los tipos de energas disponibles en la actualidad, en qu proporcin se utilizan para satisfacer las necesidades energticas actuales, la cantidad disponible de estos recursos en la naturaleza y cules son las proyecciones de duracin de estas fuentes hasta su agotamiento completo. Hoy en da, las necesidades energticas del mundo son satisfechas por 7 tipos de fuente de energa: Petrleo; Gas; Carbn; Hidrulica; Nuclear; Combustibles renovables y desperdicio; Energas renovables.

En el siguiente grfico se muestra la evolucin del suministro de cada una de las fuentes de energa primaria sobre el total del consumo mundial de 1971 a 2007, medido en millones de toneladas equivalentes de petrleo (Mtoe). Luego se indican los porcentajes aportados por cada una de las fuentes energticas en el ao 2007.

Evolucin del consumo por fuente

Grfico 1. Evolucin del suministro de cada una de las fuentes primarias sobre el total del consumo mundial en Mtoe. Fuente: The International Energy Agency.



Evolucin del mix energtico mundial 1973-2007

Grfico 2. Comparacin del mix de fuentes de suministro energtico de 1973 vs. 2007. Fuente: The International Energy Agency. Comparando el mix energtico mundial de 1973 vs. el del 2007 se puede ver que el petrleo pierde protagonismo en la matriz energtica (- 12,1% vs 73) principalmente a causa de un aumento en el mix energtico del gas (+4,9% vs 73), la energa nuclear (+5,0% vs 73) y el carbn (+2,0% vs 73). Ms all de esto, el petrleo sigue siendo la principal fuente de suministro de energa a nivel mundial (34,0% 2007) seguida del carbn (26,5% 2007).

PetrleoEn los aos 50 del siglo pasado, el cientfico estadounidense M. King Hubbert demostr que la evolucin que experimenta la explotacin de cualquier pozo petrolfero sigue una curva en forma de campana. Al iniciarse la explotacin, la produccin de petrleo aumenta rpidamente, de forma que se puede extraer cada vez mayor cantidad con muy poco esfuerzo, a medida que va pasando el tiempo el aumento de la produccin va perdiendo fuerza, hasta que se alcanza un mximo a partir del cual la produccin comienza su declive hasta el agotamiento del pozo. En el tramo ascendente de la curva de Hubbert (antes de llegar al mximo), el petrleo es abundante, de buena calidad y fcil de extraer, pero en el tramo descendente cada vez es ms escaso, costoso de extraer, de peor calidad y de menor pureza. El cenit del petrleo se alcanza cuando se ha extrado del pozo aproximadamente la mitad del petrleo existente inicialmente en dicho pozo. En 1962, Hubbert construy el grfico que se muestra a continuacin. Teniendo en cuenta las reservas probadas a dicho momento, estim cul sera el nivel de extraccin en funcin del tiempo y en la medida que se vayan agotando los posos petroleros. El resultado fue que el punto de mxima extraccin de petrleo se alcanzara en 1975 teniendo en cuenta las reservas probadas al momento (150x109 barriles de petrleo).


Trabajo Final UCA 2011 Estimacin de la produccin de petrleo segn Hubbert

Grfico 3. Curva origina de Hubbert.

La curva creada por Hubbert tambin muestra como variara dicha curva si las reservas probadas fueran de 9 200x10 barriles de petrleo (un 33 % superior a las reservas probadas al momento). Para dicha situacin, el cenit mundial del petrleo tan slo ocurrira 8 aos ms tarde.

Descubrimientos de petrleo vs. extraccin

Grfico 4. Curva de descubrimiento de petrleo vs. extraccin expresada en millones de barriles. El grfico 4 muestra los descubrimientos anuales de yacimientos de petrleo desde 1930, expresados en volumen de reservas incorporadas por ao (barras verticales) y extraccin mundial de petrleo hasta el ao 2003 (curva azul). Se observa que a partir de los aos ochenta la extraccin de petrleo comienza a superar al petrleo que se descubre cada ao. Teniendo en cuenta la produccin de petrleo y las reservas probadas al ao 2009, BP, una de las compaas petroqumicas ms grandes a nivel mundial, calcul la cantidad de aos que deberan transcurrir en las principales regiones para que las reservas de petrleo se agoten. Dicha cantidad de aos fue calculada como el cociente entre las reservas actuales y probables de petrleo en aos y la produccin anual de petrleo. Dicho cociente R/P, se muestra en el grfico a continuacin:


Trabajo Final UCA 2011 Relacin Reservas/Produccin de petrleo90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 82.2

Aos

45.9 31.2 13.9 22.1 14.2

R/PTotal Norte Amrica Total Medio Oriente Total Amrica Central y del Sur Total frica Total Europa y Euroasia Total Asia Pacfico

Grfico 5. Relacin reservas/produccin de petrleo para distintas regiones del mundo, expresada en aos. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008.

El grfico muestra que Medio Oriente, que cuenta con el 61% de las reservas probadas a nivel mundial, tiene la mayor relacin R/P a nivel mundial con aproximadamente 82 aos, sin embargo, otras regiones como Amrica del Norte (que incluye a EEUU con un consumo del 24% de petrleo a nivel mundial) y Asia Pacfico (cuyo consumo de todos los pases que lo forman representan el 30% de la energa consumida a nivel mundial) contaban nicamente con 14 aos de abastecimiento al ao 2008. La diferencias de reservas a nivel mundial y las diferentes necesidades energticas llev a regiones como Medio Oriente a convertirse en el principal exportador a nivel mundial de petrleo (representa el 35% de las exportaciones de petrleo a nivel mundial), mientras que entre los principales importadores se encuentran a EEUU y Europa, cuyas importaciones de petrleo representan el 24,9% y 25,5% de las existentes a nivel mundial.

Transacciones internacionales de petrleo

Figura 2. Movimientos comerciales del petrleo a nivel mundial. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008.



Al 2008, segn BP el mundo contaba con 1238 miles de millones de barriles de petrleo en concepto de reservas probados. Con esta cantidad de petrleo y teniendo en cuenta el nivel de produccin a ese ao, las reservas de petrleo se agotaran dentro de 41 aos. Sin embargo, como muestra el grfico 6, los niveles de consumo a nivel mundial continuarn aumentando y en consecuencia tambin lo harn los niveles de produccin, por lo que si no se descubren nuevas reservas, la cantidad de aos de petrleo disponible hasta su total agotamiento continuar disminuyendo.

90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 31806 31240

Miles de barriles de petrleo diariosCONSUMO MUNDIAL TOTAL PRODUCCIN MUNDIAL TOTAL

85220

81533 y = 1028.5x + 40153

1967

1975

1983

1991

1999

Grfico 6. Evolucin de consumo y produccin de petrleo a nivel mundial. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008.

Gas

Al da de hoy, los aos de stock de gas presentan una perspectiva ms favorable que la cantidad de aos de stock del petrleo. Teniendo en cuenta las reservas probadas de gas y el consumo, la cantidad de gas disponible hoy en da alcanzara para satisfacer la demanda mundial de gas por los prximos 63 aos.


2007

1965

1969

1971

1973

1977

1979

1981

1985

1987

1989

1993

1995

1997

2001

2003

2005


Relacin Reservas/Produccin de gas natural100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 94.4 76.6 51.2 55.2 54.7 36.9 28.6 10.3

Aos

R/PTotal Norte Amrica Total Europa y Euroasia Syria Total Africa Total Amrica del Norte y Central Saudi Arabia Oman Total Asia Pacfico

Grfico 7. Aos estimados de reservas de gas. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008.

