monografía (centrales) final

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4 1.-RESUMEN Sabiendo que los recursos fósiles como el petróleo, carbón y el gas, se consume continuamente, uno de los temas más importante hoy en día, es cómo encontrar alternativas de energía para apoyar la demanda diaria. La energía fotovoltaica es aceptada poco a poco como un reemplazante debido a que es limpia, renovable, estable y confiable, también ha demostrado que es factible tanto su puesta en funcionamiento como su comercialización. Además, es una buena opción para mitigar el calentamiento global. Utilizando energía solar fotovoltaica convertimos, de manera efectiva y sin la contaminación del aire, la energía solar directamente en energía eléctrica. El objetivo de la monografía es mostrar como los sistemas fotovoltaicos son una solución para llevar energía a lugares aislados o de difícil acceso, de manera independiente a la red eléctrica. Además se mostrarán y detallarán los elementos que este sistema necesita para su funcionamiento. Por último se mostrará un ejemplo de cálculo de una instalación fotovoltaica aislada domiciliaria, con fines didácticos. Palabras claves: Energía Fotovoltaica, Sistemas Aislados, Confiabilidad.

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1.-RESUMEN

Sabiendo que los recursos fósiles como el petróleo, carbón y el gas, se consume continuamente, uno de los temas más importante hoy en día, es cómo encontrar alternativas de energía para apoyar la demanda diaria. La energía fotovoltaica es aceptada poco a poco como un reemplazante debido a que es limpia, renovable, estable y confiable, también ha demostrado que es factible tanto su puesta en funcionamiento como su comercialización. Además, es una buena opción para mitigar el calentamiento global. Utilizando energía solar fotovoltaica convertimos, de manera efectiva y sin la contaminación del aire, la energía solar directamente en energía eléctrica.El objetivo de la monografía es mostrar como los sistemas fotovoltaicos son una solución para llevar energía a lugares aislados o de difícil acceso, de manera independiente a la red eléctrica. Además se mostrarán y detallarán los elementos que este sistema necesita para su funcionamiento. Por último se mostrará un ejemplo de cálculo de una instalación fotovoltaica aislada domiciliaria, con fines didácticos.

Palabras claves: Energía Fotovoltaica, Sistemas Aislados, Confiabilidad.

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2.-INTRODUCCIÓN

El objetivo es explicar y dar a conocer como puede ser utilizada la energía fotovoltaica en nuestra vida diaria. Esto puede influir en distintos planos, tanto en el económico como en la salud del medio ambiente.Una instalación solar fotovoltaica, genera electricidad a partir de la radiación solar, mediante una célula fotovoltaica. Aunque se necesitan otros elementos, el panel compuesto por dichas células es un elemento fundamental y representativo de este tipo de instalaciones.Esta forma de explotación de energía renovable nació en 1873 cuando Willoughby Smith descubrió el efecto fotovoltaico en el Selenio. Más adelante en 1883, la célula solar fue diseñada por primera vez, sin embargo, sólo se había logrado convertir el 1-2% de la energía solar, en electricidad. En 1954, investigadores del laboratorio de Bell, descubrieron las propiedades fotovoltaicas del Silicio, el cual fue un gran hallazgo. A partir de allí, empezó a crecer la industria, impulsada en sus comienzos por las aplicaciones en misiones espaciales. Hoy en día gracias a los grandes avances tecnológicos, la célula solar moderna, puede transferir el 15% de la energía solar percibida en electricidad, dependiendo este porcentaje del tipo de célula solar.

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3.-DESARROLLO

3.1.-Principio de la energía solar fotovoltaica

A los materiales sólidos de la naturaleza se les puede analizar sus características eléctricas a nivel atómico, separando a su estructura en banda de conducción, bandas de valencia y una banda prohibida.

La banda de mayor energía se denomina banda de valencia, la siguiente que puede estar parcialmente ocupada o vacía se denomina banda de conducción. Estas bandas pueden estar separadas por otra que corresponde a estados no permitidos. Las propiedades eléctricas de los elementos dependen de esta posición relativa entre banda. Así, el valor de la banda prohibida permite clasificar los sólidos en CONDUCTORES, AISLANTES y SEMICONDUCTORES, como se puede ver en la Fig.1.

Fig.1-Banda de conducción y valencia

En los materiales conductores, los electrones de valencia pueden moverse libremente, esto quiere decir que los electrones de la última capa del átomo ocupan niveles de energía altos que les permiten escaparse del enlace que los une a su átomo, generando una corriente eléctrica cuando existe la presencia de un campo eléctrico.

En las sustancias aislantes, la banda de conducción está completamente vacía porque todos los electrones, incluidos los de la última capa, están ligados al átomo, tienen una energía baja, y por lo tanto se encuentran en la banda de valencia. Además la banda prohibida es bastante grande, lo que dificulta el salto a la banda de conducción, ya que se requiere un campo eléctrico elevado. Debido a que la banda de valencia está llena, los electrones no pueden moverse, por ende no puede establecerse una corriente eléctrica cuando se aplica una tensión entre los extremos del aislante.

Las propiedades fotovoltaicas se descubrieron en el Silicio, y este es un material semiconductor. En este tipo de materiales las bandas de valencia y conducción presentan una

Conductor Semiconductor Aislante

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situación intermedia, en donde la banda de conducción posee menos electrones que un material conductor. Esta situación se debe a que la banda prohibida no es nula, pero sí pequeña. Así se explica que los semiconductores aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción.

