Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Implementación de un sistema energético renovable no
convencional para la unidad de cuidados paliativos de
Alajuela
Por:
Jorge Mario Quirós Campos
Diciembre del 2004
IE-0502
Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
ii
Implementación de un sistema energético renovable no
convencional para la unidad de cuidados paliativos de
Alajuela
Por:
Jorge Mario Quirós Campos
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
___________________
Ing. Laura Ramirez Elizondo
Profesora Guia
___________________
Ing. Jose Joaquín Chacón Leandro
Profesor Lector
_____________________
Ing. Leonora de Lemos Medina
Profesora Lectora
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DEDICATORIA
Diciembre del 2004
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RECONOCIMIENTOS
Agradecimientos a mi profesora guía Ing. Laura Ramírez por haberme proporcionado este
proyecto y por sus consejos.
Agradecimientos a los miembros del tribunal Ing. José Joaquín Chacón e Ing. Leonora de Lemos
por su disposición y paciencia.
Un agradecimiento muy especial al señor Ing. Milton Esquivel por su valiosa colaboración.
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ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS......................................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS..........................................................................................viii
NOMENCLATURA............................................................................................... ix
RESUMEN............................................................................................................... x
CAPÍTULO 1: Introducción .................................................................................. 1
1.1
Objetivos..........................................................................................................................1
1.1.1
Objetivo general...................................................................................................... 1
1.1.2
Objetivos específicos .............................................................................................. 1
1.2
Metodología. ....................................................................................................................2
1.3
Justificación. ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
CAPÍTULO 2: Energías renovables no convencionales...................................... 4
2.1
Energía Solar....................................................................................................................5
Energía solar térmica. ............................................................................................. 7
Energía fotovoltaica................................................................................................ 9
2.1.1
2.1.2
CAPITULO 3: Implementación de un sistema fotovoltaico. ............................ 16
3.1
Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica..................................................................16
3.1.1
Potencia de salida.................................................................................................. 16
3.1.2
Efecto de la temperatura ....................................................................................... 18
3.1.3
Máxima potencia de salida. .................................................................................. 19
3.1.4
Factor de degradación. .......................................................................................... 20
3.1.5
Evaluación de la potencia de salida. ..................................................................... 20
3.2
La Batería Solar. ............................................................................................................21
3.1.1
Profundidad de descarga....................................................................................... 22
3.2.2
Modelos de Baterías Solares................................................................................. 23
3.3
El Control de la Carga. ..................................................................................................23
3.3.1
Selección del control de la carga .......................................................................... 24
3.3.2
Corriente Máxima de Trabajo............................................................................... 27
3.3.3
Voltaje Máximo de Trabajo.................................................................................. 28
3.3.4
Máximo voltaje de Entrada................................................................................... 28
3.4
Diseño del sistemas fotovoltaico. ..................................................................................29
3.4.1
Planta física........................................................................................................... 30
3.4.2
Estimación de la carga. ......................................................................................... 31
3.4.3
Implementación de energía fotovoltaica a toda la institución. ............................. 32
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3.5
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3.4.4
Implementación de energía fotovoltaica para consumo de una cabaña................ 37
Costos y rentabilidad del sistema...................................................................................44
CAPITULO 4: Implementación de un sistema Térmico................................... 49
4.1
Instalaciones de Energía Solar Térmica de Baja Temperatura. .....................................49
4.1.1
Clasificación y Aplicaciones ................................................................................ 49
4.1.2
Componentes de una Instalación .......................................................................... 50
4.1.3
Sistemas de Apoyo Energético Convencional ...................................................... 56
4.1.4
Sistemas de Aprovechamiento Energético ........................................................... 57
4.2
El Colector Solar de Plana C.P.P:..................................................................................64
4.2.1
Componentes y Materiales.................................................................................... 64
4.2.2
Funcionamiento. ................................................................................................... 69
4.3
Cálculo de instalaciones.................................................................................................71
4.3.1
Sistema de aprovechamiento a utilizarse. ............................................................. 71
4.3.2
Dimensionamiento. ............................................................................................... 71
4.4
Costo y rentabilidad del sistema. ...................................................................................74
CAPITULO 5: Conclusiones y Recomendaciones. ............................................ 77
5.1
5.2
Conclusiones..................................................................................................................77
Recomendaciones. .........................................................................................................78
Bibliografía. ........................................................................................................... 80
Referencias bibliográficas..............................................................................................................80
Referencias electrónicas. ...............................................................................................................81
Apéndice A. ............................................................................................................ 83
Apéndice B. ............................................................................................................ 84
Apéndice C. ............................................................................................................ 85
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Colector de placa plana. ............................................................................................ 8
Figura 2.2 Foto microscópica de celda fotovoltaica ................................................................. 10
Figura 2.3 Esquema de funcionamiento de un diodo................................................................ 11
Figura 2.4 Arreglo o panel fotovoltaico típico con 36 celdas en serie. .................................... 13
Figura 3.1. Curvas I-V a diferentes temperaturas. ................................................................... 17
Figura 3.2 Control de carga paralelo con resistencia disipadora .............................................. 25
Figura 3.3 Control de carga paralelo con MOSFET. ................................................................ 26
Figura 3.4 Control de carga en serie. ........................................................................................ 27
Figura 3.5 Grafico del consumo mensual de energía U.C.P..................................................... 33
Figura 3.6 Variación de la reserva de un banco de baterías ..................................................... 40
Figura 3.3 Flujo de gastos del sistema fotovoltaico.................................................................. 47
Figura 4.1: Colector solar de placas planas .............................................................................. 52
Figura 4.2: Sistema de acumulación ......................................................................................... 53
Figura 4.3: Ejemplo de instalación del sistema hidráulico ....................................................... 54
Figura 4.4: Sistema de circulación natural................................................................................ 59
Figura 4.5: Ejemplo de instalación de un sistema de circulación natural................................. 59
Figura 4.6: Sistema de circulación forzada............................................................................... 60
Figura 4.7: Sistema cerrado de circulación natural................................................................... 63
Figura 4.8: Sistema cerrado de circulación forzada.................................................................. 63
Figura 4.9: Circuito tipo parrilla ............................................................................................... 67
Figura 4.10: Circuito tipo serpentín .......................................................................................... 67
Figura 4.11 Sistema Doméstico, tipo Termosifón - Circuito Abierto con................................ 73
Calentador Eléctrico en serie como apoyo energético convencional. ...................................... 73
Figura 4.12 Flujo de gastos de una termoducha ...................................................................... 75
Figura 4.13 Flujo de gastos de una termoducha ....................................................................... 75
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Características elécticas panel I-65.......................................................................... 35
Tabla 3.2 Estimación del consume de carga a suplir por el sistema......................................... 37
Tabla 3.3 Características de batería .......................................................................................... 41
Tabla 3.4 Características del regulador..................................................................................... 43
Tabla 3.5 Precios y vida útil de los equipos fotovoltaicos........................................................ 44
Tabla 3.6 Costo del Kwh para la U.C.P.................................................................................... 45
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NOMENCLATURA
ACS: Agua caliente sanitaria.
Ah: Amperios hora.
BPD: Baterías de ciclo profundo.
CA: Corriente alterna
CC: Corriente continúa.
CPP: Colector de placa plana.
EST: Energía solar térmica.
ERNC: Energía renovable no convencional.
FV: Fotovoltaico
Ip: Corriente pico
Vp: voltaje pico
Wh: Watts hora.
Wp: Watt pico
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RESUMEN
El objetivo del presente trabajo es analizar la posibilidad de utilizar un sistema de
producción energética alternativo a la red pública, utilizando fuentes de energía renovable no
convencional. Para lograrlo fueron efectuadas investigaciones bibliográficas (con las que se
fundamento teóricamente esta investigación). Además se estudiaron las características del lugar
del proyecto y entrevistaron algunas personas relacionadas con la implementación de sistemas de
este tipo para contar con algunos criterios prácticos en el análisis y cálculo de instalaciones de
esta naturaleza.
Dadas las condiciones climáticas imperantes en Costa Rica se determinó que la mejor
alternativa a considerarse como fuente es la energía solar. Se analizarán dos de los sistemas de
aprovechamiento energético más desarrollados en la actualidad como lo son los sistemas
fotovoltaicos y los sistemas térmicos activos (calentamiento de agua). En la parte fotovoltaica se
pudo determinar que debido al desarrollo tecnológico actual y los precios que pueden alcanzar
los equipos necesarios para la implementación de un sistema de este tipo, esta alternativa no es
factible desde la perspectiva económica. Así mismo, cuando se realizó el análisis financiero para
el sistema de calentamiento solar de agua, se comprobó que este si bien resulta de mucho menor
costo que el sistema fotovoltaico, no alcanza la rentabilidad que motive los gastos en que se
incurría de querer implementarse, por lo tanto la mejor alternativa para el ahorro económico por
concepto de electricidad es el ahorro energético en sí.
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CAPÍTULO 1: Introducción
1.1
Objetivos
1.1.1
Objetivo general
Analizar una alternativa para el ahorro energético de la unidad de cuidados paliativos de
Alajuela por medio de un sistema no convencional de generación eléctrica con fuentes de energía
renovables no convencionales.
1.1.2 Objetivos específicos
1. Realizar un estudio de cargas para determinar la capacidad de generación que deberá ser
instalada para suplir las necesidades de la institución.
2. Analizar las variables climatológicas y ambientales en el lugar del proyecto para obtener la
mejor alternativa de tecnologías existentes para la generación eléctrica no convencional.
3. Diseñar las instalaciones necesarias para la implementación del sistema de generación.
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1.3 Justificación.
En la actualidad el ahorro energético es una de las mayores preocupaciones del ser humano.
La contaminación del ambiente, así como, lo limitado de los recursos existentes hacen que el
tema de la producción energética renovable sea cada vez más abordado por diversas
organizaciones en el mundo. Concretamente en Costa Rica el problema del precio fluctuante del
petróleo, encarece la producción de electricidad en horas pico de consumo que es cuando se
ponen en funcionamiento las centrales termoeléctricas, encarecimiento que se traduce en
aumentos tarifarios en detrimento del bienestar económico de los consumidores.
La Unidad de Cuidados Paliativos de Alajuela es una institución no gubernamental que
trabaja sin fines de lucro, financiada únicamente por donaciones. En los últimos meses dicha
institución ha tenido gastos por consumo eléctrico que resultan inadecuadas, dada las
condiciones económicas de la misma, por lo que el analizar una alternativa al consumo
tradicional es el principal objetivo de esta investigación.
1.2 Metodología.
Para el desarrollo del presente proyecto se realizo recopilación bibliográfica en manuales,
libros revistas y en Internet, con el fin de recopilar suficiente información sobre energías
renovables y sistemas de aprovechamiento energético, que sustentara el cuerpo teórico del
trabajo. Posteriormente, se visita el sitio de estudio donde se hacen anotaciones del clima
imperante en la zona. Además, se llevar a cabo un levantamiento de las principales cargas con
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que cuenta la institución sujeta a estudio. Para complementar los datos obtenidos, se entrevista a
los encargados de algunas empresas nacionales que proveen asesoramiento y equipos para la
instalación de sistemas energéticos renovables no convencionales. Finalmente, con la
información recolectada se estructurar el trabajo escrito, tomando en cuenta cada punto
importante a ser considerado para realizar los análisis y cálculos necesarios y obtener la mejor
alternativa para el ahorro energético de la Unidad de Cuidados Paliativos de Alajuela.
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CAPÍTULO 2: Energías renovables no convencionales
Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y
aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan en una escala humana. Entre estas
fuentes de energías están: la hidráulica, la solar, la eólica y la de los océanos. Además,
dependiendo de su forma de explotación, también pueden ser catalogadas como renovables la
energía proveniente de la biomasa y la energía geotérmica1.
