Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
“Diseño y construcción de un sistema de control
sencillo para el manejo de un sistema independiente
de energía eléctrica”
Por:
David Badilla Meza
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Diciembre de 2007
“Diseño y construcción de un sistema de control
sencillo para el manejo de un sistema independiente
de energía eléctrica”
Por:
David Badilla Meza
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. Jaime Allen Flores
Profesor Guía
___________________________
Ing. Manuel Fallas Agüero
Profesor lector
_____________________________
Ing. Guillermo Loría Martínez
Profesor lector
ii
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... v
ÍNDICE DE TABLAS...........................................................................................................vi
NOMENCLATURA.............................................................................................................vii
RESUMEN ..........................................................................................................................viii
CAPÍTULO 1: Introducción................................................................................................... 1
1.1
Objetivos................................................................................................................. 3
1.1.1
Objetivo general ............................................................................................. 3
1.1.2
Objetivos específicos...................................................................................... 3
1.2
Metodología............................................................................................................ 5
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico .......................................................................................... 6
2.1
Paneles fotovoltaicos .............................................................................................. 6
2.1.1
Principio de funcionamiento[9] ....................................................................... 6
2.1.2
Potencia entregada.......................................................................................... 8
2.1.3 Regulador de carga en sistemas fotovoltaicos....................................................... 8
2.2 Baterías (acumuladores) ............................................................................................... 9
2.2.1 Definición [13]....................................................................................................... 10
2.2.2 Baterías de plomo-ácido [13]................................................................................. 10
2.2.3 Parámetros de un acumulador [13] ........................................................................ 12
2.2.4 Condiciones de prueba [22] ................................................................................... 13
2.3 Inversores ................................................................................................................... 15
2.3.1 Funcionamiento ................................................................................................... 15
2.3.2 Parámetros [17] ...................................................................................................... 16
2.4 Cargadores .................................................................................................................. 16
2.4.1 Cargadores sencillos [18] ...................................................................................... 17
2.4.2 Cargadores temporizados [18] ............................................................................... 17
2.4.3 Cargadores inteligentes [18] .................................................................................. 17
2.4.4 Parámetros de los cargadores. ............................................................................. 18
2.5 Controladores ............................................................................................................. 18
2.5.1 PLC[23] ................................................................................................................. 18
2.5.2 Controladores para sistemas fotovoltaicos .......................................................... 19
2.5.3 Parámetros de un controlador .............................................................................. 19
2.6 Generadores a base de combustible............................................................................ 20
2.6.1 Generadores a gas................................................................................................ 20
2.6.2 Generadores a gasolina........................................................................................ 20
2.6.3 Generadores a diesel............................................................................................ 21
2.6.4 Parámetros de los generadores a base de combustible [20] ................................... 21
CAPÍTULO 3: Análisis de cargas ........................................................................................ 23
3.1 Análisis de potencia y energía de lunes a viernes ...................................................... 24
3.2 Análisis de potencia y energía del día sábado ............................................................ 25
3.3 Especificaciones Requeridas ...................................................................................... 26
CAPÍTULO 4: Sondeo de mercado...................................................................................... 30
4.1 Paneles Solares ........................................................................................................... 31
4.2 Reguladores de carga.................................................................................................. 32
iii
4.3 Cargadores/inversores ................................................................................................ 34
4.4 Baterías ....................................................................................................................... 35
4.5 Generadores a base de combustible............................................................................ 36
CAPÍTULO 5: Características de los sistemas de control comerciales para aplicaciones FV
.............................................................................................................................................. 38
5.1 OutBack GVFX3524 [26]............................................................................................. 38
5.2 Xantrex xw4024 [27] .................................................................................................... 41
5.3 Sunny Island 4248U [28] .............................................................................................. 44
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES ..................................................................................... 47
RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 52
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 53
Anexos .................................................................................................................................. 57
Irradiación solar en Costa Rica [29] ................................................................................... 57
Controladores (hojas de fabricante).................................................................................. 60
Sunny Island 4248 U[28] ................................................................................................ 60
Xantrex XW Inverter/charger [27] ................................................................................. 62
Outback Sinewave Inverter/charger [26] ........................................................................ 64
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Unidad generadora conectada a carga................................................................... 2
Figura 2.1 Estructura p-n de una célula fotovoltaica [4] .......................................................... 7
Figura 2.2 Esquema de un acumulador ................................................................................ 12
Figura 3.1 Consumo de potencia diario................................................................................ 26
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Cargas conectadas y su consumo semanal ............................................................. 4
Tabla 2.1 Tabla comparativa entre diferentes tipos de acumuladores[13] ............................. 14
Tabla 3.1 Cargas conectadas ................................................................................................ 23
Tabla 3.2 Análisis de cargas de lunes a viernes ................................................................... 24
Tabla 3.3 Análisis de cargas en sábados............................................................................... 25
Tabla 3.4 Capacidad requerida por la carga de 1 a 10 días (Batería de 12V) ..................... 27
Tabla 3.5 Potencia a generar por los paneles........................................................................ 28
Tabla 4.1 Paneles Solares ..................................................................................................... 32
Tabla 4.2 Reguladores de carga............................................................................................ 34
Tabla 4.3 Inversores/cargadores ........................................................................................... 35
Tabla 4.4 Baterías ................................................................................................................. 36
Tabla 4.5 Generadores combustible ..................................................................................... 37
vi
NOMENCLATURA
FV
Fotovoltaico
AAC
Amperios Corriente alterna
ADC
Amperios Corriente Directa
VAC
Voltios Corriente Alterna
VDC
Voltios Corriente Directa
W
Watts
VA
Volt-amperes
Hz
Hertz
h
Hora
s
Segundo
W-h ó Wh Watt-hora
Ah
Ampere-hora
m2
Metro cuadrado
cm
Centímetro
rpm
Revoluciones por minuto
vii
RESUMEN
El objetivo primordial del presente proyecto es lograr la automatización y el control
de la energía aportada por diversas fuentes hacia un hogar.
Para el caso de estudio se utiliza un panel solar, el cual carga un banco de baterías, y
va a representar la fuente primordial de energía. Asimismo, el sistema se conecta a la red
eléctrica pública, y como última opción, se hará uso de un generador a base de combustible.