Del grfico mostrado se deduce que frica es la regin que podra abastecerse por ms aos de gas natural. Respecto de Medio Oriente, se muestran las relaciones R/P de algunos pases que conforman la regin a modo ilustrativo, sin embargo, dado que no se conocen las reservas para muchos pases que integran dicha regin, es imposible estimar los aos de reservas restantes para el total de la regin. Al igual que el petrleo, el crecimiento econmico y de la poblacin tambin trajo como consecuencia un aumento constante del consumo y produccin de gas:

3500.0 3000.0 2500.0 2000.0 1500.0 997.2 1000.0 500.0 0.0

Billones de metros cbicos anuales de gas

2921.9

Produccin Mundial Consumo Mundial

Grfico 8. Evolucin de la produccin y consumo de gas natural en el mundo en el perodo 1970-2007. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008.



A partir del grfico 8 se puede observar que tanto el consumo como la produccin de gas presentan una tasa anual de crecimiento constante en el perodo comprendido entre 1970 y 2007 del 3%, llegando en el 2007 a triplicar la demanda existente 30 aos atrs. Un punto importante a destacar es que, ms all del crecimiento constante del consumo de gas, desde 1985 las expectativas de cantidad de aos restantes del mismo permanecen relativamente con pocas variaciones debido al constante descubrimiento de nuevos yacimientos:

Grfico 9. Evolucin mundial de la cantidad de aos de reservas de gas. Fuente: Statistical Review of World Energy 2008. Entre el 2007 y el 2009, las reservas mundiales de gas natural crecen por el descubrimiento de nuevos yacimientos en Venezuela, Rusia y Medio Oriente. Sin embargo, dado que el gas natural es la tercer fuente de combustible, es importante que los gobiernos empiecen a tomar acciones en vistas de suplir su futura carencia que se har efectiva durante el prximo siglo.

Carbn

El carbn es el combustible fsil ms abundante en la tierra. Segn el reporte del ao 2009 de BP, hoy en da las reservas probadas de carbn alcanzaran para satisfacer el consumo mundial actual durante 119 aos aproximadamente. La preocupacin actual respecto del carbn no se debe a su horizonte de reservas, sino a su impacto ambiental dado que, como se ver a continuacin, las 12,5 millones de toneladas anuales de CO2 que son emitidas a la atmsfera producto de su combustin representan el 43% de las emisiones totales de CO2.

Emisiones CO2Existen tres fuentes energticas responsables de casi la totalidad de las emisiones de CO 2 a la atmsfera: el carbn, el gas y el petrleo. Dado que dichas fuentes satisfacan en el 2007 el 81,7% de la demanda energtica mundial y dado que las necesidades energticas mundiales continan creciendo segn lo mostrado en la grfico 10, las emisiones de C02 continan aumentando en la medida que aumenta el uso de estas 3 fuentes


Trabajo Final UCA 2011energticas. En el grfico mostrado a continuacin puede observarse las emisiones de dixido de carbono segn la fuente que las genera:

Grfico 10. Evolucin desde 1971 al 2007 de las emisiones de CO2 por tipo de combustible. Fuente: Key World Energy Statistics 2009. Entre 1970 y 2004, las mejoras tecnolgicas han frenado las emisiones de CO2 por unidad de energa suministrada. Sin embargo el crecimiento mundial de los ingresos en dicho perodo (77%) y el crecimiento mundial de la poblacin (69%), han originado nuevas formas de consumo y un incremento de consumidores de energa.

Emisiones de CO2 en el mundo procedentes de combustibles fsiles (1990-2007) Descripcin CO2 en millones de toneladas Poblacin mundial en millones CO2 por cpita en toneladas 1990 20.980 5.259 3,99 1995 21.810 5.675 3,84 2000 23.497 6.072 3,87 2005 27.147 6.382 4,2 2007 28.962 6.535 4,38 % Cambio 90-07 38,00% 25,70% 9,80%

Tabla 1. Relacin entre el crecimiento mundial de la poblacin y el aumento de las emisiones de CO2. Algunas de las consecuencias del aumento de los gases del efecto invernadero recopiladas por el IPPC (Intergovernmental panel on climate change) son: En los prximos veinte aos las proyecciones sealan un calentamiento de 0,2 C por decenio. Las proyecciones muestran la contraccin de la superficie de hielos y de nieve. En algunas proyecciones los hielos de la regin rtica prcticamente desaparecern a finales del presente siglo. Esta contraccin del manto de hielo producir un aumento del nivel del mar de hasta 46 m.


Trabajo Final UCA 2011 Habr impactos en los ecosistemas de tundra, bosques boreales y regiones montaosas por su sensibilidad al incremento de temperatura; en los ecosistemas de tipo Mediterrneo por la disminucin de lluvias; en aquellos bosques pluviales tropicales donde se reduzcan las precipitaciones; en los ecosistemas costeros como manglares y marismas por diversos factores. Disminuirn los recursos hdricos de regiones secas de latitudes medias y en los trpicos secos debido a las menores precipitaciones de lluvia y la disminucin de la evapotranspiracin, y tambin en reas surtidas por la nieve y el deshielo. Se ver afectada la agricultura en latitudes medias, debido a la disminucin de agua. La emisin de carbono antropgeno desde 1750 est acidificando el ocano, cuyo pH ha disminuido 0,1. Las proyecciones estiman una reduccin del pH del ocano entre 0,14 y 0,35 en este siglo. Esta acidificacin progresiva de los ocanos tendr efectos negativos sobre los organismos marinos que producen caparazn.

Como se pudo comprobar a partir de la informacin brindada previamente, uno de los grandes desafos al que se enfrenta el mundo es lograr abastecer la creciente demanda energtica reduciendo al mismo tiempo los gases del efecto invernadero. Los recursos utilizados por la sociedad son tan elevados y crecen a una tasa tan alta que peligra la disponibilidad de fuentes energticas para las generaciones futuras; es entonces cuando las energas renovables aparecen para cumplir un rol clave para el desarrollo futuro de la sociedad.

Energas renovables en el mundoLos estudios demuestran que las energas renovables estn cobrando importante significado como forma de satisfacer la demanda creciente de energa y revertir los futuros problemas de cambio climtico hacia los que conducan la utilizacin de los combustibles fsiles. Como se muestra en la figura a continuacin, el mercado de las energas renovables presenta un crecimiento sostenido y exponencial en el tiempo:



Grfico 11. Evolucin de la capacidad total instalada de Energas Renovables. Fuente: Renewable Energy Global Status Report 2010.

En el 2004, tan slo el 4 por ciento de la energa mundial provena de fuentes renovables; para inicios del 2010, el 78 por ciento de la demanda energtica era satisfecha por combustibles fsiles, el 3 por ciento por energa nuclear y el 19 por ciento por fuentes renovables. La composicin de las energas renovables para ese ao se muestra en el grfico a continuacin:

Energas renovables Inicios del 2010Hidrulica 3.2% Solar/Biomasa/Geotrmica (calentamiento de agua, calefaccin) 1.4% 0.7% 0.6% 13.3% Biomasa tradicional Elica/Solar/Biomasa/Geotrmica (electricidad) Biocombustibles

Grfico 12. Peso de las energas renovables dentro del mix energtico mundial a inicios del 2010. Fuente: Renewable Energy Global Status Report 2010. Las tendencias reflejan un fuerte crecimiento e inversiones en todos los sectores del mercado de energas limpias: generacin de electricidad, sistemas de calentamiento y enfriamiento y combustibles. Como se muestra a continuacin en el grfico 13, las conexiones de paneles solares crecieron a un promedio del 60% anual en la ltima dcada. En el perodo que va del 2005 al 2009, la capacidad instalada de energa elica creci a un porcentaje del 27% anual, el calentamiento de agua a partir del sol creci un 19% anual y la produccin de etanol creci un 20% anual. La energa geotrmica y de biomasa tambin presentaron fuertes crecimientos en ese perodo.