Las energías renovables suelen clasificarse en convencionales y no convencionales,
según sea el grado de desarrollo de las tecnologías para su aprovechamiento y la penetración en
los mercados energéticos que presenten. Dentro de las convencionales, la más difundida es la
hidráulica a gran escala.
Como energías renovables no convencionales (ERNC) se consideran la eólica, la solar, la
geotérmica y la de los océanos. Además, existe una amplia gama de procesos de
aprovechamiento de la energía de la biomasa que pueden ser catalogados como ERNC. De igual
manera, el aprovechamiento de la energía hidráulica en pequeñas escalas se suele clasificar en
esta categoría.
Al ser autóctonas y, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generar impactos
ambientales significativamente inferiores que las fuentes convencionales de energía, las ERNC
pueden contribuir a los objetivos de seguridad de suministro y sustentabilidad ambiental. La
magnitud de dicha contribución y la viabilidad económica de su implantación, depende de las
particularidades en cada país de elementos tales como el potencial explotable de los recursos
1
Tomado de [3]
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renovables, su localización geográfica y las características de los mercados energéticos en los
cuales competirían.
Dada la naturaleza climática de los países tropicales una de las fuentes energéticas que
ofrecen mayor potencial es la solar, por lo que se realizara el estudio sobre este tipo de sistemas.
2.1 Energía Solar.
El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa (con una
masa 330.000 veces mayor que la de la Tierra) 2 , formado fundamentalmente por Helio,
Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen continuas reacciones nucleares de
fusión, es decir, reacciones mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de hidrógeno
para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.
De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la
atmósfera terrestre en forma de radiación solar. De ella, un tercio es enviada de nuevo al espacio
a consecuencia de los procesos de refracción y reflexión que tienen lugar en la atmósfera de la
Tierra. De los dos tercios restantes, una parte es absorbida por las distintas capas atmosféricas
que rodean el globo terráqueo. El resto llega efectivamente a la superficie de la Tierra por dos
vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos iluminados por el Sol; e
indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La
primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa3.
2
3
Tomado de[7]
Tomado de[7]
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Sin embargo, la energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía
según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según
las distintas zonas de la superficie terrestre, etc, debido a los movimientos de la Tierra y a la
absorción de la radiación solar por parte de la atmósfera. La intensidad de energía solar
disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible,
del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede
recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
Cabe señalar que por otro lado la energía solar tiene una importancia directa y esencial en
la generación de diversas energías renovables. Así, la absorción de la energía solar por parte de
las plantas -el proceso fotosintético- da lugar a la biomasa. La energía eólica, la energía
mareomotriz, etc., tienen también su origen en los efectos de la radiación solar sobre la Tierra.
Por otro lado la energía solar es incluso la causa última que explica la presencia de carbón,
petróleo o gas natural en la corteza terrestre.
En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través
de dos vías basadas en principios físicos diferentes.
Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan esta vía absorben la energía solar y
la transforman en calor.
Por otro lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la energía
solar en energía eléctrica mediante las llamadas "células solares" o "células fotovoltaicas".
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2.1.1 Energía solar térmica.
Los sistemas de energía solar a baja y media temperatura son los que ofrecen
posibilidades más interesantes a corto plazo, utilizándose de cara a servicios de tipo domésticos,
tales como la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización de piscinas,
invernaderos, secaderos, etc.
Es conveniente en estos casos disponer de sistemas solares con apoyo de algún sistema
convencional de producción de energía, para garantizar que el suministro energético es el
adecuado, ya que la energía solar tiene un carácter disperso y semialeatorio, por lo que tanto,
pudiera suceder en un momento dado que la ausencia de una radiación solar suficiente hiciera
imposible la cobertura de las necesidades energéticas mediante el sistema solar.
El aprovechamiento de energía solar a baja temperatura puede realizar a partir de varias
vías diferentes para calentamiento domestico se utiliza el colector plano.
2.1.1.1 Colectores de placa plana.
Los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por
la que pasa el llamado fluido portador. (Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar
los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción). La energía transferida por el
fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en
porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en
general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor
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de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar
fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia4.
Figura 2.1 Colector de placa plana.
Los colectores de placa plana se han usado para calentar agua y para calefacción. Los
sistemas típicos para casa-habitación utilizan colectores fijos, montados sobre el tejado. En el
hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de
inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas
que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan
(respecto al plano horizontal) un ángulo igual a los 15° de latitud y se orientan unos 20º latitud S
o 20º de latitud N5. Se componen esquemáticamente de una lámina plana, o placa, capaz de
absorber eficientemente la radiación solar y convertirla en calor, y de una serie de tubos en buen
contacto térmico con la placa, por los que circula un líquido refrigerante (generalmente agua o
4
Tomado de[7]
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agua con anticongelante). Este líquido que circula por los canales de distribución sirve para
transmitir el calor absorbido por la placa a un sistema de producción de agua caliente o a un
sistema de calefacción. La lámina es habitualmente metálica (de cobre o acero inoxidable,
principalmente) y a menudo está recubierta de un tratamiento selectivo especial para hacer que la
absorbancia de la radiación solar por parte de la superficie de la lámina sea más intensa. Para
disminuir las pérdidas de calor del colector, la parte posterior de la lámina posee un aislamiento
térmico, y la parte superior una cubierta de láminas transparentes de cristal o -en algunos casosplástico, que reduce las pérdidas de calor por radiación y convierte al colector en una especie de
invernadero. Por último, una caja metálica es el soporte de todos estos elementos. .Además de
los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están
constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para
activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento6
2.1.2 Energía fotovoltaica.
Todo el desarrollo de las tecnologías de generación eléctrica fotovoltaica se basa en el
fenómeno físico llamado efecto fotovoltaico el cual produce la conversión directa de radiación
electromagnética en corriente eléctrica. La transformación se basa en la consideración de la
energía luminosa como Cuantos de energía llamados fotones y en la teoría cuántica de Max
5
6
Tomado de [8]
Tomado de [8]
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Planck. El efecto fotoeléctrico ocurre cuando un material en concreto es irradiado con energía
luminosa y genera corriente eléctrica.
El soporte de la conversión en los sistemas fotovoltaicos modernos son los materiales
semiconductores. La semiconductividad cuando no es propia o intrínseca del material puede
producirse por el dopado o impurificación de cristales de determinados elementos químicos con
otro elemento que pueda aportar electrones de valencia a niveles inferiores o superiores del
elemento en forma de cristal.
Se ha descubierto que el silicio convenientemente modificado (dopado) es el mejor
candidato para esto. Construyendo diodos semiconductores de silicio los rendimientos ascienden
por encima del 30%7.
Figura 2.2 Foto microscópica de celda fotovoltaica
Un diodo está formado, como su nombre indica por dos partes. Una parte positiva y la
otra negativa en la positiva el material se encuentra falto de electrones y a la negativa le sobran.
7
Tomado de [7]
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Cuando estas dos partes se unen forman lo que se llama diodo semiconductor. Las características
principales de éste elemento son que la corriente eléctrica sólo puede circular hacia un sentido,
por eso se llama semiconductor. La última de las características es que también produce efecto
fotoeléctrico. El silicio tiene cuatro electrones de valencia por lo que para producir las
características necesarias de semiconductor se debe contaminar el material el cristal original. El
dopado consiste en introducir otros materiales contaminantes en menor cantidad o impurezas en
un material madre como es en este caso el silicio. Se introduce fósforo en el silicio se consigue
tener un electrón de más cada vez, puesto que el fósforo tiene cinco electrones en la última capa
y se obtiene silicio negativo (semiconductor tipo n), por el contrario si se introduce un material
como aluminio o boro se tendrá un electrón de menos o hueco debido a que el aluminio tiene tres
electrones en la última capa con lo que se obtiene silicio positivo (semiconductor tipo p)
Figura 2.3 Esquema de funcionamiento de un diodo.
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2.1.2.1 Célula fotovoltaica.
Las células fotovoltaicas se forman por la unión de dos materiales semiconductores. Uno
del tipo n y otro del tipo p; aparece entonces una polaridad en la zona de unión con la
correspondiente formación de un campo eléctrico, esto debido a la difusión de electrones desde
la zona n, donde están los electrones de mas libres hasta la zona p donde existen los huecos8.
En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales
semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas de tipo continua. La tensión de
trabajo depende de las características físico-químicas del material en cuestión. El aumento de la
temperatura disminuye la tensión de trabajo de la célula que para el silicio es de 0,5 voltios9. La
corriente generada por cada célula, es esencialmente proporcional a la superficie expuesta al sol
y a la intensidad de la radiación incidente.
2.1.2.2
Módulos solares fotovoltaicos.
Se define como un conjunto de celdas o células solares conectadas eléctricamente,
montadas en elemento soporte que además les sirva para protegerlas de las condiciones
climáticas adversas se le llama módulo solar fotovoltaico. Debido a las restricciones impuestas
por la producción en serie, en el mercado existe una variedad reducida de módulos cuyas
potencias de salida varían desde un 1 Wp (Watt-pico) hasta 180 Wp10.
8
Tomado de [9]
Tomado de [9]
10
Tomado de [3]
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Para la fabricación de los módulos se tiene en cuenta la caracterización eléctrica de las
celdas solares teniendo en cuenta la corriente y potencia máxima, formando una unidad,
generalmente de 36 piezas, en serie que finalmente son encapsuladas por un proceso llamado de
laminación.
La eficiencia de conversión de los módulos en general, es siempre menor que la
eficiencia de las celdas solares individuales por varias razones: No toda el área del módulo está
cubierta por celdas, pérdidas en la cubierta anterior y el relleno encapsulante y variaciones en las
características eléctricas de celda a celda. Es aceptado que la eficiencia de los módulos que hoy
se comercializan es 10 ó 20 %11 menor que la de las celdas individuales empleadas.
Figura 2.4 Arreglo o panel fotovoltaico típico con 36 celdas en serie.
11
Tomado de [3]
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La corriente y el voltaje entregados por un módulo varían con la temperatura ambiente y
con la intensidad de la luz incidente. Las curvas típicas de corriente y voltaje de un módulo solar
se muestran en la figura 2.6. Estas variaciones son de suma importancia para el diseño óptimo de
un sistema fotovoltaico. Además causan problemas para la comparación entre módulos, por lo
que se ha definido el watt- pico como aquel watt de potencia entregado por un módulo
fotovoltaico cuando este recibe una insolación de 1000 W/m2 a una temperatura ambiente de
25ºC12 .Por lo anterior no es posible comparar directamente la potencia instalada de un sistema
fotovoltaico con un generador convencional. Es necesaria la energía entregada en un
determinado período de tiempo.
Figura 2.5 Efecto de la temperatura de trabajo en la relación IV (corriente-voltaje)
12
Tomado de [9]
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Los módulos fotovoltaicos al igual que las celdas solares también pueden ser
interconectados en serie y paralelo para satisfacer los requerimientos de una carga específica. El
arreglo o panel solar fotovoltaico consiste en este conjunto de módulos interconectados
eléctricamente y montados convenientemente en una estructura soporte. El mismo generalmente
se instala en los techos de las edificaciones pero también pueden colocarse sobre cimientos en el
suelo o formando parte de la estructura arquitectónica (integrados) en techos y paredes.
En dependencia de las divergencias entre los patrones de insolación y de carga eléctrica
demandada será necesaria la inclusión de subsistemas de almacenamiento y auxiliares, así como
de elementos electromecánicos o electrónicos requeridos en el manejo adecuado de la potencia,
para la operación apropiada del equipo durante todo el tiempo de operación predeterminado.