Existen dos tipos de semiconductores, tipo P (exceso de huecos) y tipo N (exceso de electrones).En la figura 2-A, se ve que al unirlos físicamente se produce una difusión de portadores mayoritarios, es decir, los huecos migran desde el semiconductor P al N y los electrones desde el semiconductor N al P.

Los iones cargados originan un campo eléctrico orientado desde el semiconductor N hacia el P, dicho campo arrastra los electrones del cristal P hacia el N y expulsa a los huecos desde el cristal N hacia el P, visto en la figura 2-B. Esto se conoce como proceso de arrastre y es contrario al de difusión. Cuando se alcanza el equilibrio de estos dos procesos, los portadores minoritarios que atraviesan la unión se recombinan y forman en la unión una barrera de potencial (potencial termodinámico) que impide el paso de los portadores mayoritarios, de esta manera la corriente eléctrica después de este proceso, es nula.

Las células solares son dispositivos de unión P-N y basan su funcionamiento en el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico es un fenómeno de generación de portadores debido a la incidencia de un fotón en el semiconductor, y depende de la frecuencia del fotón incidente. Si un fotón es poco energético, no genera un portador libre, sin embargo si es más energético (baja longitud de onda y alta frecuencia) provoca la ruptura de un enlace, generando así un electrón libre. Los electrones se desplazan a la banda de conducción por el aporte energético de fotones incidentes, donde el campo eléctrico de la unión conduce los portadores generados, produciendo así una corriente de iluminación o también conocida como fotocorriente, que es

B)

Fig.2- A) Movimiento de electrones y huecos; B) Generación del campo eléctrico en la unión

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aprovechable por el circuito externo. Sin embargo la presencia de tensión en los terminales de la unión (por ejemplo, diferencia de potencial en una resistencia alimentada por el dispositivo), reduce la barrera de potencial de la unión y favorece los procesos de recombinación generando una corriente en sentido opuesto, conocida como corriente de oscuridad, la cual es relativamente pequeña, pero puede elevar su valor con el aumento de temperatura. Por lo tanto la corriente total que circulará será la diferencia de estas dos corrientes (Fig. 3).

Fig.3-Las corrientes que se presentan en un semiconductor con tensión V

Corriente de oscuridad

I D=I o[e( V

m⋅V T )−1 ]Corriente Total

I=I L−I D

I o = Corriente de Saturación del diodo.

V = Tensión aplicada al diodo. m = Factor de idealidad del diodo.

Puede tomar valores entre 1 y 2 , y sirve para ajustar la fórmula al funcionamiento del diodo.

VT = Potencial Termoeléctrico.

I o = Corriente de oscuridad

I L = Corriente de iluminación o fotocorriente.

I = Corriente Total

I D=Corriente de oscuridad

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3.2.-Concepto general de funcionamiento

Un sistema fotovoltaico aislado se compone de varios elementos. (Fig. 4)

Fig.4-Sistema fotovoltaico aislado

En primer lugar, la energía proveniente del Sol es captada por los módulos fotovoltaicos. Los mismos están formados por material semiconductor que posee efecto fotoeléctrico, es decir, convierte la energía solar en energía eléctrica.La energía producida por los paneles debe ser almacenada para que se la pueda utilizar en momentos en donde la radiación solar es baja o nula (noche, días nublados, etc.). Para esta función es que se colocan las baterías.

Entre los paneles, las cargas y las baterías se coloca un dispositivo llamado regulador. El regulador cumple con la función de controlar la carga y descarga de las baterías y evitar que estas sean excesivas (sobrecarga o sobredescarga), y alargar así la vida útil de estas. Finalmente la energía acumulada por las baterías (en corriente continua) puede ser utilizada

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para alimentar equipos o cargas de este tipo (CC). En el caso de las cargas de corriente alterna, será necesario anteponer un inversor. El inversor es un dispositivo que convertirá la señal continua en alterna de 230 [V] – 50 [Hz] [5].

4.- DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS ELEMENTOS

4.1.- Módulos fotovoltaicos

Las células solares se realizan con material semiconductor. En el caso del Silicio, este puede ser policristalino (varios cristales en una célula) o monocristalino (un solo cristal). La diferencia entre estos está en la pureza, siendo el monocristalino más puro. En dichas células se produce el efecto fotoeléctrico explicado en la introducción.

Las características eléctricas de una célula solar, no son suficientes para alimentar cargas convencionales. Es necesario realizar agrupaciones en serie y paralelo para entregar tensión y corriente adecuadas. Un módulo fotovoltaico es una asociación de células a las que protege físicamente de la intemperie y aísla eléctricamente del exterior, dando rigidez mecánica al conjunto. El vidrio frontal debe tener y mantener una alta transmisividad en la banda espectral en la que trabajan las células solares. Además debe tener buena resistencia al impacto y a la abrasión. Debe poseer una superficie con un buen comportamiento antireflexivo con ausencia de bordes o desniveles que faciliten la acumulación de suciedad o dificulten la limpieza de ésta por medio de la acción combinada de la lluvia y el viento.

El módulo debe estar sellado de tal manera de poder evitar la entrada de humedad, señalada como la causa principal de la degradación de los módulos fotovoltaicos.

