Factibilidad de Autoabastecimiento Energético Domiciliario por

UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
ESCUELA DE ING. CIVIL ELECTRÓNICA
Factibilidad de Autoabastecimiento Energético Domiciliario por
Medio de Energía Fotovoltaica
Trabajo de Titulación para optar al
Titulo de Ingeniero Electrónico
PROFESOR PATROCINANTE:
Sr. Renato Loaiza Herrera
Ingeniero Eléctrico
Edgardo Enrique Mora Quezada
VALDIVIA 2009
Comisión de Titulación
Sr. Renato Loaiza Herrera
Profesor Patrocinante
Sr. Mario Fox Osses
Profesor Informante
Sr. Heriberto Soto Cáceres
Profesor Informante
Fecha de Examen de Titulación:
1
Agradecimientos
A mis padres Juan Carlos y Nancy, quienes con mucho esfuerzo y osadía han
incentivado y apoyado mis actuales logros.
A mis hermanos Claudio y Andrés, quienes han cumplido sus metas propuestas
incentivando en mi una mayor fuerza en concretar mis proyecciones.
A mis abuelos Nora, Hilda e Israel.
A tía Nancy y familia de quien he recibido importante apoyo en mis últimos años de
universidad.
A mi profesor patrocinante Renato Loaiza, y mis profesores informantes Heriberto Soto
y Mario Fox
Al instituto de Ingeniería Civil Electrónica, a sus profesores.
A mi secretaria de escuela, Ximena.
A la profesora Charlotte Lovengreen, que a pesar de tener el tiempo tan restringido,
tuvo la disposición de atender a consultas aparecidas en el desarrollo de mi tesis,
además de aportar con los datos de radiación utilizados en este estudio.
2
Índice
Dedicatoria
Índice
Índice de Tablas
Índice de Figuras
Resumen
Capitulo I.- INTRODUCCIÓN…………………………….……….…………..…......7
Capitulo II.- CONCEPTOS PREVIOS……………………………….………...….….8
2.1.
Energía Fotovoltaica…………………………………………………….………8
2.2.
Componentes para un sistema Fotovoltaico……………………………...…..…12
2.3.
2.4.
2.2.1.
Célula fotovoltaica………………………………………...….…12
2.2.2.
Acumuladores…………………………………………….…......16
2.2.3.
El inversor………………………………………………………21
2.2.4.
El regulador de carga…………………………………...…….…24
2.2.5.
Seguidor solar……………………………………… ….…...….27
Espectro electromagnético…………………………………………….…....…..28
2.3.1.
Espectro visible………………………………………….…...…28
2.3.2.
La electroscopia……………………………………….…...……29
2.3.3.
Análisis espectral…………………………………….….…...….31
2.3.4.
Aplicaciones del análisis espectral…….………….……..….…..32
2.3.5.
Espectro de ondas electromagnéticas…………………....…...…33
Iluminación por Led………………..……………….…………………..…...….35
Capitulo III.- ANALISIS DE RADIACIÓN…………………………………...……..38
3.1.
Respuesta espectral del panel…………………………………………….…….38
3.2.
Espectro solar típico……………………………………………………….……39
3.3.
Ponderación de la respuesta espectral………………………………….….……40
3.4.
Modelador TUV……………………………………………………….….…….41
3.5.
Datos de radiación…………………………………………………….………..43
3.5.1 Transformaciones fotovoltaicas anuales…………………….………….47
3.5.2 Transformaciones fotovoltaicas en junio…………….……………..…..50
3.6.
Resultados del análisis……………………………………………..…..…..…..54
3
Capitulo IV.- SISTEMA FOTOVOLTAICO………………………………..….……55
4.1.
Consumo de una casa común…………………………………………..…….…56
4.2.
Consumo de una casa dependiente solo de electricidad………………….….....57
4.3.
Diseño del sistema……………………………………………………….….….58
4.3.1. Estimación de acumuladores…………………………………….…..….58
4.3.2. Estimación de los paneles solares………………………..…….….……60
4.3.3. Estimación del Inversor………………………………………….……..60
4.3.4. Seguidor Solar…………………………………………………….…….62
4.3.5. Regulador de voltaje…………………………………………….….…..62
4.4.
Valoración del sistema…………………………………………………….……63
4.5.
Consumo energético de una casa equivalente……………………………..……64
CONCLUSIÓN………………………………………………….………………..…...65
Bibliografía …………………………………………………………………………….66
Índice de tablas
Tabla.2.1.-Tabla potencial casa común………………………...………………………20
Tabla.4.1.-Tabla potencial casa común………………………...………………………56
Tabla.4.2.-Tabla potencial casa tesis……………………………………………...……57
Tabla.4.3.- Estimación de los acumuladores……….…………………………………..59
Tabla.4.4.-Cálculo acumuladores………………………………………………………59
Tabla.4.5.-Cálculo paneles……………………………………………………………..60
Tabla.4.6.-Cálculo inversor………………………………………………………….…61
Tabla.4.7.-Cuadro de optimización………………………………………………….…63
Tabla.4.8.-Valoración del sistema…………………………………………………..…63
Tabla.4.10.-Consumo casa común…………………………………………………..…64
4
Índice de figuras
Figura 2.1-Estructura cristalina………………………………………….……………..9
Figura.2.2.-Juntura N-P en equilibrio………………………………….………………11
Figura.2.3.-Corte de una célula fotovoltaica………………………….………………..12
Figura 2.4.-Células fotovoltaicas…………………………………….…………….…..13
Figura 2.5.-Paneles hechos con células de a Si…………………………………...……15
Figura. 2.6.-Acumulador de plomo………………………………….…………………18
Figura. 2.7.-Inversores………………………………………………………………….21
Figura.2.8.-Regulador de voltaje……………………………………………………….24
Figura.2.9.-Seguidor solar…………………………………………………………..…28
Figura.2.10.-Electroscopia…………………………………………………………..…30
Figura.2.11.-Espectro electromagnético……………………………………………..…33
Figura.2.12.-Espectro visible y el espectro luminoso no visible………………………34
Figura.2.13.-Luz por led…………………………………………………….………….37
Figura.3.1.-Célula solar………………………………………………………..……….38
Figura.3.2.-Superficie terrestre…………………………………………………………39
Figura.3.3.-Ponderación…………………………………………….………………….40
Figura.3.4.-Presentación TUV……………………………………….…………………41
Figura.3.5.-Parámetros del TUV……………………………………………………….42
Figura.3.6.-Resultados TUV……………………………………………………………43
Figura.3.7.-Dosis diaria PAR…………………………………………………………..44
Figura.3.8.-Dosis diaria por m2 de panel………………………………………………45
Figura.3.9.-Resultados y transformaciones………………………………………….…46
Figura.3.10.-Energía 2000…………………………………………………………..…47
Figura.3.11.-Energía 2001…………………………………………………………..…47
Figura.3.12.-Energía 2002…………………………………………………………..…48
Figura.3.13.-Energía 2003…………………………………………………………...…48
Figura.3.14.-Energía 2004…………………………………………………………..….49
Figura.3.15.-Energía 2005…………………………………………………………..….49
Figura.3.16.-Energía 2006……………………………………………………………...50
Figura.3.17.-Junio 2000…………………………………………………… …….……51
Figura.3.18.-Junio 2001…………………………………………………………...……51
5
Figura.3.19.-Junio 2002………………………………………………………..…….…52
Figura.3.20.-Junio 2003………………………………………………………..…….…52
Figura.3.21.-Junio 2004………………………………………………………..…….…53
Figura.3.22.-Junio 2005………………………………………………………..……….53
Figura.3.23.-Junio 2006………………………………………………………..…….…54
Figura.3.24.-Resultado del análisis………………………………………… …………54
Figura.4.1.-Casa para estudio……………………………………………….………….55
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Resumen
Este trabajo presenta un estudio sobre la factibilidad de autoabastecer un domicilio por
medio de energía fotovoltaica en la ubicación geográfica de Valdivia, Chile. Por medio
de datos de radiación de los últimos años, recolectados en la Universidad Austral de
Chile, se estimarán las producciones diarias, mensuales y anuales de radiación; los datos
se encuentran en µE/m2 (microEinstein/m2) siendo estos, cantidad de fotones por unidad
de área, los que deben ser transformados a unidades de energía para poder calcular la
cantidad de energía/m2 que puede llegar a aportar los paneles fotovoltaicos con la
radiación solar incidente en este punto geográfico en estudio. Una vez realizado esto, se
procede a estimar las dosis de energías diarias, mensuales y anuales de radiación para
poder estimar las características del sistema foto voltaico. Se busca que el domicilio en
estudio tenga autonomía durante todos los meses del año, por esto, se calculan las dosis
diarias y mensuales del año 2001 al 2006 en los que se buscara los meses de menores
niveles de radiación y a partir de estos poder hacer una estimación económica de un
sistema fotovoltaico que cumpla con la condición anteriormente mencionada.
Abstract
This paper presents a study on the feasibility of a self-sufficient home through
photovoltaic energy in the geographical location of Valdivia, Chile. Using data from
radiation in recent years, collected at the Universidad Austral de Chile, will be
estimated daily production, monthly and annual radiation, data are μE/m2
(microEinstein/m2) which are, number of photons per unit area that must be processed
Wh/m2 to calculate the amount of energy per m2 it can provide solar radiation at this
point in geographic study. After doing this is to estimate the dose of energy daily,
monthly and annually. Is that the home studio has autonomy over all months of the year,
therefore, are calculated daily and monthly from 2001 to 2006 in which the target month
of lower levels of radiation, and from these to make a estimation of a system that meets
these conditions.
7
Capitulo I
Introducción
La población mundial crece de una forma considerable y de esta misma forma crece el
requerimiento energético demandado por la población. Por otra parte tenemos el gran
impacto ambiental y también económico que causa la forma en que producimos esta
energía necesaria. Una forma de ayudar con este importante problema es buscar
posibles fuentes de energías alternativas y estudiar sus factibilidades de utilización, por
este motivo, en este trabajo se busca la factibilidad de abastecer un domicilio con
energía fotovoltaica que pueda dar autonomía durante todo el año en la ubicación
geográfica de Valdivia, Chile.
Este estudio propone un domicilio de 130m2 en el cual la única fuente de energía que se
ocupará será la eléctrica, la que será suministrada por un sistema fotovoltaico; en esta
casa se utilizaran materiales de construcción que ayudaran a que los requerimientos
energéticos por parte de la calefacción sean lo menor posible dentro de la disponibilidad
del mercado actual, además de utilizar calefacción de bajo consumo y Led para el área
de alumbrado.