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CAPITULO 3: Implementación de un sistema fotovoltaico.
3.1 Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica.
Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de ellos
cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda suplir la demanda de
energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como combustible la energía solar. La
definición anterior deja claramente establecido que la carga eléctrica determina el tipo de
componentes que deberán utilizarse en el sistema. La completa definición de la carga debe tener
en cuenta tres características que la definen: el tipo, el valor energético y el régimen de uso13.
Existen tres tipos de cargas: CC, CA, y mixta (CC y CA). Cuando la carga tiene aparatos
de CA, se necesitará incorporar al sistema un inversor. Este componente transforma el voltaje de
CC proporcionado por los paneles en un voltaje de CA. Las pérdidas de energía en estos sistemas
son mayores que la de los de CC.
El valor energético representa el total de energía que consumirá la carga dentro de un
período determinado, generalmente un día. Para sistemas pequeños este valor estará dado en
Wh/día. Para sistemas de mayor consumo en Kwh/día. Las principales consideraciones de estos
sistemas así como las características de sus componentes serán expuestas en el presente capitulo.
3.1.1 Potencia de salida
La potencia máxima de salida de un panel FV es la característica más importante del
mismo. Salvo en casos de muy bajo consumo, la implementación de un sistema FV requiere el
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uso de paneles con potencias de salidas de 30 o más watts. Paneles con potencias por debajo de
30W no ofrecen una solución práctica, ya que la diferencia en costo no es suficiente para
justificar el mayor número de paneles requeridos14.
Si los valores de irradiación solar y la orientación del panel permanecen constantes, la
corriente de salida de un panel F.V. varía con el valor del voltaje en la carga y su temperatura de
trabajo. Esto se debe a las características intrínsecas de los materiales semiconductores. La
Figura 3.1 muestra, en forma gráfica, la relación entre la corriente y el voltaje de salida para un
panel FV (curva I-V), para cuatro temperaturas de trabajo, cuando el nivel de radiación
permanece constante.
Figura 3.1. Curvas I-V a diferentes temperaturas.
13
14
Tomado de [5]
Tomado de [5]
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Si bien se ha seleccionado un panel en particular para esta ilustración, la mayoría de los
paneles tienen un comportamiento similar, ya que utilizan celdas de silicio. Puede observarse que
el valor máximo para el voltaje de salida corresponde a un valor de corriente nulo (voltaje a
circuito abierto), mientras que el valor máximo para la corriente corresponde a un voltaje de
salida nulo (salida cortocircuitada). Todas las curvas tienen una zona donde el valor de la
corriente permanece prácticamente constante para valores crecientes del voltaje de salida, hasta
que alcanzan una zona de transición. A partir de esta zona, pequeños aumentos en el voltaje de
salida ocasionan bruscas disminuciones en el valor de la corriente de salida. El comienzo de la
zona de transición se alcanza para menores valores del voltaje de salida cuando la temperatura de
trabajo se incrementa.
3.1.2 Efecto de la temperatura
Tanto la corriente de cortocircuito como el voltaje a circuito abierto, se ven afectados por
la temperatura de trabajo, pero el tipo de variación, así como su magnitud porcentual, son
distintos para estos dos parámetros. Si tomamos como referencia los valores a 25°C, la corriente
de cortocircuito aumenta moderadamente (+ 1,6% a 50°C; + 3,3% a 75°C), mientras que el
voltaje a circuito abierto disminuye sensiblemente (-9,5% a 50°C; - 16,7% a 75°C). Es por ello
que los fabricantes tratan de ofrecer un voltaje de circuito abierto elevado a 25°C, de manera que
el incremento en la temperatura de trabajo no impida el proceso de carga de las baterías. Cuando
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la temperatura de trabajo es menor que 25°C, el voltaje de circuito abierto crece, y la corriente de
cortocircuito disminuye15.
3.1.3 Máxima potencia de salida.
Para cada condición de trabajo se puede calcular la potencia de salida del panel
multiplicando los valores correspondientes al voltaje y la corriente para ese punto de la curva
I-V. En particular, la potencia de salida es nula para dos puntos de trabajo: circuito abierto y
cortocircuito, ya que la corriente o el voltaje de salida es nulo. Por lo tanto, si la salida de un
panel es cortocircuitada, éste no sufre daño alguno. Entre estos dos valores nulos, la potencia de
salida alcanza un valor máximo que varía con la temperatura. El valor máximo que corresponde
a una temperatura de trabajo de 25°C se denomina “valor óptimo” o “valor pico” (Wp) del panel.
Para determinarlo, se usan los valores estandarizados de potencia luminosa del Sol. Los valores
de voltaje y corriente asociados con este máximo (Vp e Ip) son los dados en la hoja de
especificaciones para el panel. Los valores de potencia máxima en función de la temperatura de
trabajo están ubicados al comienzo de la zona de transición de la curva I-V para la temperatura
en consideración. El valor de la potencia de salida a 0°C es el mayor de todos ellos16.
15
16
Tomado de [5]
Tomado de [9]
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3.1.4 Factor de degradación.
Para la mayoría de los paneles FV, cuando la temperatura de trabajo aumenta, el valor de
la potencia de salida disminuye. En la práctica, debido a la disipación de calor dentro de las
celdas del panel, salvo en climas muy fríos, la temperatura de trabajo excede los 25°C. Cuando
ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico especificado por el fabricante. El
diseño de un sistema FV debe tener en cuenta esta degradación del panel, a fin de asegurar que
los requerimientos eléctricos del sistema pueden ser satisfechos durante los días más calurosos
del verano. Para el período invernal, si el mínimo para la temperatura promedio es menor a los
25°C, no se considera ninguna degradación para la potencia de salida pico. La degradación
puede ser calculada usando los valores dados por las curvas I-V a alta temperatura, pero es más
conveniente usar factores de degradación dados en forma porcentual con relación a la potencia
pico.
3.1.5 Evaluación de la potencia de salida.
Se han llevado a cabo una serie de evaluaciones, usando paneles con celdas de diferentes
tipos por la revista “Home Power”, a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50 ° C. Los
resultados de estas pruebas han sido publicados en tres de sus números: el 24 (Págs. 26-30) y el
33 (Págs. 17-20) y el 49 (Págs. 28-33). La última evaluación fue llevada a cabo después de un
largo tiempo de uso de los paneles puestos a prueba y la temperatura de trabajo es la de verano.
Ellos evaluaron nueve (9) paneles con tres (3) tipos diferentes celdas: cristalina, policristalina y
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amorfa. Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de
celda, ofrecen un coeficiente de degradación que oscila entre 0,7 y 0,86%. Sin embargo se debe
destacar que tres paneles no siguen esta regla. El ARCO Trilaminar Modelo M52L, con celdas
cristalinas, exhibe un coeficiente de degradación de 0,05%, el Siemens M52L, también con
celdas cristalinas, de 0,32%, y el Unisolar UPM880, del tipo amorfo, tiene un coeficiente de
degradación negativo (más salida de poder que la nominal) de -0,066%. La temperatura de
trabajo de todos los paneles osciló entre los 50 y 55°C. La mayoría de los paneles tenían 5 años
de uso, y ninguno menos que un año. La potencia nominal (Vp x Ip) oscila entre los 22 y
105W17.
3.2 La Batería Solar.
El acumulador de Pb-ácido tiene numerosas aplicaciones. El interés para este caso se
reducirá a las baterías para sistemas FV (baterías solares). La batería de un sistema solar, debe
ser capaz de sostener corrientes moderadas (una decena de amperes), durante horas. Además, en
muchas aplicaciones, deberá permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno).
Normalmente, los períodos de reposo son nulos, ya que está siendo cargada o descargada.
Diferentes requerimientos de uso sólo pueden satisfacerse con diseños distintos.
Los electrodos de una batería solar tienen una aleación de antimonio, la que permite
adherir una mayor cantidad de material activo. El envejecimiento de una batería se produce por
17
Tomado de [9]
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la pérdida de éste cuando la batería es descargada. Celdas con mayor cantidad de material activo
tienen una más larga duración y profundidad de descarga. El incremento del material activo
aumenta el costo y el peso de la batería. Una batería solar de 6 V, con volumen muy similar a la
de 12 V en un automotor, pesa más de 30 Kg.18. La presencia del antimonio incrementa las
pérdidas por autodescarga. Si una batería solar permanece en almacenamiento, debe ser cargada
con frecuencia. Como la presencia del antimonio incrementa la gasificación, la corriente de carga
en un sistema FV debe tener un régimen variable.
3.1.1 Profundidad de descarga
Dos características identifican a una batería solar: la mayor profundidad de descarga (PD)
y un alto valor para el ciclaje, la batería solar permite una PD máxima del 80%, cientos de veces,
a niveles de corriente moderados. Es por ello que a estas baterías se las denomina de ciclo
profundo (BCP)19.
Se considera que una BCP ha completado todos los ciclos de carga y descarga cuando, al
ser cargada nuevamente, la máxima energía que puede almacenar se reduce al 80% de su valor
inicial. El número de ciclos de carga/descarga depende de la PD. Cuando ésta disminuye, el
número de ciclos aumenta. Para una dada PD, la batería más robusta proporciona el mayor
número de ciclos con electrolito líquido.
18
19
Tomado de [9]
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3.2.2 Modelos de Baterías Solares
Las versiones con mayor aceptación son las de 6 y 12V nominales. Baterías de 6V, con
una capacidad de unos 200Ah, son utilizadas en sistemas de mediana capacidad de reserva,
donde pasan a formar parte de un banco de baterías con conexión serie o serie-paralelo, a fin de
satisfacer los valores de voltaje y corriente del sistema. Esta versión ofrece el mejor compromiso
entre peso (facilidad de manejo) y número de Ah de reserva. Como los sistemas FV de bajo
consumo son sistemas de 12V nominales, los requerimientos de reserva pueden ser satisfechos
con la versión de 12V, la que tiene una capacidad de unos 100Ah. Baterías de más de 250Ah
resultan convenientes cuando se trabaja con sistemas de alto consumo. Se fabrican asimismo
baterías de ciclo profundo con capacidad de reserva mucho más grandes. Un modelo de 24 V,
diseñado para ser usado en un sistema comunal (varias casas conectadas a un sistema FV) tiene
una capacidad de 1.493Ah y pesa 1.200 Kg.20.
3.3 El Control de la Carga.
Durante la noche el voltaje de salida de los paneles FV es nulo. Al amanecer, atardecer o
en días nublados, el nivel de insolación es bajo y los paneles no pueden cargar las baterías. En
este último caso el control de carga cumple un rol pasivo, aislando el banco de acumulación del
bloque de generación, evitando su descarga. Cuando la insolación aumenta, el voltaje de los
paneles supera al del banco de baterías y el proceso de carga se reanuda. Es entonces cuando el
control de carga tiene un rol activo, evitando una gasificación excesiva del electrolito.
20
Tomado de [9]
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3.3.1 Selección del control de la carga
La selección de un control de carga está determinada por los parámetros eléctricos del
sistema (voltaje y amperaje de trabajo), los detalles de diseño (uno o más bloques de carga, tipo
de batería y montaje mecánico más conveniente) y por las opciones ofrecidas por el fabricante
(funciones auxiliares), en este apartado se analizaran estos detalles.21.