En particular para los módulos compuestos por células de silicio cristalino es de aplicación la norma internacional IEC 61215. Esta norma recoge los requisitos de diseño y construcción de módulos fotovoltaicos terrestres.

Al hablar de módulos fotovoltaicos es importante resaltar el fenómeno “punto caliente”. Este fenómeno se refiere a la elevación de la temperatura en una célula del panel con respecto al resto. Cuando una célula no funciona correctamente, ya sea por avería o por sombreado, su funcionamiento queda alterado y puede ocasionar un daño en el módulo.

Por ejemplo, si se tienen 6 células conectadas en serie y una de ellas no funciona, las 5 células sanas generarán corriente eléctrico debido al efecto fotoeléctrico, mientras que la célula que no funciona absorberá potencia. Tal potencia debe ser disipada, lo que produce el aumento de la temperatura en ese punto y los materiales encapsulantes que lo rodean pudiendo dañarlos gravemente.

Para proteger la célula sombreada es necesario habilitar un camino alternativo de corriente y así evitar que trabaje como un receptor de la potencia del resto de la agrupación. El método más utilizado consiste en colocar diodos de paso conectados en paralelo con el resto de la agrupación serie. Cuando ninguna de las células está dañada, el diodo de paso queda polarizado en forma inversa respecto a la tensión producida por el grupo, y no tiene efecto alguno. En cambio cuando aparece una célula sombreada, esta se polariza en directa con

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respecto a la tensión producida por el grupo de células sanas, permitiendo que la corriente circule por él evitando el efecto de punto caliente. En la figura 5 se puede observar el camino alternativo que sigue la corriente, gracias a la presencia de los diodos de paso, cuando aparece una sombra en una de las células.

Una agrupación de módulos en serie y paralelo, forman un generador fotovoltaico (Fig. 6). La cantidad de ramas en paralelo queda determinada por la corriente total que se quiere del generador. La cantidad de módulos en serie define la tensión del generador.

NP: Nº de ramas en paralelo.

NS: Nº de módulos en serie.

Fig.6- Disposición de módulos en serie y paralelo

¿ IG=N P⋅IM

¿V G=N S⋅V M

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Otro aspecto importante a tener en cuenta cuando se habla de los módulos de una instalación fotovoltaica, es la inclinación de dichos paneles. La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la radiación.

La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal, es variable a lo largo del año (máxima en verano y mínima en invierno), por lo tanto en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía a lo largo de un año. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo mayor en beneficio de una mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una peor captación en verano [7]. Según el hemisferio en donde se realice la instalación los paneles deberán orientarse, hacia el Norte si la instalación se realiza en el hemisferio Sur; o hacia el Sur si se ubica en el hemisferio Norte.

En la Figura 7 se puede observar el ángulo de inclinación de un panel fotovoltaico y la orientación para una instalación realizada en el hemisferio Sur.

α

Fig.7- Inclinación del panel fotovoltaico

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4.2.- Baterías

La función principal de las baterías es acumular la energía generada por los módulos para asegurarse el suministro cuando no hay Sol. El problema general consiste en que no coinciden en el tiempo, la demanda máxima (noche) y la generación de energía (día). Por tal motivo es necesario el almacenamiento.

Además las baterías cumplen la función de establecer el valor de tensión de la instalación fotovoltaica (12 [V], 24 [V], 48 [V])

Una de las características que definen a una batería es su “capacidad” (C), la cual es una medida del poder de almacenamiento de energía que posee. Se define a la capacidad nominal de una batería en un tiempo “t” de descarga, como la energía que se puede extraer de ella en régimen constante durante dicho tiempo a una temperatura de 20 ºC. Se suele expresar en [A.h]. La capacidad de una batería se va reduciendo a medida que sufre cargas y descargas. Si las descargas son profundas, disminuirá aún más su vida útil. Lo mismo ocurre cuando se la sobrecarga. Además, la capacidad no es una magnitud constante, sino que varía en función de la temperatura (a temperaturas más bajas la capacidad se reduce), y de la corriente de descarga.

Los tipos de baterías utilizadas para almacenar energía fotovoltaica, son baterías estacionarias. Es decir, baterías que soportan cargas y descargas profundas con frecuencia. En general las baterías son de plomo ácido (Fig. 8), o baterías de gel. En estas últimas se añaden aditivos al electrolito los cuales reducen la corrosión y la formación de gases. Son baterías sin mantenimiento, se pueden instalar en cualquier lugar y vienen selladas para evitar la salida del ácido. Su tiempo de vida útil aproximado es de 3 a 4 años.

Otra de las características de las baterías es la tensión nominal. Este valor, define la tensión de la batería en reposo y en condiciones nominales.La tensión máxima de sobre carga es del orden de un 15% por encima del valor nominal. La sobrecarga puede producir una gasificación en el interior de la batería pudiendo provocar una explosión.

Las descargas profundas en la batería pueden producir un exceso de sulfato de plomo (sulfatación), y reducir así la eficacia de ésta [2].