Para el desarrollo del trabajo, y luego de trazar los objetivos y la metodología a
seguir, se realizó una investigación en diferentes medios, como libros, foros y
enciclopedias, para comprender el funcionamiento, los principios básicos y las
especificaciones de los elementos que componen un sistema como el planteado. A
continuación, se hizo un análisis a fondo de la demanda de energía y potencia en el hogar.
Luego de lo anterior, se procedió a realizar un sondeo de mercado donde fue posible
conocer la disponibilidad de equipos apropiados para aplicaciones como la esbozada. Con
los datos obtenidos, se conformaron tablas resumen para comparar los diferentes modelos
de los elementos requeridos por el sistema. Finalmente, se dedicó un capítulo a la
descripción, especificaciones, características y comparaciones entre los controladores
comerciales que se adaptan a lo requerido.
Entre las principales conclusiones a las que se llegó y debido a la alta inversión
económica que representan los sistemas fotovoltaicos, se encuentra la necesidad de
estimular la producción de energía renovable, lo cual se puede hacer mediante incentivos ya
sea fiscales o a un precio de compra especial. Otra conclusión importante es cómo la
automatización del proceso se puede lograr mediante artículos diseñados para tal fin, y que
poseen muchas otras características útiles.
viii
CAPÍTULO 1: Introducción
El consumo de energía de manera responsable es un asunto que día a día toma más
importancia debido al rápido deterioro de nuestro planeta.
La utilización de fuentes de energía renovables para la producción de energía
eléctrica se hace esencial en la actualidad debido al daño al ambiente que provocan los
combustibles fósiles. La obtención de electricidad a partir de la energía que proveen el
agua, el Sol y el viento, así como la que provee el calor de la Tierra mitigan la emisión de
gases contaminantes a la atmósfera por parte de industrias, vehículos y plantas generadoras
que utilizan materia prima obtenida de fuentes no renovable, como lo son los derivados del
petróleo y los combustibles fósiles.
Mediante un sistema de generación por medio de celdas fotovoltaicas, se puede
llevar electricidad a zonas alejadas, donde el suministro por parte de las compañías
distribuidoras de energía no esté asegurado o el mismo implique grandes pérdidas en líneas
de distribución y transmisión, así como en transformadores y otros elementos de la red
eléctrica. Asimismo, un sistema de este tipo puede ser de mucha utilidad para cualquier
usuario que muestre interés en reducir su facturación en el recibo eléctrico, además de
participar activamente en la conservación del planeta.
El sistema que se propone consiste en un panel solar, que alimentan un banco de
baterías, del cual mediante un inversor se va a convertir la energía almacenada en este
banco en corriente alterna, la cual va a ser utilizada por el usuario. Para asegurar la
continuidad y la calidad del servicio, el banco de baterías se va a apoyar primeramente en la
red de energía pública, y en caso de un fallo en la misma, en un generador de combustible,
1
2
el cual se pretende que sea utilizado sólo en casos de necesidad, dado el costo que
representa el gasto en combustibles y el daño ambiental que provoca.
El presente trabajo busca la forma que el generador suministre energía de acuerdo a
los requerimientos del usuario, donde la carga requerida se estima que ronda entre los 5 kW
y 10 kW, de manera continua, confiable y donde la conmutación entre las distintas fuentes
de alimentación se realice de manera automática, de manera que los usuarios de la unidad
no tengan la necesidad de ajustar o realizar cambios en el sistema de manera periódica.
Figura 1.1 Unidad generadora conectada a carga
Para lo anterior se realizará un sondeo de mercado para conocer la disponibilidad
existente de controladores, cargadores e inversores que cumplan dicha función, así como el
resto de partes que conforman la unidad generadora como lo son el generador gasolina, el
panel solar, el banco de baterías y demás elementos que sean necesarios.
3
Con el requerimiento de potencia del usuario, se procederá a realizar un análisis del
dimensionamiento y capacidad requerida de las celdas solares, de las baterías y de las
características que deban tener los elementos del sistema, en este paso se incluyen, además,
la potencia del generador, del inversor y del cargador.
Una vez obtenidas las características anteriores, se procede a la escogencia de un
controlador adecuado a los requerimientos y particularidades del sistema para realizar la
conmutación cuando la energía almacenada en las baterías sea insuficiente para alimentar la
carga conectada por el usuario.
1.1 Objetivos
1.1.1
Objetivo general
Diseñar e implementar un sistema de control capaz de manejar una planta alimentada
por diferentes fuentes (alimentación comercial, generador de combustibles fósiles,
generador foto-voltaico y un banco de baterías).
1.1.2
Objetivos específicos
• Realizar un sondeo de mercado nacional e internacional para conocer la disponibilidad
de productos existentes que cumplan las funciones requeridas, como lo son el cargador,
el inversor, el generador y el sistema de conmutación, así como las otras partes
requeridas para el funcionamiento del sistema. Debe hacerse una base de datos con
características, especificaciones y precios de los equipos.
• Especificar el sistema de acuerdo a la capacidad de generación por parte de las celdas
solares y de almacenamiento de las baterías así como las necesidades de carga del
usuario.
4
• Implementar, de acuerdo a las capacidades económicas y de financiamiento, un sistema
de control confiable que haga uso primordialmente de energía proveniente del
generador foto-voltaico y de las baterías. Como fuentes de soporte deben considerarse
un generador de gasolina y la alimentación de la compañía eléctrica.
• Características básicas:
• Alimentación de la compañía eléctrica: 240 Vac / 60 Hz / 1fase-trifilar.
• Generador de gasolina de 2500 W / 120 Vac. (encendido manual, apagado
eléctrico, conexión y desconexión automática)
• Batería: 12 Vdc o 24 Vdc.
• Generador foto-voltaico: a definir.
• Cargas: tabla adjunta
Tabla 1.1 Cargas conectadas y su consumo semanal
Carga
Potencia Consumida
(W)
Lavadora
Televisor
Refrigeradora
Iluminación
Plancha
Microondas
Cocina
Otras cargas
Total
460
168
244
75
1200
650
1500
300
4597
Tiempo de uso semanal (h)
4
28
44
21
3
2,5
28
28
Energía
disipada/semana
(W-h)
1840
4704
10736
1575
3600
1625
42000
8400
74480
5
1.2 Metodología
• Buscar información de cargadores adecuados a las necesidades propuestas en la
Internet.