Los modelos ofrecidos en el mercado pueden ser agrupados en dos categorías: controles
en serie y controles en paralelo. Esta clasificación está relacionada con el paso que toma la
corriente de carga, respecto al banco de baterías, cuando el control comienza a restringir la
gasificación. En un control en paralelo, cuando el voltaje de batería alcanza un valor
predeterminado (batería cargada), la corriente de los paneles es desviada a un circuito que está en
paralelo con el banco de baterías. Cuando el voltaje de batería baja por debajo de un valor
mínimo, predeterminado por el fabricante, el proceso de carga se restablece nuevamente. Tanto
en el control paralelo, como en el serie, el máximo valor de la corriente de carga está
determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y el de baterías
3.3.1.1 Control Paralelo.
En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula totalmente. En el control
en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o de valor variable. Más adelante se
21
Tomado de [5]
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describen varios criterios de diseño para controles de carga serie. Los primeros controles de
carga eran del tipo paralelo y ejercían un control muy rudimentario. Cuando el voltaje de batería
alcanzaba un valor considerado como el de carga completa, la corriente de los paneles era
desviada a un circuito en paralelo, el que tenía una resistencia fija (dummy load, en inglés). Esta
disipaba, en forma de calor la energía proporcionada por el bloque generador.
Figura 3.2 Control de carga paralelo con resistencia disipadora
Un transistor bipolar solía proveer la acción representada por el interruptor en serie con la
resistencia de disipación. Este sistema de desviación paralelo ha sido suplantado por uno más
elaborado, donde el circuito de control actúa sobre un semiconductor (MOS-FET), el que posee
una muy baja resistencia interna y soporta altas corrientes. Estas dos características permiten
establecer un efectivo cortocircuito de salida, minimizando la disipación por calor dentro del
semiconductor.
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Figura 3.3 Control de carga paralelo con MOSFET.
Este control de carga tiene una desventaja que le es inherente: el banco de baterías debe
ser aislado del cortocircuito. El diodo serie (DS en las figuras anteriores) cumple con esa
función. Esto provoca una disminución en el voltaje de carga, así como una pérdida de energía
(disipación de calor dentro del diodo). Para disminuir ambos valores se utilizan diodos del tipo
Schottky. Este tipo de componente tiene una juntura formada por un semiconductor y un metal.
El resultado es un diodo con menor voltaje de trabajo (0,3V en lugar de 0,6V). Para el mismo
valor de corriente de carga, las pérdidas se reducen a la mitad22.
3.3.1.2 Control Serie
El control serie, ilustrado en forma esquemática en la siguiente elimina la necesidad de un
diodo en serie, ya que la apertura del interruptor aísla al banco de baterías de los circuitos
posteriores.
22
Tomado de [5]
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Figura 3.4 Control de carga en serie.
Algunos fabricantes, incorporan un diodo Schottky en serie con el circuito de control.
Este diodo protege a este circuito si, accidentalmente, se lo conecta con la polaridad invertida. Es
interesante destacar que ninguno de los controles permite cargar las baterías a corriente o voltaje
constante, debido a las variaciones del nivel de insolación y del voltaje de baterías.
3.3.2 Corriente Máxima de Trabajo.
El control de carga debe manejar, como mínimo, la máxima corriente de generación. Para
un control paralelo, el interruptor deberá manejar, asimismo, la máxima corriente de
cortocircuito de los paneles. Los controles de carga ofrecidos por la industria pueden manejar
corrientes entre 2 y 180A. A pedido pueden obtenerse unidades que trabajan con mayores
amperajes de carga23.
23
Tomado de [5]
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3.3.3 Voltaje Máximo de Trabajo.
El número de paneles conectados en serie, así como el máximo valor que puede alcanzar
el voltaje de salida del panel (circuito abierto), determinan el mínimo voltaje de trabajo del
control de carga. Es común que el fabricante provea un margen de seguridad para la unidad,
diseñándolos para soportar voltajes en exceso del valor nominal del sistema. Los dos voltajes
más popularizados son 12 y 24V. A pedido, pueden obtenerse unidades que trabajan a mayores
voltajes (múltiplos de 12).
3.3.4 Máximo voltaje de Entrada
Hay dos tipos de especificaciones para el máximo voltaje tolerado a la entrada del control
de carga. Una establece un voltaje máximo, el que no puede ser sobrepasado.
La otra ofrece protección automática contra sobre-voltajes de entrada. Este último tipo de
protección es posible con el uso de componentes que varían su resistencia interna en función del
voltaje aplicado (varistores). Este componente está conectado en paralelo con la entrada del
control. Cuando el voltaje de entrada es el normal (valor nominal del sistema más un porciento
de reserva), el varistor ofrece una muy alta resistencia interna, comportándose como un
componente “fantasma”. Cuando el voltaje de entrada excede un determinado valor, la
resistencia interna se hace prácticamente nula, cortocircuitando la entrada. Las tormentas
eléctricas inducen altos valores de voltaje a la entrada de los controles. La presencia de varistores
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permite la absorción de la energía representada por ese cortocircuito. El nivel de absorción
depende del modelo de varistor usado. Si el máximo para un determinado modelo es excedido, la
unidad no se repone del cortocircuito, y el componente debe ser cambiado inmediatamente.
Algunos modelos de control de carga tienen una luz de estado sólido (LED) asociada con el
componente, a fin de indicar cuando éste ha sido dañado.
3.4 Diseño del sistemas fotovoltaico.
Para que un sistema fotovoltaico sea considerado de calidad aceptable, este debe incorporar
el menor número de paneles y baterías (si se requieren), y satisfacer las condiciones impuestas
por la carga eléctrica, con un determinado grado de confiabilidad para el sistema.
El grado de confiabilidad, expresado en forma porcentual, es la relación entre el tiempo
durante el cual el sistema FV puede suplir los requerimientos de la carga y el tiempo en que ésta
debe permanecer activa. Para el caso de este proyecto debido a la naturaleza de las actividades
que se realizan se considerara en algunos casos servicios críticos, donde el grado de
confiabilidad se considera cercano al 100%. La carga en estos servicios permanece activa los 365
días del año, y en algunos sistemas, durante todo el día. Los servicios que no son críticos pueden
tener un grado de confiabilidad menor (cerca del 90%) 24 . Cuando el grado de confiabilidad
aumenta, el costo del sistema se incrementa. Esta relación no es proporcional. El incremento en
el costo es extremadamente rápido cuando el grado de confiabilidad se incrementa del 95% al
100%. El grado de confiabilidad de un sistema FV representa, en cada instante, un balance entre
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el consumo y la capacidad de satisfacer ese consumo. En un sistema FV con régimen de uso
nocturno, los días sin sol introducen un desbalance en la parte generadora, el que debe ser
corregido incrementando la capacidad de reserva, o suplementando la generación con otras
fuentes de energías renovables, como son la eólica o la hidroeléctrica (sistema híbrido). En
ambos casos, como se señaló con anterioridad, el costo del sistema se incrementa. Variaciones en
la carga afectan, asimismo, el grado de confiabilidad. Por otra parte, la introducción de cargas no
previstas en el diseño original disminuirá el grado de confiabilidad del sistema, ya que el
equilibrio energético se verá afectado por el aumento del consumo. Es importante recordar que
aún los sistemas convencionales de generación y distribución de electricidad nunca alcanzan el
100% de confiabilidad (fallas de equipo, desconexiones programadas o tormentas). Otro factor
que afecta negativamente la confiabilidad es una falla en su funcionamiento.
A continuación se describen las etapas básicas del proceso de diseño de un sistema FV.
El procedimiento no representa un esquema rígido. Varios de los pasos pueden ser considerados
en forma simultánea, o en diferente orden.
3.4.1 Planta física.
La Unidad de Cuidados Paliativos de Alajuela cuenta con un edificio principal para fines
administrativos y donde se encuentran los consultorios médicos; además existen en el lugar dos
salas para la atención temporal de pacientes. También la planta física cuenta con dos cabañas con
capacidad para cuatro personas (una para mujeres y otra para hombres) donde se da alojamiento
24
Tomado de [5]
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permanente a pacientes sin hogar. Recientemente una nueva estructura destinada al
internamiento de pacientes se encuentra en fase de construcción.
3.4.2 Estimación de la carga.
Cuando la carga permanece conectada sin interrupción, y se conoce su consumo, el
cálculo de la energía que ésta ha de consumir se reduce a un simple proceso de multiplicación.
Cuando la carga es intermitente, la obtención de la energía a consumirse implica la estimación
aproximada de dos variables: la duración del período promedio activo y el número de éstos
durante el tiempo que sea considerado.
Para las consideraciones correspondientes al cálculo de cargas es importante tener una
idea de la infraestructura que conforma la institución.
3.4.2.1 Sistema que alimente solo cargas CA
Dada la naturaleza del la institución sujeto de este estudio podría considerarse el caso en
que un sistema fotovoltaico alimente solo cargas de corriente alterna. Para poder operar una
carga de CA en un sistema de CC, se necesita transformar este último voltaje en otro de CA. Esta
transformación es llevada a cabo por medio de un inversor. La conversión de CC a CA se lleva a
cabo con una eficiencia que oscila entre el 85 y el 95 %25. Esto significa que las pérdidas varían
entre el 15 y el 5% de la potencia suministrada a la entrada. Los valores porcentuales más
25
Tomado de [5]
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elevados corresponden a los modelos que manejan un bajo valor de potencia. Esto se debe a que
el consumo del circuito del inversor no crece proporcionalmente con el aumento de la potencia
que éste puede manejar .Por lo que para un mismo valor de wh/día a entregarse a la carga, el uso
de un inversor incrementa las pérdidas del sistema, forzando un aumento en el bloque generador,
lo que incrementa el costo del mismo.
3.4.3 Implementación de energía fotovoltaica a toda la institución.
Primeramente se pensó en la posibilidad de suplir las necesidades de toda la institución
por lo que se procedió ha hacer la estimación de carga.
Dado que se tienen los recibos de consumo eléctrico de los últimos 6 meses el cálculo de
carga se simplifica. Cabe señalar que la Unidad de Cuidados Paliativos de Alajuela es alimentada
a través de dos acometidas independientes cada una con su respectivo medidor. Para efectos de
cálculo se considero la acometida que reportaba un menor consumo la cual alimenta al edificio
principal.
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Consumo Kwh al mes
1200
1100
1000
900
800
Consumo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agost Setie
1170
1164
1056
982
1047
1143
Figura 3.5 Grafico del consumo mensual de energía U.C.P
Se tomara el mes de abril como el más representativo (de mayor consumo) por lo que se
tiene una carga mensual a ser suplida de 1170 Kwh-mes. Considerando que el edificio central
solo opera de lunes a viernes y que el mes de Setiembre cuenta con aproximada mente 22 días de
jornada laboral (de consumo eléctrico). Como el mes de cobro tiene 30 días y suponiendo que el
gasto se realiza en 22 de esos días (no se toman en cuenta los fines de semana) se tiene que la
carga total por día es:
C t = 1170 Kwh / mes *
mes
= 53,182 Kwh / d
22 dias
Donde:
Ct es la carga CA total por día ha se consume en el edificio.
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Ahora bien hay que recordar que al valor de Wh/d de la carga de CA se le debe adiciona
las pérdidas del inversor. Si se tomara el peor caso con una eficiencia del inversor del 85%, por
lo que la carga total que deberá generar el sistema FV esta dada por:
Ct
η
=
53,182Kwh / d
= 62,567 Kwh / d
0,85
Donde:
es la eficiencia del convertidor.
3.4.3.1 Calculo del bloque generador.
Con la estimación de la carga que a será generada se calculara el numero de paneles a ser
utilizados. El proceso comienza con la selección del panel FV. Uno con alta potencia de salida,
de manera de reducir el número de ellos al mínimo, así mismo deberá tener un alto voltaje a
circuito abierto, de manera de tener suficiente voltaje de carga para el banco de baterías Debido
a la elevada potencia a ser generada se optara por un panel de 165watts potencia de salida,
como el Isofoton I-165 que es uno de los panel con mayor potencia de salida que se consigue
en el país26.