Fig.8- Baterías

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4.3.- Regulador de carga

El tiempo de vida de una batería dependen en gran medida del modo en que se lleven a cabo los procesos de carga y descarga. La regulación automática de estos procesos la realizan el regulador de carga o también llamado controlador. Este dispositivo es un auténtico gestor del sistema fotovoltaico (Fig. 10). Algunas de las funciones realizadas por el regulador de carga son:

- Proteger a la batería contra la sobrecarga. Si la batería estuviese cargada y los módulos fotovoltaicos siguieran inyectando energía, entonces se produciría una sobrecarga. El regulador actúa cortando o reduciendo la corriente suministrada por los módulos fotovoltaicos. Esta protección también incluye a las sobretensiones más o menos transitorias. - Proteger a la batería contra la sobredescarga. Cuando el consumo supera a la producción fotovoltaica durante un tiempo determinado, se produce una sobredescarga. El regulador realiza esta tarea cortando la conexión entre la batería y los consumos. - Garantizar que los módulos fotovoltaicos trabajen en su punto de máxima potencia. Casi todos los reguladores poseen esta función, la cual llevan a cabo midiendo constantemente la intensidad de corriente que proporcionan los módulos.

A continuación en la Figura 9, un esquema simple de su conexión:

Fig.9- Conexión de regulador de Carga

Las características que definen a un regulador en carga son:

- Tensión nominal: es la misma que la del sistema fotovoltaico. Existen modelos en

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los que este valor puede elegirse por medio de un selector. - Intensidad nominal: este valor se refiere a la corriente nominal procedente de los módulos fotovoltaicos. - Carga inicial: cuando la tensión de la batería baja hasta cierto nivel, el regulador permite el paso de toda la corriente proveniente de los módulos fotovoltaicos. De este modo la tensión va aumentando progresivamente. - Carga de absorción: alcanzada la tensión final de carga en la batería, el regulador la mantiene controlando la corriente proveniente de los módulos. - Carga de flotación: una vez cargada completamente la batería, el regulador interrumpe la corriente proveniente de los módulos hacia la batería, hasta que esta baje su tensión a un valor prefijado. Entonces comienza a permitir el paso controlado de la corriente. - Carga de ecualización: periódicamente o tras un bajo estado de carga, se somete a la batería a una pequeña sobrecarga controlada, hasta un valor de tensión ligeramente superior al nominal [3].

Fig.10- Regulador de Carga

4.4.- Inversor

Los módulos fotovoltaicos generan intensidades de corriente continua. Esta no es apta

para la mayoría de los receptores convencionales, los cuales son de corriente alterna. Es

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necesaria la inclusión de un dispositivo que acondicione las características eléctricas de los módulos. Este elemento es el llamado inversor o convertidor.La conversión de corriente continua a corriente alterna, consta de etapas (Fig. 11):

- Convertir la corriente continua en corriente alterna de alta frecuencia y forma de onda cuadrada. - Transformar la onda de corriente alterna cuadrada en una onda senoidal de alta frecuencia. - Modular esa onda en frecuencia y amplitud para llevarla a los valores convencionales (230 V / 400 V – 50 Hz).

Fig.11- Conversión de corriente continua a alterna

Un inversor puede entregar distintos tipos de formas de onda (Fig. 12), dependiendo de la calidad del dispositivo y consecuentemente del precio del mismo:

- Onda senoidal pura: dicha tensión se utiliza para alimentar receptores especialmente sensibles, en general equipos que contienen componentes electrónicos. Los inversores que proporcionan este tipo de ondas son los más costosos. - Onda senoidal modificada: es un término intermedio entre una onda senoidal pura y una onda cuadrada. Esta onda contiene armónicos, lo que la vuelve una señal poco aconsejable para equipos electrónicos. Se puede utilizar para alumbrado en general y pequeños

electrodomésticos. - Onda cuadrada: Esta señal es brindada por los equipos más económicos. Su utilización se

limita a al suministro de equipos de calefacción e iluminación halógena.

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Entre las características generales de un inversor, se pueden nombrar:

- Tensión nominal en corriente continua: es la que resulta aplicada en los bornes de entrada del inversor. Debida a que esta tensión es variable, se especifica la correspondiente a la máxima potencia y los valores de tensión máxima y mínima admisibles. - Tensión nominal en corriente alterna: se indica el valor eficaz, la frecuencia y la forma de onda. - Potencia nominal: es la máxima que puedo proporcionar el inversor, en forma continuada. - Capacidad de sobrecarga: es la capacidad que tiene el inversor de proporcionar una potencia superior a la nominal durante determinado tiempo. En general este dato se brinda en forma gráfica. - Rendimiento: es la relación entre la potencia de salida y la de entrada. En general el rendimiento de los inversores suele ser elevado [3].

4.5.- Conductores

Para la elección de los conductores se utilizan criterios generales de cualquier instalación eléctrica, con la salvedad de que se debe tener en cuenta que para ciertos tramos la corriente es continua.

La elección del conductor se hará en función de la corriente admisible para cada sección, y se hará una verificación de caída de tensión, la cual según criterios de diseño, debe ser menor al 1,5%.

Fig.12- Diferentes señales que entrega el inversor

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La intensidad máxima admisible de un conductor es aquella que circulando por él en régimen permanente, lo lleva a una temperatura de:

- 70ºC si está aislado con material termoplástico (TP). - 90ºC si está aislado con material termoestable (TE).

