ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD TECNICA Y FINANCIERA PARA LA APLICACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA SISTEMAS DE RIEGO Y FERTIRRIEGO POR GOTEO EN AREAS RURALES
LEONARDO ANTONIO CHACON YOSSA 9145110
FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA ACADEMICO INGENIERIA MECATRONICA BOGOTA D.C. 2014
ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD TECNICA Y FINANCIERA PARA LA APLICACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA SISTEMAS DE RIEGO Y FERTIRRIEGO POR GOTEO EN AREAS RURALES
LEONARDO ANTONIO CHACON YOSSA 9145110
Monografía presentada para optar al título de Ingeniero Mecatrónico
Asesor ING. Msc LUIS GABRIEL BECERRA
FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA ACADEMICO INGENIERIA MECATRONICA BOGOTA D.C. 2014
Nota de aceptaci贸n __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________
__________________________ Firma del jurado
Bogotรก D.C. Octubre de 2014
LISTA DE TABLAS Tabla 1. Potencial de radiación solar por región Tabla 2. Ángulos de inclinación Tabla 3. Perdidas de carga en tuberías Tabla 4. Perdidas localizadas de carga para distintos elementos Tabla 5. Costos para las aplicaciones más usadas
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Esquema de un sistema de riego por goteo Figura 2. Atlas de Radiación solar en Colombia Figura 3. Esquema simple de un sistema Fotovoltaico Figura 4. Modulo fotovoltaico típico Figura 5. Conjunto de paneles fotovoltaicos típico y su estructura metálica de soporte Figura 6. Batería para sistemas fotovoltaicos Figura 7. Típico regulador de carga fotovoltaico Figura 8. Típico inversor y sus aplicaciones en onda cuadrada y senoidal Figura 9. Proceso de conversión de onda cuadrada a senoidal Figura 10. Convertidor de corriente directa a corriente alterna Figura 11. Esquema proceso de bombeo Figura 12. Esquemas de conexión para los bombeos directos en CC y en CA. Figura 13 .Esquemas de conexión para los bombeos indirectos en CC y en CA. Figura 14 .Esquema Bomba Centrifuga Figura 15 .Esquema Bomba Volumétrica
Figura 16 .Esquema Bomba Helicoidal Figura 17 .Grafica para selección de bombas Figura 18 .Tipos de subsistemas de adaptación eléctrica Figura 19 .Tipos de sistemas de almacenamiento Figura 20 .Típica configuración de bomba Figura 21 .Esquema de bomba sumergida Figura 22 .Esquema de bomba sumergida (altura manométrica) Figura 23 .Esquema de ejemplo bomba sumergida (altura manométrica) Figura 24. Características de la bomba seleccionada Figura 25. Características del convertidor de acoplamiento Figura 26. Esquema de la configuración calculada Figura 27. Sistema fotovoltaico de Capurí, Panamá. Figura 28. Proyectos Regional Tuluá-Valle Figura 29. Proyectos Regional Bolívar Figura 30. Proyectos Regional Guaviare Figura 31. Distribución de costos de componentes de un sistema individual doméstico. Figura 32. Distribución de costos de un sistema fotovoltaico.
CONTENIDO
ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD TECNICA Y FINANCIERA PARA LA APLICACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA SISTEMAS DE RIEGO Y FERTIRRIEGO POR GOTEO EN AREAS RURALES ............................. 1 ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD TECNICA Y FINANCIERA PARA LA APLICACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA SISTEMAS DE RIEGO Y FERTIRRIEGO POR GOTEO EN AREAS RURALES ............................. 2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 11 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 12 OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................................. 12 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................. 13 2 ANTECEDENTES ............................................................................................... 13 2.1 HISTORIA DEL RIEGO POR GOTEO ............................................................. 13 2.2 SISTEMA DE RIEGO POR GOTEO APLICADO EN AREAS RURALES DE COLOMBIA ..................................................................................................... 15 2.1.1 Aspectos Generales de un sistema de Riego por goteo en Colombia .......... 17 2.2.2 Costos Estimados de un sistema de Riego por goteo en Colombia ............. 18 2.2.2.1 Tips ............................................................................................................ 18 2.2.2.2 El dato ........................................................................................................ 19 2.2.2.3 Las opiniones ............................................................................................. 20 3 MARCO TEÓRICO. ............................................................................................ 20 3.1 POTENCIAL SOLAR EN COLOMBIA .............................................................. 20 3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................... 22 3.2.1 Módulos Fotovoltaicos .................................................................................. 24 3.2.2 Celdas Fotovoltaicas ..................................................................................... 25 3.2.3 Marco de Vidrio y Aluminio ........................................................................... 26 3.2.3.1 Tipos de Módulos Fotovoltaicos ................................................................. 27
3.2.4 Potencia ..................................................................................................... 27 3.2.5 Baterías ..................................................................................................... 28 3.2.5.1 Características de las Baterías ............................................................... 29 3.2.5.2 Mantenimiento y vida Útil ........................................................................ 32 3.2.6 El Regulador o Controlador de Carga ........................................................ 33 3.2.7 El Inversor ................................................................................................. 34 3.2.8 Otros Elementos en las Aplicaciones ........................................................ 37 3.2.8.1 Sistemas Individuales CD para Aplicaciones Domésticas ...................... 40 3.2.8.2 Sistemas Individuales CA para Aplicaciones Domésticas ...................... 41 3.2.8.3 Sistemas Aislados para Usos Productivos ............................................. 43 3.2.8.3 Sistemas Centralizados Aislados de la Red ........................................... 44 3.2.9 Sistemas de Bombeo Fotovoltaico (FV) .................................................... 47 3.2.9.1 Bombeo directo....................................................................................... 48 3.2.9.2 Bombeo Indirecto.................................................................................... 49 3.2.9.3 Elementos de un Sistema de Bombeo (FV) ............................................ 50 3.2.9.3.1 Generador Fotovoltaico ....................................................................... 51 3.2.9.3.2 Grupo Motor bomba ............................................................................. 51 3.2.9.3.2.1 Bomba .............................................................................................. 52 3.2.9.3.2.2 Bomba Centrifuga ............................................................................. 52 3.2.9.3.2.3 Bomba Volumétrica .......................................................................... 53 3.2.9.3.2.4 Bomba Helicoidal .............................................................................. 54 3.2.9.3.3 Clasificación de Bombas Según su Disposición .................................. 55 3.2.9.3.4 Subsistemas de adaptación eléctrica .................................................. 56 3.2.9.3.5 Subsistema de Almacenamiento ......................................................... 58
3.2.9.3.6 Otros Elementos .................................................................................. 59 3.2.9.3.6.1 Configuraciones más Habituales ...................................................... 59 3.2.9.3.7 Cálculo de un Sistema de Bombeo Directo ......................................... 60 3.2.9.3.7.1 Ejemplo de Aplicación ...................................................................... 62 3.3 CASO DE ÉXITO EN CENTROAMÉRICA EN APLICACIÓN DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN SISTEMAS DE RIEGO POR GOTEO ................. 71 3.4 CASOS DE ESTUDIO Y PUESTA EN MARCHA EN COLOMBIA PARA LA APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN SISTEMAS DE RIEGO Y MANEJO DE AGUA ............................................................................ 73 3.4.1 Centro Latinoamericano de Especies Menores CLEM Tuluá- Regional Valle.................................................................................................................... 73 3.4.2 Centro Agroempresarial y Minero- Regional Bolívar.................................. 75 3.4.3 Centro Agroindustrial, Turístico y Tecnológico del Guaviare - Regional Guaviare ............................................................................................................. 76 3.5 Sistemas Centralizados Conectados a la red ............................................... 77 4 PRESUPUESTO.............................................................................................. 77 4.1 COSTOS Y FINANCIAMIENTO ESTIMADO ................................................ 77 4.1.1 Costos ....................................................................................................... 77 4.2 Financiamiento ............................................................................................ 82 4.3 Crédito del suplidor ....................................................................................... 82 4.4 Alquiler de Equipo......................................................................................... 82 5 MARCO AMBIENTAL ...................................................................................... 83 5.1 ASPECTOS AMBIENTALES ........................................................................ 83 6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ........................................................................ 86 7. Ventajas y Desventajas .................................................................................. 86 6.1 Ventajas........................................................................................................ 86
6.2 Desventajas .................................................................................................. 87 7 CONCLUSIONES ............................................................................................ 87 8 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ............................................................. 889 BIBLIOGRAFÍA. .................................................................................................. 90
INTRODUCCIÓN
Debido a la necesidad creciente de energía que requiere nuestro país en la actualidad principalmente en áreas rurales donde el suministro de energía es nulo o deficiente, o
en áreas del territorio nacional donde se cuenta con recursos
hídricos limitados, tenemos como alternativa
la utilización
de energías
renovables, en este caso la energía solar fotovoltaica la cual debido a su amplio potencial para aplicarlo en las áreas rurales del territorio nacional y las tecnologías actuales para su mejor aprovechamiento hacen de esta alternativa de energía, una opción bastante atractiva por ser limpia y de bajo impacto ambiental. Por la infinidad de formas que hay para la irrigación de cultivos, el riego por goteo se ha convertido en la mejor alternativa porque ayuda al ahorro del recurso hídrico disponible en las áreas rurales, haciéndolo de una forma más puntual y eficiente sobre los cultivos, agregando en otros casos en la cadena de valor la aplicación de nutrientes y fertilizantes a través del mismo sistema de riego. Haciendo énfasis en las áreas rurales de difícil acceso a la energía eléctrica y que tengan buen potencial de radiación solar y así poder fotovoltaicos
trabajar con sistemas
con elementos y normas estándar que cumplan
con
las
reglamentaciones vigentes, de fácil adquisición, que nos permita tener el menor costo en su implementación. Y con el objeto de estudiar soluciones a estas necesidades se realizará un estudio de pre factibilidad para la aplicación de sistemas de energía solar fotovoltaica en sistemas de riego y fertirriego por goteo para las áreas rurales.
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OBJETIVO GENERAL Desarrollar el estudio de pre factibilidad para poder aplicar energía solar fotovoltaica en sistemas de bombeo para riego y fertirriego por goteo, que sea eficiente y que tenga el menor costo posible, además que tenga énfasis en áreas rurales donde el suministro de energía es nulo o deficiente.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar el estudio de pre factibilidad para poder aplicar bombeo de agua con energía solar fotovoltaica en sistemas de riego y fertirriego por goteo, el cual pueda ser implementado desde la parte técnica y financiera, además de cumplir con las especificaciones, normas y reglamentaciones vigentes.
Tener presente la realización de los sistemas de riego y fertirriego por goteo con energía solar fotovoltaica en otras áreas rurales con condiciones similares en cuanto a clima, geografía y entorno social, para verificar si pueden tenerse en cuenta para aplicarlos en las zonas rurales de nuestro país.
Investigar sobre alternativas de crédito y financiación que puedan implementarse, para hacer sostenible este tipo de proyectos en las zonas rurales de nuestro país.
Demostrar las ventajas y desventajas que puedan tener los sistemas de riego y fertirriego por goteo, cuando se aplican energías renovables que pueden aumentar o no, su cadena de valor.
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Concluir si el estudio de pre factibilidad se puede implementar, y ser una solución efectiva para ponerse en marcha en las comunidades rurales que lo requiera.