• Realizar una búsqueda sobre inversores de acuerdo a las necesidades del usuario en la
web.
• Buscar en libros e Internet los métodos de control utilizados en conmutación para
alimentación de cargas en usos domésticos.
• Buscar información detallada sobre los elementos del sistema y su funcionamiento en
Internet, libros y consultas con personas conocedoras del tema.
• Analizar el consumo de potencia pico y promedio, así como la energía requerida en
intervalos diarios y semanales por parte del usuario.
• Seleccionar la información más relevante y el equipo más apropiado para diseñar el
sistema en un hogar.
• Implementar el sistema de acuerdo a las posibilidades económicas y de financiamiento.
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
Para la generación y el almacenamiento de energía que se va a llevar a cabo en el
domicilio del usuario, se requiere del uso de diferentes elementos cuyo funcionamiento se
explica más detalladamente a continuación.
2.1 Paneles fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos aprovechan la energía de la radiación solar que incide
sobre ellos para convertirla en energía eléctrica. El principio de funcionamiento de los
mismos se basa en el efecto foto-voltaico para transformar la energía del Sol y hacer que
una corriente pase entre dos placas con cargas eléctricas opuestas.
2.1.1 Principio de funcionamiento[9]
Los materiales utilizados principalmente en la fabricación de celdas solares son el
Silicio cristalino y el Arseniuro de Galio. El primero, a pesar de ser menos eficiente para
convertir la energía, es más utilizado debido a su menor costo y fácil acceso.
Cada célula fotovoltaica se compone de dos láminas delgadas de Silicio, a las cuales
se le introducen sustancias dopantes (impurezas que modifican las propiedades
conductoras). Se tiene una lámina positiva (P), la cual es dopada con Boro, y una lámina
que es dopada con Fósforo y va a poseer una polaridad negativa (N). Dichas láminas están
separadas por un semiconductor. Los fotones que provienen de la fuente de luz inciden
sobre la superficie de la capa P, provocando que se liberen electrones de los átomos de
Silicio, que atraviesan el material semiconductor, y únicamente lo pueden hacer en una
dirección. Con lo anterior, en la capa N se forma una diferencia de potencial respecto a la
capa P. Esta diferencia de potencial va a actuar como una fuente de voltaje DC, ya que una
corriente directa va a circular si se conecta un elemento disipador de energía.
6
7
Figura 2.1 Estructura p-n de una célula fotovoltaica [4]
Las placas fotovoltaicas pueden ser de tres tipos:
ƒ Monocristalinas: Las cuales están compuestas por un único cristal de Silicio. Son las
más pesadas y caras, igualmente tienen una eficiencia mayor (cercana al 20%). Se
reconocen por ser circulares o hexagonales.
ƒ Policristalinas: Están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
ƒ Amorfas: Es cuando el Silicio no se ha cristalizado. Tienen menor eficiencia (en
ocasiones menor al 1%), pero también menor precio y peso.
Las celdas se producen tanto en forma rectangular como circular, y su tamaño ronda
entre los 5 y los 10 cm. de diagonal. Las mismas son cortadas en forma apropiada, y se
realizan ciertas conexiones en serie y en paralelo con el objetivo de obtener el voltaje
deseado de salida. Se les coloca una cubierta de vidrio para protegerlos de daños en su
superficie por radiación o por el manejo y son montados en un sustrato, el cual debe ser un
conductor térmico, ya que las celdas se calientan al absorber la energía infrarroja que no se
8
convierte en electricidad. El aumento de temperatura reduce la eficiencia de las celdas por
lo que es deseable mantenerla en niveles bajos.
2.1.2 Potencia entregada
La Tierra obtiene del Sol alrededor de 1 kW/m2 en un día soleado. Típicamente, los
paneles solares cuentan con una eficiencia cercana al 12%, lo que resultaría en una
producción de 120 W/m2. Sin embargo, este resultado es afectado por las condiciones
climáticas, y como no todos los días son soleados, esta producción es menor. Usualmente el
rango de producción de potencia de las celdas solares está entre 50 y 150 W/m2, y se toma
un valor de 90 W/m2 como promedio. Las celdas fabricadas con Arseniuro de Galio son
más eficientes que las de Silicio, pero debido a su alto costo son menos utilizadas.
Asimismo, en estudios recientes se ha logrado alcanzar eficiencia de hasta un 40% en
paneles experimentales. [9]
La energía que se obtiene del Sol también se ve influida por la orientación hacia el
Sol como su inclinación respecto a la horizontal. Este hecho provoca que en algunas
ocasiones se utilicen paneles móviles, aunque el costo de estos es muy alto y usualmente se
opta por la utilización de paneles fijos, los cuales tienen una ligera inclinación hacia el sur
en zonas del hemisferio norte de nuestro planeta, como es el caso de nuestro país.
2.1.3 Regulador de carga en sistemas fotovoltaicos
Los reguladores de carga se utilizan con el fin de proteger los elementos del sistema
frente a operaciones del sistema fuera de los parámetros de seguridad.
Estos dispositivos protegen al banco de baterías de sobrecargas y de sobredescargas.
Dicho componente desconecta la carga cuando el nivel de las baterías es muy bajo e
interrumpe la conexión de las baterías con el panel solar una vez que las mismas se
9
encuentran totalmente cargadas. Estas funciones pueden ser realizadas por otros
dispositivos como el cargador/inversor, ya que en la actualidad los modelos de los mismos
pueden cumplir estas características.
La desconexión cuando el nivel de las baterías sea muy bajo, va a ser definido por el
fabricante del acumulador con la profundidad máxima de descarga permitida. En cuanto a
la tensión final de carga, debe asegurar que la batería esté totalmente cargada y sin sufrir
daños por sobrecarga.
2.2 Baterías (acumuladores)
Cuando se utilizan generadores solares el uso de baterías se vuelve fundamental por
dos razones: El de proveer potencia al sistema conectado cuando no exista disponibilidad
de luz solar y también para amortiguar las variaciones de energía. Los paneles solares, por
lo tanto se encargan de cargar las baterías. Para el caso en estudio, las mismas también van
a ser cargadas por medio de un cargador conectado a la red pública.