Para este estudio se consideraran datos de radiación de la ciudad de Valdivia de los
últimos 7 años, se estudiará la factibilidad de la implementación de este sistema.
8
Capitulo II
CONCEPTOS PREVIOS
2.1 Energía fotovoltaica
La palabra fotovoltaico(a) está formada por la combinación de dos palabras, una de
origen griego: foto, que significa luz, y la otra voltaico que significa eléctrico. El nombre
resume la acción de estas células: transformar, directamente, la energía luminosa en
energía eléctrica.
La transformación de la energía luminosa en eléctrica toma lugar en la naturaleza
durante el proceso de fotosíntesis. Como el proceso de elaboración de los diodos
precede al de la manufactura de las células fotovoltaicas, las unidades tienen un alto
grado de repetibilidad.
Las células fotovoltaicas son manufacturadas usando diferentes materiales y procesos
para crear los diodos, ya que los fabricantes continúan explorando la manera de
abaratar el costo e incrementar la eficiencia de conversión de las mismas.
Cuando la luz solar incidente tiene la energía y el espectro luminoso necesario para alterar
el estado de equilibrio de la juntura N-P en los diodos, se genera un exceso de cargas
libres, las que pueden sostener una corriente si se cierra el circuito externo.
Dado que el fenómeno FV(fotovoltaico) toma lugar dentro de un semiconductor, se hace
necesario entender que hace que un material sea un buen conductor, un buen aislante (no
conductor) y, por último, un semiconductor.
La corriente eléctrica, por definición, es la cantidad de cargas que circulan por unidad de
tiempo. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un material se crea un campo
eléctrico dentro del mismo. Los electrones ubicados en la órbita exterior del átomo de
este material, la más lejana del núcleo, estarán sometidos a una fuerza cuyo valor está
dado por la expresión:
F=qxE
(2.1)
Donde q es el valor de la carga (en Coulombs) y E es el valor del campo
eléctrico en V/m. ¿Qué determina la conducción (o no-conducción) en un material?
La respuesta es: la estructura atómica de la substancia.
En materiales conductores, como el cobre, el aluminio o el grafito, los electrones de la
banda externa tienen mucha movilidad, ya que están saltando de átomo a átomo, aún a
9
la temperatura ambiente.
Bajo la acción de un campo eléctrico (voltaje entre los extremos) la fuerza dada por la
expresión 2.1 los pone en movimiento. El valor de la conductividad (inversa de la
resistividad) es elevado en estos materiales.
En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, aún con elevados
valores del campo eléctrico (altos voltajes), la fuerza que se ejerce sobre los electrones
de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer una corriente, ya que
su movilidad es prácticamente nula.
Se ha usado, a propósito, dos formas cristalinas distintas para el carbón: el grafito
(conductor) y el diamante (aislante), para mostrar cómo la estructura interna de la
substancia determina la movilidad de las cargas en la misma.
Se conoce por par negativo positivo cuando el átomo de una substancia pierde un
electrón y se transforma en una carga positiva. La pérdida de un electrón crea, en efecto,
dos cargas dentro del material: una negativa (electrón libre) y otra positiva (resto del
átomo).
En substancias como el germanio (Ge) y el silicio (Si) los electrones de la capa exterior
de un átomo son compartidos por átomos adyacentes (Figura 2.1) formando una
estructura fija rígida (cristalina) en donde los electrones carecen de movilidad. Por eso
el germanio y el silicio puro a temperatura ambiente son substancias aislantes.
Figura 2.1.-Estructura cristalina
Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de otras substancias, aún en
proporciones muy pequeñas, la conductividad de estos materiales varía drásticamente,
10
convirtiéndolos en semiconductores. Estos
materiales tienen un valor de
conductividad que los sitúan entre los aisladores y los conductores de corriente
eléctrica.
Si el elemento que se introduce tiene la capacidad de ceder electrones, éstos se
convierten en la carga mayoritaria en esa zona (semiconductor tipo N).
Si, por el contrario, los átomos de la substancia que se introduce son ávidos de
electrones, la mayoría de los átomos en esta zona tendrán cargas positivas libres (tipo P).
A estas cargas se las denominan hoyos ya que el electrón tomado deja un vacío (hoyo)
en el átomo que lo cedió. A las substancias que se usan para alterar la conductividad del
cristal puro se las conocen como dopantes.
El proceso de introducción de átomos que ceden o toman electrones, difusión, se ha
convertido en un proceso robotizado, en donde los átomos de las substancias dopantes
se introducen usando cañones electrónicos que bombardean los cristales (proceso de
implantación). La industria usa el cristal de silicio (Si) porque su comportamiento a
altas temperaturas es superior al del germanio (Ge).
Quizá en el futuro haya células fotovoltaicas hechas con diamantes, ya que se han
descubierto varios procesos para fabricarlos en cantidad y a bajo precio, pero no se ha
investigado como llevar adelante el proceso de difusión. Este material, carbono
cristalizado, es superior al silicio cuando la temperatura ambiente es elevada.
El proceso de difusión es repetitivo, de manera que pueden crearse zonas cuasiconductoras, aisladoras o semiconductoras con diferentes cargas mayoritarias. Esto
permite crear dos zonas cuasi-conductoras en los extremos del diodo, las que sirven para
anclar los conectores externos, así como dos zonas adyacentes, una del tipo N; la otra
del tipo P. La zona entre estas dos regiones se denomina juntura.
Nota:
La letra N se correlaciona con negativo y la letra P con positivo, indicando cual
es la carga mayoritaria en cada zona.
Estado de equilibrio. La teoría muestra que las cargas mayoritarias (electrones de un lado
y hoyos del otro) no permanecen inmóviles, desplazándose hacia la zona adyacente,
donde la concentración de la misma es baja. Este desplazamiento de cargas
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(corrientes de desplazamiento) acumula cargas positivas en la zona N y negativas en la
zona P, creando una diferencia de potencial en la juntura, la que establece un campo
eléctrico (E). El proceso migratorio continúa hasta que se ve interrumpido cuando el
valor del potencial alcanza lo que se denomina el nivel de Fermi para esa substancia.
El campo eléctrico E (V/m) en esta zona tendrá un valor elevado, ya que la juntura tiene
muy pequeño espesor
La Figura 2.2 muestra el estado de equilibrio para una juntura N-P.
Figura.2.2.- Juntura N-P en equilibrio
2.2.
Componentes para un sistema fotovoltaico
2.2.1. Célula fotovoltaica
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el
espectro y nivel de energía requerido por el material (Si), el bombardeo de los fotones
crea pares de cargas libres (Figura 2.3), los que se mueven libremente. Algunos de
estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona de juntura, pero un
elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a
través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E (Figura 2.2) hace que estas
cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están
listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P cerrando el
12
circuito.
Figura.2.3.-Corte de una célula fotovoltaica
Eficiencia
La eficiencia de conversión (energía luminosa en eléctrica) está dada, en forma
porcentual, por la expresión:
%= (Energía eléctrica de salida / Energía luminosa de entrada) x 100
.
Tipos de células fotovoltaicas
El mercado ofrece numerosos tipos de células Fotovoltaicas. Algunas gozan de más
difusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo atrás. Todas las
células pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación:
•
Mono-cristalinas.
•
Poli-cristalinas.
•
Amorfas.
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la eficiencia de conversión.
Estructura mono-cristalina
13
Las
células
de
estructura
mono-cristalina
fueron
las
primeras
en
ser
manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamente en la
fabricación de diodos y transistores. A este tipo de células, conocidas simplemente
como cristalinas, se le asigna la abreviatura (cSi). El proceso de fabricación del cristal
de silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de estas
células, las que proporcionan los más altos valores de eficiencia. Recientemen te se
ha anunciado la introducción de una célula de cSi, sin rejilla de contacto frontal, la que
tendría una eficiencia del
20% (máximo teórico: aprox. 25%).
Estructura poli-cristalina
La versión poli-cristalina (pSi) se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el
que se vierte en moldes rectangulares. Como el costo del material y el procesado se
simplifican, las células policristalinas alcanzan un valor intermedio entre las cristalinas
y las amorfas. La eficiencia ha ido creciendo, llegando a ofrecerse (Kyocera) células de
pSi con eficiencia de conversión del 15%,
un valor reservado pocos años atrás para las células de cSi.
Las células de cSi se reconocen a simple vista, ya que su superficie es uniforme.
Expuestas a la luz actúan como un espejo grisáceo. Las células poli- cristalinas
reflejan la luz en forma no uniforme, pudiéndose observar las imperfecciones
en el cristal. Tienen, asimismo, una coloración azulada.
La Figura 2.4 ilustra estos dos tipos, ambos con rejilla frontal de conexión.
Cristalina (cSi)
Poli-cristalina (pSi)
Figura.2.4.-Células fotovoltaicas
14
Estructura amorfa
El otro tipo corresponde a las células amorfas (a=sin; morfo=forma). Como su nombre lo
indica estas células no poseen una estructura cristalina. Precisamente esa simplificación
en la estructura conduce a un abaratamiento drástico de las mismas.
Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación de una célula FV
de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales aparecerán en la substancia
semiconductora, los que aumentan la captación de las cargas libres, disminuyendo la
eficiencia de conversión. Para reducir este efecto. el espesor del material activo en estas
células es diez veces menor que el de una célula de cSi. Esto, a su vez, contribuye a bajar
el costo.
Multi junturas
Para compensar el bajo nivel de conversión los fabricantes adicionan junturas, las que
responden a diferentes frecuencias del espectro luminoso. La compañía UNISOLAR
apila tres junturas. La primera responde a la zona del azul, la segunda al verde y la
tercera al rojo, la de menor energía en el espectro. Los depósitos activos se hacen sobre
una lámina continua de acero inoxidable de bajo espesor que permite que las células sean
flexibles. Si se requiere una estructura rígida se les agrega un marco metálico.
La compañía British Petroleum (BP) ofrece un modelo similar que usa dos
capas conversoras en su línea Millennia™ . La Figura 2.5 muestra como las células de
aSi pueden ser ofrecidas como paneles flexibles o rígidos.
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Figura.2.5- Paneles hechos con células de aSi
Pérdidas de energía luminosa; Estas pérdidas ocurren fuera del material semiconductor.
Su mención y análisis serán para entender algunos detalles auxiliares contenidos en las
hojas de especificaciones. Consideraremos:
**La reflectancia de la superficie colectora.
*El “sombreado” de los contactos.