Tasas de crecimiento de las energas renovables120% 100% 80% 60% 40% 20% 0%60% 53% 44% 32% 27% 21% 19% 20% 10% 51% 102%

41% 12% 4% 4%

9%

2004-2009

2009

Grfico 13. Tasas anuales promedio de crecimiento de los distintos sectores de energa renovables. Fuente: Renewable Energy Global Status Report 2010. En cuanto al desarrollo de polticas referidas a las energas renovables, para inicios del 2010 ms de 100 pases dictaron algn tipo de ley de impulso o promocin de energas renovables cuando tan solo 55 pases contaban con estos tipos de polticas en el 2005. Muchas de estas polticas hablan del objetivo de alcanzar para el ao 2020 entre un 15 un 25 por ciento de participacin de las energas renovables en la matriz energtica de su pas. Es importante tener en cuenta que hoy en da las energas renovables no se encuentran presentes nicamente en los pases industrializados dado que ms de la mitad de la potencia instalada se encuentra en pases en desarrollo: el mundo se encuentra atravesando una etapa de diversificacin de las energas renovables. Por ejemplo la energa elica, que estaba presente en menos de 10 pases a principios de los 90, hoy existe en 82 pases. El liderazgo de produccin se est trasladando de Europa hacia Asia al aumentar el compromiso de pases como China, India y Corea del Sur hacia fuentes limpias de energa. En el 2009 China produjo el 40 por ciento de la demanda de paneles solares, el 30 por ciento de las turbinas elicas y el 77 por ciento de los colectores de agua. En pases de Latinoamrica como Argentina, Brasil, Colombia y Per se destaca la produccin de biocombustibles. Uno de los factores que impulsan el desarrollo de las energas renovables es la creciente inversin del sector pblico de varios pases como as tambin de bancos privados con base en Europa, Asia y Amrica del Sur. El efectivo aportado por los bancos creci de 2 billones de dlares en el 2008, a ms de 5 billones en el 2009 teniendo como principales contribuyentes al Banco Mundial, el Germany KFW, el Banco Interamericano de Desarrollo y el Banco de Desarrollo Asitico. A continuacin se muestran algunos indicadores claves del mercado de energas renovables obtenidos del ltimo reporte del REN21, uno de los foros de informacin de energa renovable ms reconocidos a nivel mundial:



Tabla 2. Indicadores de energa renovable en el mundo. Fuente: Renewable Energy Global Status Report 2010. Es importante destacar que, desde el 2008, se invierte ms en ampliar la capacidad de generacin de energas renovables que en ampliar la capacidad de generacin de las fuentes fsiles.

Situacin energtica en ArgentinaEvolucin del consumoEn esta seccin se intentar entender la situacin energtica actual de la Argentina, identificando los volmenes de energa elctrica actuales, su origen por fuente y las tendencias del mercado de la energa. Se comienza analizando el crecimiento de la demanda energtica nacional. En el siguiente grfico, puede observarse el desarrollo de la demanda elctrica nacional de los ltimos 20 aos:DEMANDA ENERGTICA NACIONAL [GWh]Perodo 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Consum o 47.000 50.100 52.300 55.243 58.457 61.020 64.297 69.290 70.780 75.554 76.920 78.164 76.666 83.027 88.524 93.753 99.002 106.751 112.993 110.988 116.637 * Variacin 7% 4% 6% 6% 4% 5% 8% 2% 7% 2% 2% -2% 8% 7% 6% 6% 8% 6% -2% 5%

* Valor proyectado en base a la tasa de crecimiento del primer cuatrimestre de 2010.

Grfico 14. Demanda energtica Argentina. Fuente: Secretara de Energa, Direccin Nacional de Prospectiva.


Trabajo Final UCA 2011De un primer anlisis de la grfica y la tabla de datos, se pueden destacar los siguientes puntos: A lo largo de los pasados 20 aos, la demanda energtica nacional ha presentado un crecimiento relativamente estable promediando el 5% anual. La excepcin a esta afirmacin se evidencia en los ao2000, 2001 y 2002, en los que la crisis econmica tuvo un fuerte impacto sobre la tasa de crecimiento de la demanda energtica. La demanda energtica se duplic desde el ao 1994 hasta hoy.

A continuacin se muestran las bases sobre las que se apoya dicha expansin, comenzando por el anlisis de las fuentes de energa que abastecen dicha demanda.

Las fuentes de energa primaria en la ArgentinaComo se observ en la seccin anterior, la energa elctrica puede generarse a partir de distintas fuentes de energa, dichas fuentes son las llamadas fuentes primarias. A continuacin, comenzaremos por analizar la composicin de las distintas fuentes primarias para la generacin de electricidad desde 1970 a 2007 mostradas en el grfico a continuacin:

Grfico 15. Produccin primaria y demanda local de energa en Argentina. Como puede observarse en la grfica, la Argentina pas de ser un pas que utilizaba y dependa casi exclusivamente del petrleo a un pas principalmente consumidor de gas. Actualmente, la matriz energtica est sustentada predominantemente por este y en menor medida por el petrleo. Las otras fuentes primarias no tienen mayor incidencia.

Gas Natural, caractersticas y horizonte de reservasLa dependencia del pas del gas natural como fuente primaria de energa ha sido posible en gran parte al descubrimiento de yacimientos importantes y a los bajos precios del mismo.


Trabajo Final UCA 2011En la grfica siguiente, se puede observar los volmenes de reserva de gas declarados (en celeste) y los volmenes de produccin de gas (en rojo) ao a ao en la ltima dcada.

Reservas y produccin de GNC

Grfico 16. Evolucin de produccin y reservas de gas para la Argentina de 1999 a 2009. Fuente: Instituto de Energa Argentino General Mosconi. El cociente entre las reservas y la produccin se denomina horizonte de reservas y da la pauta de los aos que puede sostenerse dicha produccin considerando el volumen de reservas.

En la siguiente grfica se puede observar el horizonte de reservas comprobadas de gas natural calculado ao a ao.

Horizonte de reservas de GNC en Argentina

Grfico 17. Horizonte de reservas de GN. Fuente: Instituto de Energa Argentino General Mosconi. El horizonte de reservas de gas natural para Argentina disminuye casi montonamente desde fines de la dcada del 80, y se situ en el 2009 en 7,8 aos. Es decir, continuando con los niveles de produccin (de por s bajos) del 2009, las reservas comprobadas de Gas Natural se vern agotadas para el 2017.


Trabajo Final UCA 2011Vale considerar, que en este clculo de horizonte de reservas se contempla la produccin nacional, y no la produccin aparente, la produccin aparente equivale a la produccin nacional ms, las importaciones (gas por gasoducto de Bolivia y gas natural lquido va martima).

La produccin aparente muestra el consumo real actual. Calcular el horizonte de reservas con la produccin aparente equivale a suponer que se va a mantener el consumo actual, pero se detendrn las importaciones. Hiptesis no poco confiable si se contemplan los aumentos en el precio del gas importado desde Bolivia. Bajo este marco, el horizonte de reservas se reduce a 7,5 aos.

Petrleo, caractersticas y horizonte de reservasEn cuanto a la produccin de petrleo, el segundo gran componente de la matriz de energa primaria en la Argentina, el panorama es igual de desolador.

Reservas y produccin de petrleo

Grfico 18. Reservas comprobadas de petrleo vs. produccin de petrleo. Argentina contaba a fines de 2009 con un horizonte de reservas de 11,0 aos, similar al indicador calculado para el ao 2000. Siendo el horizonte de reservas funcin de las reservas comprobadas y la produccin, de haber mantenido Argentina el ritmo de produccin del ao 2000, ste sera hoy de poco ms de 9 aos. El factor ms importante que ha atenuado la sostenida disminucin en las reservas comprobadas de petrleo ha sido la incorporacin de una cantidad considerable de reservas en Golfo San Jorge. Debido a esto, y a la alta fluctuacin en la produccin nacional de petrleo, el horizonte de reservas de petrleo para la Argentina se presenta fluctuante. A pesar de estos picos y valles, los pronsticos de reservas no han superado los 12 aos de reservas desde hace 10 aos.