Para utilizarse en conjunto con un generador solar se requiere el uso de baterías de
ciclo profundo (deep cycle), las cuales, permiten que la batería sea descargada
completamente varios cientos de veces antes de ser inútil. Esta característica está presente
en los acumuladores de barcos, carros de golf y las diseñadas especialmente para
aplicaciones fotovoltaicas. Las baterías de automóviles no cuentan con esta característica,
por lo que tendrían que ser desechadas después de menos de 50 ciclos de descarga
profunda[13], ya que son diseñadas para descargarse solo un pequeño porcentaje de su carga
total y luego ser recargadas por el generador del vehículo. [2]
10
2.2.1 Definición [13]
Se le llama batería, o acumulador, al dispositivo que almacena energía eléctrica y
que posteriormente la devuelve casi en su totalidad. Dicho ciclo puede repetirse un
determinado número de veces. Se considera un generador eléctrico secundario debido a que
no puede funcionar a menos de que se le haya suministrado electricidad previamente
mediante el llamado proceso de carga.
Se diferencia de la pila porque esta es primaria y al terminarse su carga se desecha,
gracias a su bajo precio.
Se les denomina baterías ya que están formados por varios acumuladores en serie.
Tal es el caso de las baterías de los automóviles, las cuales están compuestas por 6
acumuladores de plomo-ácido, cada uno de los cuales proporciona unos 2 V, logrando
finalmente una tensión de 12 V. Para las baterías de 24 V, se utilizan 12 acumuladores.
El funcionamiento de los acumuladores se basa en procesos reversibles, esto es, que
los componentes no sean consumidos ni se pierdan, de modo que se pueda retornar al
estado inicial una vez realizado un ciclo. El ciclo consta de la etapa de descarga, donde se
cierra el circuito externo y la batería aporta la corriente que circula por éste. El ciclo de
carga se caracteriza porque la corriente se aplica a la batería, por medio de una fuente
externa.
Un acumulador se compone de dos electrodos, del mismo material o no, que son
sumergidos en un electrolito.
2.2.2 Baterías de plomo-ácido [13]
Se constituye por dos electrodos de plomo los cuales, cuando el acumulador está
descargado, se encuentran en forma de Sulfato de Plomo (PbSO4 II), incrustado en una
11
matriz de plomo metálico (Pb). El electrolito que se utiliza en este tipo de batería es el
ácido sulfúrico (H2SO4).
Durante el proceso de carga el Sulfato de plomo es reducido a plomo en el polo
negativo, en tanto que en el positivo se forma Óxido de plomo (Pb O2).
Al descargarse, el Óxido de plomo se reduce a Sulfato de plomo, en tanto que el
plomo del extremo negativo se oxida para dar Sulfato de plomo. Los electrones que se
intercambian en este proceso son aprovechados en forma de corriente eléctrica por medio
del circuito externo.
Durante la descarga baja la concentración de ácido sulfúrico porque se crea Sulfato
de plomo y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Cuando los cristales
creados por el Sulfato de plomo adquieren un tamaño muy grande, los mismos no
responden bien a los procesos de carga y descarga, por lo que se pierde la reversibilidad del
proceso. En tal caso se dice que el acumulador se ha “sulfatado” y se requiere un reemplazo
del mismo.
Actualmente, se venden baterías de este tipo cuyo electrolito viene en pasta, lo que
hace más cómoda y segura su utilización ya que no se evapora.
12
Figura 2.2 Esquema de un acumulador (1:Placas positivas; 2:Placas negativas;
3:Conexiones entre las placas; 4: Recipiente; 5:Aisladores de madera)[1]
2.2.3 Parámetros de un acumulador [13]
Primeramente se tiene el voltaje entre las terminales de la batería, ya que determina
si es apta para la carga que se va a conectar. Suele estar entre 1V y 4V por cada elemento.
Otro parámetro es la corriente que puede suministrar el elemento. También es
importante la corriente máxima que soporta el mismo, ya que se puede dañar si se
sobrepasa.
La capacidad eléctrica, que se refiere a los tiempos de carga y descarga en Ah.
Dicha unidad se puede convertir a Coulombs (C), mediante los siguientes factores de
conversión:
1 Ah = 1000 mAh = 3600 C
(2.2.10-1)
13
1 C = 1 Ah/3600 = 0,278 mAh.
(2.2.10-2)
El primer dato nos indica que la batería puede ser usada por 1000 horas
suministrando 1 mA o que puede suministrar 1000mA durante una hora.
La energía almacenada también es un parámetro que se utiliza. La unidad es el Joule
(J), pero habitualmente se utiliza Wh (Watt-hora). Se convierte mediante los siguientes
factores:
1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ
(2.2.10-3)
1 J = 0,278 mWh
(2.2.10-4)
La resistencia interna de los acumuladores es menor al de las pilas no recargables.
En el caso de la batería de plomo-ácido es de 0,006 Ω aproximadamente, en tanto que la de
Ni-Cd es 0,009 Ω.
También es importante conocer la relación entre la masa y la capacidad eléctrica o
la energía que puede restituir. Se da en Ah/kg en el primer caso, mientras que en segundo
se da en Wh/kg.
Finalmente, el rendimiento es la relación porcentual entre la energía recibida en el
proceso de carga y la que puede entregar en el proceso de descarga. El acumulador de
plomo-ácido tiene un rendimiento del 90%.
2.2.4 Condiciones de prueba [22]
Existe un organismo llamado Battery Council International (BCI) el cual da los
lineamientos para las pruebas en baterías.
Se incluyen pruebas específicas para vehículos, ciclo de vida para carros de golf,
para propósitos marinos y similares. No existe un procedimiento específico para propósitos
14
fotovoltaicos, pero los procedimientos de las pruebas del Consejo se pueden aplicar de la
siguiente manera:
Primeramente se mide el voltaje de la batería para conocer la capacidad perdida por
auto descarga durante el tiempo de almacenaje después de su fabricación.
Luego se mide la capacidad de la batería por un ciclo. Esta prueba da una noción de
la capacidad y salud de la batería y de los voltajes de corte de los elementos conectados a
ella.
También se realizan pruebas de ciclos de vida de las baterías en su utilización diaria
y el uso que se va a dar de carga y descarga de las mismas. Estas pruebas se realizan hasta
diferentes cargas como 80% del voltaje de corte de la carga, 60% de la capacidad inicial y
hasta 11,4 V.