* * La superficie colectora de una célula de cSi actúa como un espejo, reflejando hasta el
30% de la luz incidente. Para disminuir la reflectancia la superficie de colección recibe
una capa antireflectiva de monóxido de silicio (SiO), la que disminuye la reflectancia a
un 10%. Una segunda capa baja la reflectancia a un 4%, pero incrementa el costo. La
necesidad de una capa antireflectiva se extiende a todo tipo de células, si bien el
tratamiento es diferente.
* El contacto ubicado sobre la superficie colectora utiliza una rejilla metálica, de
trazos finos, la que contribuye a disminuir el área activa de la célula. A este
problema se lo conoce como el “sombreado” de los contactos y no debe
confundirse con el sombreado externo sobre el área colectora. Esta reducción, en
células modernas, varía entre un 3 y un 5% de la superficie activa. Un
fabricante ha anunciado la producción de células sin rejillas frontales (Sun
Power).
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Voltaje, Corriente y Potencia
El voltaje de juntura depende exclusivamente del material usado (nivel de
Fermi para el cristal usado). Para las células de silicio este valor es de alrededor de 0,5
V. Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico fijo, el voltaje de una celda
FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un lado positivo (lado P) y otro
negativo (lado N), asumiendo que la corriente circula en sentido opuesto al de los
electrones.
El valor de la corriente dependerá del valor de la fuente, la irradiación solar, la
superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.
En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por la célula FV está
dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la corriente de salida.
2.2.2. Acumuladores
Acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica usando
procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad;
este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador
eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya
suministrado electricidad previamente, mediante lo que se denomina proceso de carga.
Se le denomina batería también, puesto que, muchas veces, se conectan varios de ellos
en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así, la batería está formada
internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los
cuales suministra electricidad con un voltaje de unos 2 V, por lo que el conjunto entrega
los habituales 12 V, o por 12 elementos, con 24 V de suministro.
El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en algún tipo de
proceso reversible; es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni
se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al
estado primero en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de
los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la
aplicación de una corriente, igualmente externa, durante el de carga.
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Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que parezca, en las
relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado
electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX
dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el
nombre de polarización.
Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites
alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de distinto material,
sumergidos en un electrolito.
El Acumulador de plomo
Está constituido por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está
descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (II) (PbSO4) incrustado en una
matriz de plomo metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Este
tipo de acumulador se sigue usando aún en muchas aplicaciones, entre ellas en los
automóviles. Su funcionamiento es el siguiente:
Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) es reducido a plomo metal
en el polo negativo, mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (IV) (Pb O2).
Por lo tanto, se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno, ya que la
reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente impedida en una
superficie de plomo, característica favorable que se refuerza incorporando a los
electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de hidrógeno provocaría la
lenta degradación del electrodo, ayudando a que se desmoronasen mecánicamente
partes del mismo, alteraciones irreversibles que acortarían la duración del acumulador.
Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV) es
reducido a sulfato de plomo (II), mientras que el plomo elemental es oxidado para dar
igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se aprovechan en forma
de corriente eléctrica por un circuito externo. Se trata, por lo tanto, de una conmutación.
Los procesos elementales que trascurren son los siguientes:
PbO2 + 2 H2SO4 + 2 e- -> 2 H2O + PbSO4 + SO42Pb + SO42- -> PbSO4 + 2 e-
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En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico, porque se crea sulfato de
plomo (II) y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido
sulfúrico concentrado tiene una densidad superior a la del ácido sulfúrico diluido, la
densidad del ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo.
No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente, porque, cuando el
sulfato de plomo (II) forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos
indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice
entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo.
Los acumuladores de este tipo que se venden actualmente utilizan un electrolito en
pasta, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su utilización.
Figura.2.6.-acumulador de plomo
Parámetros de un acumulador
•
La tensión o potencial (en voltios) es el primer parámetro a considerar, pues es
el que suele determinar si el acumulador conviene al uso a que se le destina.
Viene fijado por el potencial de reducción del par redox utilizado; suele estar
entre 1 V y 4 V por elemento.
•
La corriente que puede suministrar el elemento, medida en ampere (A), es el
segundo factor a considerar. Especial importancia tiene en algunos casos la
19
corriente máxima obtenible; p. ej., los motores de arranque de los automóviles
exigen esfuerzos muy grandes de la batería cuando se ponen en funcionamiento
(decenas de A), por lo que deben actuar durante poco tiempo.
•
La capacidad eléctrica se mide en la práctica por referencia a los tiempos de
carga y de descarga en Ah(amper-hora). La unidad SI es el coulomb (C).
1 Ah = 1000 mAh = 3600 C; 1 C = 1 Ah/3600 = 0,278 mAh.
Téngase en cuenta, sin embargo, que, cuando se den indicaciones en el cuerpo de las
baterías o en sus envases, como Cárguese a C/10 durante 12 horas, la letra C no se
refiere al coulomb, sino a la carga máxima que puede recibir el acumulador, de modo
que en el caso anterior, si la capacidad del acumulador fuesen 1200 mAh, se le debería
aplicar una corriente de carga de 1200/10 = 120 mA durante el número de horas
indicado.
•
La energía almacenada se mide habitualmente en Wh (vatios-hora); la unidad SI
es el Julio.
1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ; 1 J = 0,278 mWh
•
La resistencia de los acumuladores es muy inferior a la de las pilas, lo que les
permite suministrar cargas mucho más intensas que las de éstas, sobre todo de
forma transitoria. Por ejemplo, la resistencia interna de un acumulador de
plomo-ácido es de 0,006 ohm, y la de otro de Ni-Cd, de 0,009 ohm.
•
Otra de las características importantes de un acumulador es su masa o su peso, y
la relación entre ella y la capacidad eléctrica (Ah/kg) o la energía (Wh/kg) que
puede restituir. En algunos casos puede ser también importante el volumen que
ocupe (en m3 o en litros).
•
El rendimiento es la relación porcentual entre la energía eléctrica recibida en el
proceso de carga y la que el acumulador entrega durante la descarga. El
acumulador de plomo-ácido tiene un rendimiento de más del 90%.
20
Tabla.2.1.- Especificaciones de un Acumulador
21
2.2.3. El Inversor
Un inversor, también llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir
corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje
de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con
la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son
utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación
para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los
inversores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los
paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc, en corriente alterna y de esta
manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas
aisladas.
Figura.2.7.- Inversores
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es
utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada.
Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola
parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las
forma de onda de salida del voltaje de un inversor ideal debería ser sinusoidal. Una
buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM, logrando que la
componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores.
22
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de
transistores los IGBT's.
Inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una
onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador,
en vez de depender de éste para suavizar la onda.
Se pueden clasificar en general de dos tipos:
1) inversores monofásicos y 2) inversores trifásicos.
Condensadores e inductores pueden ser utilizados para suavizar el flujo de corriente
desde y hacia el transformador.
Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual es
generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una
circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen
adecuadamente. Inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas
cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente.
Inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulsos PWM con una
frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno, o
modulaciones por vectores de espacio mejorando la distorsión armónica de salida.
También se puede predistorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ).
Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de
conmutación llamado IGBT (Insulated Gate bipolar transistor ó transistor bipolar de
puerta aislada).
Parámetros de Rendimiento
•
Factor armónico de la n-ésima armónica (HFn) El HFn, que es una medida de la
contribución individual de esa armónica se define así:
23
para n > 1 donde V1 es el valor eficaz (rms) de la componente
fundamental, y Von es el valor eficaz de la n-ésima componente armónica.
•
Distorsión armónica total (THD-Total Harmonic Distortion). La distorsión
armónica total, es una medida de la coincidencia de formas entre una onda y su
componente fundamental, se define como:
•
Factor de distorsión (DF-Distortion Factor). Se diferencia de la anterior en que
detalla a cualquiera de las armónicas que constituye la señal, por el principio de
Fourier. El DF indica la cantidad de distorsión armónica que queda en
determinada forma de onda después de someter a las armónicas de esa onda a
una atenuación o filtrado de segundo orden, es decir, dividirlas entre n2. Se
vuelve entonces una medida de la eficacia de la reducción de armónicos no
deseados, y se define así:
El DF de un componente armónico individual (o el n-esimo) se define como:
para n > 1
•
Armónica de orden más bajo (LOH-Lowest Order Harmonic) es aquel
componente armónico cuya frecuencia se acerca más a la de la fundamental, y su
amplitud es mayor o igual al 3% de la componente fundamental.
24
2.2.4 El Regulador de Carga
Este es el dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y
sobredescargas profundas.
El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y
regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También
genera alarmas en función del estado de dicha carga.
Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestión de
un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control capaz de
adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la
modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones
especiales. Incluso existen aquellos que memorizan datos permitiendo conocer cual
ha sido la evolución de la instalación durante un tiempo determinado.
Para ello, consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y
descarga, y capacidad del acumulador.
Existen dos tipos de reguladores de carga, los lineales y los conmutados
Sistema
de
regulación.
¿Cómo
trabajan
los
reguladores
de
carga?
- Regulación de la intensidad de carga de las baterías: igualación, carga profunda,
flotación.
Figura2.8.-Regulador de voltaje
25
Igualación
Esta respuesta del regulador permite la realización automática de cargas de
igualación de los acumuladores tras un período de tiempo en el que el estado de
carga ha sido bajo, reduciendo al máximo el gaseo en caso contrario.
Carga Profunda
Tras la igualación, el sistema de regulación permite la entrada de corriente de carga
a los acumuladores sin interrupción hasta alcanzar el punto de tensión final de carga.
Alcanzado dicho punto el sistema de regulación interrumpe la carga y el sistema de
control pasa a la segunda fase, la flotación.
Cuando se alcanza la tensión final de carga, la batería ha alcanzado un nivel de
carga próximo al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se completará la carga.
Carga final y flotación
La carga final del acumulador se realiza estableciendo una zona de actuación del
sistema de regulación dentro de lo que denominamos “Banda de Flotación
Dinámica”. La BFD es un rango de tensión cuyos valores máximos y mínimos se
fijan entre la tensión final de carga y la tensión nominal + 10% aproximadamente.
Una vez alcanzado el valor de voltaje de plena carga de la batería, el regulador
inyecta una corriente pequeña para mantenerla a plena carga, esto es, inyecta la
corriente de flotación. Esta corriente se encarga por tanto de mantener la batería a
plena carga y cuando no se consuma energía se emplea en compensar la Auto
descarga de las baterías.