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido a la necesidad de poder aplicar energías renovables en procesos agroindustriales, en zonas rurales donde el acceso a la red de energía eléctrica no es posible implementarlo o no hay la infraestructura para la conexión a la red eléctrica tradicional, se ha visto la posibilidad de poder realizar ciertos procesos como la irrigación de los cultivos de forma efectiva donde actualmente no pueden realizarse debido a su difícil acceso. El riego y el fertirriego por goteo es una alternativa de irrigación de cultivos que tiene como principal ventaja, que son diseñados para usar menos energía que los sistemas de irrigación tradicional, siendo el principal inconveniente llevar esta tecnología a las zonas rurales más apartadas, donde puede ser mejor aprovechada y la aplicación de la energía solar fotovoltaica puede ser una posible alternativa la cual va a ser estudiada en este documento.
2 ANTECEDENTES
2.1 HISTORIA DEL SISTEMA DE RIEGO POR GOTEO El riego por goteo ha sido utilizado desde la Antigüedad cuando se enterraban vasijas de arcilla llenas de agua con el fin de que el agua se infiltrara gradualmente en el suelo. El riego por gota a gota moderno se desarrolló en Israel porque el país tenía escasez de agua, querían aprovechar cada gota. En los años 13
40 el célebre granjero mexicano Máximo Alonzo perfeccionó el sistema, llevándolo a su máxima capacidad de expresión, tal como lo conocemos hoy día. [1] Con la llegada de los plásticos modernos después de la Segunda Guerra Mundial, fueron posibles numerosas mejoras. Micro-tubos de plástico y diversos tipos de goteros han sido empleados en invernaderos en Europa y en Estados Unidos. La moderna tecnología de riego por goteo fue inventada en Israel por Simcha Blass y su hijo Yeshayahu. En lugar de liberar el agua por agujeros minúsculos, que fácilmente se podían obstruir por acumulación de partículas minúsculas, el agua se libera por tuberías más grandes y más largas empleando el frotamiento para ralentizar la velocidad del agua en el interior de un emisor (gotero) de plástico. El primer sistema experimental de este tipo fue establecido en 1959 cuando la familia de Blass en el Kibboutz Hatzerim creó una compañía de riegos llamada Netafim. [2] A continuación, desarrollaron y patentaron el primer emisor exterior de riego por gota a gota. En 1976, Gershon Eckstein (empresa DIS) inventa la máquina extrusora de goteros, eliminando la necesidad de insertar los goteros en el campo. Posteriormente, los enrolladores automáticos permitieron acelerar la velocidad de fabricación por encima de los 65m/min. En los años 90, el desarrollo del gotero antidrenante y antisucción, permitiendo el desarrollo del riego subterráneo. En la actualidad, se ha concentrado la fabricación de tuberías emisoras en un pequeño número de fabricantes: Netafim; NaandanJain (Chapin, Thomas Machine, Point Source Irrigation); John Deere (Roberts, T-System, Plastro), AZUD y otras como Irritec o Eurodrip. Por otra parte, la fabricación del gotero autocompensante PC se limita a EEUU, Israel, Italia y España. [1] [2]
(http://es.wikipedia.org/wiki/Riego_por_goteo#Caracter.C3.ADsticas) 14
En la evolución del riego por goteo se espera el desarrollo de la fertirrigación paralelo al riego por goteo (existe una amplia gama de fertilizantes que encuentra en este sistema la vía más eficiente para su aplicación).
2.2 SISTEMA DE RIEGO POR GOTEO APLICADO EN AREAS RURALES DE COLOMBIA El sistema de riego por goteo o gota a gota resulta eficaz y muy útil a la hora de economizar recursos. Este modelo funciona con un riego lento y frecuente de gotas de agua, mantiene húmeda la zona de la raíz del cultivo, evitando utilizar mucha presión a la hora de regarlo. Por lo tanto, requiere un consumo mínimo de energía. Para enfrentar las prolongadas sequías que se presentan como consecuencia de intensos veranos, se requiere encontrar soluciones eficientes que permitan garantizar la vida y productividad de los cultivos. Los sistemas de riego constituyen una opción a través de la cual no sólo se contribuye al ahorro del agua, haciendo más efectiva su distribución, sino que facilita otros procesos como la fumigación de las plantas o la irrigación de fertilizantes. Es importante que antes de decidir la instalación de un sistema de riego, se conozcan sus características y funcionalidad, así como las necesidades particulares de los cultivos en los que se pretendan instalar. Algunos de los cultivos que más requieren de estos sistemas son el banano, la palma, los frutales, la caña de azúcar y algunas hortalizas.
15
Podrían generalizarse los sistemas de riego en dos grupos: Los superficiales, en los cuales el agua es aplicada en las áreas más altas de los terrenos, para que fluyan hacia las zonas más bajas y los presurizados, mediante los cuales el agua es transportada mediante sistemas de bombeo. En el primer grupo, existen algunos sistemas como el de riego por goteo, surcos, por inundación o el de corrimiento por melgas, en los cuales el agua se deja fluir por líneas de tuberías, provistos de puntos de salida para que el líquido corra a través de zanjas entre las siembras. Estos pueden ser utilizados en cualquier cultivo que se siembre en hileras, como oleaginosas, cereales, hortalizas y frutales. Los sistemas de goteo son recomendados en aquellos casos en los cuales se requiere un mayor control de la cantidad de agua o una llegada directa a las raíces, pues disponen de puntos de salida para cada planta. De otra parte, en el grupo de los presurizados, se encuentran algunos sistemas más sofisticados, que cada día funcionan con tecnologías más avanzadas y que son acondicionados a las necesidades particulares de cada cultivo. En este grupo, el agua es distribuida por diferentes sistemas como nebulización, aspersión, microaspersión, entre otros. El acondicionamiento de cada sistema tiene un costo diferente, que varía de acuerdo con su complejidad.
16
2.1.1 Aspectos generales para un sistema de riego en Colombia Al implementarlo los agricultores puede llegar a tener un ahorro en el consumo de agua de hasta un 40%. Daniel Ortega, director del área de manejo integrado de riego y fertilización del Grupo Chía, asegura que este sistema podrá ser eficiente en un cultivo en un 80%, si dentro del goteo de agua se le aplican los fertilizantes: “regar solo por goteo no es suficiente. Si se va a hacer una inversión alta, lo mejor es poner en el goteo los fertilizantes, hacer fertirriego, el agua se vuelve un medio de transporte para los nutrientes”. [3] Este sistema es aplicable en cultivos de hortalizas, flores y viñedos. Puede usarse en campo abierto y en invernadero. Las ventajas del sistema de riego por goteo son varias. Primero, se nota la disminución de pérdida de agua por la evaporación además que es un sistema permite un control sobre las malas hierbas o maleza que crece al lado del cultivo. También se ha demostrado que con este riego se aumenta el rendimiento del cultivo y la calidad de sus productos, gracias a que en la raíz queda acumulada el agua hasta en un 90%. Adicionalmente se puede automatizar, lo que disminuye los costos de mano de obra. Otros agricultores que han hecho uso del sistema destacan que se puede utilizar para el riego del cultivo aguas residuales o agua reciclada, esto no afectará la producción. Y se produce más cantidad en la misma área con sostenibilidad y competitividad. Quizá una de las limitantes para adquirir el gota a gota está en su alto costo de inversión y un previo conocimiento técnico del sistema.
[3]
(http://www.larepublica.co/agronegocios/riego-por-goteo-permite-ahorros-de-un-40-en-
el-consumo-de-agua_63351) 17
2.2.2 Costos estimados para un sistema de riego en Colombia Helber Orjuela, gerente general de Hidraco S.A, asegura que el diseño es vital para optimizar este sistema: “el sistema de riego se aprovecha al máximo con un buen diseño, donde se miran condiciones de suelo, agua, planta y atmósfera”. Un buen diseño requerirá de una inversión elevada. El costo promedio de la instalación del sistema puede estar entre $6.000.000 a $8.000.000 sin automatizar y, $10.000.000 con el sistema automático. Estas cifras están valoradas por cada hectárea a sistematizar. En el caso del Grupo Chía, el sistema de riego por goteo les cuesta $16.000.000 debido a el tipo de gotero que utilizan que es con tecnología de punta. A la hora de adoptar este sistema en su cultivo requerirá: Un depósito de agua o un estanque, una bomba de agua, un filtro para que no se tapen las tuberías, tubería para conducir el agua, válvulas para dosificar el líquido y goteros. Todo debe ser diseñado por personas expertas para reducir costos de mantenimiento que se realizará dependiendo de la zona, los filtros se deben limpiar a diario y las bombas se les realiza mantenimiento cada mes. En la Figura 1 (Esquema de un sistema de riego por goteo) podemos ver los puntos importantes de costos y mantenimiento de un sistema de riego por goteo. 2.2.2.1 Tips
Es necesario asesorarse por un equipo idóneo acerca del diseño del sistema. cotizar en varias partes es lo recomendado.
Usar buenos equipos del sistema para que su duración sea mayor. sin embargo, hay que hacerle mantenimiento constante.
Si desea implementarlo es necesario que el sistema esté basado en un esquema productivo, sostenible y competitivo (BPA).
A pesar de que la inversión es alta, hay que asimilar que a mediano y largo plazo generará grandes utilidades por el riego. 18
2.2.2.2 El dato 10 millones por hect谩rea es el precio promedio de la automatizaci贸n del sistema de riego por goteo.
Figura 1. Esquema de un sistema de riego por goteo
19
2.2.2.3 Las opiniones “Este sistema de riego es ideal para climas áridos, no es recomendable es zonas húmedas como chocó y amazonas”, Daniel Ortega, director del área Mirfe Grupo Chía. “La programación del riego es esencial, porque establece las necesidades hídricas diarias y se podrá aprovechar mejor el agua”, Helber Orjuela, gerente general de Hidraco S.A.
3 MARCO TEÓRICO. 3.1 POTENCIAL SOLAR EN COLOMBIA
Colombia tiene un potencial energético solar a lo largo de todo el territorio nacional, con un promedio diario multianual cercano a 4,5 kWh/m2. En las regiones costeras atlántica y pacífica, específicamente en la región noreste de la costa atlántica en la Guajira, de acuerdo con los resultados de la evaluación del recurso solar del país muestran un potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0 kWh/m2, el mayor del país. Las regiones de la Orinoquia y Amazonia, que comprenden las planicies de los Llanos Orientales y zonas de las selvas colombianas, presentan una variación ascendente de la radiación solar en sentido suroeste-noreste, verificándose valores asimilables a los de La Guajira en el noreste (Puerto Carreño). Como lo explica la Tabla 1 (Potencial de radiación solar por región) y la figura 2 (Atlas de Radiación solar en Colombia) [4]
[4]
(Fuente: 2005. UPME - IDEAM. Atlas de Radiación Solar de Colombia) 20
Tabla 1. Potencial de radiaci贸n solar por regi贸n
Figura 2. Atlas de Radiaci贸n solar en Colombia 21
3.2 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. Esta definición de la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene aspectos importantes sobre los cuales se puede profundizar:
La energía solar se puede transformar de dos maneras:
La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos.
La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar fotovoltaica. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles solares fotovoltaicos.
La energía solar fotovoltaica se utiliza para hacer funcionar lámparas eléctricas, para
iluminación
o
para
hacer
funcionar
radios,
televisores
y
otros
electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional. Construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica. Este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico y los equipos que lo forman reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.