Energas renovables en ArgentinaArgentina es uno de los pocos pases del mundo que cuenta con los mejores recursos naturales para el desarrollo de las energas renovables. Como se puede observar en el anexo B, las condiciones de vientos, irradiacin y geotrmicas son excelentes para el desarrollo de la energa elica, solar y geotrmica respectivamente. Sin embargo, el crecimiento de las fuentes de energa renovable en Argentina se est dando de forma ms gradual y paulatina que en otros pases del mundo principalmente por los siguientes factores: Falta de polticas claras de promocin de las fuentes de energa renovables;


Trabajo Final UCA 2011 Costos de la energa elctrica extremadamente bajos: la energa elctrica en Argentina se encuentra subsidiada por el estado. Debido a esto, el costo de la energa renovable no es competitivo ni conveniente frente al costo de la energa obtenida de la red elctrica; En las reas rurales, donde las energas renovables estaran en mejores condiciones para competir con los combustibles de origen fsil, los potenciales usuarios tienen por lo general bajos ingresos; Falta de mecanismos financieros adecuados y falta de capacitacin para evaluar proyectos y acordar las asistencias financieras; Faltas de normas de calidad y controles que permitan la produccin local de equipos.

Respecto de los bajos costos energticos actuales segn Gerardo Rabinovich, director del Departamento Tcnico del IAE, los subsidios al consumo de energa elctrica y gas natural implican aportes crecientes de efectivo por parte del Estado Nacional: para el ao 2011 se estima necesario transferir fondos desde el Tesoro de la Nacin por 15000 millones de pesos para cubrir el dficit existente entre la recaudacin por el cobro de la energa y el costo de generacin de la energa. En el grfico mostrado a continuacin es posible observar la diferencia entre el precio promedio de la energa cobrado por el estado a los usuarios y el costo de la energa pagado por el estado:

Costo Medio Monmico Real de la Energa (MEM) - Variacin Anual Precio Sancionado250 200 150 100 50 0 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 45 40 35 30

$/MWh

20 15 10 5 0

%

25

Precio Medio Energa Precio S ancionado Variacin

Grfico 19. Comparacin entre el precio sancionado por el estado (cobrado a los usuarios) y el precio medio de la energa (costo). Fuente: CAMMESA A continuacin se muestra el costo econmico que representa para el estado subvencionar la energa. Dicha tabla es construida a partir de los precios mostrados en el grfico anterior y la demanda energtica de un determinado ao:

Ao 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Demanda [GWh] 92387 97595 102968 105943 104604 108893

Precio Costo Diferencia Medio [$/MWh] [Miles $] [$/MWh] 66 49,3 1311433 91 49,3 3459255 130 49,3 7063090 168 49,3 10689119 180 58,2 10829652 192 58,2 12384374

Tabla 3. Prdidas anuales afrontadas por el estado nacional. Fuente: CAMMESA


Trabajo Final UCA 2011La tabla 3 demuestra que con el tiempo el estado necesariamente deber aplicar mecanismos graduales de ajustes tarifarios para disminuir los subsidios al Costo de Abastecimiento. Los aumentos residenciales en los costos energticos favorecern el retorno de la inversin en energas renovables dado que el valor del KW ser mayor para los usuarios en la medida que se reduzcan los subsidios del estado nacional. Ms all de esto, el aumento futuro de precios no ser suficiente para motivar el crecimiento de las energas renovables en el pas si no se realizan las siguientes acciones: Generar un plan nacional de medicin de los recursos renovables que sea de acceso pblico, de esta forma se garantiza que las personas y empresas tengan conocimiento de donde es ms factible de explotacin un recurso renovable; Creacin de un marco tarifario e impositivo que contemple beneficios a las energas renovables; Desarrollo de recursos humanos mediante carreras de especializacin y programas de capacitacin; Proveer acceso financiero y estabilidad regulatoria. Se podra incluir dentro de este punto la creacin de un banco de fomento.

A la fecha, la principal accin llevada a cabo por el Estado Nacional para el impulso de las energas renovables fue el desarrollo del proyecto GENREN que tiene inicio en mayo del 2009. El mismo consiste en un proyecto impulsado por el estado nacional que tiene por objetivo incorporar a la matriz energtica Argentina una potencia de 1000 MW producidos a partir de energa renovable distribuidos de la siguiente forma:

Fuente EnergticaPequeas hidroelctricas Geotermia Solar Biogs Biomasa Residuos Urbanos Biocombustibles Elica

MW60 30 20 20 100 120 150 500

Tabla 4. Mix Energtico licitado por ENARSA en el programa GENREN. El proyecto surge motivado por la ley 26190 la cual fue sancionada el 6 de Diciembre del 2006 y titulada Rgimen de Fomento Nacional para el uso de fuentes renovables de energa destinadas a la generacin elctrica. En el programa se establece que ENARSA licitar a empresas nacionales para la compra de energa elctrica proveniente de fuentes de energa renovable segn el mix que se mostr previamente. Efectuada la compra, ENARSA vendera esa energa al mercado elctrico mediante contratos de 15 aos de plazo. La ley 26190 busca que, en el plazo de 10 aos, el 8% del consumo elctrico debera estar abastecido a partir de fuentes de energa renovables. La instalacin de los 1000 MW representaban al ao 2009 el 4,16% de la potencia instalada total (24000 MW), sin embargo la demanda energtica continua creciendo por lo que es necesario que se contine incorporando potencia proveniente de energas renovables a la red si se quiere alcanzar el objetivo del 8%. Entendiendo la situacin energtica solar de Argentina, se estim una potencia acumulada en instalaciones fotovoltaicas cercana a 10 MWp para el ao 2007. Para ese ao se calcul una generacin aproximada de 17 GWh. Estos valores representan el 0,038% de la potencia instalada y el 0,016% de la energa elctrica generada en el pas.


Trabajo Final UCA 2011 Potencia solar instalada acumulada [KWp]12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 -2000 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Acumulada y = 669.9x - 803.5

Grfico 20. Potencia solar instalada acumulada entre el ao 1993 y el ao 2008. Fuente: Instituto Argentino de la Energa General Mosconi.

En Argentina no se producen celdas solares lo que genera, a diferencia de otros pases del mundo, un crecimiento lento del mercado de energa solar y altos costos de adquisicin dado que la nica fbrica de paneles solares es SOLARTEC, que construye los mdulos fotovoltaicos a partir de celdas solares KYOCERA, importadas desde Japn. El resto de las empresas dedicadas a la energa solar son distribuidores de los paneles fabricados por SOLARTEC y su foco se centra en el diseo e instalacin de sistemas fotovoltaicos. En materia de investigacin, el nico ente que se encarga de la mejora y el estudio de paneles solares es la CNEA (Comisin Nacional de Energa Atmica) que cuanta con una planta piloto para la fabricacin de celdas solares a escala y un programa de montaje de paneles para uso espacial.



