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Título: Anális del diseño e instalación del sistema fotovoltaico del C-DdI Arfrisol de la
Plataforma Solar de Armería.
Autores: Dr. José Antonio Díaz Hernández, Dra. María José Jiménez Taboada y MSc. Olga Rosa
Pérez Valdés
Instituciones: ISPJAE, PSA-CIEMAT, MICONS
País: Cuba-España
Email: [email protected], [email protected], [email protected]
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sistemas de acondicionamiento térmico
1. Introducción
de los mismos. El proyecto, actualmente
La crisis energética y el calentamiento
global que agobian
desde
hace
a la humanidad
varias
décadas
han
reorientado el diseño y explotación de las
edificaciones,
las
maquinas
y
los
sistemas de ingeniería en la dirección del
ahorro de energía y el incremento de la
eficiencia energética, así como también
en la búsqueda de nuevas fuentes
renovables de energía.
España se ha
en proceso de evaluación incluye 5
edificios
de
oficinas
ubicados
en
diferentes zonas climáticas de España
(1).
Esta
ponencia
corresponde
específicamente al trabajo de análisis y
reevaluación que se hizo del sistema
fotovoltaico
Arfrisol
instalado
ubicado
en
en
el
el
edificio
desierto
de
Taberna de la Plataforma Solar de
Armería.
convertido en los últimos años en una
referencia a nivel mundial para estos
temas. Entre las muchas direcciones en
las
cuales se trabaja actualmente se
encuentra
el
proyecto
singular
estratégico Arfrisol sobre Arquitectura
Bioclimática
y Frío Solar, cofinanciado
por con fondos FEDER y subvencionado
por el Plan de Investigación y Desarrollo
(I+D)
del Ministerio de Educación y
Ciencia de España (MEC). Este proyecto
ha
sido
concebido
soluciones
en
para
desarrollar
los
edificios
administrativos que permitan obtener un
mayor aprovechamiento de los recursos
e
incrementar
la
eficiencia
de
los
2. Descripción de la instalación
El sistema fotovoltaico objeto de análisis
fue proyectado, suministrado e instalado
por la empresa ATERSA, filial del Grupo
ELECNOR, productora de todos los
componentes
necesarios
para
estos
sistemas en España desde hace varios
años.
Entre los aspectos más significativos de
esta instalación fotovoltaica se encuentra
la ubicación de los paneles (módulos)
sobre el pretil situado en la fachada sur
del edificio (C-DdI) Arfrisol, es decir, los
paneles quedan orientados al sur franco
(ver fig. 1 y 2), siendo éste el aspecto
mas sobresaliente de la instalación, ya
Los paneles fotovoltaicos suministrados
que cuando los paneles fotovoltaicos
por ATERSA para estas condiciones de
convencionales se montan en fachadas
trabajo e instalados en el edificio son del
verticales una parte importante de la
modelo ATM-75 de 75 W de potencia
radiación
pico (75 Wp ±5%).
solar
incidente
se
pierde
durante los períodos de tiempo en que la
Esta
radiación llega con ángulos muy grandes
conformada por 108 paneles de celdas
con respecto a la perpendicular del cristal
cristalinas
(Ver fig. 3).
distribuidas en tres grupos de 36 paneles
Precisamente
silicio
está
semiconductor
en serie. Cada grupo se conecta a su vez
pérdidas ATERSA ha empleado en esta
a un inversor modelo Ciclo 3000 de 2500
solución un cristal especial para estas
W
situaciones. Este cristal tiene como
fabricado
característica principal, estar conformado
ATERSA, lográndose de esta forma la
por pequeñas pirámides que concentran
tensión
los rayos solares reduciendo la reflexión,
inversores en correspondencia con la red
lo
final de distribución.
contribuye
minimizar
de
fotovoltaica
estas
que
para
instalación
a
un
mayor
de potencia máxima de salida
también
óptima
por
de
la
empresa
trabajo
de
los
aprovechamiento de la radiación solar
La generación de energía eléctrica (kWh)
incidente (Ver fig. 4). Este diseño según
entregada por la instalación fotovoltaica
el suministrador, incrementa en más de
se suministra directamente a la empresa
un 10 % la captación solar. El marco del
eléctrica de la localidad, por lo que el
panel es de aluminio pintado o anodizado
propietario
en color negro y el mismo ha sido
incorporado para su control un medidor
especialmente
de
diseñado
para
esta
la
de
la
energía
instalación
entregada.