La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo. Algunas zonas del planeta reciben más radiación solar que otras, sin embargo, los sistemas fotovoltaicos tienen muchas aplicaciones. 22
Siempre es necesario evaluar el potencial solar de un sitio específico donde se planea instalar un sistema fotovoltaico.
La energía del sol es un recurso de uso universal; por lo tanto, no se debe pagar por utilizar esta energía. Sin embargo, es importante recordar que para realizar la transformación de energía solar en energía eléctrica se necesita de un sistema fotovoltaico apropiado. El costo de utilizar la energía solar no es más que el costo de comprar, instalar y mantener adecuadamente el sistema fotovoltaico.
Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar cuatro funciones fundamentales:
Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía eléctrica
Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada
Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y almacenada
Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada
En el mismo orden antes mencionado, como lo muestra la figura 3 los componentes fotovoltaicos encargados de realizar las funciones respectivas son:
El módulo o panel fotovoltaico
La batería
El regulador de carga
El inversor
Las cargas de aplicación (el consumo)
23
Figura 3. Esquema simple de un sistema Fotovoltaico En instalaciones fotovoltaicas pequeñas es frecuente, además de los equipos antes mencionados, el uso de fusibles para la protección del sistema. En instalaciones medianas y grandes, es necesario utilizar sistemas de protección más complejos y, adicionalmente, sistemas de medición y sistemas de control de la carga eléctrica generada. 3.2.1 Módulos Fotovoltaicos
La transformación directa de la energía solar en energía eléctrica se realiza en un equipo llamado módulo o panel fotovoltaico. Los módulos o paneles solares son placas rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas protegidas por un marco de vidrio y aluminio anodizado. Como se puede ver en la Figura 4. (Módulo fotovoltaico típico), donde su tamaño varía según la potencia en vatios pico (Wp) que se requieran para el sistema fotovoltaico.
24
Figura 4. Modulo fotovoltaico típico 3.2.2 Celdas Fotovoltaicas
Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre algunos materiales.
Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se encuentra abundantemente en todo el mundo porque es un componente mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el efecto fotovoltaico, lo cual encarece el proceso de la producción de las celdas fotovoltaicas. En la actualidad existen
comercialmente
tres
Policristalino y Silicio Amorfo.
[5]
Tecnologías:
Silicio
Monocristalino,
[5]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 7) 25
Silicio
Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10 centímetros y produce alrededor de un vatio a plena luz del día. Normalmente las celdas fotovoltaicas son color azul oscuro. La mayoría de los paneles fotovoltaicos consta de 36 celdas fotovoltaicas. 3.2.3 Marco de Vidrio y Aluminio
Este tiene la función principal de soportar mecánicamente a las celdas fotovoltaicas y de protegerlas de los efectos degradantes de la intemperie, por ejemplo: humedad y polvo. Todo el conjunto de celdas fotovoltaicas y sus conexiones internas se encuentra completamente aislado del exterior por medio de dos cubiertas, una frontal de vidrio de alta resistencia a los impactos y una posterior de plástico EVA (acetato de vinil etileno).
Como lo muestra la Figura 5 (Conjunto de paneles fotovoltaicos típico y su estructura metálica de soporte) El vidrio frontal es antireflejante para optimizar la captación de los rayos solares. El marco de aluminio también tiene la función de facilitar la fijación adecuada de todo el conjunto a una estructura de soporte a través de orificios convenientemente ubicados. [6]
Figura 5. Conjunto de paneles fotovoltaicos típico y su estructura metálica de soporte. [6]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 7) 26
3.2.3.1 Tipos de Módulos Fotovoltaicos
Existe en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos de módulos solares.
Según el tipo de material empleado para su fabricación, se clasifican en:
Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su gran confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor que los otros tipos.
Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los módulos de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.
Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los 2 anteriores, pero un precio mucho menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma flexible, por lo que se pueden instalar como parte integral de un techo o pared.
3.2.4 Potencia La capacidad energética nominal de los módulos fotovoltaicos se indica en vatiospico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en condiciones óptimas de operación.
La capacidad real de un módulo fotovoltaico difiere considerablemente de su capacidad nominal, debido a que bajo condiciones reales de operación la cantidad de radiación que incide sobre las celdas es menor que bajo condiciones óptimas. Por ejemplo, un módulo de 55 Wp es capaz de producir 55 W más o menos un 10 % de tolerancia cuando recibe una radiación solar de 1.000 vatios por metro 27
cuadrado (W/m2) y sus celdas poseen una temperatura de 25 ºC. En condiciones reales, este mismo módulo produciría una potencia mucho menor que 55 W. [6]
En el mercado, se pueden encontrar módulos fotovoltaicos de baja potencia, desde 5 Wp; de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta 280 Wp y aún más. En aplicaciones de electrificación rural suelen utilizarse paneles fotovoltaicos con capacidades comprendidas entre los 50 y 100 Wp. La vida útil de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 años, y los fabricantes generalmente otorgan garantías de 20 o más años. El mantenimiento del panel solamente consiste de una limpieza del vidrio para prevenir que las celdas fotovoltaicas no puedan capturar la radiación solar. La elección apropiada del tipo y capacidad del módulo fotovoltaico depende de las características propias de la instalación fotovoltaica, tales como radiación solar existente y consumo energético requerido. 3.2.5 Baterías
Debido a que la radiación solar es un recurso variable, en parte previsible (ciclo día-noche), en parte imprevisible (nubes, tormentas); se necesitan equipos apropiados para almacenar la energía eléctrica cuando existe radiación y para utilizarla cuando se necesite. El almacenamiento de la energía eléctrica producida por los módulos fotovoltaicos se hace a través de las baterías. Estas baterías son construidas especialmente para sistemas fotovoltaicos.
Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la instalación:
[6]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 8) 28
Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o bajo consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares producen más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta energía que no se utiliza es almacenada en la batería.
Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación solar.
Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tanto lámparas o bombillas así como un televisor o radio, precisamente cuando la radiación solar es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía eléctrica que la batería ha almacenado durante el día.
Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuado para la utilización de aparatos eléctricos.
La batería provee energía eléctrica a un voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que requieran de una corriente mayor que la que pueden producir los paneles (aún en los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor eléctrico.
3.2.5.1 Características de las Baterías
La Figura 6 (Baterías para sistemas fotovoltaicos) muestran los dos tipos de baterías típicas para aplicaciones fotovoltaicas. En su apariencia externa este tipo de baterías no difiere mucho de las utilizadas en automóviles. Sin embargo,
29
internamente las baterías para aplicaciones fotovoltaicas están construidas especialmente para trabajar con ciclos de carga/descarga lentos.
Las baterías para sistemas fotovoltaicos generalmente son de ciclo profundo, lo cual significa que pueden descargar una cantidad significativa de la energía cargada antes de que requieran recargarse. En comparación, las baterías de automóviles están construidas especialmente para soportar descargas breves pero profundas durante el momento de arranque; en cambio, las baterías fotovoltaicas están construidas especialmente para proveer durante muchas horas corrientes eléctricas moderadas. Así, mientras una batería de automóvil puede abastecer sin ningún problema 100 amperios durante 2 segundos, una batería fotovoltaica de ciclo profundo puede abastecer 2 amperios durante 100 horas.
Figura 6. Baterías para sistemas fotovoltaicos. 30
Aunque el costo inicial es más bajo, no es recomendable utilizar baterías de automóviles en sistemas fotovoltaicos dado que no han sido construidas para estos fines. Las consecuencias más graves del empleo de batería de automóviles son:
La vida útil de este tipo de baterías se acorta considerablemente,
Los procesos de carga/descarga se hacen ineficientemente. Así, el ahorro en costos que puede tener comprar baterías de automóviles (en lugar de baterías fotovoltaicas) se pierde ante la necesidad de reemplazarlas frecuentemente.
La capacidad de la batería se mide en “amperio-hora (Ah)”, una medida comparativa de la capacidad batería para producir corriente. Dado que la cantidad de energía que una batería puede entregar depende de la razón de descarga de la misma, los Ah deben ser especificados para una tasa de descarga en particular. La capacidad de las baterías fotovoltaicas en Ah se especifica frecuentemente a una tasa de descarga de 100 horas (C-100).
La capacidad de la batería para un sistema fotovoltaico determinado se establece dependiendo de cuanta energía se consume diariamente, de la cantidad de días nublados que hay en la zona y de las características propias de la batería por utilizar. Además, se recomienda usar, cuando sea posible, una sola batería con la capacidad necesaria. El arreglo de dos o más baterías en paralelo presenta dificultades de desbalance en los procesos de carga/descarga. Estos problemas ocasionan algunas veces la inversión de polaridad de las placas y, por consiguiente, la pérdida de capacidad de todo el conjunto de baterías.
31
También se recomienda colocarlas en una habitación bien ventilada y aislada de la humedad del suelo. Durante el proceso de carga se produce gas hidrógeno en concentraciones no tóxicas, siempre y cuando el local disponga de orificios de ventilación ubicados en la parte superior de la habitación. Después que las baterías hayan alcanzado su vida útil, deberán ser retiradas y llevadas a centros de reciclaje autorizados (en el caso de algunos proveedores con la venta de la batería se responsabilizan también del retiro y reciclaje). Por ningún motivo deben desecharse en campos abiertos o basureros, pues el derrame de la solución de ácido sulfúrico que contienen ocasiona graves daños al suelo, personas y animales. Finalmente, es importante mantener alejados a los niños de las baterías para evitar corto circuitos o quemaduras de ácido accidentales.
Al igual de lo que sucede con los módulos fotovoltaicos, se recomienda la ayuda de un conocedor del tema para que sugiera el tipo de batería que más conviene a una instalación fotovoltaica particular. En términos generales, se deben adquirir baterías fotovoltaicas de calidad, que cumplan al menos las especificaciones mínimas.
3.2.5.2 Mantenimiento y vida Útil
Diferentes tipos y modelos de baterías requieren diferentes medidas de mantenimiento. Algunas requieren la adición de agua destilada o electrolito, mientras que otras, llamadas „baterías libres de mantenimiento‟, no lo necesitan.
Generalmente, la vida útil de una batería de ciclo profundo es entre 3 y 5 años, pero esto depende en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de carga/descarga a los que fue sometida. La vida útil de una batería llega a su fin cuando esta "muere súbitamente" debido a un cortocircuito entre placas o bien
32
cuando ésta pierde su capacidad de almacenar energía debido a la pérdida de material activo de las placas.
Las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son elementos bastante sensibles a la forma como se realizan los procesos de carga y descarga. Si se carga una batería más de lo necesario, o si se descarga más de lo debido, ésta se daña. Normalmente, procesos excesivos de carga o descarga tienen como consecuencia que la vida útil de la batería se acorte considerablemente.
Debido a que el buen estado de la batería es fundamental para el funcionamiento correcto de todo el sistema y a que el costo de la batería puede representar hasta un 15-30 % del costo total, es necesario disponer de un elemento adicional que proteja la batería de procesos inadecuados de carga y descarga, conocido como regulador o controlador de carga. 3.2.6 El Regulador o Controlador de Carga
Como se muestra en la figura 7 (Típico regulador de carga fotovoltaico con sus respectivos bornes de conexión para el módulo, para la batería y para las cargas).
Este es un dispositivo electrónico, que controla tanto el flujo de la corriente de carga proveniente de los módulos hacia la batería, como el flujo de la corriente de descarga que va desde la batería hacia las lámparas y demás aparatos que utilizan electricidad. Si la batería ya está cargada, el regulador interrumpe el paso de corriente de los módulos hacia ésta y si ella ha alcanzado su nivel máximo de descarga, el regulador interrumpe el paso de corriente desde la batería hacia las lámparas y demás cargas.