-Indicadores de estado: desconexión del consumo por baja tensión de baterías,
alarmas de señalización
Desconexión del consumo por baja tensión de baterías
La desconexión de la salida de consumo por baja tensión de batería indica una
situación de descarga del acumulador próxima al 70% de su capacidad nominal.
26
Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de tensión de maniobra de
desconexión de consumo durante más de un tiempo establecido, se desconecta el
consumo. Esto es para evitar que una sobrecarga puntual de corta duración desactive
el consumo.
Tensión de desconexión del consumo: tensión de la batería a partir de la cual se
desconectan las cargas de consumo.
Alarma por baja tensión de baterías
La alarma por baja tensión de batería indica una situación de descarga considerable.
A partir de este nivel de descarga las condiciones del acumulador comienzan a ser
comprometidas desde el punto de vista de la descarga y del mantenimiento de la
tensión de salida frente a intensidades elevadas.
Esta alarma está en función del valor de la tensión de desconexión de consumo.
En el regulador DSD, Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de la
alarma durante más de 10segundos aprox. se desconecta el consumo. El regulador
entra entonces en la fase de igualación y el consumo no se restaurará hasta que la
batería no alcance media carga. Además, incluye una señal acústica para señalizar la
batería baja.
Protecciones típicas.
Contra sobrecarga temporizada en consumo
Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo.
Contra desconexión de batería.
Indicadores de estado/señalizadores habituales.
Indicadores de tensión en batería.
Indicadores de fase de carga.
Indicadores de sobrecarga/ cortocircuito.
Parámetros para dimensionamiento y operación.
Tensión nominal: la del sistema (12, 24, 48 V)
Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador ha de ser mayor que
la recibida en total del campo de paneles FV.
27
-Intensidad Máxima de Carga o de generación: Máxima intensidad de corriente
procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de admitir.
-Intensidad máxima de consumo: máxima corriente que puede pasar del sistema de
regulación y control al consumo.
-Voltaje final de carga: voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe la
conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la
corriente media entregada por el generador fotovoltaico (I flotación). Vale
aproximadamente 14.1 para una batería de plomo ácido de tensión nominal 12V.
2.2.5 Seguidor solar
Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de
forma que éstos permanezcan cercanos a la perpendicular de los rayos solares,
siguiendo al sol desde el este, en la alborada, hasta el oeste, en la puesta.
Tipos de seguidores:
•
En dos ejes (2x): la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol.
•
En un eje polar (1xp): la superficie gira sobre un eje orientado al sur, e inclinado
en un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie
coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. La
velocidad de giro es de 15° por hora, como la del reloj.
•
En un eje azimutal (1xa): la superficie gira sobre un eje vertical y el ángulo de la
superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a
la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al
Sol. La velocidad de giro es variable a lo largo del día.
•
En un eje horizontal (1xh): la superficie gira en un eje horizontal y orientado en
dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida
en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.
De forma general, se suele admitir que el seguimiento azimutal colecta un 7% menos de
radiación que el seguimiento en dos ejes, y un 4% menos que el seguimiento polar.
28
Sin embargo, el tener un solo eje de giro y el que éste sea vertical hacen que la
mecánica de los seguidores azimutales sea particularmente sencilla y robusta. Para
muchos, esta ventaja compensa con creces la menor colección de radiación, por lo que
son más utilizados en la práctica.
Si tenemos en cuenta que el coste de instalar este tipo de seguidores puede suponer un
incremento del 20% del valor del proyecto, que supondría un incremento en los ingresos
del 40%, y un coste en mantenimiento prácticamente nulo, parece innegable que instalar
seguidores solares resulta rentable, por lo menos en países con gran radiación solar,
como España.
Figura.2.9.-Seguidor solar
2.3.
Espectro electromagnético
2.3.1. Espectro visible
Se le llama espectro visible al conjunto de colores que van superpuestos desde el
violeta hasta el rojo, y esta gama de colores, del arco iris, recibe el nombre de espectro
visible; también conocido como PAR (radiación fotosinteticamente activa)
29
Los espectros son una serie de colores violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado
y rojo, (por orden) que se producen al dividir una luz compuesta con una luz blanca en
sus colores constituyentes. Por ejemplo, el arco iris es un espectro natural producido por
fenómenos meteorológicos.
Los aparatos empleados para analizar los espectros son: espectroscopios, espectrógrafos
y espectrofotómetros, según sean para observar visualmente el espectro, registrarlo
fotográficamente o para medir la intensidad de sus diferentes partes. En el siglo XIX,
los científicos descubrieron que más allá de los extremos violeta y rojo del espectro
había unas radiaciones que se denominaron ultravioleta e infrarroja. La radiación
ultravioleta, aunque invisible al ojo humano, poseía una notable acción fotoquímica.
Igualmente, la radiación infrarroja, también invisible al ojo humano, transmitía energía,
lo que quedaba demostrado al aplicarla a un termómetro. Desde entonces se han abierto
los límites del espectro, y se han ido añadiendo las ondas de radio, más ayá del
infrarrojo, y los rayos X y rayos gamma más allá del ultravioleta.
2.3.2. La electroscopia
La ciencia que estudia los espectros en la física y la física-química es la
espectroscopia. Esta ciencia se basa en que cada elemento químico tiene su espectro
característico. Los científicos alemanes Gustav Kirchoff y Robert Bunsen comprobaron
esto en 1859, mediante la aplicación de un espectroscopio de prisma desarrollado por
ellos mismos para el análisis químico. Los dos científicos alemanes mencionados
anteriormente descubrieron que cada elemento emite y absorbe distintos tipos de ondas
de luz, y que por tanto cada elemento tiene un espectro distinto.
Como se ha indicado antes, los aparatos empleados para estudiar los espectros son el
espectroscopio, el espectrógrafo y el espectrofotómetro.
30
Figura.2.10.-Electroscopia
-El primero está formado por una rendija por la que entra la luz procedente de una
fuente externa, un conjunto de lentes, un prisma y un ocular. La luz que se quiere
analizar pasa por una lente colimadora, que la convierte en un haz de luz estrecho y
paralelo, y luego por el prisma. Una nueva lente enfoca las distintas ondas de luz que
salen del prisma sobre una pantalla, reflejándose en ésta las líneas espectrales, cada una
de un color diferente.
-En el segundo, la lente de enfoque es sustituida por una cámara fotográfica. Al llegar
las luces a la película se impresionan sobre la misma, y más tarde se puede calcular su
longitud de onda según sus posiciones en la película. Los espectrógrafos son útiles en
casi todas las regiones del espectro, pero como el vidrio no transmite las radiaciones
ultravioleta e infrarroja, las lentes a usar deben de ser de otro material, como el cuarzo.
-El tercer tipo se usa para medir la intensidad de un espectro determinado en
comparación con la intensidad de luz de una fuente patrón. De esta manera se puede
determinar la concentración de la sustancia que ha producido el espectro. Estos aparatos
son muy útiles para estudiar las partes no visibles del espectro.
También existe una variante del prisma, que se emplea para estudiar toda la zona del
espectro más allá de la zona ultravioleta. Consiste en una superficie especular de metal
sobre la cual se han trazado varias líneas paralelas con un diamante. De esta manera, la
luz se dispersa de una forma más limpia y se consigue una resolución del espectro
mucho mayor.
31
2.3.3. Análisis espectral
La luz se emite en fotones, y la energía de cada fotón es directamente
proporcional a la frecuencia, e inversamente proporcional a la longitud de onda. Esta
energía se halla mediante la siguiente fórmula:
ε = hν =
hc
λ
Donde h es el factor de proporcionalidad denominado constante de Planck, ν es la
frecuencia, λ la longitud de onda y c la velocidad de la luz en el vacío. Puesto que al
moverse los electrones de un átomo de una órbita a otra producen energía, midiendo la
longitud de onda de los fotones emitidos mediante los espectros que producen, es
posible deducir gran información sobre la estructura y distintos modos de movimiento
de los componentes del átomo o molécula.
En 1913, el físico danés Niels Bohr revisó radicalmente los modelos atómicos
existentes, y llegó a la conclusión de que no eran válidos. Valiéndose de la teoría de
Planck, Bohr ideó un nuevo modelo, con estas características:
- El electrón sólo puede moverse sin emitir energía en determinadas órbitas permitidas
llamadas estacionarias.
-
Sólo son posibles las órbitas en las que se cumple la ecuación
mvr = n
h
2π
Donde m v es el momento lineal (masa · velocidad del electrón), r es el radio de la órbita
y n es el número cuántico. Este número indica los distintos subniveles de las órbitas del
electrón.
De todas maneras, el modelo de Bohr no consiguió explicar satisfactoriamente los
átomos con más de un electrón. Pero en 1915, el físico alemán Sommerfield demostró
que las órbitas que Bohr creía circulares también podían ser elípticas, por lo que cada
órbita resultaba ser varias, muy próximas y de energía diferente, constituyendo
32
subniveles de energía. De esta manera, a los niveles de energía de Bohr les correspondía
el número cuántico principal, n, mientras que a los subniveles de energía de
Sommerfield se les asignó el número cuántico secundario, l.
Más tarde, el holandés Zeeman
descubrió que las órbitas de Sommerfield tienen
orientaciones distintas en el espacio. Esto provoca el llamado efecto Zeeman, por el cual
las rayas espectrales sufren un desdoblamiento al efectuar el análisis espectral del átomo
bajo la influencia de un intenso campo magnético. Para expresar la cuantización de esas
orientaciones se introdujo el número cuántico magnético, ml, que representa la distinta
orientación de las órbitas en el espacio dentro de una misma energía. Y, ya en 1922,
Stern y Gerlach descubrieron que el electrón en cada una de las orientaciones de las
órbitas de Sommerfield podía tener un sentido de giro o su opuesto. Para expresarlo
apareció un nuevo número cuántico, el número cuántico de spin, ms.
2.3.4. Aplicaciones del análisis espectral
El análisis espectral centra sus aplicaciones en dos campos, principalmente:
- Análisis químico: Puesto que el espectro de un elemento determinado es
absolutamente característico de ese elemento, el análisis espectral permite
estudiar o identificar la composición y la estructura de las moléculas.
- Aplicaciones astrofísicas: La distancia a la que puede situarse un
espectroscopio de la fuente de luz es ilimitada, lo que permite que el estudio
espectroscópico de la luz de las estrellas permita un análisis preciso de su
estructura, especialmente en el caso del Sol. De hecho el helio fue descubierto
antes en el sol que en la tierra. Además, permite medir con cierta precisión la
velocidad relativa de cualquier fuente de radiación.