ha
Este
aplicación con vista a darle por una
instrumento se monta en la pizarra
parte, la rigidez necesaria al conjunto y
(cuadro) eléctrica local (CPM) en la cual
por otra, posibilita su montaje en los
se encuentran también instalados los
anclajes insertados en el pretil de la
interruptores magneto-térmicos de 20
fachada (2). El panel incluye también una
Amperes de cada uno de los grupos para
lámina o capa de protección trasera de
la protección de sus respectivos circuitos
color negro. La integración de estos
eléctricos. Finalmente la energía total
paneles fotovoltaicos en la fachada del
producida
edificio proporcionan al conjunto una
(cuadro) general de protección (CGP) del
solución atractiva y elegante.
edificio desde la pizarra de protección
2
se
entrega
a
la
pizarra
general de la instalación (APG) que
seguridad
incorpora el desconectivo principal del
directamente con mensajes SMS a un
sistema fotovoltaico. Ver en el Anexo No.
móvil.
1
el
esquema
monolineal
de
la
a
través
de
Internet
o
2. Estimado de la producción de
instalación.
energía media anual
El sistema fotovoltaico instalado en esta
De
obra cuenta para la supervisión y control
las
especificaciones
técnicas
suministradas por ATERSA (Ver Anexo
con un sistema de vigilancia de red que
No. 2 hoja de especificaciones) para el
incluye la vigilancia de la tensión, la
panel ATM-75 obtenemos:
frecuencia, el aislamiento en el circuito
Dimensiones de panel (largo x ancho x
de CC y la detección de fugas en el
alto) =1196 x 596 x 35 mm
circuito de CA.
(N) número de paneles: 108
Los inversores Ciclo-3000 empleados en
(p) Potencia pico del panel [1]: 75Wp±5%
este sistema han sido diseñados también
Calculando:
por el fabricante para su aplicación en
2.1 Área bruta expuesta de los paneles
instalaciones con uno o más inversores
instalados
como en este caso.
A=LxAxN = 1,196 x 0,596 x 108 = 77
El sistema de comunicación empleado es
m2
el RS485, que permite la comunicación a
2.2 Cálculo de las horas de pico solar
grandes distancias y solo necesita un par
(hps)
de conductores para entrelazar todos los
equipos conectados.
Para el cálculo de este parámetro vamos
Para la gestión de los datos dinámicos la
a utilizar inicialmente
instalación cuenta con un sistema central
modelo de radiación solar on line (3)
de control SAC y sensores MET para la
http://sunbird.jrc.it/pvgis/apps/radmonth.p
medición
hp aplicado para esta localidad (PSA)
de
la
radiación
solar,
la
[2]
el resultado del
temperatura ambiente y la temperatura
cuyas coordenadas geográficas son:
de la celda. Este sistema de gestión
Latitud Norte: 37º 5’ 28”
permite grabar, visualizar y enviar a una
Longitud Oeste: 2º 21’ 19”
Web
Elevación: 495 m
los
datos
principales
de
la
instalación.
Del modelo para superficies a 90º con
También mediante el sistema central de
cielo
control SAC se dispone del servicio de
despejado
en
esta
localidad
obtenemos que la radiación media diaria
avisos de mantenimiento y alarmas de
3
es de
3410 Wh/m2 /día, valor que
El valor de la energía media diaria (Emd)
usaremos como dato para este trabajo.
suministrada por la instalación durante el
Por lo tanto, las horas de pico solar
año será:
media anual definida en base a una
Emd = R x p x hps x N
2
radiación de 1000 W/ m es igual a hps =
Emd =0.9 x 75 x 3.41 x 108 = 24 859
3,41 horas.