Las especificaciones eléctricas de este panel son:
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Tabla 3.1 Características elécticas panel I-65
Características Eléctricas
I-165
Tensión nominal (Vn)
Potencia Máxima(Pmax)
Corriente de cortocircuito(Isc)
Tensión de circuito abierto(Voc)
Corriente de máxime potencia(Imax)
Tensión de máxima potencia(Vmax)
12V
165Wp
10,14A
21,6V
9,48A
17,4V
Datos climáticos sobre el lugar.
Según criterios prácticos de expertos en sistemas FV, para el clima costarricense y debido
a la irradiación solar que se presenta en el país, el único dato útil ha tomarse en cuenta para
efectos de calculo es el tiempo de irradiación máxima promedio que se considera de 4 horas en
las que se supone el panel FV generara su potencia pico27.
Numero de paneles a usarse.
Para el cálculo del número de generadores solares a emplearse se utilizara la corriente
total a ser suplida y el voltaje de funcionamiento del sistema. Se harán los cálculos para un
26
27
Datos proporcionados por la empresa energías renovables.
Datos proporcionados por la empresa energías renovables.
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voltaje nominal de 12 voltios por lo que se considerara un arreglo en paralelo de los paneles
teniéndose que:
IC =
C t 62,567 Kwh/ d
=
= 5214 Ah / d
12v
12v
Donde:
IC es la corriente que consume la carga en amperios hora por día.
La cantidad total de paneles deberá suplir la corriente diaria. Asumiendo que cada uno de
estos generara su corriente máxima en un día solar de 4 horas se tiene:
I p = 4h / d * 9,48 A = 37,92 Ah / d
Donde
Ip es la corriente que aporta el panel en un día promedio de funcionamiento.
El número total de generadores a implementar esta dado por:
N=
Ic
= 137,5
Ip
Entonces el número de paneles totales a colocarse es de 138.
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Un diseño más reservado podría representar una posibilidad más realista de utilizar un
sistema FV como fuente generadora.
3.4.4
Implementación de energía fotovoltaica para consumo de una cabaña.
Las cargas a ser suplidas por el sistema constan de 5 lámparas fluorescentes para ser
montadas en plafón cada una de 18 watts para iluminación interna y cuatro luces exteriores del
mismo tipo, se considerará sumar una carga más de 18 watts que representará el gasto de una
radio grabadora o equipo similar destinada a la recreación de los pacientes además se añadirá una
carga más de 220 watts que corresponde a una máquina concentradora de oxígeno necesaria para
aquellos pacientes con enfermedades pulmonares. Por lo tanto la estimación total de la carga se
puede calcular multiplicando las horas de uso y el consumo energético de cada elemento.
Siguiendo procedimientos similares a los expuestos anteriormente se tiene:
Tabla 3.2 Estimación del consume de carga a suplir por el sistema
Estimación de carga
Descripción
Unidades
Potencia AC
Horas uso
Energía/día
Carga/día
Luminaria fluorescente
Radio grabadora
Concentrador de oxigeno
TOTAL
9
1
1
18
18
220
5
2
24
953
44
6212
7207
79,41
3,70
517,65
601
(Uds.)
(W)
(h)
(Wh/día)
(Ah/día)
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3.4.4.1 Estimación de pérdidas energéticas.
El valor energético a generarse debe tomar en consideración las perdidas anticipadas en el
sistema (cableado, control de carga y baterías). Estas pérdidas deben ser compensadas por el
bloque generador. Para el cálculo se puede asumir que las pérdidas en el cableado y el control de
carga representan un 2% del total a generarse (eficiencia: 98%)28.
Las pérdidas debidas al uso de baterías de Pb-ácido dependen de la temperatura del
electrolito. Se asumirá que las baterías permanecerán en el interior de la cabaña, resguardada
durante el verano y el invierno. Esta protección ambiental nos permite asumir una temperatura
cercana a los 25°C para el electrolito. La capacidad de acumulación será del 100% y la eficiencia
del proceso de carga es de aproximadamente 89%29. La eficiencia total del sistema tendrá un
valor de 0,87 (0,98 x 0,89). Estas pérdidas deberán ser compensadas por el bloque generador.
3.4.4.2 Calculo del bloque generador.
Se utilizarán paneles con las mismas características del caso anterior y se seguirán
procedimientos similares de cálculo.
28
29
Tomado de [5]
Tomado de [5]
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Número de paneles a usarse.
La cantidad total de paneles deberá suplir la corriente diaria requerida por el sistema
(601Ah/d) más las pérdidas. Asumiendo que cada uno de estos generará su corriente máxima en
un día solar de 4 horas se tiene cada uno de los módulos puede generar 37,92 Ah/d . Entonces el
numero total de generadores viene dado por.
N=
601
= 18,21
37,92 * 0,87
Entonces el número de paneles totales a colocarse es de 19
3.4.4.3 Generación diaria del Sistema.
Las 4 horas diaria permitirán generar
720,5 Ah/d (37,92x4) valor que satisface la
demanda de la carga estacional más las pérdidas en el sistema con un exceso. Este exceso de
energía alcanza los 29Ah/d (+5%). La corriente sobrante se utilizará en la recarga del banco de
baterías.
3.4.4.4 Cálculo del banco de baterías de reserva.
Para calcular el banco de reserva se supondrá un nivel de autonomía de 4 días hipotéticos
en los cuales el nivel de irradiación solar será de cero, es importante tomar en cuenta régimen de
uso del mismo durante los períodos que preceden y suceden a los cuatro días sin sol.
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40
Figura 3.6 Variación de la reserva de un banco de baterías
El gráfico de la Figura 3.2 muestra las variaciones que sufre la reserva durante esos
períodos. Se ve que mientras se cuente con días soleados las baterías se recargan a su nivel
máximo. La energía consumida durante la noche es restituida por los paneles al día siguiente. Al
comenzar el período sin sol, que se consideró de insolación nula, las baterías no pueden ser
cargadas. Durante cuatro días se repite este régimen. Esto significa que el mínimo nivel de
reserva al retornar los días de sol estará dado por el consumo energético durante los cuatro días
sin sol más uno, ya que la descarga durante la noche anterior es inevitable.
El banco de reserva deberá acumular 3005Ah (5d x 601Ah/d). Se utilizarán baterías de
ciclo profundo, espacialmente diseñadas para sistemas fotovoltaicos que permiten una descarga
máxima del 80% durante las cinco noches de utilización de la reserva. Este alto porcentaje de
descarga es posible dado su carácter ocasional. Esta asunción significa que la reserva mínima del
banco de baterías deberá ser de 3756Ah (3005/ 0,8). Ahora que conocemos el valor en Ah de la
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reserva, el siguiente paso es la selección más económica para las baterías. En este caso se
utilizaran baterías de plomo ácido que tienen un menor costo y tienen un rango de temperaturas
de trabajo mayor. Uno de los tipos más utilizados de baterías y que más se consigue en el
mercado costarricense es el acumulador de plomo ácido de hasta 150 Ah cuyas características se
presentan a continuación.
Tabla 3.3 Características de batería
MODELO
TENSION NOMINAL
Nº DE VASOS
C150 (Ah)
VIDA ÚTIL
ESTANDARES
CERTIFICADOS
PLACAS POSITIVAS
PLACAS NEGATIVAS
RECIPIENTE
ELECTROLITO
CONEXIONES
TEMPERATURA DE
FUNCIONAMIENTO
BATERÍA ABTA. TUBULAR AT
12
6
3000
>10 años para aplicaciones FV
DIN 40736 (partes 1 y 2)
ISO 9001
Tubulares con aleación Pb-Sb
Planas de rejilla con aleación Pb-Sb
Baterías monobloc: ABS, resistente a impactos,
transparente Vasos independientes: SAN, resistente a
impactos, transparente
Acido sulfúrico diluido d =1,24 kg/l
Cobre macizo y totalmente aisladas
0 – 55 ºC (temperatura recomendada 20 ºC)
Entonces la cantidad de baterías necesaria para suplir esta carga es dada por:
N=
3756
= 25,04
150
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42
Por lo que 26 baterías en paralelo suplirían la demanda.
Tiempo de recarga.
Con 29Ah/d de exceso de generación, se necesitarán 104 días consecutivos de sol para
reponer la carga usada (3005Ah).
Los días sin sol son, en realidad, días nublados o parcialmente nublados, el nivel de
insolación no será nulo, resultando en un menor valor para la PD lo que acorta el período de
recuperación de la batería. Si se advierte la existencia de un nuevo período sin sol durante el
período de recuperación, el sistema deberá ser rediseñado para no forzar una PD mayor del 80%
en la batería.
Existen, teóricamente, dos posibilidades: aumentar la capacidad de generación, a fin de
acortar el período de recuperación del banco de carga, o aumentar la reserva, de manera que el
segundo período nublado no exceda el 80% de la PD. La solución más económica es aumentar el
número de baterías, ya que su costo es mucho menor que el de un panel de generación. La mejor
solución es incrementar la capacidad generación. Al hacerlo, se incrementa la posibilidad de
cargar correctamente el banco de baterías en condiciones no ideales. Una capacidad de
generación de 1,3 a 1,5 veces el valor de la carga máxima es lo más aconsejable. En la práctica
puede que el nuevo período sin sol (mayor que 4 días) no se presente en forma continua,
ofreciendo algunos días soleados. Estos dos factores, junto con la mayor cantidad de reserva,
aumentan la probabilidad de que la PD no exceda el 80%. La cantidad de días de recuperación
depende del consumo durante los días nublados y el exceso de generación.
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43
3.4.4.5 Control de la carga.
Se utilizarán para la regulación de la carga reguladores domésticos iguales o similares
modelo Isoler 30 pues es el tipo de regulador con mayor corriente de generación que se consigue
en el mercado para estas aplicaciones30.
Tabla 3.4 Características del regulador
MODELO
ISOLER 30,
12/24V
12/24
30
30
172 x 105 x 24
600
25
20
3
Tension nominal (V)
Igen (A)
Icons (A)
Dimensiones (mm)
Peso (gr)
Sobrecarga admisible (%)
Autoconsumo (mA) <
Pérdida máxima
generación/consumo (W)
Por lo que el número de reguladores es del sistema esta dado por:
N=
I P *19
= 6.01
30
Bastaran 6 reguladores para el correcto control de la carga.
30
Datos suministrados por la empresa energías renovables
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El inversor
El total de cargas es de 400W, por lo que un inversor de 500watts será suficiente para el
correcto funcionamiento del sistema.
3.5 Costos y rentabilidad del sistema.
La implementación o no de un sistema de generación de este tipo fotovoltaico depende de
viabilidad técnica pero más aun de factores económicos que puedan dar sentido a los gastos que
suponen este tipo instalaciones. Se procederá a hacer un análisis de costo capitalizado a tiempo
presente que permita mostrar si este tipo de fuente de energía es realmente rentable para las
características que presenta la institución sujeta al estudio. Se utilizará la siguiente tabla que
presenta los costos y la vida útil aproximados los equipos
Tabla 3.5 Precios y vida útil de los equipos fotovoltaicos31
Elemento
Batería 150 AH
Controlador 30A
Inversor 500 W
Panel 165 W
Precio
Aproximado
$300,00
$150,00
$800,00
$1000,00
Duración
5
10
10
25
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Por lo que el precio de la inversión inicial es de:
19 paneles solares $19000
26 baterías $7800
6 reguladores 30A $900
Inversor $800
Total $28500
Para hacer una comparación de costos de inversión se debe calcular el ahorro energético
que implicaría el sistema renovable. Al contar con los recibos de luz de la institución de los
últimos 6 meses se puede hacer un estimado del precio por Kwh. que se paga mensualmente.