Dentro de las instalaciones fotovoltaicas, se destacan los siguientes sistemas de instalación:

- Sistema B1: conductores unipolares alojados en tubos o canales. - Sistema B2: multiconductores alojados en tubos o canales. - Sistema D: conductores enterrados. - Sistema E: conductores multipolares al aire, bandejas perforadas, con abrazaderas, en rejillas, etc. - Sistema F: Ídem Sistema E, pero con conductores unipolares.

A continuación la Tabla 1 con las intensidades de corriente continua admisibles de los conductores, según su sección, sistema de instalación, tipo de aislación, para una temperatura ambiente de 40ºC y cobre como material conductor [3].

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5.- EJEMPLO DE DISEÑO Y CÁLCULO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AISLADA

Se tomará como ejemplo, el diseño de una instalación fotovoltaica aislada en la provincia de Tucumán. Dicha instalación será requerida durante todo el año. Los pasos para el cálculo se siguen de la bibliografía citada al final del documento [3] y [5].

En primer lugar es importante analizar cuál será el grado de inclinación de los módulos fotovoltaicos respecto al suelo. Dicha orientación dependerá de la latitud de la zona en la que se quiera realizar la instalación. La provincia de Tucumán se encuentra a una latitud de 26º SUR aproximadamente, con este dato y la siguiente tabla orientadora (Tabla 2), se puede obtener el ángulo con el que se instalará el módulo [11]:

Tabla.1- Secciones de conductores

Tabla.2- Ángulo de inclinación del módulo Fotovoltaico

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Como en invierno se da la situación más desfavorable en cuestiones de energía solar recibida, se hará el diseño para esta parte del año, suponiendo que los módulos quedarán fijos. Entonces el ángulo de inclinación de los módulos fotovoltaicos con respecto al plano del suelo es:

α=26 º+5 º=31 º

Debido a que Tucumán se encuentra en el hemisferio Sur, los módulo deberán estar orientados hacia el Norte.

Otra opción para lograr una mayor eficiencia, sería la de colocar un soporte con 2 posiciones fijas, una a 31º para invierno y otra a 21º para verano.

El siguiente paso será estimar el consumo de la instalación (Tabla 3). Los datos deberán ser lo más precisos posibles para no tener una desviación en el dimensionamiento. Se tendrán en cuenta la potencia de los receptores, tiempo medio de uso durante el día y un factor de corrección para las cargas de CA, debido a las pérdidas que hay en el inversor. Tal factor de corrección valdrá 0,85 y dividirá a la potencia consumida por cada carga. Como las cargas en DC no reciben su energía a través del inversor, no serán afectadas por el factor antes mencionado.

Tipo de Receptor CantidadPotencia

[W]Ciclo horas/día Factor de corrección

Consumo diario [Wh]

Cargas en Corriente Alterna

Lámparas Bajo Consumo

(Philips ECOHOME)7 18 3 0,85 444,7

Televisor LED 32”(Samsung B6000)

1 98 4 0,85 461,18

Lavarropas1 500 2 0,85 1176,47

Computadora1 300 3 0,85 1058,82

Heladera con Freezer1 50 6 300

Cargas en Corriente Continua

Varios 20 4 1 80

Consumo total diario (ED) 3521,17

Tabla.3- Datos de potencia de la vivienda

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Esta tabla de consumo es orientadora, y trata de resumir en la potencia y cantidad de horas/día, los distintos consumos medios representativos, ya que hay receptores que no funcionan durante todo el día ni en forma simultánea.

Se supondrá que se desea una autonomía de la instalación de 3 días, es decir que durante 3 días la instalación pueda abastecer al consumo medio diario calculado. Entonces la energía necesaria para 3 días se calcula:

E3=3×ED=3×3521 ,2 [Wh ]=10563 ,5 [Wh ]

Debemos elegir un módulo fotovoltaico para conocer sus características y emplearlas en el diseño. Se elegirán paneles solares fotovoltaicos KYOCERA KD135SX-UPU. Sus características son:

Tabla.4- Características del módulo fotovoltaico

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Donde los datos proporcionados para los paneles, son para condiciones estándar:

Observando el mapa solar de la Argentina (Fig. 13), para el mes más frío (Julio), se obtiene una radiación solar diaria promedio en la provincia de Tucumán de aproximadamente

2500[ W⋅h

m2⋅dia ] [6].

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Esta energía, suele expresarse en función de una unidad base llamada “Hora solar pico

(HPS)”. Una hora solar pico equivale a 1000[ W⋅h

m2 ]. Entonces la radiación en Tucumán en la

etapa más crítica del año (invierno), expresada en HPS vale:

HPSCRIT=2,5[ HPS ]

Ahora se procede a calcular la energía media diaria que puede otorgar el panel fotovoltaico:

EP=PMAX⋅HPSCRIT⋅PR

Donde:

- PMAX: Potencia pico del panel en condiciones estándar

- HPSCRIT: Radiación en época crítica

- PR: Factor global de funcionamiento (0,7)

El factor global de funcionamiento es una relación entre el ideal de energía que podrían

entregar los paneles y la energía que realmente entregan. La energía brindada por los paneles

se ve disminuida debido a que la temperatura de funcionamiento no es la de condiciones

estándar, la presencia de sombras, la calidad de los semiconductores, reflexión en las

superficies de los módulos, entre otros factores.