33
Figura 7. Típico regulador de carga fotovoltaico con sus respectivos bornes de conexión para el módulo, para la batería y para las cargas.
Existen diversas marcas y tipos de reguladores. Es aconsejable adquirir siempre un regulador de carga de buena calidad y apropiado a las características de funcionamiento (actuales y futuras) de la instalación fotovoltaica. También, se recomienda adquirir controladores tipo serie con desconexión automática por bajo voltaje (LVD) y con indicadores luminosos del estado de carga. Estas opciones permiten la desconexión automática de la batería cuando el nivel de carga de ésta ha descendido a valores peligrosos.
Generalmente, el regulador de carga es uno de los elementos más confiables de todo
sistema
fotovoltaico,
siempre
y
cuando
se
dimensione
e
instale
correctamente. 3.2.7 El Inversor
Su función es proveer adecuadamente energía eléctrica no sólo significa hacerlo en forma eficiente y segura para la instalación y las personas; sino que, también significa proveer energía en la cantidad, calidad y tipo que se necesita. 34
El tipo de la energía se refiere principalmente al comportamiento temporal de los valores de voltaje y corriente con los que se suministra esa energía. Algunos aparatos eléctricos, como lámparas, radios y televisores funcionan a 12 voltios (V) de corriente directa, y por lo tanto pueden ser energizados a través de una batería cuyo voltaje se mantiene relativamente constante alrededor de 12 V. Por otra parte, hay lámparas, radios y televisores que necesitan 120 V ó 110 V de corriente alterna para funcionar. Estos aparatos eléctricos se pueden adquirir en cualquier comercio pues 120 ó 110V son los voltajes con el que operan el 95% de los electrodomésticos, en los sistemas conectados a la red pública convencional. El voltaje en el tomacorriente, el cual tiene corriente alterna, fluctúa periódicamente a una razón de 60 ciclos por segundo, pero su valor efectivo es equivalente a 120 V.
Los módulos fotovoltaicos proveen corriente directa a 12 ó 24 Voltios por lo que se requiere de un componente adicional, el inversor, que transforme, a través de dispositivos electrónicos, la corriente directa a 12 V de la batería en corriente alterna a 120 V.
Como se ilustra en la Figura 8 (Típico inversor y sus aplicaciones en onda cuadrada y senoidal). Existe una amplia variedad de inversores para aplicaciones domésticas y usos productivos en sitios aislados, tanto en calidad como en capacidad. Con ellos, se pueden utilizar lámparas, radios, televisores pequeños, teléfonos celulares, computadoras portátiles, y otros.
35
Figura 8. Típico inversor y sus aplicaciones en onda cuadrada y senoidal
Los inversores de corriente generan tres tipos de onda diferentes:
Senoidal,
Cuadrada
Senoidal modificada
Por lo general, un inversor se hace servir de un oscilador que controla a un transistor como se ve en la Figura 9 (Proceso de conversión de onda cuadrada a senoidal), el cual se encarga de interrumpir la corriente entrante (originalmente continua) y genera una onda rectangular. Esta onda pasa entonces por el transformador, que la suaviza intentando que se asemeje lo máximo posible a una onda senoidal.
Idealmente, siempre se busca |una onda senoidal, ya que la cuadrada es la que más se aleja de ésta, aunque su corriente puede servir para alimentar aparatos pequeños electrónicos, o televisores. Con el objetivo de mejorar esta onda se 36
introdujeron en los inversores transistores o dispositivos similares, que hacen que la onda sea más escalonada, acercándose más a la onda senoidal pura.
[7]
Figura 9. Proceso de conversión de onda cuadrada a senoidal
Los inversores de onda senoidal modificada (o simplemente de onda modificada) son más sofisticados que los de onda cuadrada y, por ello su rendimiento es mucho mayor. Como pequeña 'desventaja' son más caros (aunque no más que los de onda senoidal pura). Esta onda modificada se acerca basante a una senoidal pura, pero no llega a serlo, por lo cual la corriente no tendrá las mismas propiedades ni aplicaciones. Aún así, ofrecen la mejor relación calidad-precio de todas las tipologías para usos como el de iluminación, radiadores, televisores o motores universales, como por ejemplo, el de un taladro. ¡Atención! Puede provocar
problemas
transformadores.
si
se
utiliza
en
motores
no
universales
o
en
[8]
3.2.8 Otros Elementos en las Aplicaciones
Finalmente, un sistema fotovoltaico incluye las cargas o aparatos eléctricos que se van a utilizar y que consumen la corriente generada o almacenada. Los ejemplos más comunes son lámparas, radios, televisores y teléfonos celulares para uso doméstico; y bombas y motores, para usos productivos. La selección de estas cargas es tan importante como la del resto de equipos fotovoltaicos; por ello, hay dos aspectos por considerar cuando se utilizan aparatos que se energizarán a través de un sistema fotovoltaico como muestra la Figura 10: [9] [7] [8]
[9]
(http://www.iie.org.mx/proyectofotovoltaico/preg_20.html)
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 12 37
El consumo diario de energía del conjunto de aparatos eléctricos no debe sobrepasar la cantidad de energía diaria producida por el sistema fotovoltaico. Es importante recordar que la disponibilidad diaria de energía eléctrica de los sistemas fotovoltaicos es variable pues depende de la radiación solar disponible, del estado de carga de la batería y de la capacidad de los equipos fotovoltaicos instalados, especialmente de la capacidad total de los módulos fotovoltaicos. Por lo tanto, la energía disponible es limitada y hay que utilizar racionalmente los aparatos según ésta. Es recomendable hacer uso, en la medida de lo posible, de aparatos modernos de bajo consumo energético y alta eficiencia. Por ejemplo, se descarta el uso de bombillos incandescentes, planchas eléctricas y hornos eléctricos. [10]
Figura 10. Convertidor de corriente directa a corriente alterna.
La necesidad de utilizar aparatos a 120 V determina la instalación o no de un inversor: Es importante tener en cuenta el tipo de energía que necesitan los aparatos eléctricos que se van a utilizar con el fin de determinar si se necesita o no un inversor. En la decisión hay que tomar en cuenta que el inversor implica un costo adicional del sistema, y que en el mercado se
[10]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 12) 38
ofrecen varios aparatos electrodomésticos que funcionan a 12 Voltios, por ejemplo: radios de vehículos, lámparas fluorescentes, etc.
La suma instantánea de las potencias individuales de cada uno de los aparatos por emplear no debe ser mayor que la capacidad máxima en vatios (W) del inversor. Se recomienda utilizar inversores construidos especialmente para aplicaciones fotovoltaicas y sobredimensionar la capacidad de éstos en un 20-30% para prevenir expansiones futuras en la instalación. Por ejemplo, si se tiene un inversor de 300 W de potencia nominal es posible utilizar simultáneamente un máximo de 20 lámparas de 15 W cada una, o emplear simultáneamente un televisor de 75 W más 15 lámparas de 15 W, o cualquier combinación de aparatos cuya suma de potencias instantáneas sea igual o menor que 300 W. [11]
La utilización de un inversor no imposibilita el uso de aparatos a 12 V de corriente directa. Por lo tanto, una instalación fotovoltaica que disponga de un inversor puede proveer energía tanto a cargas de 12 V como a cargas de 120 V.
En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de potencia y energía que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico están limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los módulos y la batería respectivamente, y por la disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad que se puede instalar.
[11]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 12) 39
En general los sistemas fotovoltaicos se utilizan principalmente para proveer energía a lámparas, radios, reproductoras de cintas, pequeños televisores, teléfonos celulares, bombas de agua, purificadora de agua, refrigeradora de vacunas y equipos profesionales de radiocomunicación.
Dependiendo de su aplicación y de la cantidad y tipo de energía producida, los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categorías:
Lámparas portátiles.
Sistemas individuales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones domésticas.
Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones domésticas.
Sistemas centralizados aislados de la red.
Sistemas centralizados conectados a la red.
A continuación se describirá brevemente las características más importantes de estos sistemas. 3.2.8.1 Sistemas Individuales CD para Aplicaciones Domésticas
La aplicación más frecuente y generalizada de la energía solar fotovoltaica es la electrificación rural de viviendas a través de sistemas individuales CD. Estos sistemas están compuestos, normalmente, por un panel fotovoltaico con una capacidad menor que 100 Wp, un regulador de carga electrónico a 12 V, una o dos baterías con una capacidad total menor que 150 A-h, 2 ó 3 lámparas a 12 V y un tomacorriente para la utilización de aparatos eléctricos de bajo consumo energético diseñados especialmente para trabajar a 12 V CD.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son: 40
El voltaje nominal es 12 V de corriente directa:
Esto implica que solamente se puede usar lámparas y aparatos que trabajen a 12 V. Es importante mencionar que, aunque existe una gran variedad de lámparas y electrodomésticos que trabajan a 12 V, en general puede ser difícil adquirir este tipo de aparatos en el comercio local, particularmente las lámparas. Normalmente, es necesario contactar a distribuidores de equipos fotovoltaicos para comprarlas y esto representa inconvenientes en tiempos de entrega (pues se deben importar) y de costos más altos (pues son de fabricación especial).
El costo comparativo de este tipo de sistema es más accesible para los presupuestos familiares:
Esto debido a que se utiliza exclusivamente para satisfacer necesidades básicas de electrificación (luz, radio y TV), los equipos son de baja capacidad; debido a que el sistema trabaja a 12 V, no se necesita usar un inversor. Por estas razones, el costo inicial del sistema es comparativamente menor y muy atractivo para soluciones básicas de electrificación rural fotovoltaica.
3.2.8.2 Sistemas Individuales CA para Aplicaciones Domésticas
Los sistemas individuales CA se pueden considerar como una ampliación de los equipos y capacidades de un sistema individual CD. La diferencia fundamental que existe entre ambos sistemas es que el primero dispone de un inversor electrónico para transformar la tensión de 12 V de corriente directa a 120 V de corriente alterna. En cuanto al resto de componentes, ambos sistemas son idénticos.
41
Los aparatos o cargas que con mayor frecuencia se utilizan con sistemas CA son lámparas fluorescentes de alta eficiencia y bajo consumo, equipos de audio (radios, radiograbadoras y equipos de alta fidelidad), teléfonos celulares, equipos de vídeo (televisores y videograbadoras), computadoras y bombas de agua.
Los sistemas fotovoltaicos CA tienen mayor capacidad de producción de energía (paneles
fotovoltaicos
de
mayor
capacidad)
y
mayor
capacidad
de
almacenamiento (batería de mayor capacidad) que los sistemas fotovoltaicos CD. La experiencia dice que para necesidades de electrificación mínimas – por ejemplo 2 lámparas, 1 radio y 1 TV (blanco y negro -B/N-) un sistema fotovoltaico CD es la solución económica y técnicamente más adecuada y accesible; sin embargo, si las necesidades de electrificación comprenden el uso de más de 2 lámparas, radio-caseteras de mediana potencia, televisores a color, bombas de agua u otro tipo de electrodoméstico, entonces, sería mejor instalar un sistema fotovoltaico CA.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:
El sistema puede proveer energía tanto a 120 V de corriente alterna como a 12 V de corriente directa:
La consecuencia más importante de esto es que se pueden utilizar lámparas y electrodomésticos a 120 V, los cuales son más comunes, más baratos y más fáciles de adquirir que los aparatos a 12 V; o, se puede utilizar directa y simultáneamente aparatos que naturalmente ya funcionan a 12 V, por ejemplo radios para automóviles, televisores B/N portátiles, etc. Esta flexibilidad en el uso de aparatos CA y CD es una de las cualidades más importantes de los sistemas individuales CA.