Generacin elctrica a partir de sistemas fotovoltaicos autnomosNociones bsicasUn sistema fotovoltaico es una instalacin basada en mdulos fotovoltaicos para producir energa elctrica. La principal caracterstica de los sistemas fotovoltaicos es que nicamente producen energa elctrica cuando se encuentran expuestos a la luz solar, y la energa producida es proporcional a la cantidad de energa solar en forma de radiacin que los mismos reciben. Es posible realizar una primera clasificacin de los sistemas fotovoltaicos en: Sistemas fotovoltaicos autnomos; Sistemas fotovoltaicos directamente conectados a la red elctrica. El primero es un sistema tipo isla, donde los paneles son la nica fuente de abastecimiento de energa. El segundo, permite intercambiar el excedente o el faltante de energa con la red elctrica, eliminando la necesidad de bateras. El anlisis realizado se refiere a zonas rurales, sin acceso a la red, descartando la posibilidad de analizar un sistema con acceso a la red.

Componentes de un sistema fotovoltaico autnomoUn sistema fotovoltaico autnomo est formado por los siguientes elementos: Generadores fotovoltaicos; Bateras o acumuladores; Regulador de carga; Inversor; Consumo.

El generador fotovoltaico es el encargado de transformar la energa del Sol en energa elctrica. Est formado por varios mdulos fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo y a su vez cada mdulo fotovoltaico est formado por unidades bsicas llamadas clulas fotovoltaicas. Para controlar los procesos de carga y descarga de las bateras, se usa un regulador de carga encargado de proteger a la batera contra las sobredescargas o contra las cargas excesivas. Bsicamente, cuando el regulador detecta que la batera est siendo sobrecargada, desconecta el generador fotovoltaico y cuando detecta que la batera est siendo sobredescargada, desconecta los consumos. En cuanto a los mdulos fotovoltaicos, los mismos producen corriente continua por lo que los consumos de corriente directa de bajo voltaje pueden conectarse directamente al sistema de bateras a travs de un regulador de carga, sin embargo es necesario disponer de un inversor en caso de que se quiera dar servicio a consumos de corriente alterna. En la siguiente figura se puede apreciar el diagrama de un sistema fotovoltaico aislado de la red elctrica:



Figura 3. Estructura bsica de un sistema fotovoltaico autnomo.

Mdulos fotovoltaicos y generadores fotovoltaicosEn la actualidad el rendimiento de los mdulos fotovoltaicos, es decir, la porcin de luz solar que la clula convierte en energa elctrica, se encuentra entre el 9 y el 17%. Un mdulo FV est formado por un conjunto de clulas interconectadas y un generador fotovoltaico est formado por un conjunto de mdulos interconectados. Los mdulos estn diseados para suministrar electricidad a un determinado voltaje (normalmente 12 o 24 V). La corriente producida depende del nivel de insolacin. Los generadores o mdulos pueden ser conectados en serie y/o paralelo para producir cualquier combinacin de corriente y tensin. Los fallos que se presentan generalmente en sistemas FV no se asocian al generador fotovoltaico, sino a los otros componentes del sistema (batera, regulador, etc.). Por lo que se considera que este es uno de los componentes de ms alta fidelidad.

Principio de operacin de una clula fotovoltaicaEl efecto fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una clula FV convierte la luz en electricidad. La luz solar est compuesta por fotones o partculas energticas. Estos fotones son de diferentes energas correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre la superficie de un panel solar, los mismos pueden ser absorbidos, reflejados o pueden atravesar dicha superficie. nicamente los fotones absorbidos pueden generar electricidad. Cuando un fotn es absorbido, la energa de una clula se transfiere a un electrn del tomo de una clula. Con esta nueva energa, el electrn es capaz de escapar de su posicin normal asociada a un tomo para formar parte de una corriente elctrica. Para entender el funcionamiento de las clulas fotovoltaicas se debe comenzar entendiendo el concepto de conductividad elctrica. La conductividad elctrica indica el grado de movilidad que presentan los electrones dentro de una sustancia especfica. Los materiales en general pueden clasificarse en conductores, aislantes y semiconductores, de acuerdo a su conductividad elctrica. Las propiedades conductivas de los materiales pueden ser explicadas por el modelo de bandas. Dicho modelo describe el comportamiento del semiconductor en trminos de los niveles energticos entre la banda de valencia y la banda de conduccin. Los electrones en los enlaces covalentes tienen energas correspondientes a


Trabajo Final UCA 2011la banda de valencia. En la banda de conduccin los electrones estn libres. La banda prohibida o gap se corresponde con la energa necesaria para liberar un electrn de su enlace covalente hacia la banda de conduccin. Los electrones que pueden generar una corriente elctrica en un material son los que se encuentran en las rbitas exteriores o banda de valencia de los tomos, que tienen menor fuerza de atraccin por parte del ncleo y pueden ser liberador de la misma al aplicar una diferencia de potencial al material. Para ser liberador de la fuerza de atraccin del ncleo del tomo, la energa suministrada al electrn por el campo elctrico generado por una diferencia de potencial, deber ser suficiente para que este salte de la banda de valencia sobre la llamada banda prohibida, hacia la banda de conduccin. La figura 4 muestra la disposicin de estas bandas en materiales conductores, aislantes y semiconductores. En los materiales conductores, el valor de la conductividad es elevado dado que las capas de valencia y de conduccin se encuentran traslapadas. Este traslape de capas genera que los electrones de la banda de valencia tengan mucha movilidad y puedan saltar de un tomo a otro, an en temperatura ambiente. En los materiales aislantes, existe una gran distancia entre las bandas de valencia y conduccin. Debido a esto, ms all del voltaje que se aplique sobre los electrones de la rbita externa, dicha fuerza no es suficiente para que los electrones atraviesen la banda prohibida y puedan establecer una corriente. En los materiales semiconductores, es posible que los electrones que se encuentran en la capa externa atraviesen la capa prohibida mediante el aporte de una determinada cantidad de energa ya que el salto de energa entre una banda y otra es pequeo. Al incidir luz sobre este tipo de materiales, los fotones con energa menor que la energa de la banda prohibida, o gap, no interaccionan con el material, resultando transparente. Sin embargo, los electrones con mayor energa que el gap pueden interaccionar con los electrones de enlaces covalentes, rompiendo enlaces. A diferencia de los materiales conductores, la conductividad de los materiales semiconductores puede ser regulada controlando la energa que se le entrega a dichos electrones. Adems tienen la caracterstica de actuar como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energa.

Figura 4. Bandas de energas en los materiales. Si bien con todos los materiales semiconductores se puede obtener una corriente elctrica, aquellos utilizados en aplicaciones fotovoltaicas son los que entregan el mayor producto corriente-voltaje para la luz visible (contiene las longitudes de onda que poseen la mayor energa). Debido a las propiedades previamente mencionadas, una clula fotovoltaica est formada por semiconductores, generalmente de silicio. Los fotones que inciden sobre los semiconductores, son capaces de de transmitir su energa a los electrones de valencia del semiconductor para que rompan el enlace que los mantiene ligado a los tomos respectivos. Por cada enlace roto, queda un electrn libre para circular dentro del slido. La falta del electrn en el enlace roto, llamada hueco, puede desplazarse por el interior del slido,


Trabajo Final UCA 2011transfirindose de un tomo a otro debido al desplazamiento del resto de los electrones de los enlaces. Los huecos se comportan como partculas de carga positiva cuya magnitud es igual a la del electrn. El movimiento de electrones y huecos en direcciones opuestas genera una corriente elctrica en el semiconductor capaz de de circular por un circuito externo y liberar en l energa cedida por los fotones al crear pares electrn-hueco. Para separar los electrones de los huecos, e impedir que restablezcan el enlace, se utiliza un campo elctrico que hace que ambos circulen en direcciones opuestas. Como se muestra en la figura 5, en las clulas solares, este campo elctrico se consigue mediante la unin de dos regiones de cristal semiconductor. En el caso de que el material semiconductor sea de silicio, una de las regiones, llamadas tipo n, se impurifica con fsforo que tiene 5 electrones de valencia, uno ms que el silicio, y es una regin con una concentracin de electrones mucho mayor que la de huecos. La otra, llamada tipo p, se impurifica con boro que tiene 3 electrones de valencia y se caracteriza por ser una regin con una concentracin de huecos mucho mayor que de electrones.