Tabla 3.6 Costo del Kwh para la U.C.P
medidor #0878408
Mes
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Setiembre
Kwh.
1170
1164
1056
982
1047
1143
Colones
32006
33461
30723
28570
30461
32444
Promedio Colones por Kwh.
31
Colones/Kwh.
27,3555556
28,7465636
29,09375
29,0936864
29,0936008
28,3849519
28,628018
Datos suministrados por la empresa energías renovables
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46
De la tabla 3.6 se tiene que el consumo diario que se ahorraría seria de 7,207 Kwh., por lo
que asumiendo un consumo igual todos los días se tiene que anualmente se ahorrarían
2630,6Kwh (7,207Kwh*365dias). Entonces el ahorro en dólares (asumiendo un tipo de cambio
de 450 colones por dólar) anual es de $166,6 (2630.6*28,6/450). Se utilizará para el análisis el
método del costo capitalizado a valor presente32, donde cantidades de gasto futuras se traen a
valor presente para compara dos flujos de gastos.
Para el cálculo de valor presente se utilizó el factor
P=A
(1 + i )n − 1
(1 + i )n * i
Esta relación devuelve el valor presente de una serie de anualidades.
Donde A es el valor de la anualidad y i el interés del periodo de capitalización.
Además se usara:
P=F
1
(1 + i )n
Donde F es el valor de una cantidad determinada de dinero en el futuro.
El cual proporciona el valor presente de una cantidad gastada a futuro. En ambos casos se
utilizara una taza del 6%. El análisis se realizará comparando el gasto total que significaría el
proyecto a lo largo del tiempo de vida útil del componente de más larga duración (en este caso
32
Tomado de [2]
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los paneles) que es de 25 años contra el ahorro en electricidad
47
que significaría la
implementación de dicho proyecto.
Entonces el gasto inicial del sistema fotovoltaico es de $28500, adicionalmente se deberá
tomar en cuenta un gasto de $7800 cada 5 años debido al banco de baterías que se tendrá que
reponer y un gasto de $1700 cada 10 años debido a el inversor y el los reguladores.
Figura 3.3 Flujo de gastos del sistema fotovoltaico.
El costo capitalizado a valor presente del sistema fotovoltaico se calcula usando los
factores para traer los costos futuros a valor presente.
PD = $28500 + $7800( P / F ,6%,5,10,15,20) + $1700( P / F ,6%,10) + $1700( P / F ,6%,15) = $45850
La cabaña tendrá un gasto anual de 166,6 dólares en electricidad pagando la tarifa actual.
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48
Figura 3.3 Flujo de gasto de la cabaña.
Por lo que el gasto anual a través de 25 años será:
PD = 94( P / A,6%,10) = $2130
Del análisis financiero se puede notar que el costo del sistema fotovoltaico es
considerablemente alto en comparación a los beneficios obtenidos.
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49
CAPITULO 4: Implementación de un sistema Térmico.
4.1 Instalaciones de Energía Solar Térmica de Baja Temperatura.
4.1.1 Clasificación y Aplicaciones
La Energía Solar Térmica esta clasificada en dos divisiones:
1. Activa: Con tres tipos de aplicación dependiendo del rango de temperatura de trabajo
(Baja, Media y Alta), utiliza equipos auxiliares para el aprovechamiento de la Energía
Solar.
2. Pasiva: Que utiliza diseños arquitectónicos para el aprovechamiento de la Energía Solar.
Este capítulo se la centrara en la Energía Solar Térmica Activa de Baja Temperatura, que es
la que se utiliza en las instalaciones de uso residencial para la producción de Agua Caliente33.
Los tipos de instalaciones se pueden encontrar son tres34:
I.
Instalaciones Nuevas: En las cuales se parte de un Proyecto nuevo, en el que todos los
elementos de la Sala de Máquinas se diseñarían y dimensionarían de acuerdo a dos
Generadores Energéticos, uno Convencional (caldera, bomba de calor, resistencia
eléctrica, etc.) y, otro renovable (instalación de energía solar térmica).
33
34
Tomado de [7]
Tomado de [7]
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II.
Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
50
Instalaciones en Uso que utilizan un Generador Convencional: En este caso se adaptan a
los elementos existentes y se intenta integrar la instalación de E.S.T. de tal manera que
reduzca en lo posible el aporte energético del generador existente.
Instalaciones en Uso que ya utilizan un Sistema de E.S.T.: En este caso puede ser que la
III.
propiedad quiera optimizar o ampliar la actual instalación. Igualmente que en el caso
anterior, se adapta el diseño a lo existente y se proporciona información técnica que
justifique la actual instalación y ampliación.
4.1.2 Componentes de una Instalación
Los elementos principales de una Instalación de Energía Solar Térmica a Baja
Temperatura para la Producción de A.C.S., son los siguientes:
•
COLECTORES SOLARES
•
DEPÓSITOS ACUMULADORES
•
CIRCUITOS HIDRÁULICOS
•
REGULACIÓN y CONTROL
•
SISTEMAS de APOYO ENERGÉTICO CONVENCIONAL
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51
4.1.2.1 Los Colectores Solares
Son los dispositivos encargados de captar la radiación solar y convertirla en una forma
útil de energía. Existen varios modelos de fabricación y funcionamiento que podemos clasificar
de la siguiente manera35:
Colector Solar de Placa Plana Abierto: Está formado por una chapa lisa u ondulada de
metal, que hace la función de captador, y una tubería de alimentación unida o fijada a la chapa,
encargada de recircular el fluido que transporta la energía absorbida. Es el más simple y barato
de los Colectores Solares.
Colector Solar de Placa Plana Cerrado: Sus componentes son los mismos que los
abiertos, pero con la diferencia de que el conjunto de chapa captadora y tuberías absorbentes se
protegen por sus laterales y fondo con un cajón perfectamente aislado y su parte frontal cierra
con una superficie transparente. De esta manera se produce un efecto invernadero que afecta de
una manera directa sobre el rendimiento del colector, mejorando su funcionamiento cuando las
condiciones de temperatura ambiente y velocidad del viento son desfavorable. Este es el tipo de
captador más utilizado en las instalaciones para producción de A.C.S., se denomina comúnmente
Colector de Placa Plana (C.P.P.).
35
Tomado de [7]
Diciembre del 2004
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52
Figura 4.1: Colector solar de placas planas
4.1.2.2 Depósitos Acumuladores
Dispositivo esencial en todo sistema de captación de energía solar, excepto en las
instalaciones que utilizan la energía producida por los colectores solares directamente al
consumo, que son menos del 1%. Los depósitos acumuladores, son los encargados de almacenar
el calor captado por los colectores solares durante los períodos en que se dispone de radiación
solar, para poder disponer de éste durante las horas de consumo a lo largo del día o la noche36.
36
Tomado de [7]
Diciembre del 2004
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Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
53
Figura 4.2: Sistema de acumulación
4.1.2.3 Circuito Hidráulico
Es el conjunto de tuberías, conexiones y elementos eléctrico-mecánicos necesarios para
comunicar los colectores solares con la acumulación o distribución del A.C.S. Sus componentes
son:
•
Tuberías
•
Accesorios de conexión para las tuberías
•
Válvulas de cierre
•
Válvulas de seguridad
•
Válvulas de llenado
•
Válvulas de dos vías
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•
Válvulas de tres vías
•
Vasos de expansión
•
Reductoras de presión
•
Termómetros
•
Bombas de circulación
•
Intercambiadores de calor
54
Figura 4.3: Ejemplo de instalación del sistema hidráulico
Diciembre del 2004
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Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
55
4.1.2.4 Regulación y Control
Es el elemento encargado de accionar o parar el sistema, regulando y controlando su
correcto funcionamiento, de acuerdo a un aporte energético, una acumulación y un consumo o
demanda. Posteriormente se expondrá acerca de los diferentes Sistemas de Aprovechamiento
Energético que se pueden utilizar, Se hará una división importante que ayudará a definir y
clasificar los diferentes tipos de regulación y control que se pueden utilizar. Existen dos Sistemas
de Aprovechamiento Energético llamados de circulación natural (efecto termosifón) y de
circulación forzada. En el primero los elementos que regulan y controlan su funcionamiento son
el propio diseño del Sistema, que permite la recirculación del fluido portador de calor a través
del Circuito Hidráulico. Este método es sencillo y económico, pero no permite obtener el
máximo rendimiento de la instalación. El segundo sistema, circulación forzada, necesita de un
control electrónico que regule su funcionamiento, porque por diseño la instalación es incapaz de
aportar energía. Este componente tiene que medir temperaturas, calcular saltos térmicos y
accionar o parar diferentes componentes de la instalación. Los elementos más utilizados son
termostatos de temperatura y termostatos diferenciales, que se definirán como dispositivos
electrónicos que se intercalan en el circuito de un colector solar con el fin de poner en marcha,
detener o variar el funcionamiento de la instalación37.
37
Tomado de [8]
Diciembre del 2004
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4.1.3
Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
56
Sistemas de Apoyo Energético Convencional
Son aquellos componentes auxiliares a la Instalación de Energía Solar encargados de
suministrar al Sistema de Producción de A.C.S. de la energía deficitaria.
Los principales son:
•
Calentadores Eléctricos
•
Calderas de Gas Butano
•
Calderas de Gas Propano
•
Bombas de Calor
Las ventajas o inconvenientes de cada uno de estos sistemas pueden ser de tipo técnico o
económico. Los combustibles utilizados tienen diferentes valores caloríficos y precios muy
diferenciados. A esto hay que añadir el rendimiento del Generador que puede variar, por su
estado de funcionamiento o diseño, de eficacia, además del coste del propio generador y
condiciones o normativas de instalación. Hay que tener en cuenta que la combinación de todos
estos factores es lo que define el tipo de generador proyectado y la rentabilidad de la instalación
de Energía Solar Térmica38.
38
Tomado de [7]
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57
4.1.4 Sistemas de Aprovechamiento Energético
Las instalaciones de Energía Solar Térmica a Baja Temperatura las podemos dividir en
dos grandes grupos atendiendo al tipo de circulación: instalaciones de circulación natural e
instalaciones de circulación forzada, que a su vez pueden tener dos tipos de sistemas: abiertos y
cerrados. La combinación de estas cuatro posibilidades son las que nos definen el tipo de
instalación y su aprovechamiento energético.
4.1.4.1 Circulación Natural:
Su funcionamiento se realiza sin ayuda de componentes mecánicos, ni electrónicos.
El propio fluido del circuito, que comunica la superficie captadora solar y la acumulación, se
mueve por la diferencia de temperatura que se crea entre el agua fría del tanque y la caliente del
colector. La densidad del agua calentada por el sol disminuye, lo que hace que sea menos pesada
que el agua fría del depósito (situado necesariamente por encima de los colectores). El mayor
peso del agua fría hace que ésta salga por el conducto situado en la parte inferior del depósito,
conectado a los colectores. Esta agua que entra empuja al agua caliente del colector por la tubería
de salida hacia la parte superior del depósito. Una vez calentada el agua del depósito, ambas
temperaturas se igualan por lo que el movimiento cesa, no reanudándose hasta que haya un
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58
consumo de agua, por lo que entra en el depósito agua fría de la red disminuyendo la temperatura
del tanque acumulador39.