42
El costo del sistema es relativamente más alto:
Es lógico que al agregar un componente más (el inversor) al sistema básico CD, los costos iniciales se incrementan. Sin embargo, es importante considerar que el costo de las lámparas y de todos los equipos que funcionan a 120 V es considerablemente menor que el delas lámparas y los equipos que funcionan a 12 V. Por otra parte, actualmente es más fácil adquirir o reemplazar equipos de 120 V en el comercio local que reemplazar equipo de 12 V. Por lo tanto, si bien existe un incremento de costos por el uso del inversor, también existe un ahorro de tiempo y dinero. 3.2.8.3 Sistemas Aislados para Usos Productivos
Además de la aplicación de electrificación de las viviendas rurales, se puede aplicar la energía solar fotovoltaica para usos productivos y comerciales, sobre todo en la agricultura. Ejemplos de este uso son:
Bombeo de agua para irrigación y cercas eléctricas para ganadería: Este permite aumentar la productividad del área cultivable y diversificar el cultivo.
Refrigeración de alimentos: Incrementa la calidad del producto y permite mayores márgenes de tiempo entre cosecha y entrega en el mercado.
Comunicación: Facilita la venta en mercados alejados y el acceso a información de precios en el mercado.
Iluminación: Permite el procesamiento de cultivos y productos en horas de la noche y en áreas cubiertas.
43
La capacidad y configuración de un sistema para usos productivos depende de la aplicación. Por ejemplo, los sistemas de bombeo de agua generalmente no requieren de baterías, mientras que aplicaciones que exigen una disponibilidad de energía continua, como la refrigeración, sí la necesitan.
3.2.8.3 Sistemas Centralizados Aislados de la Red
Los sistemas fotovoltaicos son una opción válida para la electrificación rural cuando:
No existe la posibilidad técnica o económica de llevar la red eléctrica convencional hasta cada una de las viviendas.
Las familias demandan cantidades moderadas de energía.
Si las viviendas por electrificar se encuentran ubicadas en forma dispersa, los sistemas fotovoltaicos individuales son la mejor alternativa, sino la única, debido a su autonomía y modularidad. Sin embargo, si las casas por electrificar se encuentran ubicadas relativamente próximas entre sí, la opción más apropiada puede ser un sistema fotovoltaico centralizado debido a que la concentración de equipos y energía ofrece ventajas desde los puntos de vista técnico y económico. Los suplidores de equipos que pueden dar orientación en decidir cuál tipo de sistema es el más apropiado. Un sistema centralizado es un sistema fotovoltaico capaz de satisfacer la demanda energética de una comunidad con electricidad que se produce, almacena y transforma en un sistema fotovoltaico central y que luego se distribuye, a través de líneas eléctricas, hasta cada una de las viviendas.
[12]
Los sistemas centralizados tienen la misma estructura que un sistema fotovoltaico individual con suministro CA. La diferencia fundamental radica en que los sistemas centralizados son capaces de proveer energía en cantidades y en calidades muy superiores que la energía producida por un sistema fotovoltaico individual. Sin 44
embargo, las características fundamentales de los sistemas centralizados son la concentración de equipos y la distribución de electricidad; no siendo así la cantidad de energía que estos sistemas producen.
Las cargas que se utilizan son lámparas fluorescentes de alta eficiencia, equipos de audio (radios, equipos de sonido de alta fidelidad), equipos de video (televisores de color, salas comunales de cine), equipos de computación, equipos de bombeo de agua potable, congeladores para fábricas de hielo, lámparas para iluminación pública y otros.
Las características más sobresalientes de este tipo de sistemas son:
Mejor calidad en el suministro de energía eléctrica:
Los sistemas centralizados proveen energía de gran calidad gracias a la utilización de inversores de mayor calidad. Por lo tanto, los usuarios pueden utilizar en sus hogares aparatos eléctricos o electrónicos que requieran un suministro de energía estable y seguro.
Los
Mayor robustez del sistema:
equipos
utilizados
en
los
sistemas
centralizados
son
construidos
especialmente para resistir incrementos breves, pero intensos, de demanda de energía eléctrica. Además, la utilización de cargas altamente inductivas (por ejemplo, motores) no representa ningún problema. También, estos sistemas poseen protecciones contra descargas atmosféricas, contra abuso de la capacidad de los sistemas, alarmas contra sobredescarga, protecciones contra cortocircuitos, etc. [12]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 12) 45
Menor costo de la energía:
La cualidad más importante de los sistemas fotovoltaicos centralizados, e interesante desde el punto de vista económico, es que permiten obtener energía a un costo más bajo que el de aquella que se obtiene con sistemas individuales. La disminución de los costos de producción de energía depende de la cantidad de viviendas y de cuan dispersas se encuentren éstas. Cuanto mayor sea el número de viviendas y menor la distancia entre ellas, menor será el costo de la energía.
Menor impacto ambiental:
Otra ventaja de los sistemas centralizados es su bajo impacto ambiental. No existe la posibilidad de la contaminación producida por el abandono de baterías usadas con poca capacidad dado que la energía se acumula en un banco central de baterías de larga vida útil.
Distribución centralizada:
La desventaja más importante de los sistemas centralizados es la distribución equitativa de la energía entre la comunidad. La distribución centralizada requiere de la instalación de medidores de energía en cada vivienda. Esto normalmente no se hace debido al considerable incremento de costos que implica. Por lo tanto, siempre existirían problemas ocasionados por algunos usuarios que abusan de la disponibilidad de energía del sistema y de la falta de información que permita cobrar a cada familia, según su consumo energético.
46
3.2.9 Sistemas de Bombeo Fotovoltaico (FV)
Como se muestra en la Figura 11 (Esquema proceso de bombeo). La impulsión de agua desde depósitos o pozos es una de las aplicaciones más habituales de las instalaciones FV, sobre todo en zonas de cultivo alejadas de la red eléctrica. Esta aplicación no es nueva, puesto que desde hace siglos se han utilizado máquinas eólicas para la realización de bombeos. Aparece con el desarrollo de la energía FV, en instalaciones autónomas, para la alimentación de los distintos motores desde los módulos. Las dos principales aplicaciones del bombeo FV son:
Aplicaciones de Riego agrícola.
Abastecimiento de agua en zonas rurales.
Figura 11. Esquema proceso de bombeo 47
Estas instalaciones se clasifican en dos tipos, en función del modo de acumulación de la energía que realizan:
Bombeos directos: cuando la energía solar se almacena en forma de energía mecánica, en depósitos de agua.
Bombeos indirectos: cuando la energía solar se almacena en forma de energía eléctrica, en acumuladores.
Como norma general, el alto coste de las baterías hace recomendable, siempre que se pueda, realizar el almacenamiento energético en términos de energía mecánica en lugar de energía eléctrica. 3.2.9.1 Bombeo directo Las instalaciones de Bombeo directo se pueden realizar en CC o en CA. Tal y como se indica en los esquemas. Se aprecia la intervención de un accesorio específico para cada caso, acoplador motor o inversor. En este caso, las bombas tanto en CC o en CA, están conectadas al campo FV mediante diferentes tipos de dispositivos electrónicos, que adaptaran los requerimientos mecánicos de las bombas a la capacidad de alimentación del generador FV en los distintos momentos del día y de trasformar, si es necesario, la CC suministrada por los módulos en CA. En estas condiciones solo existirá la posibilidad de impulsión cuando se sobrepase
cierto
nivel
de
irradiación
solar,
debiendo
diseñarse
el
almacenamiento energético para hacer frente a periodos de insuficiente insolación, en forma de depósitos de agua a cierta altura. En la Figura 12 (Esquemas de conexión para los bombeos directos en CC y en CA.) nos muestra los dos tipos de conexión y los elementos que se deben usar.
48
Figura 12. Esquemas de conexión para los bombeos directos en CC y en CA. 3.2.9.2 Bombeo Indirecto Las instalaciones de Bombeo indirecto se pueden realizar en CC o en CA. Tal y como se indica en los esquemas. Se tratarán como instalaciones autónomas. En este caso, se reemplaza la red eléctrica convencional por una red equivalente alimentada por un generador FV, al que se debe añadir el correspondiente sistema de almacenamiento eléctrico y el convertidor CC/CC ó CC/CA, adecuado para la carga correspondiente. La garantía de suministro ofrecida por la batería permite abordar aplicaciones que no son posibles en el caso anterior, como riego por goteo, con una demanda en presión y caudal establecidas y pautas temporales estrictas. En la Figura 13 (Esquemas de conexión para los bombeos indirectos en CC y en CA.) nos muestra los dos tipos de conexión y los elementos que se deben usar.
49
Figura 13 .Esquemas de conexión para los bombeos indirectos en CC y en CA.
3.2.9.3 Elementos de un Sistema de Bombeo (FV) Los elementos que componen un sistema de bombeo fotovoltaico son:
Generador fotovoltaico.
Grupo motor-bomba.
Subsistema de adaptación eléctrica.
Subsistema de almacenamiento.
Otros elementos.
50
3.2.9.3.1 Generador Fotovoltaico Se construye, en general, con módulos de Silicio, mono o policristalino y se adecuará a la potencia requerida por el grupo motor-bomba. Se suele ubicar en una zona próxima al punto de bombeo. 3.2.9.3.2 Grupo Motor bomba Los motores más utilizados son:
Motores de CC.
Motores de CA.
Las bombas FV de primera generación, especialmente para baja potencia, incorporaban motores de CC de imán permanente, que se adaptaban fácilmente a los generadores FV. Esta situación ha cambiado debido a la disponibilidad en el mercado de motores de CA, más baratos, simples y robustos. Este tipo de motor presenta el inconveniente de que para poder variar su velocidad necesita un variador electrónico de velocidad, lo cual encarece la instalación. Para potencias superiores a 500 W se justifica la utilización de motores de CA en lugar de los de CC, ya que el sobrecoste del variador sumado al grupo motor bomba, puede llegar a ser inferior a la solución en CC equivalente. Para potencias pequeñas otra opción a considerar son los motores de CC sin escobillas, ya que, presentan ventajas respecto a los de CA, (variación de velocidad sencilla), y por otro lado tienen un mantenimiento mucho más simple que los motores CC convencionales, pudiéndose aplicar incluso en grupos sumergibles.
51
3.2.9.3.2.1 Bomba Las bombas más utilizadas son:
Centrífugas.
Volumétricas.
Helicoidales.
En cuanto al sistema mecánico, es decir la bomba, hay que considerar las dos opciones
clásicas
existentes:
bombas
volumétricas
(impulsión
por
desplazamiento) y bombas centrífugas (impulsión por transferencia de cantidad de movimiento. Existe una alternativa a las bombas centrífugas, las llamadas bombas de desplazamiento positivo de tipo helicoidal o bombas de tornillo. 3.2.9.3.2.2 Bomba Centrifuga El movimiento se obtiene a través de un conjunto de paletas o álabes giratorios que impulsan a la masa de agua. Como lo muestra la Figura 14 (Esquema Bomba Centrifuga). El rendimiento es bueno para presiones de impulsión reducida (< 10 m de columna de agua), aunque este decae rápidamente a medida que se reduce la velocidad de giro, haciendo que no se produzca el bombeo hasta que la potencia disponible permita superar la altura manométrica del sistema, lo cual no ocurrirá hasta que se supere un determinado nivel de radiación. La relación entre caudal y presión es inversa, de tal manera que, para un valor de revoluciones del rotor, a mayor presión demandada menor es el caudal que puede ser extraído por la bomba.