Fig.13- Radiación solar en la Argentina

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Se calcula entonces:

EP=135⋅2,5⋅0,7=236 , 25 [W⋅h ]

Para determinar la cantidad de módulos necesarios, se procede de la siguiente forma:

N P=E3

EP

=11069 ,7236 ,25

=44 , 71≈45 paneles

Se adoptan 45 paneles, con el fin de lograr una distribución simétrica de los mismos.

Se dispondrán de 9 ramas en paralelo, de 5 paneles conectados en serie cada una. Esta

distribución de los paneles se realiza pensando en la posterior elección del regulador de carga

(esto se verá más adelante en el desarrollo). Es necesario que la corriente y tensión que brinda

el bloque generador fotovoltaico, esté dentro de las características comerciales de un

regulador.

Para la elección de las baterías se determina previamente cuántos días de autonomía se pretenden, es decir cuántos días se puede disponer de energía en ausencia de generación. Para este ejemplo se adoptaron 3 días de autonomía.

También es importante definir el valor de la profundidad de descarga máxima de la batería, el cuál evita la sobredescarga y por ende la reducción de la vida útil de la misma. Se adoptará un valor de profundidad de descarga máxima (PD) de 60%.

La capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria se calcula:

CB(Wh )=ED⋅DA

PD

=3689 ,9⋅30,6

=17605 , 8 [ W⋅h ]

Donde:- ED: Consumo medio diario de la instalación

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- DA: Días de autonomía- PD: Profundidad de descarga

Si se adopta una tensión de 48V, se tiene una capacidad de:

CB( Ah)=CB(Wh )48

=366 ,79 [ A⋅h ]

Se elige la tensión de 48V para que la corriente no sea muy elevada. Para obtener esta tensión, se dispondrán de 4 baterías de 12V conectadas en serie, cada una con una capacidad de 400 Ah (Fig.14). Se eligen entonces Baterías OPTIMUM BATTERY CO. 12V – 400Ah.

Para la elección del regulador de carga, se deberán calcular algunos valores importantes y además buscar un regulador cuya tensión de salida sea igual a la tensión nominal del banco de baterías (48V).

Debido a la distribución que se eligió de los paneles, se puede calcular la tensión a circuito abierto del conjunto:

V CA=NSERIE⋅V OC

Donde:- VCA: Tensión a circuito abierto del conjunto de paneles- NSERIE: Número de paneles conectados en serie por rama- VOC: Tensión a circuito abierto de cada panel

Ento

nces:

V CA=NSERIE⋅V OC=5⋅22, 1=110 ,5 [V ]

El siguiente paso será calcular la corriente del conjunto de paneles. El cálculo se hará

Fig.14 – Conexión de baterías

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con la situación más desfavorable por lo que se utiliza la corriente de cortocircuito de los paneles:

I CC=N PARALELO⋅I SC

Donde:- ICC: Corriente de cortocircuito del conjunto de paneles- NPARALELO: Número de ramas conectadas en paralelo- ISC: Corriente de cortocircuito de un panel

Entonces:

I CC=N PARALELO⋅I SC=9⋅8 , 37=75 ,33 [ A ]

Se deberá elegir un regulador que tenga las características recién calculadas. Por tal motivo se elige un regulador FLEXMAX 80 – FM80 – 150VDC, el mismo posee seguidor de punto de máxima potencia y sus especificaciones se pueden ver en la Tabla 6:

Ahora se deberá elegir el inversor. Se debe tener en cuenta que la tensión de entrada del inversor es la tensión nominal del banco de baterías, 48V). Otro punto importante es la potencia que deberá manejar, la misma se obtiene sumando las potencias de los receptores de alterna.

P I=∑ PC

Tabla.6- Características del Regulador

2,5 HPS7,5 m

•Potencia pico panel: 135W•Corriente cortocircuito panel: 8,37A•Tensión circuito abierto: 22,1V

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Donde: - PI: Potencia del inversor- PC: Potencia de cada carga de alterna

Entonces:

P I=∑ PC=1074 [W ]

Se elegirá un inversor de onda senoidal pura para no tener problemas con los distintos tipos de cargas que puedan conectarse en la instalación.

El inversor que se determinó como apropiado es el SEALED GFX1448E y sus características se ven en la Tabla 7:

En la Figura 15 se muestra un esquema de conexión:Tabla.7- Característica del inversor

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Como se puede imaginar, el bloque de módulos fotovoltaicos, tiene dimensiones apreciables. Por lo tanto es necesario un cálculo de la superficie que ocuparan los módulos, para prever si será posible colocarlos en el techo de la vivienda o si se deberá disponer de una superficie al nivel del suelo para poder colocarlos.

Para el cálculo de la superficie que ocuparán los módulos tendremos en cuenta las dimensiones físicas de estos, que figuran en la Tabla 4.

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Cada módulo mide:

Largo: 1,5[m]Ancho: 0,668[m]

Según la disposición elegida que se muestra en la Figura 14, tenemos 5 bloques a lo largo y 9 a lo ancho. Se calcula:

LMT=5×1,5=7,5 [m ]AMT=9×0 , 668=6 ,012[ m ]

Donde:

LMT: Largo total del bloque de módulosAMT: Ancho total del bloque de módulos

Se puede concluir que la superficie ocupada 7,5[m] x 6[m], la cual se verá reducida debido al ángulo de inclinación de los paneles (α=31º), es una superficie que se la podrá disponer en el techo de la vivienda.