Tabla 2.1 Tabla comparativa entre diferentes tipos de acumuladores[13]
Duración
Tensión por
Tipo
Energía / peso
Auto-descarga
Tiempo de
(número de
elemento (V)
por mes (% del
carga
recargas)
total)
Plomo
30-50 Wh/kg
2V
200-300
8h-16h
5%
Ni-Cd
48-80 Wh/kg
1,25 V
1500
1h
20 %
Ni-H
60-120 Wh/kg
1,25 V
300-500
2h-4h
30 %
Li-ion
110-160 Wh/kg
3,6 V
500-1000
2h-4h
10 %
Li-Po
100-130 Wh/kg
3,6 V
300-500
1h-1,5h
10 %
15
2.3 Inversores
Tienen la finalidad de convertir la corriente directa en corriente alterna. Se utilizan
en gran variedad de aplicaciones, como lo son las pequeñas fuentes de alimentación para
computadoras (UPS), y aplicaciones de mayor tamaño como lo son aplicaciones
industriales de alta potencia. Un uso extendido que se le da a los mismos es el que se busca
en este proyecto, el de convertir la corriente directa generada por paneles solares, y
almacenada en baterías, en corriente alterna de 120 V ó 240 V y 60 Hz ó 50 Hz, que pueda
ser utilizada por las artículos domésticos.
2.3.1 Funcionamiento
Un inversor se compone de un oscilador que controla a un transistor, el cual
interrumpe la corriente entrante y de esta forma generar una onda cuadrada. Dicha onda
alimenta un transformador que suaviza su forma, haciéndola semejante a una onda senoidal,
y ajustando el voltaje al voltaje de salida deseado. También se utilizan otros elementos
electrónicos, así como inductores y condensadores, para suavizar la onda y que la misma
tenga una forma bastante cercana a una sinusoidal. [16]
Hace unos años se utilizaban los inversores rotatorios, los cuales eran un motor DC
alimentado por las baterías y que servía como primotor de un generador AC. Estos
inversores se pueden mantener sin mantenimiento por mucho tiempo, y los de segunda
mano son muy baratos, especialmente los de aplicaciones marinas son útiles en este
sentido. Entre sus desventajas se tiene su tamaño, el ruido que producen y la eficiencia de
las máquinas eléctricas que tiene que le hacen perder mucha energía.[2]
16
Últimamente se han desarrollado dispositivos similares a los transistores y que son
más avanzados, como lo son los tiristores, los triacs y los IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor).
2.3.2 Parámetros [17]
Primero se debe tomar en cuenta la potencia nominal del inversor, la cual se mide
en watts y debe ser mayor a la suma de todas las cargas que vayan a ser conectadas al
mismo tiempo al inversor.
Capacidad de arranque: Mide la capacidad de soportar los picos de corriente que se
dan, por ejemplo al prender un motor. Un inversor puede permitir un 1,8 ó 2 veces su
capacidad nominal en watts por un período corto de tiempo.
El voltaje de entrada del inversor, el cual debe ser igual al voltaje del banco de
baterías y del panel solar.
También se especifica el voltaje de salida del inversor, que es importante porque es
el voltaje al que se va conectar la carga especificada.
Asimismo es importante conocer el tamaño y el peso de la unidad para adecuar la
habitación o el lugar donde se va a ubicar, así como la protección contra sobrecargas que
tenga, tanto a la entrada como a la salida y la disipación de calor que requiera al aparato, de
manera que sea segura para las personas y el equipo.
2.4 Cargadores
Un cargador es un dispositivo que se utiliza para introducir energía dentro de una
célula o acumulador, mediante la circulación de corriente eléctrica dentro de ésta.
17
La corriente de carga depende de la tecnología y de la capacidad de la batería que
está siendo cargada. Un ejemplo de esto es que no se puede cargar con la misma corriente
una batería de un teléfono celular y la de un automóvil.
Existen varios tipos de cargadores que se detallan a continuación:
2.4.1 Cargadores sencillos [18]
Aportan potencia constante a la batería que es cargada. No altera su salida basada en
el tiempo de carga o la carga de la batería. Son baratos, pero se pierde más en calidad, esto
debido a que duran más cargando una batería y también que pueden debilitar la misma o
destruirla debido a la sobrecarga a la que se ve sometida.
2.4.2 Cargadores temporizados [18]
La salida se detiene después de transcurrido un tiempo predeterminado.
Normalmente, para baterías pequeñas para aparatos electrónicos se vende el conjunto de
baterías y cargador, con la desventaja que no van a ser completamente compatibles con otro
tipo de baterías o las baterías pueden resultar sobrecargadas si no estaban totalmente
descargadas antes de empezar la etapa de carga.
2.4.3 Cargadores inteligentes [18]
La corriente de salida depende del estado de carga de la batería. Esto se logra
mediante el monitoreo del voltaje de la batería, su temperatura y/o tiempo de carga para
determinar la corriente de carga óptima en cada instante. La carga se detiene cuando la
combinación de los factores anteriores indiquen que el acumulador está totalmente cargado.
18
2.4.4 Parámetros de los cargadores.
Entre los parámetros a tener en cuenta para la elección de un cargador, se encuentra
la corriente de carga, el voltaje al que trabaja, tanto de entrada como de salida, el tipo de
cargador, así como dimensiones y peso.
2.5 Controladores
Para el sistema propuesto, el sistema de control se encarga de determinar el medio
que va a alimentar la carga del hogar, sea las baterías cuando las mismas estén cargadas, la
red eléctrica en caso de que las mismas no lo estén o un generador de combustible como
último recurso.
Para lo anterior, se puede hacer uso de un PLC (controlador lógico programable) o
de sistemas de control que vienen integrados en el inversor/cargador.
2.5.1 PLC[23]
Se basa en un microprocesador, siendo sus partes fundamentales la unidad central
de proceso (CPU), la memoria, y el sistema de entradas y salidas.
El CPU realiza el control interno y externo del autómata y la interpretación de las
instrucciones del programa. A partir de los datos de las entradas, genera señales de las
salidas.