52
Figura 14 .Esquema Bomba Centrifuga La relación entre caudal y presión es inversa, de tal manera que, para un valor de revoluciones del rotor, a mayor presión demandada menor es el caudal que puede ser extraído por la bomba. Por otro lado, el par de arranque inicial suele ser reducido, lo que las hace interesantes para acoplarse tanto a motores de CA como de CC La relación entre caudal y presión es inversa, de tal manera que, para un valor de revoluciones del rotor, a mayor presión demandada menor es el caudal que puede ser extraído por la bomba. Por otro lado, el par de arranque inicial suele ser reducido, lo que las hace interesantes para acoplarse tanto a motores de CA como de CC 3.2.9.3.2.3 Bomba Volumétrica Como lo muestra la Figura 15 (Esquema Bomba Volumétrica). Consisten en un émbolo que se desplaza por el interior de un cilindro, con válvulas que cierran y abren alternativamente, desplazando cada vez una cierta cantidad de líquido. De forma parecida a una bomba de bicicleta.
53
Las más conocidas son las denominadas bombas de pistón. Son mas apropiadas para altos incrementos de presión, mayor de 20 metros de columna de agua (mca), y bajos caudales. Su mayor inconveniente es que, normalmente, presentan pares de arranque elevados, por motivos mecánicos. Otra característica importante de este tipo de bombas es que, para cierta velocidad de giro del rotor, el caudal extraído es prácticamente independiente de la presión, siendo la única opción para incrementar el mismo, aumentar las revoluciones del motor.
Figura 15 .Esquema Bomba Volumétrica 3.2.9.3.2.4 Bomba Helicoidal Constituyen la alternativa a las bombas centrífugas, se denominan también bombas de tornillo. Como lo muestra la Figura 16 (Esquema Bomba Helicoidal). Poseen un bajo par de arranque, de acuerdo a su carácter volumétrico, con capacidad para bombear a mayores alturas y durante más horas al día.
54
Figura 16 .Esquema Bomba Helicoidal 3.2.9.3.3 Clasificación de Bombas Según su Disposición Se pueden clasificar en:
Sumergibles
Flotantes
De superficie
Según la Figura 17 (Grafica para selección de bombas) podemos analizar los siguientes puntos.
Las bombas sumergibles se utilizan en pozos profundos de pequeño diámetro, siendo recomendables, en este caso, las volumétricas.
Las bombas flotantes disponen de un flotador que permite su instalación en ríos, lagos o pozos de gran diámetro. Siendo las centrifugas quienes más se emplean cuando lo que se necesita es un gran caudal y baja presión.
Las bombas de superficie se sitúan fuera del agua, y deben tener gran capacidad de aspiración, por lo que son más adecuadas las centrífugas.
55
El tipo de bomba a elegir va a depender del compromiso entre prestaciones electromecánicas y coste, teniendo en cuenta factores como la sección y profundidad del pozo o la posibilidad de inmersión del conjunto motor-bomba. En general, se puede decir que para demandas de caudal con escasa presión estarán bien cubiertas con bombas centrífugas, más habituales y con elementos de adaptación eléctrica más sencillos, y para demandas de presión se van a requerir bombas volumétricas o centrífugas multiestado o multietapa. Elección de las bombas en función del caudal necesario y de la altura manométrica:
Figura 17 .Grafica para selección de bombas 3.2.9.3.4 Subsistemas de adaptación eléctrica Existen sistemas de adaptación, CC/CC y CC/CA, capaces de, para una determinada potencia, entregada por el generador fotovoltaico, transformar los valores de tensión e intensidad para adecuarse a las condiciones de arranque del grupo motor-bomba en situaciones de baja insolación, como las que se dan en los días nublados o en los extremos del día, (amanecer y atardecer). Como se puede ver en la Figura 18 (Tipos de subsistemas de adaptación eléctrica)
56
Figura 18 .Tipos de subsistemas de adaptación eléctrica Los tipos de acoplamiento eléctrico más habituales son: Convertidores CC/CC, inversores, baterías y variador de velocidad. El convertidor de CC/CC para una determinada potencia proporcionada por el generador FV, transforma parte de la tensión de alimentación en intensidad suplementaria que sirve para salvar las condiciones de arranque del grupo motor–bomba en condiciones de baja insolación. Los inversores son dispositivos electrónicos que transforman la tensión e intensidad continuas procedentes del generador FV, en tensiones alternas. Los inversores de uso en bombeos suelen tener una salida a tensión y frecuencia variable. La variación de frecuencia de salida permite trabajar a los motores a velocidades distintas de la nominal de 50 Hz, disminuyendo así el umbral de irradiancia necesario para el arranque de la bomba. En instalaciones con almacenamiento eléctrico, las baterías actúan también como elemento de acoplamiento entre el generador FV y la carga, ya que sirven para fijar un valor de tensión que puede hacer que la bomba trabaje cerca del punto de máxima potencia.
57
Sin embargo, las perdidas introducidas en el circuito, el mantenimiento de las baterías y el incremento de coste de la instalación recomiendan, su uso solo si el caudal bombeado durante las horas de sol resulta insuficiente. La configuración que empieza a ser más habitual, es la constituida por un generador FV conectado a una bomba convencional alimentada por un motor asíncrono a través de un variador de frecuencia. 3.2.9.3.5 Subsistema de Almacenamiento
Según la Figura 19 (Tipos de sistemas de almacenamiento) Existen dos formas de almacenamiento de la energía obtenida:
Figura 19 .Tipos de sistemas de almacenamiento Como se ha comentado anteriormente, el alto coste de las baterías hace recomendable, siempre que se pueda, realizar el almacenamiento energético en términos de energía mecánica en lugar de energía eléctrica.
58
3.2.9.3.6 Otros Elementos De forma adicional, las instalaciones de bombeo incluyen otros elementos con funciones específicas, como:
Sondas de nivel. Para control de niveles en pozo y depósito.
Interruptores y programadores horarios.
Protecciones eléctricas, etc.
3.2.9.3.6.1 Configuraciones más Habituales
Las configuraciones más habituales son:
Motobomba sumergible, con motor de CC o CA, y bomba centrífuga multietapa. El número de etapas es función de la altura requerida.
Motobomba sumergible, con motor de CC o CA, y bomba volumétrica.
Motobomba flotante con motor de cc y bomba centrifuga.
Unidades motor bomba (centrifugas o de pistón) en superficie.
En la Figura 20 (Típica configuración de bomba) podemos apreciar estos tipos de configuración.
Figura 20 .Típica configuración de bomba 59
3.2.9.3.7 Cálculo de un Sistema de Bombeo Directo
Para configurar un sistema de bombeo FV, se necesitan saber varios datos:
Caudal diario necesario: Estará determinado por las necesidades del usuario
Lugar de ubicación: Determina la cantidad de radiación disponible.
Días de autonomía: Estarán determinados por la zona de ubicación.
Altura manométrica: Está definida por la topología de la instalación.
Los tres primeros datos no necesitan explicación y vamos a desarrollar el concepto de altura manométrica. La altura manométrica es la suma de la altura geométrica más las pérdidas de carga. (altura equivalente). Altura geométrica (Hg): Es la distancia vertical entre el agua del pozo (río, embalse, etc.) y el lugar más alto donde esta será depositada. Suele ser la suma de la altura de impulsión más la altura de aspiración. Altura depósito (Hdep): Es la distancia vertical entre la bomba y el punto máximo de elevación. (En bombas sumergibles coincidirá con la altura geométrica). Altura estática (He): Es la distancia vertical entre el agua del pozo y la bomba. (En bombas sumergibles es igual a cero.). Descenso de nivel (Hd): Es la pérdida de nivel del pozo durante el bombeo. (En caso de no disponer de este dato, se considera entre un 10 ÷ 15% de He). Pérdidas de carga: Es la fuerza que se opone a la circulación del agua en la tubería debido a rozamientos, cambios de dirección, (codos), válvulas, cambios de sección en las tuberías, etc. Como lo muestra la Figura 21 (Esquema de bomba sumergida) se puede apreciar el concepto de altura manométrica: 60
En bombas aspirantes o de superficie.
La altura manométrica es la suma de la altura geométrica más las pérdidas de carga. (altura equivalente).
Figura 21 .Esquema de bomba sumergida
En bombas de impulsión o sumergidas.
La altura manométrica es la suma de la altura geométrica más las pérdidas de carga. (altura equivalente). Podemos apreciarlo en la Figura 22 .Esquema de bomba sumergida (altura manométrica). [13]
[13]
(Proyectos Solares Inteligentes Ing. Msc. Luis Gabriel Becerra) 61
Figura 22 .Esquema de bomba sumergida (altura manométrica)
3.2.9.3.7.1 Ejemplo de Aplicación Necesitamos diseñar una instalación de bombeo FV, para un regadío, con las siguientes características: Datos necesarios Ver la Figura 23 (Esquema de ejemplo bomba sumergida (altura manométrica)) :
Caudal necesario: 500 l/día (0,5 m3/d)
Días autonomía: 3 días (consideramos una zona soleada).
Lugar de ubicación: Rioja Alavesa (España)..
Altura manométrica: Según la topología (ver el esquema).
62
Figura 23 .Esquema de ejemplo bomba sumergida (altura manométrica) Cálculo del volumen, mínimo, del depósito para poder almacenar el agua correspondiente a tres días de autonomía:
Vd = Cd • Da = 500 • 3 = 1.500 litros (1,5 m3)
Vd: volumen del depósito. Cd: caudal diario. Da: días de autonomía. Para evitar que desborde, consideraremos un 20 % más de esta capacidad.
63
VT = Vd . 20% = 1.500 . 1,2 = 1.800 litros (1,8 m3)
Cálculo de radiación en la zona de la explotación:
Como se trata de una explotación agrícola, tomaremos el mes más desfavorable de la temporada primavera-verano. Consultadas las tablas del EVE, para una orientación Sur del generador FV. Ver la Tabla 2 (Ángulos de inclinación)
Los datos obtenidos son:
Mes más desfavorable: Abril.
Ángulo de inclinación óptima: 30º
Horas de Sol Pico (HSP)= 5,229
64
Tabla 2. Ángulos de inclinación
Cálculo del caudal diario de la bomba:
Se obtiene al dividir el volumen del depósito entre las HSP del lugar. (Llenando el depósito en un día).
Cb = Vd / HSP = 1.500 / 5,229 = 287 l/h ó 4,8 l/min
65
Cálculo de la altura manométrica:
Altura geométrica = altura depósito + altura estática + descenso nivel
Hg = Hdep + He + Hd = 8 m + 5 m + 0,5 m = 13,5 m
Para un caudal de 287 l/h, aprox. 300 l/h necesitaremos una tubería de 19 mm de diámetro interior, según tabla. Con una pérdida de carga de 2,3 m, cada 100 m horizontales. Ver Tabla 3 (Perdidas de carga en tuberías).