Superf=LMT⋅AMT⋅cosα=38 ,65[ m2 ]

Además es necesario estimar el peso de la matriz. El peso de cada módulo es dato y

viene especificado por el fabricante en la Tabla 4. Se calcula el peso de la matriz de la

siguiente manera:

PMT=P⋅N MT=12, 5[ Kg ]⋅45=562 ,5 [ Kg ]

Donde:

PMT: Peso del total de módulosNMT: Número total de módulosP: Peso de cada módulo

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Se observa que el peso de la matriz es importante, por lo que habrá que tenerlo en cuenta al momento de diseñar la estructura que soporte al conjunto de módulos.

El último paso será dimensionar los conductores. Como se explicó anteriormente los conductores se eligen según la corriente que circulará por ellos.

- Entre el bloque de módulos y el regulador: se calculó una corriente de 75,33[A], por lo tanto se elige un conductor de 16 mm2 utilizando el sistema de instalación B1 (Ver Tabla 1).

- Entre banco de baterías y regulador: se tendrá en cuenta la potencia estimada total de la instalación que surge de sumar las potencias detalladas en la Tabla 3. La corriente valdrá:

I BAT−REG=PTOT

48 V=22 , 8[ A ].

Observando la Tabla 1, se elige un conductor de sección de 6 mm2 pudiendo colocarse con

cualquier tipo de instalación y dejando un margen por si hubiese un aumento de carga.- Entre regulador y tablero principal de cargas de continuas: se estimó una potencia de

consumo de 20W, entonces la corriente valdrá I DC=

PDC

48V=0 , 42 [ A ]

. Para este valor de corriente se eligen conductores de sección mínima 1,5 mm2. Se observa que con la sección elegida se puede utilizar cualquier tipo de instalación (B1, B2, E, F, D).

- Entre el inversor y el tablero principal de cargas alternas: se estimó una potencia de

consumo de 1316[W], entonces la corriente valdrá I AC=

PC

220V=4 , 88[ A ]

. Para este valor de corriente se eligen conductores de 2,5 mm2 que en general se toma como sección mínima para instalaciones eléctricas de corriente alterna en viviendas. Se debe tener en cuenta que se deben elegir con catálogos para conductores en corriente alterna. (PRYSMIAN por ejemplo).

A continuación, se resumen y muestran en la Tabla 8, los resultados obtenidos utilizando una

planilla de cálculo.

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Tabl

a 8.

– R

esum

en d

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dos

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nido

s

32

6.-CONCLUSIONES

Se puede concluir que el diseño de una instalación fotovoltaica, es una tarea relativamente sencilla conceptual y constructivamente, lo que logra un acercamiento entre las personas y los conceptos energéticos. Se crea de esta manera una mayor conciencia en cuanto al ahorro de energía, mantenimiento y cuidado de las instalaciones.

En cuanto a los resultados obtenidos en el cálculo, se puede decir que la cantidad de módulos para abastecer las necesidades de un hogar hoy en día, es relativamente elevada, lo que eleva el precio total de la instalación y obliga a tener en cuenta los aspectos físicos de la matriz fotovoltaica, ya que la misma tendrá dimensiones y peso apreciables. Además es importante tener en cuenta que las tensiones en ningún momento sobrepasan a los 230 [V], lo que resulta un punto a favor de la seguridad y confiabilidad que brinda este tipo de tecnología, comparándola con la generación hidráulica o eólica. La diferencia radica en que la matriz fotovoltaica abastece potencia a base de tensión y alta corriente generada por los módulos.

Si bien hoy en día en la Argentina puede resultar muy costoso llevar a cabo un proyecto fotovoltaico (debido a los elevados precios de importación y a la falta de producción de los dispositivos necesarios a nivel nacional), se espera que en un futuro no muy lejano este tipo de generación de energía sea redituable económicamente, gracias a los enormes incentivos y promoción de las energías renovables y limpias a nivel mundial.

La instalación solar fotovoltaica puede ser considerada como una herramienta de inclusión social y urbanización, gracias a la posibilidad de brindar energía eléctrica a zonas aisladas o de difícil acceso en donde las redes de distribución del sistema eléctrico de potencia no llegan aún. Esto puede traer aparejado una mejora en la calidad de vida de muchas personas. Bajo esta línea de pensamiento funciona PERMER (Proyecto de Energías Renovables en Mercados Rurales) en Argentina.

La vida útil de una instalación fotovoltaica aislada es de aproximadamente 25 años, que es el tiempo de vida de los módulos fotovoltaicos. El mantenimiento de esta instalación es mínimo, lo que representa una enorme ventaja ya que los propietarios de los inmuebles con este tipo de generación, no tendrán una empresa distribuidora que los respalde, como si ocurre con los usuarios conectados a la red eléctrica. En cuanto al mantenimiento, el problema lo presentan la batería ya que es el elemento que menos vida útil posee, aproximadamente 4 años. Los desarrollos tecnológicos relativos a los acumuladores, son lentos con respecto al resto de los elementos de la instalación. La batería es el elemento débil de la instalación.

Por último, la utilización de energías renovables y limpias siempre será un beneficio para la vida de las personas. Por tal motivo es importante promover su utilización.