Wh/día = 24.9 kWh/día
2.3 Energía media diaria suministrada
Digamos 25 kWh/día
por la instalación fotovoltaica
3. Potencia pico entregada por la
Para calcular este valor se requiere
instalación fotovoltaica, (Pp)
estimar el rendimiento global (R) de la
instalación
fotovoltaica.
Para
La potencia pico será:
ello
tomaremos los siguientes valores:
Pp = R x p x N = 0,9 x 75 x 108 = 7290
kPC
Wp = 7,3 kWp
Coeficiente de pérdidas en el
convertidor: 0.04 (dato del fabricante)
Por
kPV Coeficiente de pérdidas varias en el
empleados en el sistema de 2.5 kW de
circuito
etc.
potencia máxima de salida y tensión
(asumimos 0.06 como valor aceptable
nominal de 230 Vca monofásica a 50 Hz
para esta instalación)
se corresponden satisfactoriamente con
eléctrico,
efecto
Joule,
lo
tanto,
los
3
convertidores
los requerimientos del cálculo de esta
Por lo tanto, calculando el valor de R se
instalación.
obtiene:
4. Aspectos
a destacar en este
sistema
R = 1 – (0.04+0.06) = 0.9
4.1
______________
Importancia de la energía eléctrica
media anual (Ema) entregada a la red
1
Valor dado para una radiación de 1000
La producción de energía media anual
W/m2, 25º C de temperatura en la celda
será:
y espectro AM 1.5
Ema = 365 d/año x 25 kWh/d = 9 125
2
En la siguiente etapa cuando se
kWh/año
procesen los datos registrados por el
Esta producción de energía eléctrica es
sistema de monitorización en el CDdI
suficiente para satisfacer el consumo
Arfrisol de la PSA dirigido por la Dra.
anual
María José Jiménez, se realizarán las
correspondientes a un consumo medio
correcciones correspondientes.
anual en Cuba por vivienda de 1776
de
más
de
5.1
viviendas
kWh/año (4), que no obstante, su valor
4
no ser significativo, la aplicación masiva
y
de este concepto en el país en los
operación por el resto de la vida de la
edificios públicos de nueva construcción
instalación
o
remozados,
permitiría,
dentro
el consumo de energía durante la
de
algunos años, incidir en la reducción del
consumo de combustibles fósiles y en la
4.3 Producción de energía limpia
arquitectura de las ciudades cubanas.
Se debe tener en cuenta, como aspecto
muy sobresaliente,
4.2
Importancia del panel desarrollado
entregada
por
que la energía
esta
instalación
de
para esta aplicación combinado con
paneles fotovoltaicos en el C-DdI Arfrisol
fachadas ventiladas
es totalmente limpia y por lo tanto, se ha
El
diseño
especial
de
este
panel
dejado
de
emitir
la
atmósfera
concebido para ubicarse en un plano
anualmente
paralelo a la fachada, y obtener también
toneladas de CO2 y se han dejado de
un buen aprovechamiento de la radiación
consumir
solar
petróleo combustible.
incidente,
ofrece
la
ventaja
el
a
33
equivalente
toneladas
a
métricas
12
de
adicional, en el caso de su integración en
fachadas
ventiladas,
de
reducir
4.4
Comportamiento
real
de
la
significativamente la ganancia de calor
instalación
solar sobre la misma y en consecuencia
Arfrisol
el flujo de calor hacia el interior del
La información sobre el comportamiento
edificio. Por lo tanto, la integración
preciso
racional de la ingeniería y la arquitectura
instalados en este edificio se encuentra
en esta concepción permite transformar
aún en fase de investigación por lo que
las
ATERSA
fachadas
convencionales
en
fotovoltaica
de
los
se
en
el
paneles
encuentra
C-DdI
ATM-75
compilando
“fotovoltaicas-ventiladas” con lo cual se
directamente
obtiene, como se ha señalado, una
medidos
reducción de la ganancia de calor que
resistencia, etc., en el proceso de
penetra en la edificación a través de
monitorización que se lleva a cabo para
estos
su
elementos,
reduciéndose
la
todos
de
evaluación.
los
potencia,
Por
parámetros
temperatura,
lo
tanto,
es
demanda de frío sobre el sistema de aire
conveniente en una etapa posterior
acondicionado y con ello también se
retroalimentar los resultados de este
reducen simultáneamente los gastos de
trabajo
adquisición (inversión inicial) del sistema
5
con
la
información
correspondiente y proceder a realizar las
correcciones necesarias.