Pérdidas de carga: 180 m de tubería horizontal, corresponden a: 1,8 x 2,3 = 4,14 m altura equivalente.
3 codos a 90º corresponden a 0,63 x 3 = 1,89 m. (altura equivalente). Ver Tabla 4 (Perdidas localizadas de carga para distintos elementos ). 1 válvula de compuerta corresponde a 0,21 m. (altura equivalente). Ver Tabla 4 (Perdidas localizadas de carga para distintos elementos ). Total altura equivalente = 4,14 + 1,89 + 0,21 = 6,24 m
Altura manométrica = Altura geométrica + pérdidas de carga
ALTURA MANOMETRICA= 13,5 m + 6,24 m = 19,74 m.
66
Tabla 3. Perdidas de carga en tuberĂas
67
Tabla 4. Perdidas localizadas de carga para distintos elementos
68
Elección de la bomba
Una vez conocidos la altura manométrica (19,74 m) y el caudal diario (1,5 m3), procederemos a elegir la bomba adecuada. Ver Figura 24 (Características de la bomba seleccionada).
Bomba sumergible: Bomba SHURflo modelo 9300
-Tensión nominal de trabajo
-Potencia nominal
-Altura manométrica máxima
-Profundidad máxima de inmersión
-Protección térmica automática interna 7.5 A
24 Vdc 120 W 70 m 30 m
Figura 24. Características de la bomba seleccionada
69
Una vez consultado el catálogo comercial de la bomba, vemos que el caudal es factible de ser bombeado. Para una potencia de motor de CC de 120 W, necesitaremos un convertidor de acoplamiento entre bomba y generador FV. Tomamos la referencia del PM5 de Atersa. Con las siguientes características. Ver Figura 25 (Características del convertidor de acoplamiento)
Figura 25. Características del convertidor de acoplamiento
Para un convertidor de acoplamiento Atersa PM5, observamos que la potencia del campo FV, deberá ser de: 120 Wp, a 24 V.
Eligiendo la configuración más adecuada en función de los módulos disponibles Como nos ilustra la Figura 26 (Esquema de la configuración calculada)
70
Figura 26. Esquema de la configuración calculada
3.3 CASO DE ÉXITO EN CENTROAMÉRICA EN APLICACIÓN DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA EN SISTEMAS DE RIEGO POR GOTEO
Energía solar mueve sistema de riego:
En la Provincia de Chitré, Panamá, la Asociación para el Desarrollo del Micro y Pequeño Productor (ADEMIPP), promueve el uso de la energía solar en la producción agrícola.
Apoyado por BUN-CA (FOCER), esta Asociación desarrolló un proyecto piloto de riego por goteo usando un sistema fotovoltaico. El sistema cuenta con un pozo, un 71
área de cultivo de una hectárea y el equipo fotovoltaico. Este consiste en 4 paneles fotovoltaicos de 120 vatios cada uno, los cuales están montados sobre un rastreador solar que posiciona los paneles en dirección con el sol, y una bomba de agua sumergible. Se realizaron pruebas con diferentes cultivos, como tomate, ají picante y pimentón para determinar la rentabilidad de cada uno en un sistema intensivo de producción. Para la evaluación del funcionamiento del sistema, se formó un grupo de 20 finqueros interesados de la zona, que a través de una serie de sesiones aprendieron sobre las ventajas del sistema.
En esta zona de Chitré, generalmente se aplican sistemas de riego por canales usando generadores operados por Diesel que requieren un consumo mayor de agua para irrigación que el sistema propuesto. Además, el proyecto tiene otras ventajas como el aumento de la productividad, la posibilidad de producir todo el año y no sólo 6 meses, así como la disminución de los costos en los insumos energéticos.
Esta iniciativa podría llegar a tener como potenciales usuarios del riego a un grupo de 2.000 productores en la región conocida como el “Arco Seco”, en la Provincia de Azuero. Con la experiencia del proyecto piloto, ADEMIPP está buscando fuentes de financiamiento para su diseminación en la región mediante la instalación de más equipos fotovoltaicos en las fincas agrícolas.Como se muestra en la Figura 27 (Sistema fotovoltaico de Capurí, Panamá) [14]
[14]
(Fuente: FOCER Fortalecimiento de la Capacidad en Energía Renovable para América Central) 72
Figura 27. Sistema fotovoltaico de Capurí, Panamá.
3.4 CASOS DE ESTUDIO Y PUESTA EN MARCHA EN COLOMBIA PARA LA APLICACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EN SISTEMAS DE RIEGO Y MANEJO DE AGUA
3.4.1 Centro Latinoamericano de Especies Menores CLEM Tuluá- Regional Valle Este proyecto maneja las siguientes líneas usando energía solar fotovoltaica FV como lo muestra la Figura 28 (Proyectos Regional Tuluá-Valle)
73
Figura 28. Proyectos Regional Tuluá-Valle
Iluminación y calefacción de los galpones de levante de la Unidad avícola
Utilización de energía solar en el proceso de Incubación artificial
Rotación de Ovinos en potreros con cercas eléctricas utilizando energía solar
Utilización de la energía solar para el almacenamiento de agua en acueductos rurales
Sistema de riego para la producción animal en Zonas no Interconectadas
Utilización de la energía solar en la oxigenación de la Unidad piscícola
Control de temperatura y calentamiento de camas en los paritorios de la Unidad Porcina
Iluminación utilizando lámparas con energía solar
74
3.4.2 Centro Agroempresarial y Minero- Regional Bolívar Este proyecto maneja las siguientes líneas usando energía solar fotovoltaica FV como lo muestra la Figura 29 (Proyectos Regional Bolívar)
Figura 29. Proyectos Regional Bolívar
Elaboración de paneles solares a partir de celdas fotovoltaicas
Elaboración de inversores electrónicos
Construcción y montajes de sistemas Solar- Eólica
Construcción de módulos solares con seguimiento solar
Construcción de cercas electrónicas con energía solar
Bombeo y purificación de agua son sistemas solares autónomos
Back Up de energía Fotovoltaica para sistemas críticos del agro industria y el comercio 75
3.4.3 Centro Agroindustrial, Turístico y Tecnológico del Guaviare - Regional Guaviare Este proyecto maneja las siguientes líneas usando energía solar fotovoltaica FV como lo muestra la Figura 30 (Proyectos Regional Guaviare)
Figura 30. Proyectos Regional Guaviare
Generación de energía eléctrica y combustión a partir de recursos naturales renovables buscando eficiencia eléctrica en sus instalaciones
Situación actual: Instalación de 420 paneles de 120W en zonas rurales
Formación de aprendices para el proceso de instalación que se está ejecutando en diferentes veredas del Guaviare
[14]
Nuevos Proyectos: Electrobomba de energía solar para piscicultura
(Grupo de Energías Renovables y eficiencia Energética SENA Con apoyo del Ministerio
de Minas Y Energía, CIDET)
76
3.5 Sistemas Centralizados Conectados a la red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son una alternativa prometedora en el futuro de las energías renovables. En estos sistemas, la energía obtenida no se almacena sino que se provee directamente a la red eléctrica comercial. Esto implica por una parte que el banco de baterías ya no es necesario y, por otra, que se necesita de un equipo especial para adaptar la energía producida por los páneles a la energía de la red. Este tipo de sistemas provee energía eléctrica a núcleos urbanos que ya cuentan con una red de distribución de energía. Las aplicaciones inmediatas son la venta de energía eléctrica o la reducción de la facturación mensual. Esta es una posibilidad muy interesante para inversiones privadas en el sector de energía limpia.
El uso de esta tecnología es reciente, pero existen experiencias interesantes en España y Alemania que permiten suponer un desarrollo rápido de estos sistemas. Parece ser que la tecnología ha alcanzado un nivel de madurez aceptable; sin embargo, aún falta mucho por hacer en cuanto a la legislación que permita la venta de energía fotovoltaica de pequeños usuarios privados a empresas distribuidoras de energía convencional.
4 PRESUPUESTO 4.1 COSTOS Y FINANCIAMIENTO ESTIMADO 4.1.1 Costos La inversión necesaria para adquirir un sistema fotovoltaico depende de varios factores, por ejemplo: los precios internacionales del mercado fotovoltaico, la disponibilidad local de distribuidores e instaladores de equipos fotovoltaicos, la ubicación y demanda energética de los usuarios. Las características particulares 77
de todos los equipos necesarios para satisfacer la demanda energética (en calidad, cantidad y capacidad), la distancia y la facilidad de acceso entre el lugar de venta de los equipos y el lugar donde se instalará el sistema (en cantidad de kilómetros por recorrer en vehículo todo terreno, en vehículo normal, en bestia o caminando), y los márgenes de ganancia de vendedores e instaladores de equipos (generalmente entre el 10-30%), son factores que determinan en gran medida la cantidad de dinero que el usuario final invertirá para electrificar su vivienda.
El costo inicial total de un sistema fotovoltaico individual típico para un módulo fotovoltaico en América Central (se toma este modelo de referencia por la similitud geográfica, económica con respecto a Colombia), (La calidad y capacidad de los equipos fotovoltaicos y las condiciones de acceso al lugar donde se instalará el sistema pueden ocasionar un aumento o disminución significativo del costo inicial indicado). Para aplicaciones domésticas se estima entre US$ 800 y US$ 1.000, el cual incluye los equipos, el transporte y la instalación (a este valor se aplica la inflación acumulada en EEUU desde el 2002 hasta el presente año).
De esta cantidad, los montos de mayor relevancia son un 30% correspondiente al módulo fotovoltaico, y un 15 % a la batería, al inversor, al transporte y a la mano de obra respectivamente, tal y como se muestra gráficamente en la Figura 31 (Distribución de costos de componentes de un sistema individual doméstico). Sin embargo, la experiencia dice que para viviendas rurales muy alejadas y con vías de acceso deficientes, el costo de transporte suele ascender del 15 al 30% del costo inicial.
78
Figura 31. Distribución de costos de componentes de un sistema individual doméstico.
Los costos totales de un sistema fotovoltaico pueden clasificarse en las siguientes categorías:
Costos de inversión
Costos de mantenimiento
Costos de reemplazo
Los costos de inversión son aquellos en los que se debe incurrir inicialmente para la compra, transporte e instalación de los equipos fotovoltaicos. Estos costos pueden representar un 70-75 % del costo del sistema a lo largo de toda su vida útil. La vida útil de un sistema fotovoltaico completo, correctamente instalado y con componentes de buena calidad, se estima entre 15 y 20 años. (La vida útil del sistema está determinada por el tiempo que tarda el módulo fotovoltaico en perder el 10% de su capacidad de producción de potencia. Nótese que en este período, se deberá reemplazar la batería 3-4 veces, según las condiciones de trabajo). 79
Los costos de mantenimiento y operación son aquellos en los que se debe incurrir durante toda la vida útil de los equipos para conservar en buenas condiciones el sistema fotovoltaico. Normalmente, el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos no es más que la limpieza adecuada de los equipos, especialmente de los páneles fotovoltaicos, y el reemplazo oportuno del agua de las baterías; por lo tanto, los costos de mantenimiento son muy bajos y representan un 3-5 % del costo total del sistema a lo largo de toda su vida útil.
Los costos de reemplazo son aquellos en los que se debe incurrir cuando las baterías llegan al fin de su vida útil. Generalmente, esto sucede después de 3 - 5 años de uso, pero depende en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de carga/descarga a los que fue sometida la batería. Estos costos representan 20 27 % de los costos totales del sistema a lo largo de toda su vida útil.