Estos sistemas presentan como características:
1. Su simplicidad
2. Eficiencia y seguridad
3. Un costo bajo
4. Fácil mantenimiento
Como desventajas se pueden enumerar las siguientes:
1. Bajo rendimiento en los CPP por trabajar con caudales muy bajos.
2. Pérdidas energéticas a través de los Depósitos Acumuladores por estar expuestos al
exterior, sobre todo durante las noches o lugares donde la temperatura ambiente sea baja
o existan fuertes vientos
3. Tienen una difícil integración estética
4. Carecen de controles de arranque y parada, lo que puede causar en los meses de alta
radiación y bajo consumo altas temperaturas que pueden causar daños en los
componentes
39
Tomado de [12]
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59
Figura 4.4: Sistema de circulación natural
Figura 4.5: Ejemplo de instalación de un
sistema de circulación natural
4.1.4.2 Circulación forzada:
El fluido del circuito que comunica la superficie captadora solar y la acumulación se
mueve por medio de bombas de circulación activadas por controles electrónicos.
Las ventajas de este tipo de sistemas son:
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60
1. Mejoran el rendimiento medio de los CPP, por poder controlar el caudal óptimo de
diseño por medio de las bombas
2. Permiten la regulación de temperatura de arranque, parada y acumulación
3. Reducen las pérdidas energéticas a través de los depósitos acumuladores por permitir su
ubicación en lugares protegidos
4. Permiten una mejor integración en las construcciones
5. Son mejor solución técnica para la realización de grandes proyectos
Las desventajas o inconvenientes que presentan son:
1. Mayor costo
2. Proyectos complejos que requieren un nivel de personal técnico especializado para su
instalación y mantenimiento
3. Requieren un consumo eléctrico
Figura 4.6: Sistema de circulación forzada
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61
4.1.4.3 Sistemas Abiertos:
Son aquellos que tienen un solo circuito que une al Generador Energético, en nuestro
caso los CPP, con la acumulación y suministro de ACS. El agua de consumo que pasa por los
colectores solares es la misma que de acumulación y consumo40.
Esta solución presenta las siguientes ventajas:
1. Es la más simple y la que proporciona mejor rendimiento térmico, al aprovechar el aporte
energético directamente.
2. Reduce la complejidad de la instalación.
3. Reduce los costos.
Como desventaja se puede nombrar:
1. A la larga puede tener problemas las tuberías del circuito por deposiciones calcáreas o
suciedades contenidas en el agua, esto irá reduciendo la eficacia del sistema y por lo tanto
su rendimiento, especialmente en los circuitos de los CPP.
2. Problemas de mantenimiento. Dificultad para la limpieza interior de los circuitos,
especialmente de los CPP.
40
Tomado de [7]
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62
3. Peligrosidad de que existan materiales con riesgo contaminante en contacto con el agua
de consumo.
Como ejemplos de este tipo de sistemas podemos ver los mostrados anteriormente en las
circulaciones naturales y forzadas, donde se han representado en ambos casos sistemas abiertos.
4.1.4.4 Circuito Cerrado:
Están formados por dos circuitos, uno primario y otro secundario, unidos a través de un
intercambiador de calor. El circuito primario corresponde al generador energético, en el caso de
una instalación de E.S.T. sería el compuesto por los CPP y sus componentes hidráulicos y
electrónicos, y el circuito secundario corresponde a la acumulación y distribución, igualmente
con sus componentes hidráulicos y electrónicos. El intercambiador de calor será el encargado de
la transmisión energética de un circuito a otro. Es el más comúnmente empleado41.
Como ventajas de este sistema podemos decir:
1. No presenta peligro de contaminación de las aguas.
2. Permiten trabajar al circuito primario a baja presión.
3. Evita incrustaciones en el interior de las tuberías, manteniendo un rendimiento energético
estable.
4. Facilita las labores de mantenimiento.
Como desventaja presenta:
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Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
63
1. Incremento en los costes de la instalación.
2. Mayor complejidad.
Figura 4.7: Sistema cerrado de circulación natural
Figura 4.8: Sistema cerrado de circulación forzada
41
Tomado de [7]
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4.1.5
Implementación de un sistema energético no convencional para la U.C.P
64
Integración Energética
En toda instalación para la Producción de A.C.S. se requieren unas necesidades energéticas
para poder cubrir un consumo estimado a una temperatura determinada. Para poder suministrar
esta energía serán necesarios uno o dos Generadores Energéticos, que pueden utilizar Energía
Convencional o Renovable. Ambos Generadores tienen la desventaja de sus dependencias
respectivas, el Convencional del suministro de la empresa productora y el Renovable de las
condiciones meteorológicas42.
4.2 El Colector Solar de Plana C.P.P:
Es un dispositivo que capta la Radiación Solar y la convierte en una forma útil de
energía.
4.2.1 Componentes y Materiales.
Para hacer una buena elección del tipo de colector solar que se va ha utilizar hay que
conocer sus características técnicas y los elementos que lo constituyen. De esta manera
podremos evaluar su calidad y elegir el más adecuado para una instalación.
42
Tomado de [12]
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65
El CPP lo componen más de veinte tipos de materiales, pero principalmente lo podemos
dividir en cuatro partes o elementos43:
•
CUBIERTA TRANSPARENTE
•
SUPERFICIE de CAPTACIÓN
•
PARRILLA o CIRCUITO de ABSORCIÓN
•
CARCASA
4.2.1.1 Cubierta Transparente
Es la encargada de producir el efecto invernadero, reducir las perdidas por convección y
asegurar la estanqueidad del colector al agua y al aire en unión con la carcasa y las juntas.
El efecto invernadero consiste en que la radiación que ha atravesado la cubierta y llega a
la placa captadora, una parte es reflejada hacia la cubierta transparente con una longitud de onda
para la cual ésta es opaca, con lo que se consigue retener la radiación en el interior..
4.2.1.2 Superficie de Captación
Tiene por misión absorber, de la forma más eficiente posible, la radiación solar y
transformarla en energía térmica, utilizable mediante su transferencia al fluido caloportador.
43
Tomado de [7]
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66
Existen diferentes modelos, siendo los más usuales:
•
Dos placas metálicas separadas unos milímetros entre las cuales circula el fluido portador
de calor.
•
Placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el
fluido portador de calor. En lugar de una placa metálica se puede dotar de unas aletas de
aluminio a los tubos de cobre.
•
Dos láminas de metal, unidas a gran presión, excepto en los lugares que forman el
circuito del fluido caloportador, los cuales han sido abombados mediante insuflación de
aire.
4.2.1.3 Parrilla o Circuito de Absorción
Es la tubería o circuito que absorbe por transmisión de la energía captada por la superficie
de captación. Por esta tubería o circuito recircula el fluido caloportador del sistema, encargado
de absorber esta energía y transportarla hasta la acumulación o consumo.
Estas parrillas o circuitos se pueden presentar de diferentes formas44:
Tipo Parrilla: Consiste en una serie de tuberías en paralelo unidas en los extremos por dos
tuberías. Éstas pueden ser abiertas por los dos extremos o con una sola salida. Son los más
44
Tomado de [15]
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fabricados. Permiten conexiones en serie, paralelo y serie-paralelo. Son sólidos y resistentes,
adaptándose a todo tipo de instalaciones.
Figura 4.9: Circuito tipo parrilla
Tipo serpentín: lo forma una sola tubería que hace un recorrido a lo ancho y largo de la
superficie de captación. No permiten conexiones en serie a no ser diseños especiales. Requieren
caudales muy controlados. Son una alternativa a los tipo parrilla.
Figura 4.10: Circuito tipo serpentín
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4.2.1.4 Carcasa
Es la encargada de proteger y soportar los elementos que constituyen el colector solar,
además de servir de enlace con el edificio por medio de los soportes. La componen dos
elementos principalmente: El AISLAMIENTO y el CAJÓN45.
El aislamiento:
La placa captadora está protegida en su parte posterior y lateral por medio de un
aislamiento para evitar las perdidas térmicas hacia el exterior. Las características de estos
aislantes han de ser:
1. Resistir altas temperaturas sin deteriorarse, lo que muchas veces se consigue colocando
entre la placa y el aislante una capa reflectante, que impida que el aislante reciba
directamente la radiación.
2. Desprender pocos vapores al descomponerse por el calor y en caso de ocurrir que no se
adhieran a la cubierta.
3. No degradarse por el envejecimiento u otro fenómeno a la temperatura habitual de
trabajo.
4. Soportar la humedad que se pueda producir en el interior de los paneles sin perder sus
cualidades.
45
Tomado de [15]
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Los materiales más usados son la fibra de vidrio, la espuma rígida de poliuretano y el
poliestireno expandido. Cualquiera que sea el material escogido debe tener un coeficiente de
dilatación compatible con el de los demás componentes del panel solar.
El cajón:
Es el encargado de proteger y soportar los elementos que constituyen el colector solar,
además de servir de enlace con el edificio por medio de los soportes.
Debe cumplir los siguientes requisitos:
•
Rigidez y resistencia estructural que asegure la estabilidad. Es de suma importancia ya
que debe resistir la presión del viento.
•
Resistencia de los elementos de fijación: mecánica para los esfuerzos a transmitir; y
química para soportar la corrosión.
•
Resistencia a la intemperie. A los efectos corrosivos de la atmósfera y a la inestabilidad
química debido a las inclemencias del tiempo.
•
Aireación del interior del colector para evitar la condensación del agua.
•
Facilitar el desmontaje de la cubierta para poder tener fácil acceso a la placa captadora.
4.2.2 Funcionamiento.
Si se expone un colector al sol sin circulación de fluido en su interior, la temperatura de
la placa captadora o absorbedora irá aumentando progresivamente.
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Dicha placa irá almacenando el calor al mismo tiempo que tendrá unas pérdidas debido a
los fenómenos de conducción, convección y radiación, las cuales aumentan con la temperatura.
Llega un momento en que las pérdidas se equiparan a la energía que recibe la placa del
sol y la temperatura se estabiliza alcanzándose la denominada temperatura de equilibrio estática,
que depende de las condiciones exteriores a las que esté sometida la placa (cuanto más frío sea el
ambiente y más viento haga más baja será ésta).
Si se hace circular un fluido por el circuito de un colector, éste recibe el calor de la placa
captadora e irá aumentando de temperatura, disminuyendo la de la placa.
Cuando la circulación del fluido es estacionaria o constante, llegará un momento en que
se alcance una nueva temperatura de equilibrio llamada temperatura de equilibrio dinámica, la
cual es siempre inferior a la estática.
La máxima temperatura que un colector instalado puede alcanzar es la temperatura de
equilibrio estática, que es necesaria conocer por dos razones46:
•
Será la temperatura que la instalación solar alcanzará cuando esté parada.
•
La temperatura máxima teórica de utilización de la instalación será siempre inferior a la
temperatura de equilibrio estático.
46
Tomado de [6]
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4.3 Cálculo de instalaciones.
De manera similar a lo expuesto en la propuesta de diseño para el sistema fotovoltaico se
analizar la posibilidad de implementar un sistema que pueda permitir algún tipo de ahorro
energético. En este caso se estudiara la posibilidad de calentar agua para el uso sanitario de los
pacientes que viven en las instalaciones para personas sin hogar (cabañas) de la institución.
Actualmente cada una de las unidades habitacionales mencionadas cuenta con dos
residentes, aunque estas pueden alojar hasta 4 personas, y el sistema de calentamiento utilizado
es la termoducha el cual es el más comúnmente encontrado en las instalaciones eléctricas
costarricenses.