4.5
Interés para Cuba de la fachada
fotovoltaica–ventilada.
El empleo de la solución integral de
paneles fotovoltaicos con la variante de
fachada ventilada, que por cierto no se
aplica en el CDdI Arfrisol, ha surgido
como una alternativa más en España
5. Conclusiones
para cumplimentar el nuevo Código de la
Edificación
aprobado.
(CTE)
El
recientemente
Código
la
a pesar de ser pequeña el área
obligatoriedad de incluir instalaciones
disponible en el diseño de este
fotovoltaicas en los edificios de uso
edificio para la ubicación de los
público
paneles
fotovoltaicos,
hospitales, centros comerciales, etc. Esta
resultados
obtenidos
solución integral de fachada fotovoltaica–
producción de energía eléctrica
ventilada
son satisfactorios.
como
establece
1. Se comprobó analíticamente que,
oficinas,
permite
producir
hoteles,
energía
eléctrica y además, reducir la carga
térmica
que
provocaría
la
los
en
la
2. El empleo del cristal piramidal en
solución
los paneles fotovoltaicos para
arquitectónica tradicional de fachada
este
sobre el sistema de climatización en
imprescindible.
alrededor del 30 % (5). Por lo tanto, es
3. La
tipo
de
aplicación
aplicación
de
la
variante
de interés evaluar esta variante en las
arquitectónica
condiciones específicas de Cuba, al
fotovoltaica-ventilada
menos, para su investigación en esta
solución
primera
de
condiciones específicas de Cuba
inversión, en lo que se refiere al aspecto
en la medida en que la primera
fotovoltaico, es aún muy elevado y por lo
permitiría
tanto, prácticamente prohibitivo para la
energía eléctrica limpia y de
Isla.
forma estable al sistema electro-
etapa,
pues
su
costo
de
es
interesante
la
fachada
es
en
aportación
una
las
de
energético nacional (100 a 140
kWh/m2año)
6
y
además,
la
segunda contribuiría a reducir en
alrededor del 30 % la carga de
climatización del edificio.
6. Recomendaciones
Evaluar en las condiciones cubanas la
fachada fotovoltaica-ventilada mediante
instalaciones
administrativos,
prototipos
en
edificios
comerciales
e
industriales.
Referencias
1. Heras
Celemín
María
R.
Coordinadora General del PSEARFRISOL y Jefa de la Unidad
de Investigación sobre Eficiencia
Energética en Edificaciones del
CIEMAT. Entrevista concedida
para la REI en Energía, Madrid
2007.
2. Calatrava
López
Bernabé.
Memoria Técnica Justificativa del
Subproyecto
4
del
“PSEARFRISOL”. Madrid. Junio de
2008.
3. ”Solar irradiation data utility_files”
http://sunbird.jrc.it/pvgis/apps/radmo
nth.php.
4. Datos de la UNE (Unión Nacional
Electrica.) de Cuba del 2006.
5. Fachada CeramicaTau.
http://www.pvdatabase.org
Fig. 1. Vista parcial de la fachada sur del
edificio ARFRISOL en la cual se puede
observar la ubicación de los paneles
fotovoltaico en el pretil.
7
Fig. 3. Panel, fabricado con cristales
convencionales, colocado en un plano
paralelo a la fachada en el cual se
observa que se desaprovecha gran parte
de la energía solar incidente cuando “B”
toma valores grandes.
Fig. 2 Vista de general de la fachada sur
del mismo edificio donde se muestran la
ubicación de los paneles fotovoltaicos
sobre el pretil.
Fig. 4. Panel especialmente fabricado
con cristales conformados por pequeñas
pirámides que permite ser colocado en
un plano paralelo a la fachadaza y
aprovechar con mayor eficacia la
radiación solar incidente para valores
grande de “B.
8
ANEXO NO. 1
9
ANEXO No. 2
10