La espectroscopia también es empleada en el campo de la física nuclear, para estudiar la
influencia del tamaño y la forma del núcleo de un átomo sobre su estructura atómica
externa.
33
2.3.5. Espectro de ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas, lejos del foco emisor, pueden considerarse ondas
transversales planas formadas por un campo magnético y por un campo eléctrico ,
perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación. La
amplitud de la radiación determina el brillo y la relación entre la amplitud y la fase de
los campos eléctrico y magnético condiciona el estado de polarización. La longitud de
onda condicionará el color de la radiación. Un cambio de 50 nm o menos nos dará otro
color diferente. Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su
velocidad es constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única
característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada
longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente
expresión matemática:
λ = longitud de onda = C X T = C ÷ f
Donde λ es la longitud de onda, C es la velocidad de la luz en el vacío , T el periodo y f
la frecuencia. La frecuencia es el número de vibraciones por unidad de tiempo y su
unidad es por tanto el ciclo por segundo o Hz (Hertzio). La longitud de onda es una
distancia y por lo tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación
electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos
del metro, como son el Ángstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de metro y el
Nanómetro (nm) que es la milmillonésima de metro.
Figura.2.11.-espectro electromagnético
34
El
espectro
electromagnético
es
el
que
comprende
todas
las
radiaciones
electromagnéticas.
Figura.2.12.- Espectro visible y el espectro luminoso no visible
Es la parte del espectro electromagnético comprendido entre 300 y 1500 nm. Aquí
englobamos el espectro visible y el espectro luminoso no visible (Figura.2.12.)
El espectro visible, llamado también ventana óptica, comprende desde los 380 nm,
aproximadamente, hasta los 780 nm. Por encima de los 780 nm tenemos las radiaciones
infrarrojas y por debajo de los 380 nm tenemos las ultravioletas
Sí en un punto de un medio elástico producimos una perturbación que dé lugar a una
deformación local, se observa que esta perturbación se trasmite a todo el medio,
propagándose por este a una determinada velocidad. Cuando se produce esta
35
perturbación en un punto, dando lugar a un desplazamiento de la posición de equilibrio
de las partículas, éstas empezaran a vibrar, transmitiendo su movimiento a las partículas
más próximas y éstas a su vez a otras, dando lugar a que la perturbación se propague por
todo el medio. Pero esta perturbación se amortigua no sólo por la pérdida de energía
debida al rozamiento de unas partículas con otras, sino que también esta energía, que en
principio correspondía a unas pocas partículas, se extiende a un número mucho mayor.
Sírvanos como ejemplo para clarificar este hecho el efecto que produce una piedra
cuando se arroja a un estanque de agua. La perturbación provocada por la piedra en el
lugar de la caída se transmite a las partículas de agua próximas, propagándose en todas
direcciones en forma de ondas circulares que se van amortiguando a medida que se van
alejando del centro perturbador.
2.4.
Iluminación por Led
La tecnología LED (Diodos Emisores de Luz), o también llamada Luz Fría, se presenta
como la mayor revolución en iluminación desde que Edison inventara la ampolleta
eléctrica, y ya se habla de que llegará a reemplazar las ampolletas convencionales
utilizadas hasta el momento. Hasta la actualidad la luz de las ampolletas se generaba a
base de filamentos convencionales en los que el 90% de la energía se transformaba en
calor y se perdía. La tecnología LED hace brillar un cristal por lo que la energía se
transforma directamente en luz. Las lámparas incandescentes (incluyendo las de Xenón
y Kriptón) pierden el 90% de energía al transformarse en calor. Con el LED, la totalidad
de la energía se transforma en luz. Una linterna convencional, tras 32
minutos de uso presenta sólo el 50% de su potencia y tras 6 horas pierde completamente
su capacidad lumínica, mientras que a una linterna con LEDs esto sólo le ocurre tras
varios días de uso.
Ahorro económico.
Debido al bajo consumo y larga duración de los
LED, una hora de uso cuesta milésimas de céntimo menos y también reducción en
reparaciones. En caso de utilización interrumpida los LED tienen una vida útil de unos
36
11 años, por lo que ya no son necesarios los repuestos, en comparación con las lámparas
convencionales que sólo garantizan un uso de 6000 horas.
Resistencia a los golpes.
El cristal no brilla como un filamento, se encuentra dentro de una lente de plástico
transparente, por lo que puede dejarse caer, tirarse o pasar por encima de el sin dañarlo.
Ayudan a conservar el medioambiente.
El menor consumo de energía disminuye la demanda energética lo que se traduce en
menos contaminación. Ejemplos: Un dicroico convencional de 50Watts nos da una
eficiencia lumínica de 16 lúmenes/W. y su vida útil es de solo 1.000-2.000 horas. Si lo
comparamos con un dicroico led: Un dicroico LED de 2.34Watts obtenemos una
eficiencia lumínica de 45 lúmenes/W. y vida útil 50.000 horas. Es decir mayor
eficiencia lumínica y con un 90% de ahorro en energía. Los LEDs emiten luz difusa,
aportando numerosas ventajas a un alcance de diez metros. De este modo, los espacios
se iluminan de forma más homogénea sin bruscos contrastes ni 'aros' de luz, lo que
permite una mejor orientación y percepción de los detalles.
En los sistemas lumínicos de alto impacto la luz que generan los LED es azulada
(efecto de "luz de día"), con lo que nuestra visión nocturna se ve menos afectada que la
iluminación tradicionales, ofreciendo una mejor visión y percepción de la profundidad y
los detalles. Cuando la usemos de forma intermitente también tendrá un menor impacto
en la visión nocturna. Al parecerse tanto a la luz solar, si se proyecta contra una pared a
la luz del día podrá comprobarse que no parece tan potente como una clásica luz
amarilla. En cambio, haciendo la prueba en la oscuridad es donde realmente se aprecia
la gran diferencia lumínica.
Los LED ofrecen muchas ventajas frente a las ampolletas tradicionales. La importancia
de dichas ventajas dependerá de su aplicación específica, pero incluyen:
Ventajas en general:
•
Larga duración (50.000 horas)*.
•
Bajo costo de mantenimiento.
•
Más eficiencia que las ampolletas incandescentes y las halógenas.
•
Encendido instantáneo.
•
Completamente graduable sin variación de color.
37
•
Emisión directa de luces de colores sin necesidad de filtros.
•
Gama completa de colores.
•
Control dinámico del color y puntos blancos ajustables.
Ventajas de diseño:
•
Libertad total de diseño con luces invisibles.
•
Colores intensos, saturados.
•
Luz direccionada para sistemas más eficaces.
•
Iluminación fuerte, a prueba de vibraciones.
Ventajas medioambientales:
•
Sin mercurio.
•
Sin irradiaciones de infrarrojos o ultravioletas en la luz visible.
•
Permite la utilización de dimmers para graduar la intensidad de la luz.
•
No generan calor
Imágenes de algunas configuraciones (Figura.2.13.)
Figura.2.13.-Luz por Led
38
Capitulo III
ANALISIS DE RADIACIÓN
Se tiene interés de cuantificar la potencia eléctrica que genera un panel fotovoltaico
para lo que se requiere conocer
1- Sensibilidad de respuesta espectral del panel.
2- Variabilidad diaria
y estacional de los niveles de radiación solar y su
característica espectral.
3.1.
Respuesta espectral del panel
Si se observa la respuesta espectral del panel, se comprueba que su máxima
sensibilidad está en torno a los 900 nm disminuyendo esta respuesta a la mitad en
los 450 nm y por el otro extremo en los 1100 nm, y reduciéndose a cero en los
1200nm
respuesta de la celula solar
1,2
1
0,6
0,4
0,2
97
2
10
20
10
68
11
16
11
64
92
4
87
6
82
8
78
0
73
2
68
4
63
6
58
8
54
0
49
2
44
4
39
6
34
8
0
30
0
W/m2
0,8
nm
Figura.3.1.-Respuesta espectral de la célular solar
39
3.2
Espectro solar típico
Por otra parte, un espectro solar típico a nivel de la superficie (figura.3.2.) muestra
que la máxima radiación que llega a la superficie terrestre está en torno a los 500nm
(verde calipso). El espectro solar se subdivide en diferentes intervalos: la parte
visible con longitudes de onda entre 400 nm y 700 nm, que representa el 46% de la
energía solar total que llega a la superficie terrestre, el intervalo ultravioleta y el
intervalo infrarrojo.
respuesta de la celula solar
1,2
1
W/m2
0,8
0,6
0,4
0,2
97
2
10
20
10
68
11
16
11
64
92
4
87
6
82
8
78
0
73
2
68
4
63
6
58
8
54
0
49
2
44
4
39
6
34
8
30
0
0
nm
Figura.3.2.- Radiación en la superficie terrestre
Para estudiar la eficiencia de la potencia de este panel instalado en Valdivia interesa
conocer la variabilidad de la radiación solar en esta ubicación geográfica (39,8S;
72W).
Se dispone de información sobre la radiación visible total en los años
2001 al 2006, con registros diarios cada 15 minutos, obtenidos con el
espectrorradiómetro de radiación ultravioleta SUV-100 (BSI Inc., San Diego, CA,
EEUU). Este instrumento ubicado en el edificio de la Facultad de Ciencias en el
campus Isla Teja de la UACh (siniestrado en diciembre 2007), además de medir el
espectro ultravioleta y parte del visible, contaba con un filtro que medía el flujo total
de fotones pertenecientes al espectro visible. A partir del registro cada 15 minutos
de radiación visible o PAR (Photosynthetically Active Radiation) se estiman las
dosis diarias, mensuales y anuales de energía visible que incide en este lugar
geográfico. Se usó un modelo de transferencia radiativa TUV, que calcula el flujo de
40
fotones que incide en Valdivia entre 300nm y 1100nm; para el estudio es de
importancia hasta los 1200nm, por que es, hasta ésta longitud de onda que responde
el panel fotovoltaico, por esta razón se agrego la parte del espectro faltante*.
3.3.
Ponderación de la respuesta espectral
Para evaluar la incidencia de la radiación visible (PAR) sobre el total, en la
respuesta del panel se pondero su respuesta espectral con el espectro de la radiación
terrestre obtenida a partir del modelador TUV, lo que dio por resultado el espectro
representado en la Figura.3.3.