4.3.1 Sistema de aprovechamiento a utilizarse.
El sistema termosifón es muy conocido en climas cálidos, donde no hay peligro de
congelación. Por su fácil e independiente funcionamiento (circulación del agua entre colector y
tanque por gravedad), es muy utilizado para casas o viviendas. Su instalación normalmente es
sobre el techo y el tanque tiene que estar ubicado en una posición superior a la del colector47.
4.3.2 Dimensionamiento.
Si no se cuenta con un histórico o documentación que nos sirva de base de cálculo para
definir el volumen de agua caliente sanitaria requerida, se tendrá que recurrir a las tablas editadas
por diferentes libros o publicaciones especializados en la materia. La mayoría de estas
47
Tomado de [12]
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publicaciones hacen referencia al consumo de agua caliente sanitaria a la temperatura de 45 ºC48.
Para este caso se utilizara el criterio sugerido por la empresa Termisolar (donde se realizo
una recopilación de datos) que como referencia de consumos toma un valor de 5 galones de
A.C.S por persona.
El sistema básico para una casa consiste en un colector de aproximadamente 2 m2 y un
tanque de alrededor de 40 galones49. Este es capaz de cubrir las necesidades de agua caliente
para cuatro personas en muchos hogares. Su temperatura depende de la radiación solar y del
consumo, pero uno de buena calidad debería ser capaz de elevarse a unos 40ºC, aunque, durante
todo el día, haya una radiación solar difusa. Para temporadas con sol limitado, un respaldo
eléctrico (para el caso de los tanques Ecosol de Termisolar de 1500 watts)50 ayuda a garantizar la
existencia de agua caliente siempre. La diferencia del respaldo (normalmente eléctrico) es la
posición ubicada en el tanque: mientras se los instala en un tanque común en la posición inferior
(para calentar toda la cantidad del agua en el tanque), en los tanques solares se lo ubica en el
centro del tanque o todavía más arriba para que el aparato pueda cumplir su función como
respaldo en situaciones climáticas difíciles y sólo calentar la mitad o menos del volumen total.
Se recomienda conectar el respaldo eléctrico (el cual está gobernado por un termostato ajustable)
por un interruptor, el cual normalmente se encuentra en posición apagado. En el termostato se
ajusta una temperatura máxima de 45 a 50°C (la mayoría de las personas se ducha con
temperaturas entre 35 a 39°C. Con 42°C se quema la piel de los seres humanos.)51
48
Tomado de [8]
Tomado de [13]
50
Dato suministrado por la empresa Termisolar.
51
Tomado de [13]
49
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Figura 4.11 Sistema Doméstico, tipo Termosifón - Circuito Abierto con
Calentador Eléctrico en serie como apoyo energético convencional.
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4.4 Costo y rentabilidad del sistema.
Se realizará un análisis de costo capitalizado a tiempo presente para estudiar la rentabilidad
de del sistema térmico solar contra el sistema existente.
Se supondrá que el tiempo promedio que dura una persona en ducharse es de 20 minutos;
además se sabe que el consumo promedio de una termoducha corriente es de 4100 watts. Por lo
tanto se tiene que el consumo anual por persona en Kwh por día es:
Consumo anual = 4100 Kw *
1hora
* 20 min utos * 365 = 493.85 Kwh
60 min utos
Por lo que el costo en electricidad anual en dólares por este rubro es de $31,28
(493,85*28,5/450). Así mismo se asumirá que en la cabaña residirán tres personas por lo que el
gasto total anual será de $94.
Asímismo el costo de un equipo de calentamiento solar de agua
con capacidad de
almacenamiento de 40 galones es de $1150 y no se presuponen gastos de mantenimiento pues
estos equipos prácticamente no los requieren.
Para el análisis de sistema convencional (termoducha) se supondrá que se compra una
termoducha con un valor cercano a los $30 y debido a que la vida útil aproximada de un equipo
de este tipo es de 5 años52 por lo que se tendrá que invertir de nuevo esta cantidad al finalizar
este tiempo, así mismo se tendrá un gasto anual de $94 en concepto de electricidad.
52
Tomado de [14]
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Figura 4.12 Flujo de gastos de una termoducha
En el análisis del sistema solar térmico se incurrirá en un gasto único de 1150 dólares
puesto que estos sistemas carecen de costo de mantenimiento.
Figura 4.13 Flujo de gastos de una termoducha
Entonces el costo capitalizado a valor presente de los dos sistemas es de:
Termoducha.
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PD = $30 + $30( P / F ,6%,10) + 94( P / A,6%,10) = $744
Térmico Solar.
PD = $1150
Por lo que el sistema solar no representaría ahorro en energía.
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CAPITULO 5: Conclusiones y Recomendaciones.
5.1 Conclusiones.
Después de haber analizado los resultados de costo y rentabilidad para cada sistema se
puede determinar que si bien los sistemas solares pueden proveer de energía en forma gratuita el
costo inicial de estos puede ser considerablemente alto aún para aplicaciones en pequeña escala.
Así en el caso fotovoltaico se pudo calcular que el valor a costo presente de un sistema
completo es 21,5 veces el ahorro de energía que podría representar la implementación de este.
También se debe notar que el banco de baterías que representa un gran porcentaje del costo del
sistema tiene una vida útil de apenas 5 años. Además se debe sopesar el hecho de que el espacio
disponible en el lugar del posible proyecto es limitado, por lo que la instalación de 19 paneles
solares (que representarían un área total de 24,12 m2) y la colocación de 26 baterías solares de
plomo-ácido podrían representar serias dificultades técnicas.
Posteriormente se buscó otra alternativa para el ahorro energético utilizando el sol como
medio para calentar agua para los pacientes, se analizó la posibilidad de instalar un sistema de
colector de placa plana y tanque de almacenamiento correspondiente. Esta opción presenta pocas
dificultades de utilización de espacio, pues puede ser colocado totalmente el techo de las
construcciones a las que suplirá, además posee una vida útil de 10 años y es un equipo mucho
más barato que el fotovoltaico; sin embargo, el análisis económico mostró que si bien este
sistema es uno de los más eficientes desde el punto de vista de aprovechamiento energético, en la
parte rentable esta alternativa sigue siendo no adecuada pues como se pudo observar, el gasto
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que representaría la termoducha en el tiempo de vida útil del equipo solar térmico (10 años) es de
$744 contra los $1150 que significaría la inversión inicial del sistema renovable no
convencional, esto puede deberse principalmente al hecho de que la Unidad de Cuidados
Paliativos de Alajuela posee una tarifa eléctrica muy baja, lo que vuelve a los sistemas no
convencionales poco viables ante el sistema de la red publica.
Las tecnologías que aprovechan la irradiación solar han mejorado su eficiencia
notablemente en los últimos años, sin embargo el alto precio que pueden alcanzar los equipos
(más notoriamente en el caso de sistemas fotovoltaicos), la corta vida útil que pueden tener
ciertos elementos (como las baterías) y otras dificultades de tipo técnico imposibilitan que estos
sistemas puedan ser competitivos en relación a los sistemas convencionales, y es aún menos
factible que estos pueden sustituir a una red interconectada como medio de ahorro energético.
5.2 Recomendaciones.
Dadas las conclusiones obtenidas anteriormente la instalación de cualquier tipo de
sistema solar no es bajo ninguna condición una buena alternativa para el ahorro energético de la
Unidad de cuidados paliativos de Alajuela. Esta institución se plantea como principal objetivo la
atención a pacientes en etapas terminal y funciona con donativos tanto de personas particulares
como de otras instituciones, por lo que el ahorro de electricidad debe ser abordado desde otra
perspectiva. Durante las visitas efectuadas al lugar se pudieron realizar diversas observaciones
acerca de el número y la naturaleza de las cargas presentes en la institución, se logró observar la
implementación de luz del tipo incandescente en diversos recintos del edificio principal, así
mismo se notó el uso de una cocina eléctrica para la preparación de los alimentos, y también la
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conexión de diversas cargas de uso ocasional como lo es un congelador de tipo industrial para la
preservación de alimentos.
Dentro de las principales medidas que podría tomar la U.C.P para el ahorro energético
están, el cambio total de la iluminación interna a sistemas de luz fluorescente, también debería
considerarse la posibilidad de cambiar la cocina utilizada a una de gas. El uso de cargas como
congeladores, sistemas de aire acondicionado y bombas de agua sobredimensionados y en mal
estado debería ser analizado para determinar si realmente son necesarios. En general se podría
solicitar al Compañía Nacional de Fuerza y Luz una auditoría energética para determinar los
puntos más significativos en el gasto eléctrico de la institución y las posibles soluciones al
problema existente.
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Bibliografía.
Referencias bibliográficas.
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Editorial Tecnológica de Costa Rica.
[2] Tarquín, Anthony. 1988 “Ingeniería Económica”. Bogota, Colombia, Mac Graw Hill.
[3] Ortega Rodríguez, Mario. 2001. “Las energías renovables”. Madrid, España, Editorial
Paraninfo.
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en Costa Rica”. San José, Costa Rica, Compañía Nacional de Fuerza y Luz.
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Eléctrica. [En línea]. Disponible en: /http://www.epsea.org/esp/energiaelectrica.html
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http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/Colectorsolar.htm
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Disponible en: http://www.cecu.es/res&rue/htm/dossier/3%20solar%20termica.htm
[8] Guzman, Diego. (Sin fecha) La Energía Solar. [En línea]. Disponible en:
http://www.galeon.com/energiasolar/
[9] Solartronic. (2002) Curso Breve de Sistemas Fotovoltaicos. [En línea]. Disponible en:
http://www.solartronic.com/Sistemas_Fotovoltaicos/Curso_Breve/
[10] Censolar. (Sin fecha) La Energía Solar. [En línea]. Disponible en: http://www.censolar.es/
[11] Green Peace. (Sin fecha) Guía Solar. [En línea]. Disponible en:
http://archivo.greenpeace.org/GuiaSolar/S-tecnicos.htm
[12] Swiss Contact. (Sin fecha) Sistemas Hidráulicos Domésticos. [En línea]. Disponible en:
http://www.cosude.org.ni/gestcon/MCalentSolar/2_Sistemas_Hidraulicos_Domesticos.pdf
[13] Biomass Users Network (2002.). Manual sobre energía solar térmica. [En línea].
Disponible en: http://www.bun-ca.org/publicaciones/SOLAR.pdf.
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[14] Swiss Contact. (Sin fecha). Manual sobre energías renovables. [En línea]. Disponible en:
http://www.cosude.org.ni/gestcon/MCalentSolar/1_Energia_y_Energia_Renovable.pdf
[15] Insula. (2002). Curso de instalaciones solares térmicas. [En línea]. Disponible en:
http://www.islandsonline.org/vcres/solariumesp/
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Apéndice A.
Especificaciones técnicas del modulo fotovoltaico analizado.
Nombre:
Distribuidor:
Dirección:
Teléfono:
Ecosol
Termosolar
San Rafael, Alajuela CR
438 0626
Fax:
438 3426
Modelo:
Ecosol
Tipo:
CPP con efecto
invernadero
Dimensiones
Largo (mm):
Alto (mm):
Peso en vacio (Kg):
Area
1954
Absorbedor 2141 m2
102
38
Características Técnicas:
10,5 (150) Kg/cm2(lbs/pulg)
Presion de prueba:
7 (100) Kg/cm2(lbs/pulg)
Presión de trabajo :
Flujo recomendado : 30-35 (Lt/hr/m2)
Curva de Rendimiento:
Constante b
Constante m
0,74
3,598
=0,74 - 3,598
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Apéndice B.
Especificaciones técnicas del modulo fotovoltaico analizado.
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85
Apéndice C.
Especificaciones técnicas del modulo fotovoltaico analizado.
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