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7.-ANEXOS

7.1.-Energía fotovoltaica en el mundo

En los últimos años la energía fotovoltaica ha experimentado un elevado crecimiento debido: al aumento de los precios en los combustibles fósiles, la reducción de los costos tecnológicos, el cambio climático y la necesidad de adoptar un modelo energético sustentable.

Por lo tanto ya desde hace tiempo países como Estados Unidos, China, Japón, España, Alemania e Italia, realizaron fuertes inversiones en la investigación de tecnología e instalaciones fotovoltaicas. Esto se puede apreciar en la Gráfica 1, la cual describe el aumento de la potencia total instalada desde el 2000 al 2012[4]:

2000 2002 2004 2006 2008 2010 20120

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

alemaniaItaliaEstados UnidosChinaJapon EspañaFrancia

Grafica.1- Energía Fotovoltaica instalada en el mundo

Al observar la gráfica, se nota un aumento pronunciado en la instalación de generación fotovoltaica. Se estima que para los años venideros, esta forma de obtención de energía eléctrica, será una de las elegidas para abastecer grandes ciudades e industrias de una forma limpia y segura.

7.2.-Energía fotovoltaica Argentina

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Actualmente en la Argentina se comenzaron a desarrollar plantas fotovoltaicas en dos lugares:

La primera de ellas en la provincia de San Juan, en el departamento de Ullum. La misma se finalizará para el año 2013, y se estima una generación de 37000 MWh/año. Dicha central estará conformada por 93600 módulos que llegarán a tener una potencia de pico de 22 MW. Esta planta estará ubicada en las cercanías de la central fotovoltaica San Juan 1, ya instalada desde el mayo del 2011 y que genera actualmente alrededor de 1,2 MWp.

La otra planta proyectada se ubicará en Jujuy, en la quebrada de Humahuaca. El proyecto se caratula como “Planta Solar Fotovoltaica Hornaditas”. Se estima una capacidad total de generación de aproximadamente 10 MW de potencia pico. Tal potencia será generada a partir de módulos fotovoltaicos fijos de 230 Wp cada uno, y utilizando un total de 52000 módulos, logrando una producción total de energía de 24000 MWh/año.

7.3.- PERMER

PERMER (Proyecto de Energías Renovables en Mercados Rurales), es un proyecto de inversión y asistencia técnica que apunta a asegurar el abastecimiento del servicio eléctrico a esa porción de la población en forma sostenible preferentemente mediante la utilización de fuentes de generación de energías renovables, (sistemas fotovoltaicos, eólicos, microturbinas hidráulicas), contribuyendo de ese modo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

Este Proyecto lo lleva a cabo la Secretaría de Energía de la Nación a través de la Unidad Coordinadora del Proyecto con cede en dicha Secretaría y de Unidades EjecutorasProvinciales, quedando el suministro a cargo de concesionarios tanto públicos como privados. El Proyecto se financia mediante un préstamo del Banco Mundial y una donación del GEF (Fondo Mundial para el Medio ambiente).

Este es uno de los típicos proyectos considerado por el Banco Mundial de alivio a la pobreza con alto contenido social cuyos objetivos son atender al mejoramiento de la calidad de vida de las comunidades rurales dispersas promoviendo el arraigo de los pobladores al medio y desalentar la migración rural.

El Proyecto tiene como objetivo central de desarrollo mejorar la calidad de vida de la población rural que no ha sido alcanzada por el Programa de Transformación del Sector Eléctrico, contribuyendo de esta manera al arraigo de esas comunidades al medio y a la mitigación de la migración rural, a través de:

• Proveer de un servicio eléctrico que satisfaga sus necesidades básicas de iluminación y comunicación social, con fuentes descentralizadas de suministro basadas en tecnologías que mayoritariamente usen recursos renovables, en forma confiable y sostenible.

• Facilitar la participación del sector privado en la provisión de este suministro.

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• Reforzar la capacidad institucional de los entes reguladores.• Mejorar la información sobre fuentes de energía renovables existentes en el

país [11].

8.-BIBLIOGRAFÍA

LIBROS

1.- Oscar Perpiñan Lamigueiro. “Energía Solar Fotovoltaica” 2.- Miguel Moro Vallina. “INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS” 3.- José Luis Valentín Labarta. “Instalaciones Solares Fotovoltaicas”

INTERNET

4.- Energía solar fotovoltaica – Wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica)

5.- Boletín Solar Fotovoltaico Autonomía – Sunfields Europe (http://www.sfe-solar.com/test/wp-content/uploads/2011/09/Sunfields_Boletin_Fotovoltaica_Autonomas.pdf?9d7bd4)

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6.- Atlas Solar de la República Argentina (http://190.3.64.15/visor/indexnuevo.php) 7.- COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA

(http://oretano.iele-ab.uclm.es/~arodenas/Solar/componentes.htm) 8.- PERMER (http://www.ambiente.gob.ar/archivos/web/Ppan/File/PERMER.pdf)

DOCUMENTOS DESCARGADOS DE INTERNET

9.- Diego Oñaste Arresti. “Diseño de una instalación solar fotovoltaica” 10.- Javier David García Rosales. “PROYECTO DE INSTALACIÓN SOLAR

FOTOVOLTAICA EN GUIRGUILLANO” 11.- Pablo Maril. “CURSO INSTALADOR DE SISTEMAS PARA SUMINISTRO

DE ELECTRICIDAD POR ENERGÍA SOLAR 2011”