97
2
10
20
10
68
11
16
11
64
92
4
87
6
82
8
78
0
73
2
68
4
63
6
58
8
54
0
49
2
44
4
39
6
34
8
2,00E-01
1,80E-01
1,60E-01
1,40E-01
1,20E-01
1,00E-01
8,00E-02
6,00E-02
4,00E-02
2,00E-02
0,00E+00
30
0
WH/m2
curva resultante
nm
Figura.3.3.-Ponderación de la respuesta del panel con el espectro de radiación terrestre.
Luego, por medio de integración se calculó el porcentaje de importancia que tienen los
valores del PAR, en esta respuesta espectral; la que resulta ser un 46,3% del total del
espectro de radiación resultante de la ponderación; teniendo la misma magnitud de
importancia del PAR por sobre el total del espectro incidente en la superficie terrestre.
Para hacer esta estimación se ha escogido una respuesta espectral de un panel
fotovoltaico policristalino como se puede observar en la Figura.3.1, el cual ha sido
elegido por sus características comerciales.
41
3.4.
Modelador TUV
Para la modelación del espectro electromagnético incidente en la superficie terrestre en
una ubicación específica utilizamos el modelador de radiación TUV con el cual
podemos modelar desde los 300nm hasta los 1100nm, aproximándonos mucho a los
valores de radiación electromagnética reales. Comprobado con comparaciones de datos
reales de una ubicación geográfica específica.
Figura.3.4.- Presentación TUV
Este modelador, creado por S. Madronich, University Corporation for Atmospheric
Research nos da la posibilidad de escoger un punto de la superficie terrestre
especificando la latitud, longitud, altitud, horas del día, mes, año y otros. Como se
aprecia en la Figura.3.5.
42
Figura.3.5.-Parámetros del TUV
Se modifican los siguientes parámetros para que nos arroje datos para la ciudad de
Valdivia.
lat : latitud <-39>
lon : longitud <-73>
iyear : año <2006>
imonth : mes <11>
iday : dia <03>
zstart : altitud <0.005>
wstart : inicio del ancho de banda <400>
wstop : fin ancho de banda <1100>
Una vez realizados estos cambios ejecutamos el modelador y nos da una serie de datos
como se muestra en la Figura.3.6., donde la primera columna muestra las diferentes
longitudes de onda en los cuales se ha configurado al modelador, las columnas
siguientes son valores de radiación a diferentes horas del día y en ángulo cenitales
distintos que se encuentran especificados en el inicio de cada una de ellas; siendo solo
de importancia la columna donde los valores de radiación son mayores o sea a las 16:53
hora GMT. Es en esa hora donde aproximadamente, el ángulo cenital es mínimo y los
rayos del sol deben atravesar por menos atmósfera que filtre la radiación que llega a
superficie terrestre, en la ubicación del estudio, equivalente a las 12:53 de la mañana
43
para la fecha del 3 de noviembre en Valdivia con un ángulo cenital de sólo 23 grados.
De esta forma los datos fueron comparados con datos reales de radiación en las mismas
condiciones, demostrándose la fiabilidad del modelador.
Figura.3.6.-Resultados TUV
3.5.
Datos de radiación
Por otra parte los datos entregados por el sistema de monitoreo corresponden a una serie
de datos captados en un instante, cada 15 minutos. Para el desarrollo de esta tesis se ha
considerado que estos valores se mantienen estables hasta que llegue un nuevo dato del
sistema, de esta forma podemos modelar la radiación por un periodo constante, como se
muestra en el ejemplo, donde se estimó la radiación por día del PAR durante el año
2005, el que se muestra en el siguiente gráfico
44
01/12/2005
01/11/2005
01/10/2005
01/09/2005
01/08/2005
01/07/2005
01/06/2005
01/05/2005
01/04/2005
01/03/2005
01/02/2005
80.000.000
70.000.000
60.000.000
50.000.000
40.000.000
30.000.000
20.000.000
10.000.000
0
01/01/2005
microE/m2
Dosis diaria PAR
dias
Figura.3.7.-Dosis diaria PAR
Teniendo los datos de radiación expresados en µE/m²/día se hace la conversión para
trabajarlos en Wh/m² diarios. Para determinar la energía entregada por los datos
expresados en µE/m2/día hay que tomar en cuenta ésta es una cantidad de fotones por
m2 en un día, para lo cual, en primer lugar, se necesita la energía de un fotón, el que
depende proporcionalmente a la frecuencia en la que éste se encuentre. Por ejemplo, si
se considera que 550nm es un fotón del “centro” del espectro visible, un flujo de
fotones visibles de
1μE
m2
equivale a una energía de 6,022 *1017
fotones 6.626 *10−34 (Js) * 3*10 8 (m /s)
*
m2
550 *10−9 (m)
osea,
Wh
J
1μE
1 Wh
equivaleaunaenergía0,217646( 2 ) = 0,217646 *
( 2 ) = 6,0457 x10 −5 ( 2 )
2
3600 m
m
m
m
Para este estudio se ha utilizado la siguiente aproximación 1Wm-2 (PAR) es equivalente
a 4.6 μE m-2 **
Obteniendo esta transformación se procede a calcular las dosis de energía diaria
perteneciente solamente al espectro visible. Luego se considera que ésta es el 46,3% de
45
la energía total, por lo que se aumenta en un 53,7% para obtener la dosis diaria total de
radiación (Figura.3.8.)
01/12/2005
01/11/2005
01/10/2005
01/09/2005
01/08/2005
01/07/2005
01/06/2005
01/05/2005
01/04/2005
01/03/2005
01/02/2005
4.000
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
01/01/2005
Wh/m2
Dosis diaria por m2 de panel
dia
Figura.3.8.-Dosis diaria por m2 de panel
De esta forma tenemos datos de dosis en µE/m2 diarias del PAR y la estimación de
estas dosis de todo el espectro radiativo. A partir de estos datos es posible calcular la
energía diaria irradiada en Wh/m2 que incide sobre el punto geográfico del estudio, y así
calcular la energía luminosa que es capaz de transformar un panel fotovoltaico en
energía eléctrica(figura.3.9.).
46
Tabla.3.9.Resultados y transformaciones
Luego de realizar el cálculo de energía estimada para los paneles solares bajo estudio,
con una eficiencia de aproximadamente 16% (Figura.3.8.), se obtienen resultados que
indican que diariamente podemos tener niveles de 3500Wh por m2 diarios en verano, y
de valores que pueden llegar a tan solo los 100Wh por m2 diarios en invierno.
Ocurriendo de esta forma para los 7 años que se encuentran bajo análisis para este
estudio (Figura.3.10. a la Figura.3.16.).
dia
Figura.3.11.-Energía 2001
05-oct-00
25-oct-00
14-nov-00
04-dic-00
24-dic-00
26-oct-01
15-nov-01
05-dic-01
25-dic-01
06-ago-00
17-jul-00
27-jun-00
07-jun-00
18-may-00
28-abr-00
08-abr-00
19-mar-00
28-feb-00
08-feb-00
19-ene-00
06-oct-01
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
15-sep-00
2001
16-sep-01
Figura.3.10.Energía 2000
26-ago-00
dia
27-ago-01
07-ago-01
18-jul-01
28-jun-01
08-jun-01
19-may-01
29-abr-01
09-abr-01
20-mar-01
28-feb-01
08-feb-01
19-ene-01
Wh/m2
Wh/m2
47
3.5.1 Transformaciones fotovoltaicas anuales.
2000
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
dias
Figura.3.13.- Energía 2003
22-dic-03
05-dic-03
18-nov-03
01-nov-03
15-oct-03
28-sep-03
11-sep-03
25-ago-03
08-ago-03
22-jul-03
05-jul-03
18-jun-03
01-jun-03
15-may-03
28-abr-03
11-abr-03
25-mar-03
08-mar-03
19-feb-03
02-feb-03
16-ene-03
Wh/m2
25-dic-02
05-dic-02
15-nov-02
26-oct-02
06-oct-02
16-sep-02
27-ago-02
07-ago-02
18-jul-02
28-jun-02
08-jun-02
19-may-02
29-abr-02
09-abr-02
20-mar-02
28-feb-02
08-feb-02
19-ene-02
Wh/m2
48
2002
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
dia
Figura.3.12.- Energía 2002
2003
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
días
Figura.3.15.- Energía 2005
31-oct-04
17-nov-04
04-dic-04
21-dic-04
18-nov-05
05-dic-05
22-dic-05
10-sep-04
24-ago-04
07-ago-04
21-jul-04
04-jul-04
17-jun-04
31-may-04
14-may-04
27-abr-04
10-abr-04
24-mar-04
07-mar-04
19-feb-04
02-feb-04
16-ene-04
01-nov-05
4.000
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
14-oct-04
2005
15-oct-05
Figura.3.14.-Energía 2004
27-sep-04
dia
28-sep-05
11-sep-05
25-ago-05
08-ago-05
22-jul-05
05-jul-05
18-jun-05
01-jun-05
15-may-05
28-abr-05
11-abr-05
25-mar-05
08-mar-05
19-feb-05
02-feb-05
16-ene-05
Wh/m2
Wh/m2
49
2004
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
50
22-dic-06
05-dic-06
18-nov-06
01-nov-06
15-oct-06
28-sep-06
11-sep-06
25-ago-06
08-ago-06
22-jul-06
05-jul-06
18-jun-06
01-jun-06
15-may-06
28-abr-06
11-abr-06
25-mar-06
08-mar-06
19-feb-06
02-feb-06
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
16-ene-06
Wh/m2
2006
días
Figura.3.16.-Energía 2006
3.5.2. Transformación fotovoltaica en junio
En los años 2002 y 2006 hay una pérdida de datos que no son de mayor relevancia para
el estudio en el 2001 hay una pérdida importante sobre el mes de junio, por esta razón
solo fue ocupado este año hasta aquí. Para efectos de este estudio se busca los meses
con menos producción de energía, este período se encuentra entre los meses de junio y
julio, siendo el mes de junio el que en todos los años del estudio presenta la menor
disponibilidad de energía, llegando solamente a tener entre los 100Wh y los 800Wh
diarios por m2 en todos los días, como se muestra en las siguientes figuras
(Figura.3.17.a la Figura.3.23).