El sistema de entradas y salidas recopila la información del proceso (sensoresentradas) y envía las acciones de control del mismo (actuadores-salidas). Una de las
ventajas que poseen los PLC es que pueden leer información de diferentes dispositivos
como interruptores, indicadores de temperatura y sistemas de posicionamiento. También
mediante los actuadores se pueden operar motores eléctricos y neumáticos, cilindros
hidráulicos o diafragmas, relés, solenoides, arrancadores, válvulas, etc.
19
2.5.2 Controladores para sistemas fotovoltaicos
El inversor/cargador de las baterías poseen, dependiendo del modelo y la marca,
diferentes elementos de control capaces de realizar la conmutación entre las fuentes o
desconectando la salida de las baterías cuando el nivel de las mismas sea bajo y empezar el
proceso de carga, con el objetivo de mantener los equipos en funcionamiento y mantener en
buen estado los acumuladores.
Al utilizar tanto estos sistemas como uno en que se haga uso de un PLC,
básicamente no se requeriría el uso de otros dispositivos de control, más allá del utilizado
para la activación del generador de combustible. Este en muchos casos viene incorporado
(arrancado automático) o en caso contrario, existen dispositivos de arranque para
generadores de combustible en caso de falla del sistema.
2.5.3 Parámetros de un controlador
Los controladores poseen distintas características dependiendo del uso que van a
tener. Para las necesidades del sistema fotovoltaico los parámetros más importantes son: La
corriente máxima que va a circular por los circuitos de los inversores y cargadores, así
como el de la alimentación del hogar que va a estar dependiendo del controlador. Otro
parámetro es el voltaje al que trabajan los elementos, ya sea en AC o DC, y los valores
máximos de los mismos.
Se pueden programar diferentes parámetros que dependen del sistema que se utilice
y la configuración de los elementos. Dichos parámetros pueden ser: tiempo de carga de las
baterías, voltaje de carga total de los acumuladores, voltaje mínimo de las baterías, y
voltajes de funcionamiento de las cargas, las baterías, el inversor, el panel solar y el
generador a base de combustibles fósiles.
20
2.6 Generadores a base de combustible
Para las ocasiones cuando las baterías estén descargadas y el servicio eléctrico no
esté disponible, se va a hacer uso de generadores que utilizan combustible. Existen
generadores que son alimentados por gasolina, diesel o gas. Los tres se componen
básicamente de los mismos elementos, donde el motor de combustión interna alimenta un
generador eléctrico, que suele ser una máquina sincrónica. También tienen los depósitos de
combustible y aceite, arrancador, dispositivos de protección (disyuntores) y de medición
(tacómetro y voltímetro). Asimismo tienen dispositivos electrónicos para la regulación del
voltaje y frecuencia en función de la carga. Igualmente tienen algún elemento para disipar
el calor de los equipos y esta función se hace por medio de aire, aceite o de agua. Todo lo
anterior se monta en un chasis que posee elementos de amortiguación para la reducción de
las vibraciones. [21]
2.6.1 Generadores a gas
Tienen un costo de mantenimiento más bajo, funciona muy bien a bajas
temperaturas, es relativamente silencioso y posee un nivel bajo de vibraciones. Tienen la
ventaja, asimismo, que el rendimiento de combustible es superior a los otros tipos, y
contamina en menor medida el ambiente.
2.6.2 Generadores a gasolina
Se encuentran para capacidades menores a 6 kVA, generalmente. Son refrigerados
por medio de aire y cuentan con dispositivos automáticos para este fin. Tienen la desventaja
de que el costo del combustible es el mayor de los casos estudiados.
21
2.6.3 Generadores a diesel
Son de tamaño mayor y hacen más ruido que los anteriores. Se encuentran para
capacidades de 6 kVA en adelante, generalmente, y operan de 1500 r.p.m. a 3000 r.p.m.
Su sistema de refrigeración es por medio de agua, aceite o agua. Los generadores
diesel tienen la ventaja en comparación con los generadores gasolina en que el combustible
es más barato, pero la desventaja de que el mantenimiento es más caro.
2.6.4 Parámetros de los generadores a base de combustible [20]
Para adquirir un generador, se necesita conocer ciertos parámetros, los cuales
elegidos correctamente nos ayudarán a escoger el generador adecuado.
El primero de los mismos es la autonomía, el cual es el tiempo que el generador va a
funcionar sin ocupar un repostaje de combustible. El mismo proporcional al tamaño del
tanque del combustible.
También es importante conocer los costos relacionados con el mantenimiento de los
generadores, ya que los mismos, al tener partes móviles, requieren cambio de lubricante,
filtros, bujías y revisión de válvulas, tornillos, tuercas, elementos de amortiguamiento, entre
otros elementos.
La potencia del motor térmico es un factor importante ya que indica la potencia que
entrega el motor de combustible al generador eléctrico. El mismo se encuentra
comercialmente en caballos de fuerza.
Del motor también se conoce la velocidad de giro del mismo, el cual se expresa en
revoluciones por minuto (r.p.m.)
La potencia eléctrica que entrega el generador es un parámetro esencial ya que nos
dice si el generador de combustible va a ser capaz de soportar la carga eléctrica que se le
22
conecte. Por lo tanto, la capacidad del generador debe ser mayor a la potencia que
consumen las cargas. El mismo se da en kVA, la potencia aparente, y en kW, la potencia
activa.
Finalmente, otros parámetros importantes son el tipo de protección contra fallas
eléctricas que tenga, nivel de sonido que emite y el tipo de arrancador que posee el
generador, sea manual o automático.
CAPÍTULO 3: Análisis de cargas
Para la selección de los elementos que van a conformar nuestro sistema, se requiere
el análisis de la carga que va a estar conectada al mismo. El caso de estudio tiene los
siguientes componentes disipadores de energía, los que se enlistan en la tabla 3.1, junto con
la potencia que disipan y el tiempo de uso diario.
Tabla 3.1 Cargas conectadas
Carga
Potencia (W)
Tiempo de uso diario (h)
Lavadora*
460
4
Televisor
168
4
Refrigeradora
244
6,28
Iluminación
75
4
Plancha *
1200
3
Microondas
650
0,36
Cocina
1500
2
Otras cargas
300
4
(*): Cargas sólo utilizadas en sábados
En la anterior tabla se observa que la cocina representa el consumo más alto del
hogar, lo cual incide en la dimensión, parámetros y precio del sistema de generación
fotovoltaico y sus dispositivos relacionados. Con el fin de tener un sistema más barato y
práctico, para la selección de los elementos del sistema no se va a tomar en cuenta la
cocina, dado que la misma se puede conectar directamente a la red eléctrica de servicio
público o ser de gas, opción también muy utilizada por las familias en nuestro país.