Estos costos totales se muestran en la Figura 32 (Distribución de costos de un sistema fotovoltaico)
Figura 32. Distribución de costos de un sistema fotovoltaico. A continuación en la Tabla 5, se presenta información técnica relativa a los sistemas fotovoltaicos más utilizados. 80
(a estos valores se les aplica la inflación acumulada en EEUU desde el 2002 hasta el presente año).
Tabla 5. Costos para las aplicaciones más usadas. 81
4.2 Financiamiento
En comparación con otras fuentes de generación eléctrica, como por ejemplo una planta de diesel, el costo inicial de un sistema fotovoltaico es relativamente alto pero el costo de operación y mantenimiento es muy bajo. Esto hace frecuentemente que un sistema fotovoltaico sea la opción más barata aunque el costo inicial constituya una barrera para que muchos usuarios potenciales, sobre todo en zonas rurales, no los puedan adquirir. Por esta razón se buscan mecanismos de financiamiento que permitan una mayor aplicación de estos sistemas, i.e.: (interconexión eléctrica). 4.3 Crédito del suplidor
Algunos suplidores de equipos fotovoltaicos brindan crédito a sus clientes para la compra de un sistema. En este esquema, generalmente el cliente paga un 30% al contado, con el fin de cobrar el costo de instalación de forma inmediata, y el resto en 4 ó 5 pagos periódicos, en plazos no mayores a un año. Este crédito requiere que el suplidor cuente con varios años de experiencia para conocer el mercado, así como un flujo considerable de ventas para tener suficiente capital de trabajo. 4.4 Alquiler de Equipo
Otro esquema para superar la barrera del alto costo inicial es que el usuario pague una cuota mensual por el consumo de electricidad a la empresa que instala el sistema y en cuyo caso el usuario no es el dueño del equipo sino la empresa que brinda el servicio. Esto significa que en vez de suministrar equipo, se suministra el servicio de energía eléctrica. Ya hay varias experiencias con este sistema de pagos en América Central, por ejemplo en Honduras, Guatemala y Costa Rica.
82
La decisión de desarrollar un negocio para suministrar servicios en vez de equipo, depende principalmente de las características del mercado, como por ejemplo preferencias de los clientes, capacidad de pago y capacidad de operar o administrar los equipos. También depende de factores como el marco legal del país y los intereses del desarrollador.
Hay que considerar que la venta del servicio eléctrico implica un mayor nivel de involucramiento, interrelación y seguimiento con los clientes; una mayor capacidad técnica y gerencial y compromiso financiero de parte de la empresa promotora. Por otro lado un mayor número de viviendas y comunidades pueden estar interesadas en un sistema como éstos. El esquema es muy aplicable para aquellas zonas que en unos años contarán con conexión a la red eléctrica. Esta modalidad requiere de la posibilidad de capital inicial porque hay que comprar los equipos y las ganancias no son inmediatas, pero el riesgo de no pago es menor que en el esquema de crédito, ya que un alquiler no pagado puede compensarse mediante la transferencia del equipo a otro cliente.
5 MARCO AMBIENTAL 5.1 ASPECTOS AMBIENTALES
En muchos casos, se tiene que decidir entre una planta eléctrica diesel o un sistema fotovoltaico para electrificar una vivienda rural. Si se comparan ambas alternativas, es posible obtener un panorama ilustrativo de los efectos positivos y negativos de cada una de ellas, tanto del punto de vista económico, como del punto de vista ambiental.
El costo inicial de una planta eléctrica de combustible es menor que el de un sistema fotovoltaico 83
de la misma capacidad El tiempo de instalación de una planta eléctrica de combustible es menor que el de un sistema fotovoltaico, aunque para las dos alternativas el tiempo es corto y las dificultades de transporte son básicamente las mismas. Además, a nivel local generalmente existen varios distribuidores de plantas eléctricas de combustible.
El abastecimiento periódico de combustible para una planta eléctrica ubicada en un lugar remoto esun problema grande. Las dificultades para transportar el combustible son permanentes. El almacenamiento de combustible, cuando existe, se hace en condiciones peligrosas para la seguridad de las personas y bienes materiales. Los sistemas fotovoltaicos, en cambio, no requieren de ningún suministro de combustible. Los costos, riesgos y peligros relacionados con el uso de combustibles fósiles desaparecen. Las plantas eléctricas producen ruido cuando operan. Inicialmente esta contaminación sonora suele ser tolerada por el entusiasmo de disponer de energía eléctrica; sin embargo, pronto ésta se hace intolerable, especialmente para las personas de la tercera edad, enfermos y maestros de escuela. Los sistemas fotovoltaicos no producen ningún sonido molesto cuando operan debido a que no poseen partes y movimientos mecánicos por lo que no ocasionan ningún tipo de contaminación sonora.
Las plantas eléctricas producen humo cuando operan. Si la planta no ha recibido el mantenimiento adecuado, la cantidad de humo producido es considerable y dañina para las personas próximas a ésta. Los sistemas fotovoltaicos no producen humo; sin embargo, durante el proceso de carga las baterías liberan al ambiente hidrógeno en cantidades moderadas. La producción de hidrógeno no es un problema si las baterías se encuentran en una habitación ventilada; en caso contrario, se puede producir una explosión debido a la concentración alta de este gas. El derrame de la solución de ácido sulfúrico de las baterías representa un peligro para la piel de las personas y para el suelo. En la mayoría de los casos, esta 84
contaminación se produce cuando se abandona irresponsablemente a la intemperie baterías que han cumplido su vida útil. Esta práctica es bastante frecuente en el área rural debido a la falta de programas de educación ambiental y a la falta de recursos para el retiro ecológicamente controlado de las baterías inservibles. Se puede decir que los sistemas fotovoltaicos poseen impactos ambientales menores que las plantas eléctricas a base de combustibles fósiles. Ellos son una solución amigable con la naturaleza. Sin embargo, el mal uso y manejo de esta tecnología sí puede tener efectos dañinos al medio ambiente. Se sugieren algunas recomendaciones que se deben atender para evitar esto: • Los sistemas fotovoltaicos deben ser instalados correctamente para evitar su fallo prematuro, de lo contrario ocasionará el abandono de los equipos y su posible deterioro. No tiene sentido invertir en equipo de alta tecnología si éste no será utilizado durante muchos años. • Debe existir un programa eficaz de retiro y reciclaje de baterías: las baterías fotovoltaicas abandonadas a la intemperie después de cumplir su vida útil ocasionarán contaminación, por lo que es necesario elaborar un programa para el desecho de las baterías. • Las baterías deben estar instaladas en una habitación especialmente destinada a este propósito: sistemas fotovoltaicos con baterías instaladas en habitaciones utilizadas por personas podrían ocasionar riesgos a la salud y a la seguridad de las personas si no están instaladas en forma segura.
[15]
[15]
(Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/2. Energía Solar. Pg. 23) 85
6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS 7. Ventajas y Desventajas Los sistemas fotovoltaicos han demostrado su capacidad para proveer energía eléctrica a sitios aislados de la red convencional. Sin embargo, la tecnología fotovoltaica no es siempre la solución más adecuada a todos los problemas de electrificación rural de nuestros países. Dependiendo del caso en particular, la extensión de la red convencional, el empleo de aerogeneradores o el uso de pequeñas centrales hidroeléctricas, pueden ser alternativas válidas. Como regla general, antes de comprar cualquier equipo se debe evaluar detenidamente si éste es la mejor opción o no a un caso particular. Incluso, aún cuando ya se haya decido utilizar la opción fotovoltaica, el tipo de sistemas que se instalará (CD, CA o Centralizado) es una decisión muy importante que se debe tomar a partir de las necesidades energéticas actuales y futuras y de la disponibilidad económica.
A continuación se mencionarán las ventajas y desventajas que los sistemas fotovoltaicos presentan en la región.
6.1 Ventajas
- El territorio nacional dispone de abundante radiación solar.
- La tecnología fotovoltaica permite soluciones modulares y autónomas.
- La operación de los sistemas fotovoltaicos es amigable con el medio ambiente.
- Los sistemas tienen una vida útil larga (más de 20 años).
- El mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos es sencillo y tiene costos muy bajos. 86
- Los sistemas fotovoltaicos han experimentado una reducción de precios que los hace más accesibles para las poblaciones rurales y se espera que sigan bajando.
- La tecnología de equipos y sistemas fotovoltaicos ha alcanzado un grado de madurez que posibilita su utilización para resolver confiablemente los problemas energéticos de nuestros países.
- En Colombia y América ya existen distribuidores de equipos fotovoltaicos que ofrecen sus productos y la instalación de los mismos.
- La instalación de los sistemas fotovoltaicos individuales es simple, rápida y sólo requiere de herramientas y equipos de medición básicos. 6.2 Desventajas
- La inversión inicial es alta con respecto de la capacidad de pago de una gran mayoría de las familias rurales.
- La cantidad de energía producida es limitada y alcanza solamente para las necesidades básicas de electricidad.
- La disponibilidad de energía es variable y depende de las condiciones atmosféricas. 7 CONCLUSIONES
Tomando en cuenta toda la información vista anteriormente, podemos decir que la aplicación de la energía solar fotovoltaica es factible un como sistema aislado para usos productivos en área agroindustrial, en estos sistemas está incluido el riego y 87
el fertirriego por goteo, sus costos pueden bajar porque no hay necesidad de usar baterías en algunos casos para el bombeo de agua.
Ya hay una iniciativa y
proyectos enfocados a la agroindustria, por parte de los organismos del estado en los cuales están incluidas energías renovables teniendo mayor fuerza la aplicación de energía solar fotovoltaica para zonas rurales donde hay problemas para conectarse a la red convencional. Entre las desventajas planteadas está el alto costo inicial, en cuanto al uso de combustibles fósiles en áreas rurales apartadas, el cual puede ser menor porque sus costos de mantenimiento y suministro son bastante bajos, haciendo que el retorno de la inversión sea más corto. En este tipo de proyectos los costos para las pequeñas zonas rurales y pequeños proyectos productivos aun es alto, hay que involucrar a mas entidades, asociaciones rurales, proveedores de los equipos y políticas estatales, que incentiven la inversión en este tipo de proyectos a mas comunidades. El daño ambiental es mínimo, siempre y cuando se tomen las recomendaciones del fabricante y se haga la disposición adecuada de los elementos cuando se dejen de usar.
88
8 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividades
INVESTIGACION
Desde
Hasta
31/07/2014
03/08/2014
06/08/2014
09/08/2014
10/08/2014
10/10/2014
10/09/2014
22/10/2014
VALIDACION INFORMACION PUESTA EN MARCHA ESTUDIO ENTREGA FINAL
89
BIBLIOGRAFÍA.
ICONTEC Norma técnica colombiana NTC 1486 (cuarta actualización) Documentación, presentación de Tesis, Trabajos de grado y otros Trabajos de Investigación C.R. : Biomass Users Network (BUN-CA), 2002 Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/Biomass Users Network (BUN-CA). -1 ed. - San José,. 42 p. il. ; 28x22 cm. ISBN: 9968-9708-9-1 1. Energía Renovable. 2. Energía Solar. - 3. Recursos Energéticos- América Central. 4. Desarrollo Sostenible. I. Título.
PEN 2010-2030. Informe Final, Trabajo para UPME. Contrato 042- 410312-2009, Unión Temporal Universidad Nacional y Fundación Bariloche Política Energética
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