Figura 5. Estructura de una clula convencional de silicio.

Las cargas presentes en cada una de las capas, no permanecen inmviles sino que se desplazan a la zona adyacente donde la concentracin es baja. Este desplazamiento de cargas acumula cargas positivas en la zona N y cargas negativas en la zona P, creando una diferencia de potencial en la juntura, la que establece a su vez un campo elctrico en esta zona. Al incidir la luz sobre la zona adyacente a la juntura, si esta tiene el nivel de energa y el espectro requerido por el material, las cargas elctricas creadas por la luz sern separadas por la barrera en cargas positivas de un lado y cargas negativas en el otro, creando una diferencia de potencial entre ambas. Este voltaje es capaz de conducir corriente a travs de un circuito externo de modo que permite producir trabajo til. El voltaje generado en la juntura depende del semiconductor empleado. Para las clulas de silicio este valor es de alrededor de 0,5 V. Como en la unin p-n se genera un campo elctrico fijo, el voltaje de una celda es de corriente continua. La corriente y el voltaje instantneo generado en una clula FV determinarn la potencia instantnea de salida. El contacto elctrico en la cara iluminada ha de hacerse de tal forma que deje al descubierto la mayor parte de su superficie, a fin de que penetre la luz en el semiconductor pero proporcione, a la vez, baja resistencia elctrica.Una solucin que suele adoptarse es la utilizacin de mallas metlicas en forma de peine. En cuanto al contacto de la cara no iluminada, el mismo se efecta en toda la superficie. Con el objeto de aumentar el rendimiento de la clula, se realiza un proceso de texturado de la superficie frontal, que consiste en la formacin de micro-pirmides superficiales que minimizan la reflexin de la luz. Para


Trabajo Final UCA 2011minimizar la reflexin, dicha cara es cubierta tambin con una capa de material anti-reflectante. Sin embargo, la superficie del material semiconductor expuesta a la luz tiende a reflejar hasta el 30% de la luz incidente. Los semiconductores efectivos para su utilizacin en sistemas fotovoltaicos tienen energas de gap entre 1 y 1,6 eV siendo 1 eV la energa que adquiere un electrn cuando pasa a travs de un potencial de 1 V en el vaco. Las energas de los fotones, tambin medidas en eV, varan de acuerdo a las diferentes longitudes de onda. El espectro completo de la luz solar, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, cubre el rango entre 0,5 eV hasta 2,9 eV. Cuando la luz deja de incidir, el sistema debe retornar a su estado de equilibrio y los pares e-h generados por la luz deben recombinarse y desaparecer. En ausencia de una fuente externa de energa los electrones y los huecos se encuentran y se recombinan. Cualquier defecto o impureza dentro de la superficie del semiconductor tambin aumenta la recombinacin.

Tipos de celdas solares FVLas celdas solares se clasifican, en funcin de las propiedades del silicio con el que se encuentran formadas, en policristalinas, monocristalinas o amorfas. Las celdas ms costosas pero ms eficientes son las formadas por silicio monocristalino. Este tipo de silicio se caracteriza por contar con una estructura cristalina casi perfecta y por su elevada pureza. El costo elevado se debe a que el proceso implica el desarrollo y corte de lingotes de silicio a temperaturas de 1400 grados centgrados. Las planchas policristalinas se producen a partir de un proceso de vertido del silicio fundido en moldes para que luego este sea cortado en planchas. Este proceso implica un menor costo de produccin a costa de obtener un material con mayores imperfecciones en la estructura cristalina y, en consecuencia, menor eficiencia energtica. Por ltimo las clulas amorfas son las ms baratas y menos eficientes dado que estas clulas no poseen estructura cristalina. En sntesis, dado que las imperfecciones en la estructura del silicio actan como capturadores de cargas libres, en la medida que aumentan los defectos estructurales en la estructura del silicio disminuye la eficiencia de conversin. En la tabla presentada a continuacin se pueden observar los rendimientos tpicos de fabricacin de los distintos tipos de clulas fotovoltaicas as como tambin el mximo rendimiento obtenible a partir de condiciones controladas en un laboratorio:

Tipo de tecnologa Rendimiento de fabricacin Silicio monocristalino (m - Si) 15,3 - 17,5 Silicio policristalino (p - Si) 13,5 15 Silicio amorfo (a - Si) 57

Mejor rendimiento de lab. 24,8 21 12 - 16

Tabla 5. Rendimientos tpicos de distintos tipos de clulas FV.

Estructura de los paneles solares FV

Los principales elementos que conforman un panel solar son:


Trabajo Final UCA 2011 Encapsulante: Protege a las celdas dentro del panel. Es requisito para el material encapsulante que posea una baja degradacin por efecto de los rayos solares y un elevado ndice de transmisin de radiacin. Cubierta posterior: Est formada por placas opacas que tienen el objetivo de reflejar la luz que atraviesa las clulas para que esta incida sobre las mismas. Cubierta de vidrio: Protege a las clulas de los agentes climticos (lluvia, granizo, nieve, etc.). Es requisito para la cubierta soportar cambios bruscos de temperatura y maximizar la transmisin de luz a travs del mismo. Marco de aluminio: Le confiere rigidez al panel. Sobre el marco se encuentran: Diodos de proteccin: Impide daos por sombras parciales. Caja de terminales.

Figura 6. Componentes de un panel solar FV.

Curvas caractersticas de los paneles fotovoltaicosEl mdulo ms comnmente utilizado es un mdulo plano con 36 clulas FV conectadas en serie para producir el voltaje suficiente para cargar una batera de 12 V. Los cuatro factores que determinan la potencia de salida de un mdulo son: 1. 2. 3. 4. Rendimiento de sus clulas; Resistencia de la carga, es decir, el punto de trabajo en la curva I-V; Irradiancia solar; Temperatura de las clulas.

Los mdulos fotovoltaicos se caracterizan por una curva I-V (grfico 22) que es funcin de la irradiancia, G, y de la temperatura de clula, Tc (grfico 21). La potencia nominal de un mdulo FV es referida a unas determinadas condiciones, denominadas Condiciones Estndar de Medida, STC, caracterizadas por una 2 irradiancia incidente normal de 1000 W/ m , una temperatura de clula de 25 grados centgrados y un espectro de la irradiancia normalizado a AM 1,5G (masa de aire global de 1,5). Estas condiciones se conocen habitualmente como condiciones pico y la potencia nominal del mdulo en dichas condiciones se conoce como vatios pico. A continuacin se presenta el efecto de la temperatura de celda sobre la corriente y voltaje de salida de un panel solar:


Trabajo Final UCA 2011 Curvas I-V en funcin de la temperatura

Grfico 21. Efecto de la temperatura sobre la curva I-V de un panel fotovoltaico. De igual forma, la variacin de la corriente y el voltaje en funcin de la Irradiancia incidente puede observarse en el siguiente grfico:

Curvas I-V en funcin de la radiacin

Grfico 22. Efecto de la Irradiancia sobre la curva I-V de un panel fotovoltaico. Al construir el grfico I-V para un panel solar funcionando bajo distintas condiciones se puede observar que la corriente, y por lo tanto la potencia, vara linealmente con la irradiancia, mientras que la tensin disminuye con el aumento de la temperatura (aproximadamente 4% por cada grado de incremento de la temperatura).


Trabajo Final UCA 2011 Conexin en serie y paraleloCuando las clulas fotovoltaicas son iguales entre s, al asociarlas en serie circula la misma corriente a travs de ellas y el voltaje resultante es la suma de los voltajes de cada una. Para la conexin en serie, se suman las tensiones y para la conexin en paralelo se suman las corrientes.