23
24
Otra consideración que se va a llevar a cabo para el diseño del sistema es separar
realizar el análisis de potencia del día sábado separadamente de los días entre semana,
debido al alto consumo de los aparatos utilizados este día en labores de lavandería. De
acuerdo a lo anterior, se van a analizar dos casos: consumo normal entre semana y consumo
en sábados. Los días domingos se considerarán como de consumo intermedio, y para el
análisis el peor caso viene dado por el día sábado.
3.1 Análisis de potencia y energía de lunes a viernes
Se realiza el análisis del comportamiento de las cargas con su utilización
aproximada en el transcurso del día, la energía y la potencia que disipan durante el
transcurso de un día por separado y en total. Dicho análisis se resume en la tabla 3.2:
Tabla 3.2 Análisis de cargas de lunes a viernes
Tiempo de
Energía
Carga
uso diario (h)
Hora inicio
Hora final
disipada (W-h)
Potencia (W)
Televisor
4
18:00
22:00
672
168
Refrigeradora
6,3
Uso alterno
Uso alterno
1537,2
244
Iluminación
4
18:00
22:00
300
75
Microondas
0,36
Uso alterno
Uso alterno
234
650
Otras cargas
4
14:00
18:00
1200
300
3943,2
1437
Total
Los datos más importantes de la tabla anterior son la energía total requerida y la
potencia total consumida, ya que en el caso de la primera a partir de la misma se va a hacer
la estimación de la capacidad de los generadores solar, de combustible, así como de las
baterías, mientras que con el dato de potencia se va a estimar la corriente que circula por el
sistema, con lo que se diseñan los conductores, disyuntores, así como la potencia pico que
25
deben soportar los generadores y el sistema de control. Se va a utilizar este valor para
diseñar el peor caso posible (todas las cargas conectadas simultáneamente) y con esto hacer
un sistema robusto.
3.2 Análisis de potencia y energía del día sábado
Repitiendo el proceso seguido en la sección anterior pero sumando las cargas
sabatinas, las cuales se centran en tareas de lavandería, se obtiene la siguiente tabla
resumen:
Tabla 3.3 Análisis de cargas en sábados
Tiempo de
Energía
Carga
uso diario (h)
Hora inicio
Hora final
disipada (W-h)
Potencia (W)
Lavadora
4
12:00
16:00
1840
460
Televisor
4
18:00
22:00
672
168
Refrigeradora
6,3
Uso alterno
Uso alterno
1537,2
244
Iluminación
4
18:00
22:00
300
75
Plancha
3
16:00
19:00
3600
1200
Microondas
0,36
Uso alterno
Uso alterno
234
650
Otras cargas
4
14:00
18:00
1200
300
9383,2
3097
Total
A través del análisis de la tabla 3.3 se observa que tanto la potencia pico consumida
como la energía disipada durante el día sábado aumentan considerablemente respecto a días
entre semana. En el caso de la energía, aumenta en un 138% y en el caso de la potencia
pico un 116%. Estos cambios tan drásticos pueden acarrear un aumento grande en la
inversión a realizar por parte del usuario por lo que es importante tomar en cuenta el factor
económico a la hora de efectuar el diseño final, ya sea seleccionando muy bien el uso de las
26
cargas, de manera que no se utilicen de forma simultánea, o dejando que sean alimentadas
de manera principal por la red pública.
Un gráfico que ilustra aproximadamente el consumo de potencia en el hogar
estudiado se presenta a continuación, donde es muy notoria la diferencia de consumo de los
días sábado (denotado por el color rosado) al resto de la semana (en amarillo).
Potencia consumida (W)
Consumo de Potencia diario
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00
Sábados
Entre semana
Hora
Figura 3.1 Consumo de potencia diario
3.3 Especificaciones Requeridas
Existen diversos criterios para la dimensión y capacidad requerida de las baterías y
el panel fotovoltaico, entre ellos el expuesto en la referencia [2], donde se recomienda para
un sistema independiente que las baterías tengan una capacidad de almacenaje equivalente
a la energía que la carga consume durante el período de 7 a 10 días. Como el sistema
propuesto en este trabajo va a estar apoyado por la red pública, dicho requisito puede
flexibilizarse con el fin de reducir costos y el espacio que ocupan los acumuladores.
Una compilación de las diferentes energías requeridas por la carga para el período
desde un día hasta diez días, a partir de los cuales se hará el estudio de mercado de las
27
baterías y el panel se presenta en la tabla 3.4, donde se hace la conversión de energía a
capacidades de baterías de 12 V, parámetro comercial.
Tabla 3.4 Capacidad requerida por la carga de 1 a 10 días (Batería de 12V)
Capacidad sábados (A-h) Capacidad entre semana (A-h)
1 día
781,93
328,60
2 días
1563,87
657,20
3 días
2345,80
985,80
4 días
3127,73
1314,40
5 días
3909,67
1643,00
6 días
4691,60
1971,60
7 días
5473,53
2300,20
8 días
6255,47
2628,80
9 días
7037,40
2957,40
10 días
7819,33
3286,00
A partir de los datos anteriores se nota que la capacidad de las baterías debe rondar
entre un valor mayor a 380 A-h, por márgenes de seguridad y para cubrir pérdidas, y los
7819 A-h, de acuerdo a la capacidad económica del usuario, disponibilidad de espacio y
robustez deseada del sistema.
Asimismo, de la tabla 3.5, que se presenta a continuación, es posible estimar la
energía que debe generar el panel solar, la cual debe ser mayor al valor mínimo requerido
por el hogar, más un porcentaje por el consumo de los equipos de generación y control,
además de las pérdidas.