01
/0
6
03 /2 0
/0 01
6
05 /2 0
/0 01
6
07 /2 0
/0 01
6
09 /2 0
/0 01
6
11 /2 0
/0 01
6
13 /2 0
/0 01
6
15 /2 0
/0 01
6
17 /2 0
/0 01
6
19 /2 0
/0 01
6
21 /2 0
/0 01
6
23 /2 0
/0 01
6
25 /2 0
/0 01
6
27 /2 0
/0 01
6
29 /2 0
/0 01
6/
20
01
WH/m2
01
/0
6
03 /2 0
/0 01
6
05 /2 0
/0 01
6
07 /2 0
/0 01
6
09 /2 0
/0 01
6
11 /2 0
/0 01
6
13 /2 0
/0 01
6
15 /2 0
/0 01
6
17 /2 0
/0 01
6
19 /2 0
/0 01
6
21 /2 0
/0 01
6
23 /2 0
/0 01
6
25 /2 0
/0 01
6
27 /2 0
/0 01
6
29 /2 0
/0 01
6/
20
01
WH/m2
51
junio-2001
800
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.17.-Junio 2000
junio-2001
800
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.18. Junio 2001
01
/0
6
03 /2 0
/0 03
6
05 /2 0
/0 03
6
07 /2 0
/0 03
6
09 /2 0
/0 03
6
11 /2 0
/0 03
6
13 /2 0
/0 03
6
15 /2 0
/0 03
6
17 /2 0
/0 03
6
19 /2 0
/0 03
6
21 /2 0
/0 03
6
23 /2 0
/0 03
6
25 /2 0
/0 03
6
27 /2 0
/0 03
6
29 /2 0
/0 03
6/
20
03
WH/m2
01
/0
6
03 /2 0
/0 02
6
05 /2 0
/0 02
6
07 /2 0
/0 02
6
09 /2 0
/0 02
6
11 /2 0
/0 02
6
13 /2 0
/0 02
6
15 /2 0
/0 02
6
17 /2 0
/0 02
6
19 /2 0
/0 02
6
21 /2 0
/0 02
6
23 /2 0
/0 02
6
25 /2 0
/0 02
6
27 /2 0
/0 02
6
29 /2 0
/0 02
6/
20
02
WH/m2
52
junio-2002
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.19. Junio 2002
junio-2003
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.20. Junio 2003
01
/0
6
03 /2 0
/0 05
6
05 /2 0
/0 05
6
07 /2 0
/0 05
6
09 /2 0
/0 05
6
11 /2 0
/0 05
6
13 /2 0
/0 05
6
15 /2 0
/0 05
6
17 /2 0
/0 05
6
19 /2 0
/0 05
6
21 /2 0
/0 05
6
23 /2 0
/0 05
6
25 /2 0
/0 05
6
27 /2 0
/0 05
6
29 /2 0
/0 05
6/
20
05
WH/m2
01
/0
6
03 /2 0
/0 04
6
05 /2 0
/0 04
6
07 /2 0
/0 04
6
09 /2 0
/0 04
6
11 /2 0
/0 04
6
13 /2 0
/0 04
6
15 /2 0
/0 04
6
17 /2 0
/0 04
6
19 /2 0
/0 04
6
21 /2 0
/0 04
6
23 /2 0
/0 04
6
25 /2 0
/0 04
6
27 /2 0
/0 04
6
29 /2 0
/0 04
6/
20
04
WH/m2
53
junio-2004
800
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.21.- Junio 2004
junio-2005
700
600
500
400
300
200
100
0
días
Figura.3.22. Junio 2005
54
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
01
/0
6
03 /2 0
/0 06
6
05 /2 0
/0 06
6
07 /2 0
/0 06
6
09 /2 0
/0 06
6
11 /2 0
/0 06
6
13 /2 0
/0 06
6
15 /2 0
/0 06
6
17 /2 0
/0 06
6
19 /2 0
/0 06
6
21 /2 0
/0 06
6
23 /2 0
/0 06
6
25 /2 0
/0 06
6
27 /2 0
/0 06
6
29 /2 0
/0 06
6/
20
06
WH/m2
junio-2006
días
Figura.3.23. Junio 2006
3.6.
Resultados del análisis
Los niveles de radiación en el mes de junio pueden decender hasta los 9800Wh/m2
mensuales, mientras que en el mes de diciembre, siendo éste. el mes de más producción
durante el año, puede alcanzar los 91364Wh/m2 mensuales; siendo la producción del
mes de junio un 10% de la producción de diciembre(Figura.3.24.)
4.000
3.500
2.500
junio del 2005
2.000
diciembre del 2005
1.500
1.000
500
dias
Figura.3.24.-Resultado del análisis
29
27
25
23
21
19
17
15
13
9
11
7
5
3
0
1
Wh/m2
3.000
55
Capitulo IV
SISTEMA FOTOVOLTAICO
El sistema fotovoltaico bajo estudio está hecho para un domicilio de 130 m2 (Fig. 4.1)
con una potencia instalada de 16,25 KW y se le estimara la implementación instalación
de hasta 6KW máximo, incluyendo dentro del consumo el área de alumbrado, corrientes
débiles, fuerza y calefacción.
Esta casa está construida con materiales que mantienen un alto grado de aislamiento,
como son termo paneles, hormigón celular y otros; de esta forma se requiere menor
energía para mantener temperaturas cálidas dentro del recinto
Figura.4.1.-casa para estudio
La siguiente tabla (Tabla.4.1.) detalla todos los artefactos eléctricos que funcionan
dentro de la casa, en la cual se han ocupado alumbrado en base a tecnología led, que a
pesar de ser el área del hogar menos tomado en cuenta a la hora de pensar en consumo.
Esta área aporta una gran cantidad de la energía total mensual, debido a su gran factor
de uso; calefactores de bajo consumo, los cuales son responsable del 60% del consumo
diario del hogar y de esta forma ayudar para la factibilidad del sistema.
56
4.1.
Consumo de una casa común
Una casa con características como las mencionadas anteriormente en la que se utiliza
leña y gas para calefacción, agua sanitaria y cocina, dejando a la energía eléctrica para
el resto de requerimiento energético del hogar, tiene un consumo promedio aproximado
de 270KWh por mes, como se detalla en la tabla.4.1., en la que se muestran las
potencias de los diferentes artefactos, la cantidad de cada uno, las horas de uso diario
(factor de demanda), para luego estimar el consumo mensual.
Potencia x
artefacto unidades
(W)
potencia x
horas
tipo
diarias
(W)
(hrs.)
Energía
factor
diaria
(Wh)
1
ampolletas
60
5
300
8
0,33
2.400
2
microondas
1.750
1
1.750
1
0,02
875
3
hervidor eléctrico
1.500
1
1.500
1
0,02
750
4
lavadora
1.500
1
1.500
1
0,02
750
5
televisores
135
2
270
4
0,17
1.080
6
computador
100
2
200
2
0,08
400
7
Calefacción
500
0
0
5
0,21
0
8
thermo
1.200
0
0
2
0,06
0
9
horno eléctrico
2.200
0
0
0
0,01
0
10
encimera eléctrica
2.200
0
0
2
0,06
0
11
plancha
1.000
1
1.000
1
0,02
500
12
aspiradora
1.000
1
1.000
1
0,02
500
13
refrigerador
150
2
300
4
0,17
1.200
14
otros
500
1
500
1
0,04
500
13.795
8.320
8.955
Energía
mensual
Tabla.4.1. Tabla potencial casa común
268.650
57
4.2.
Consumo de una casa dependiente solo de electricidad.
En la tabla.4.2 se detalla el consumo para un hogar donde toda la fuente de energía, es
basada en energía eléctrica, incluyendo calefacción, agua sanitaria, etc. La energía
eléctrica necesaria para poder abastecer todas las áreas del hogar se triplican al incluir
todo eléctrico, siendo la calefacción el área con más consumo, llegando al 60% del
consumo mensual total. Hecha esta tabla pensando en el intervalo de abril a septiembre,
donde los niveles de radiación bajan a niveles inferior al 50% de los niveles máximos,
por lo que la temperatura desciende notablemente y es necesaria la calefacción,
en comparación a los meses fuera de este intervalo donde el factor de demanda en
algunos meses desciende prácticamente hasta cero, bajando en gran medida la cantidad
de energía necesaria para el sistema.
potencia x
artefacto
potencia x horas
unidades
(W)
tipo
diarias
(W)
(hrs.)
Factor de
energía
demanda
diaria
(Wh)
1
ampolletas
10
5
50
8
0,33
400
2
microondas
1.750
1
1.750
1
0,02
875
3
hervidor eléctrico
1.500
1
1.500
1
0,02
750
4
lavadora
1.500
1
1.500
1
0,02
750
5
televisores
135
2
270
4
0,17
1.080
6
computador
100
2
200
2
0,08
400
7
calefacción
500
4
2.000
6
0,21
12.000
8
thermo
1.200
1
1.200
2
0,06
1.800
9
horno eléctrico
2.200
1
2.200
0
0,01
660
10
encimera eléctrica
2.200
1
2.200
2
0,06
3.300
11
plancha
1.000
1
1.000
1
0,02
500
12
aspiradora
1.000
1
1.000
1
0,02
500
13
refrigerador
150
2
300
4
0,17
1.200
14
otros
500
1
500
1
0,04
500
13.795
15.920
24.715
E. mensual
Tabla.4.2. Tabla potencial casa tesis
741.450
58
4.3.
Diseño del sistema
Para el diseño de este sistema se realizó una estimación de consumo diario, el cual debe
ser abastecido por nuestro sistema que funcionará de forma autónoma, constituido por
un banco de baterías que proveerá de energía mientras los paneles no se encuentren
generando, lo que ocurrirá cada noche. Durante el día el conjunto de paneles solares
entregaran energía para el consumo en ese instante en la casa y a la vez proveerá de
energía para realizar la carga de las baterías.
4.3.1 Estimación de acumuladores
Para poder estimar la cantidad de baterías necesarias, las que han sido escogida según
conveniencia de acuerdo a sus características técnicas y al costo por WH, se estima que
las horas de autonomía que darán éstas, serán en los horarios donde ya no hay radiación
solar y por lo tanto no hay producción de parte de los paneles solares, a su vez se asume
que dentro del hogar no habrán ciertos eventos por lo que se tendrá un menor consumo
que en el resto del día, como lo muestra la Tabla.4.3, donde hay ciertos artefactos en
cursiva que no se toman en cuenta para el consumo dentro de este período y de esta
forma se calculó la energía necesaria para la autonomía que darán las baterías :
59
potencia x
artefacto Unidades
(W)
potencia
horas
x tipo
diarias
(W)
(hrs.)