Conexin en serie de dos paneles FV

Figura 7. Resultado de la conexin en serie de dos paneles fotovoltaicos de iguales caractersticas.

Conexin en paralelo de dos paneles FV

Figura 8. Resultado de la conexin en paralelo de dos paneles fotovoltaicos de iguales caractersticas.

Respuesta espectralLa respuesta espectral de una clula se refiere a la corriente que es capaz de suministrar para cada longitud de onda o color de la luz incidente. Un 100% de respuesta supondra que todos los fotones seran absorbidos y daran lugar a la formacin de pares electrn-hueco. La luz de un determinado color producir diferentes cantidades de corriente dependiendo del material semiconductor, por ejemplo, para el silicio monocristalino la respuesta comienza en torno de los 350nm de longitud de onda, alcanza su mximo en los 800 nm y decae rpidamente a los 1100 nm. Para el silicio amorfo es ms estrecha, comenzando en torno a los 300 nm, con su mximo a los 500 nm y finalizando a los 700 nm. Un dispositivo FV es mejor en la medida que mejor respuesta espectral posee, es decir, el que mejor adapte su curva de respuesta espectral al espectro de la radiacin solar.


Trabajo Final UCA 2011 Respuesta espectral de distintos materiales

Grfico 23. Respuesta espectral para distintos materiales componentes de clulas fotovoltaicas. Debido a que la luz pasa a travs de la atmsfera, ciertas longitudes de onda son absorbidas o reflejadas ms que otras por el aire, la suciedad y aerosoles en suspensin. Estas absorciones varan dependiendo de la cantidad de atmsfera que la luz ha de atravesar. Esta distancia se denomina masa de aire (AM). Al medio da, cuando el Sol se encuentra perpendicular a la superficie, se tiene un espesor de 1 AM. El espectro de AM=0 se considera sobre una superficie normal a la terrestre, fuera de la atmsfera terrestre.

Punto de trabajoEl punto de trabajo del sistema vendr impuesto por el tipo de carga que se conecte y estar definido por el punto de corte de la carga I-V del generador y la curva I-V de la carga o consumo. Un sistema ideal ser aquel que aprovecha la mxima potencia disponible en cada momento, esto es, el punto de trabajo coincide con el punto de mxima potencia del generador. La batera tiene un voltaje que depende del estado de carga, edad de la batera, temperatura y rgimen de carga. En este caso es la batera la que fija el voltaje de trabajo del generador fotovoltaico:

Voltaje de trabajo de un panel conectado a una batera

Grfico 24. Voltaje de trabajo de un panel fotovoltaico.



Orientacin de los mdulos FVEn general los mdulos fotovoltaicos se colocan sobre los techos, en patios o en lugares descampados. El requisito fundamental del lugar de colocacin de los paneles, es cerciorarse de que ningn objeto proyecte su sombra sobre el mdulo, principalmente en las horas de mayor radiacin solar. La orientacin de un panel solar se define en funcin de dos ngulos: ngulo azimutal de la superficie (): ngulo entre la proyeccin de la normal a la superficie en el punto horizontal y la direccin sur-norte (para localizaciones en el hemisferio norte) o norte-sur (para localizaciones en el hemisferio sur). Inclinacin (): ngulo entre el plano de la superficie a considerar y la horizontal.

-

Para paneles solares con una posicin fija en el hemisferio Sur, la mxima captacin de energa se logra colocando los mdulos dirigidos hacia el Norte (=0 grados). Esta configuracin permite balancear las posibilidades de captacin entre la maana y la tarde si se suponen caractersticas similares de irradiacin en ambos momentos del da. Ms all de esto, una variacin de hasta 30 grados en el ngulo azimutal, puede provocar variaciones mnimas de alrededor de 1 por ciento. En cuanto a la inclinacin, es importante saber que, las mximas captaciones en promedio anual para paneles con un ngulo azimutal igual a cero grados, se obtiene otorgndole al panel solar una inclinacin igual a la latitud del lugar donde se encuentra ubicado. La variacin en la inclinacin de los paneles de 15 grados respecto del ngulo ptimo trae como consecuencia una reduccin aproximada del 2,5 por ciento en la capacidad de captacin del panel. Puede ocurrir que, debido a la presencia de mayor nubosidad por las tardes o por una mayor necesidad energtica a satisfacer por la maana, deba buscarse maximizar la captacin de energa en las primeras horas de luz. Para lograr esto, es necesario colocar los paneles orientados hacia el este (=- 75 grados) con una inclinacin ligeramente mayor a la de la latitud del lugar. Para cualquier caso, es recomendable que la inclinacin sea siempre superior a los 10 grados, dado que facilita el escurrimiento del agua.

Estructura de soporte mecnica para el generadorLas estructuras de soporte deben tener al menos una vida til de 10 aos y deben estar preparados para resistir el efecto de los agentes externos como la lluvia, la nieve, vientos de altas velocidades (hasta 120 km/h) y los cambios bruscos de temperatura. La estructura de soporte pude ser de diversos materiales, entre ellos: acero inoxidable, aluminio, hierro galvanizado o madera tratada. Cuando se elige la ubicacin de las estructuras de soporte de los paneles solares debe tenerse en cuenta, adems de una ubicacin que garantice la mxima captacin de energa, la facilidad de limpieza de los mdulos y el acceso a las cajas de conexin. Un requisito importante, es que la estructura permita el paso del viento para evitar aumentos excesivos de temperatura que ocasionen una cada importante en el rendimiento de los paneles.

El regulador fotovoltaico


Trabajo Final UCA 2011La misin primordial de un regulador es realizar un proceso ptimo de carga de las bateras, permitiendo la carga completa pero evitando la carga y la sobredescarga. En pocas palabras, el regulador es el elemento encargado de administrar el flujo de energa desde los paneles hacia las bateras. Si bien el regulador puede suponer slo un 5% del costo total del sistema, su funcionamiento tiene una gran influencia en la vida til de la batera y por lo tanto en el coste final del sistema. Por esta razn deben utilizarse reguladores de carga de buena calidad y con una vida til de al menos 10 aos. Durante el da, la energa elctrica alimenta el consumo y el exceso de energa carga la batera y durante la noche la batera se descarga para alimentar el consumo. Como se coment, la funcin del sistema de regulacin es, por un lado, evitar que debido a una corriente excesiva proporcionada por el generador, ste pueda sobrecargar el acumulador y por el otro, evitar una sobredescarga de la batera. Un regulador funciona habitualmente por control de tensin medida en los terminales de la batera. El regulador puede ser tipo serie o tipo paralelo. El regulador serie, cuando detecta que la batera est completamente cargada, pone en circuito abierto el generador fotovoltaico. El regulador paralelo deriva la corriente del generador a travs de un dispositivo disipador situado en paralelo entre el generador fotovoltaico y la batera. El regulador debe ser configurado en funcin del tipo de batera, aplicacin y condiciones climticas. Las principales funciones de los reguladores son: Prevenir la sobredescarga de la batera; Prevenir la sobrecarga de la batera; Proporcionar funciones de control de consumo, conectando y desconectando los consumos en un momento determinado; Proporcionar informacin del estado del sistema a los usuarios; Servir como centro de cableado, proporcionando un punto de conexin para otros componentes en el sistema, incluyendo el generador fotovoltaico, la batera y las cargas o los consumos.

Mtodo de funcionamientoComo se coment, los reguladores de carga funcionan en general monitoreando el voltaje de las bateras: Como se puede observar en el grfico siguiente, cuando el voltaje cae por debajo de cierto lmite, conocido como voltaje de desconexin de carga, se interrumpe el suministro de energa desde las bateras a las cargas. La alimentacin de las cargas no podr reanudarse hasta que el voltaje de la batera aumente a un valor conocido como voltaje de reconexin de carga.

Tensin de una batera conectada a un regulador

Grfico 25. Variacin del voltaje de una batera con regulador de carga.


Trabajo Final UCA 2011Dado que el diseo elctrico de la batera depende de la edad de la batera, su diseo particular y del proceso de fabricacin, no existen normas claras que den una referencia de los voltajes de conexin y de desconexin de la batera. Al elegir el voltaje de desconexin de las cargas, se debe buscar el balance entre la satisfaccin de los usuarios por la disponibilidad energtica y la proteccin de las bateras: una profundidad de descarga de la batera por debajo de sus valores recomendados permitir que los usuarios cuenten con energa por ms tiempo, sin embargo, esto afectar la vida til de la batera y traer como consecuencia mayores costos adicionales por un recambio ms frecuente de las mismas. De ser posible, el regulador deber contar con algn tipo de alarma que prevenga al usuario de una posible desconexin del sistema. De esta forma, el usuario podr regular su consumo y evitar la interrupcin del suministro elctrico. Dado que no es posible establecer una relacin universal entre voltaje y estado de carga en la batera, los voltajes de conexin y desconexin deben adaptarse a cada tipo de batera. Ms all de esto, se deben tener en cuenta las siguientes especificaciones para la regulacin de carga: Se debe incluir elementos de alarma previos a la desconexin; No debe estar permitida la inhibicin manual de la proteccin contra descargas profundas; Debe existir proteccin contra descargas profundas; No superar el valor de descarga mxima recomendado por el fabricante; El voltaje de reconexin de la carga debe ser 0,08V/vaso superior al voltaje de desconexin de la carga; Para sistemas de 12V, el voltaje de alarma debe ser 0,2 V superior a la tensin de desconexin del consumo; Los voltajes de conexin, desconexin y alarma deben tener una precisin del uno por ciento y permanecer constantes en todo el rango de variacin de temperatura ambiente.

Como se coment, tambin es necesario proteger a las bateras contra las sobrecargas, debe limitarse la corriente de carga cuando el voltaje alcanza cierto lmite llamado voltaje de fin de carga. No se debe restablecer la corriente hasta que el voltaje caiga por debajo de otro lmite, denominado voltaje de reposicin. Hay dos tipos bsicos de estrategias de control de voltaje. En los controladores on-off la corriente se interrumpe totalmente cuando se alcanza el valor de voltaje de fin de carga. En los controladores de modulacin de ancho de pulso, cuando se alcanza el valor de voltaje de fin de carga, se disminuye gradualmente la corriente, la cual se va inyectando en forma de pulsos en la batera con el objeto de que su voltaje permanezca siempre igual al voltaje de fin de carga. Ambos mtodos pueden utilizarse en aplicaciones fotovoltaicas sin que se reduzca significativamente la vida til de las bateras.

Batera

El acumulador fotovoltaico o batera acta principalmente como un sistema de almacenamiento energtico, pero tambin se puede utilizar como estabilizadores de voltaje o corriente y para suministrar picos de corriente. En la figura siguiente se muestran los componentes principales de una batera:



Figura 9. Esquema de una batera y partes componentes. Las bateras contribuyen significativamente a la relacin coste/ vida til del sistema fotovoltaico por lo tanto, un buen diseo ha de tener en cuenta la maximizacin de la vida til de las mismas. Dado que diferentes tipos de batera poseen diferentes requerimientos de operacin, para el diseo de un sistema fotovoltaico se debern tomar decisiones como: qu tipo de batera se utilizar, que generador fotovoltaico proporcionar energa suficiente para una carga ptima y estimar los tiempos de vida y costes. Debe tenerse en cuenta que si se instala una batera demasiado grande, de gran capacidad respecto de la potencia del mdulo fotovoltaico, el generador tendr dificultadas para recargarla completamente, pudiendo permanecer grandes perodos en baja carga con la consecuente reduccin de su tiempo de vida. Si es demasiado pequea, se producir una descarga diaria completa, que acorta su vida til. Las bateras utilizadas habitualmente son de Plomo-cido (Pb-a) caracterizadas por necesitar un menor mantenimiento y tener menor autodescarga, pero tambin hay bateras de Plomo-Calcio (Pb-Ca) y PlomoAntimonio (Pb-Sb), caracterizadas por deteriorarse menos en el ciclado diario y por presentar mejores prestaciones a niveles bajos de carga. Adems, en determinadas aplicaciones, se utilizan bateras de NquelCadmio (Ni-Ca) que presentan la ventaja respecto de las de Pb-a de descargarse profundamente o permanecer largos perodos de carga sin deterioro, adems de una menor auto descarga y menor mantenimiento. Estas ltimas no son muy frecuentemente utilizadas debido a su costo. En la siguiente tabla se realiza una comparacin cualitativa en cuanto a precio, caractersticas del ciclado y mantenimiento de los principales tipos de bateras del mercado:

TipoPlomo-cido Plomo-Antimonio Plomo-Calcio abiertas Plomo- Calcio selladas Hbridas (Antimonio/Calcio) Electrolito inmovilizado Gel AGM Nquel-Cadmio Placas "sintered" Placas "pocked" Bajo Bajo Bajo Medio Medio Medio Alto Alto

Precio

Ciclado ProfundoBueno Pobre Pobre Bueno Muy bueno Muy bueno Bueno Bueno

MantenimientoAlto Medio Bajo Medio Bajo Bajo Ninguno Medio

Tabla 6. Tipos y caractersticas de bateras secundarias.


Trabajo Final UCA 2011 Mecanismos de envejecimientoDurante la carga, la corriente entra en la batera en la direccin opuesta a la de descarga restableciendo los materiales activos en las placas, lo que conlleva a un aumento de voltaje, de la densidad del electrolito y del estado de carga. Como resultado del envejecimiento, la resistencia interna aumenta, por lo que la tensin mxima de carga debera ir aumentando para mantener el mismo rgimen de carga, o bien, para un mismo voltaje, tardaras ms tiempo en cargarse. A continuacin se describen los distintos mecanismos de envejecimiento que sufre una batera normalmente: Degradacin de las placas positivas: Por la continua sucesin de ciclos de carga y descarga, que causa una contina contraccin y dilatacin de los materiales de las placas positivas, reduciendo la adhesin y provocando su desprendimiento por tensiones mecnicas. Sulfatacin: Cuando una batera permanece mucho tiempo descargada o se ve sometida habitualmente a recargas insuficientes pierde irreversiblemente materia activa, debido a la recristalizacin de los finos cristales de sulfato de plomo formados durante los procesos de la descarga, convirtindose en grandes cristales o costras, que presentan mayor dificultad en transformarse en la siguiente carga, dando lugar a un aumento de la resistencia interna, mayor generacin de calor y disminucin de la capacidad. A mayores descargas, mayor cantidad de material activo es convertido en sulfato de plomo. Durante la recarga, el sulfato de plomo es reconvertido en dixido de plomo. Esta reconversin se inhibe si la batera permanece descarda durante perodos prolongados. Estratificacin: Es consecuencia de que la batera tenga grandes perodos de inactividad, lo que provoca que se genere, gracias a la fuerza de gravedad, un gradiente de concentracin de la densidad entre la parte superior e inferior de la batera. Puede controlarse mediante un pequeo perodo de gaseo con una ligera sobrecarga controlada. Autodescarga: Prdida de capacidad de una batera que ocurre normalmente cuando est en circuito abierto. Algunos aspectos importantes para alargar la vida de la batera son: Evitar elevados voltajes de descarga que elevan la corrosin y la prdida de agua; Respetar la profundad de descarga establecida por

Tesis Final v Digital

Documents

Transcript of Tesis Final v Digital