Energía
factor
diaria
(Wh)
1
ampolletas
10
5
50
8,0
0,33
400
2
microondas
1.750
1
1.750
0,2
0,01
263
3
hervidor eléctrico
1.500
1
1.500
0,3
0,01
375
4
lavadora
1.500
1
1.500
0,0
0,00
0
5
televisores
135
2
270
4,0
0,17
1.080
6
computador
100
2
200
2,0
0,08
400
7
calefacción
500
4
2.000
4,0
0,17
8.000
8
thermo
1.200
1
1.200
0,2
0,01
180
9
horno eléctrico
2.200
1
2.200
0,0
0,00
0
10
encimera eléctrica
2.200
1
2.200
0,0
0,00
0
11
plancha
1.000
1
1.000
0,0
0,00
0
12
aspiradora
1.000
1
1.000
0,0
0,00
0
13
refrigerador
150
2
300
2,0
0,08
600
14
otros
500
1
500
1,0
0,04
500
13.745
15.670
11.798
E. mensual
353.925
Tabla.4.3.- Estimación de los acumuladores
Como se puede apreciar se necesitan 11.798 Wh para el período que las baterías darán
autonomía. Se le agregará a esta energía un 30% más en su valor, para tener baterías con
la capacidad suficiente para no provocar descargas del 100% en éstos, ya que
disminuyen importantemente la vida útil de éstas. Se utilizaran baterías de 108Ah de 12
volts, por lo que se necesita 14 baterías para cumplir con el requerimiento energético,
esto se resume en la Tabla.4.4.
Baterias 108Ah 12 v
Wh-casa + 30%
Wh-batería
Unidades de baterías
16.854
1296
14
Tabla.4.4.-Cálculo acumuladores
60
4.3.2 Estimación de lo paneles solares
Luego de haber estimado la cantidad de acumuladores, se estima la cantidad de paneles
fotovoltaicos para producir la energía diariamente necesaria, lo que es calculado, a partir
del resultado obtenido del procesamiento de datos de radiación, basándose en el
promedio de energía mensual más crítico de la temporada de los últimos 5 años, para
que de esta forma el dimensionamiento del sistema sea capaz de dar autonomía hasta en
la fecha con menor energía disponible. Se tiene de referencia la energía diaria necesaria
para hacer funcionar el domicilio que se encuentra detallado en la tabla.4.2, con una
energía de 745.000Wh mensual. A partir del análisis de los datos de radiación se sabe
que la producción promedio mensual en el mes de junio, siendo éste el mes de menos
radiación solar por m2, es del orden de los 10.678Wh en el mes, por lo que se necesitan
70 m2 de paneles para llegar al nivel de energía mensual necesario. Si los paneles
solares son de 1,3 m2 de área necesitaremos 54 paneles fotovoltaicos para producir este
nivel de energía mensual, Este análisis se resume en la Tabla.4.5.
Wh mensual
Wh mensual
necesarios
producidos
m2 necesarios
m2 x panel
cantidad paneles
745.000
10.678
70
1,3
54
Tabla.4.5.Cálculo paneles
4.3.3. Estimación del Inversor
Una vez obtenida la cantidad de paneles solares y acumuladores se estima la potencia
máxima instantánea, lo que se traduce en la elección de la potencia del inversor del
sistema. Ésta debe ser una potencia que al usuario le permita ocupar una cantidad de
artefactos a la vez, y además preocuparse que éste no sea muy elevado para no
encarecer en demasía los costos de la instalación. Para esto se toma en cuenta el
momento más critico, el cual, se estima que es a la hora de cocinar, donde los artefactos
de la cocina se encuentran funcionando simultáneamente. Entonces, simultáneamente
funcionando se puede llegar a tener el termo, el horno eléctrico, la encimera eléctrica y
el refrigerado; como se puede apreciar en la Tabla.4.6, este inversor recibirá la energía
61
en 12 volt en corriente continua(CC) y la entrega en 230 volts en corriente alterna(CA)
con una frecuencia de 50 Hz
TABLA POTENCIAL estimación del inversor
potencia
x
potencia x
artefacto Unidades
(W)
horas
Energía
tipo
diarias factor diaria
(W)
(hrs.)
1
ampolletas
60
0
0
2
microondas
1.750
0
0
3
hervidor eléctrico
1.500
0
0
4
lavadora
1.500
0
0
5
televisores
135
1
135
6
computador
100
0
0
7
calefacción
500
0
0
8
thermo
1.200
1
1.200
9
horno eléctrico
2.200
1
2.200
10
encimera eléctrica
2.200
1
2.200
11
plancha
1.000
0
0
12
aspiradora
1.000
0
0
13
refrigerador
150
1
150
14
otros
500
0
0
5.885
Tabla.4.6.-calculo de potencia para determinar el inversor.
De esta forma determinamos la potencia del inversor en al menos 6KW.
(Wh)
62
4.3.4
Seguidor Solar
Los paneles solares, al estar constantemente siguiendo al sol y manteniendo sus rayos
perpendiculares a la superficie de estos, aumentan en un 40% la producción de energía;
por esta razón es de conveniencia considerarlo para el estudio, Los seguidores solares
deben mantener un área de 70 m2 de paneles solares, que debido a su gran área se divide
en 7 seguidores de 10m2 cada uno.
4.3.5. Regulador de voltaje
Regulador de voltaje, el cual mantendrá limitado el voltaje que llegará a las baterías y
al inversor en 48 volts., soportando hasta 28 A.
4.4.
Valoración del sistema
Para escoger la marca y modelo de cada dispositivo del sistema se realizó un pequeño
análisis donde se buscó el valor por W de cada dispositivo, entregando importantes
variaciones de precios entre distintas posibilidades, modelos y potencias de cada casa
comercial, como se muestra en el ejemplo(Tabla.4.7), una de las tablas que se utilizó
para la elección de los paneles solares hecha a partir de los precios de la casa comercial
Solener, donde se escogió dentro de los paneles policristalinos el que se encuentra
destacado en la tabla.
63
SOLENER
potencia
Valor del
Valor $
(W)
Valor €
Valor $
valor € por KW
€
por Kw
05PAN5
5
25
18.925
5,0
757
3785
05PAN10
10
56
42.392
5,6
757
4239
05PAN20
20
108
81.756
5,4
757
4088
05PAN55
55
277
209.689
5,0
757
3813
05PANPW850
65
320
242.240
4,9
757
3727
05PANSHELL155
155
621
470.097
4,0
757
3033
05PANSHELL175
175
778
588.946
4,4
757
3365
05PANMIT165
180
790
598.030
4,4
757
3322
05PANMIT165
165
665
503.405
4,0
757
3051
05PANMIT130
130
540
408.780
4,2
757
3144
05PANMA100T2
100
340
257.380
3,4
757
2574
Tabla.4.7.-Precios de paneles fotovoltaicos, solener
De la misma forma se realizó con los demás componentes del sistema dando por
resultado lo que se detalla en la Tabla.4.8. donde el valor total del sistema instalado es
de $35.302.492, siendo los paneles solares los dispositivos mas costosos para el sistema
unidades
valor c/u $
valor total $
PLACAS SOLARES 155W 24V
54
470.047
25.382.538
BATERIAS 108 Ah 12V
14
130.961
1.833.454
INVERSOR 7.000 W / 48 V
1
2.642.500
2.642.500
CPU CONTROL DE CARGA 30 A.
1
374.000
374.000
SEGUIDOR SOLAR
7
700.000
4.900.000
INSTALACION
1
170.000
170.000
Total
35.302.492
Tabla.4.8.-Valoración del sistema
64
4.5.
Consumo energético de una casa equivalente
Una casa de similares características que utiliza gas y leña para las distintas necesidades
energéticas; donde el agua sanitaria es calentada por medio de un calefón ocupando gas
y así también los artefactos de la cocina. Por otra parte la leña es ocupada para
calefaccionar el 100% de la vivienda. Las cantidades anuales de estas fuentes de energía
son: 25metros de leña, 540kilos de gas y 3240Kwh de electricidad provocando un gasto
anual de $1.322.000 como se detalla en la Tabla.4.10
valor unidad ($)
unidades anual
valor anual ($)
leña
20000
25
500.000
Gas
13000
24
336.000
luz
150
3240
486.000
1.322.000
Tabla.4.10.-Consumo casa común
65
Conclusiones
Una casa con las características propuestas en la cual se incluye el área de calefacción,
siendo responsable del mayor porcentaje de consumo, otra área de importancia es el
alumbrado que a pesar de que cada dispositivo que compone a éste, no es de una
potencia muy significativa, pero su alto factor de demanda hacen que sea responsable de
un gran porcentaje del consumo de energía mensual, situación que ha sido cambiada con
la nueva tecnología led con el cual hay un 90% de ahorro energético en esta área.
Por otro lado se hizo un estudio para una casa que tenga autonomía eléctrica a partir de
energía fotovoltaica, la que debe abastecer energéticamente incluso los meses de menos
energía disponible, que es principalmente el mes de junio, en el cual, el estudio y
análisis de los datos de radiación disponibles han entregado resultados que indican que
las dosis mensuales de energía por m2 son de tan solo 10Kwh mensual, siendo tan solo
un 10% de lo que puede llegar producir un panel fotovoltaico en 1m2 durante las fechas
de niveles de radiaciones más altos, como es el mes de diciembre, donde los valores
alcanzan a los 100Kwh mensuales. Por esta razón el valor de un sistema fotovoltaico
que pueda dar autonomía a nuestro sistema durante todos los meses del año está
estimado en $35.302.492 . Para una casa, que se abastece de energía convencional y
que mantiene los mismos requerimientos energéticos que la casa en estudio produce un
gasto anual estimado en $1.322.000, por lo que necesitaría alrededor de 26 años para
recuperar esta inversión, tomando en cuenta que los acumuladores tiene una vida útil de
aproximadamente 7 años y lo paneles solares de 26 años. Por lo que se concluye, que la
posibilidad de utilización de este sistema se encuentra bastante alejada de la factibilidad.
66
BIBLIOGRAFIA
•
Radiacion Solar y Fotoprocesos Atmosfericos; E. Lissi
•
Principles of Radiation Measurement; William W. Biggs,
•
SIEMENS, 2005. General Installation Guide; For Siemens Solar Electric
Modules.
•
SARMIENTO, P. 1995. Energía Solar: Aplicaciones e ingeniería.
•
http://www.epsea.org/esp/pdf2/Capit03.pdf
•
http://es.wikipedia.org/wiki/Inversor
•
http://fc.uni.edu.pe/mhorn/IF442%20clase3_archivos/image013.jpg