28
Tabla 3.5 Potencia a generar por los paneles
Horas de sol recibidas
Potencia sábados (W)
Potencia entre semana (W)
1
9383
3943
2
4692
1972
3
3128
1314
4
2346
986
5
1877
789
6
1564
657
7
1340
563
8
1173
493
9
1043
438
10
938
394
11
853
358
12
782
329
Como las horas de Sol que recibe un panel solar varían dependiendo del lugar, del
clima y de la época del año, y las horas que genera a plena potencia son reducidas, se puede
tomar un valor mínimo de 4 horas en la potencia de días entre semana de la tabla anterior
para realizar el diseño. Dicho valor puede resultar bajo para alimentar la casa y
prácticamente no es útil para alimentar la carga de lavandería que se utiliza. Además, en
días nublados y en invierno la generación no puede ni siquiera alcanzar dicho valor y va a
requerirse de la conexión a la red pública. Sin embargo, hay que tener en cuenta el tamaño
del panel y el costo del mismo, por lo que paneles mayores a 1000W ya se consideran
apropiados para nuestra aplicación.
29
Respecto a la potencia que deben generar el inversor y el generador a combustible,
debe ser mayor que todas las cargas conectadas simultáneamente, lo cual es 3,1 kW.
Con el dato anterior, y despejándola de la ley de Ohm, la corriente que deben
soportar el controlador y los conductores debe ser mayor a 30 A AC, aunque igualmente se
debe dejar un margen de seguridad para asegurar el buen funcionamiento de los
dispositivos y evitar sobrecargas y daños a los mismos.
CAPÍTULO 4: Sondeo de mercado
Tanto en el mercado nacional como en el exterior existe una variedad de productos
que cumplen los requisitos que se trazan para el caso de estudio. En naciones como Estados
Unidos y también en países de Europa existen los incentivos por el aporte de energía por
parte del usuario a la red eléctrica, por lo que se venden sistemas que conectan el sistema
fotovoltaico a la red pública y el excedente que no es utilizado por el hogar pasa al sistema
interconectado. En este caso, el abonado no acumula energía durante el día por lo que en
horas de la noche la carga del hogar es abastecida por el servicio público. Dichos sistemas
se conocen como “Grid-tie systems” y los mismos tienen una configuración parecida a la
que se ha presentado en este documento con la excepción de que no existen acumuladores
ni cargadores, por lo que dicho sistema se compone del panel solar, el inversor y el sistema
de transferencia de energía.
Asimismo, se encuentran productos para los “grid-tie systems with backup”,
sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica pero que cuentan con dispositivos
almacenadores de energía, y cuyo funcionamiento es el mismo del sistema del caso en
estudio.
Para la utilización en sistemas como el mencionado estén compañías como Outback
Power,
Xantrex
y
SMA,
los
cuales
fabrican
y
comercializan
controladores,
cargadores/inversores, reguladores y medidores. Otras compañías como Mitsubishi y
Kyocera producen paneles solares. Para estos productos existen distribuidores, en Costa
Rica como en el extranjero de donde se consiguieron los precios y características que se
detallan a continuación:
30
31
4.1 Paneles Solares
Para los paneles solares que fueron estudiados se comparan los parámetros más
importantes de los mismos, los cuales son marca, modelo, precio, dimensiones y peso.
Estos dos últimos son importantes ya que es partir de dichos datos se puede conocer la
compatibilidad del sistema con el espacio físico que se posee, además de las bases sobre las
cuales se deben colocar y el peso que debe soportar el lugar sobre el cual se asienten, sea un
techo, una azotea o un lugar específicamente diseño para tal fin.
También se enlistan los datos de voltaje pico a plena carga, voltaje pico a circuito
abierto y potencia, los cuales son los más importantes ya que nos indican cuántos módulos
son necesarios para alimentar la carga, así como la conexión más apropiada a realizar entre
los mismos para el funcionamiento del regulador de carga de las baterías y del banco de
baterías.
Los diferentes datos obtenidos se presentan en la tabla 4.1:
32
Tabla 4.1 Paneles Solares
Volt. Circ.
Marca
Modelo
Volt. Pico
Potencia
Precio
Abierto
Dimensiones
Peso
1570 x 951 mm
18,23 kg
1610 x 810 mm
15 kg
1658 x 834 mm
19,5 kg
1425 x 625 mm
12,18 kg
1255 x 1166 mm
17,04 kg
Evergreen
ES – 180
25,9 V
32,6 V
180 W
$ 1205
35,7 V
44,4 V
175 W
$ 1165
24,2 V
30,4 V
180 W
$ 1206
Solar (*)
Solar
SW-
World (*)
175mono
Mitsubishi
PV-
Solar (*)
MF180UD4
Kyocera (*)
KC130TM
17,6 V
21,9 V
130 W
$ 790
GSE-120
37 V
52 V
120 W
$ 850
Global
Solar (*)
(*): Precio en Estados Unidos. Obtenido de [7]
4.2 Reguladores de carga.
Los reguladores de carga se consiguen principalmente de dos tipos: el Pulse Width
Modulator (PWM), los cuales desconectan la alimentación una vez que el voltaje de las
baterías indican que están totalmente cargadas y la vuelven a conectar una vez que el
mismo ha bajado aproximadamente un volt. Esta conmutación se realiza de manera muy
rápida, lo que mantiene las baterías a una carga plena siempre que la alimentación se
encuentre disponible. De igual forma se consiguen los reguladores (MPPT) Maximum
Power Point Tracking, que toman la potencia de la alimentación al voltaje al cual es
entregada la máxima potencia, de donde proviene su nombre. Ese voltaje es convertido a un
voltaje apropiado para cargar la batería. Estos reguladores permiten un voltaje de
alimentación alto, lo que provoca menores corrientes para la misma potencia, lo que deriva
33
en cables de menor calibre, y por tanto de menor costo. Los reguladores MPPT, permiten
incrementar la entrega de potencia hasta en 30% respecto a un sistema fotovoltaico
conectado directamente al banco de baterías.
Para los reguladores, se compilaron datos mecánicos como lo son dimensiones y el
peso, también se presenta el precio, y datos eléctricos como lo son la corriente máxima que
soportan, el voltaje máximo de circuito abierto que se les puede aplicar, el voltaje de
operación de los paneles solares, el voltaje de carga de las baterías, el cual puede ser
programado por el usuario o también es detectado automáticamente por el dispositivo. Se
presentan el modelo, marca y tipo de tecnología utilizada (PWM o MPPT).
34
Tabla 4.2 Reguladores de carga
Voltajes de Corriente Volt. Máx
Marca
Modelo
Tipo
Precio
carga (VDC) máx (DC)
Dimensiones
Peso
circ. Ab.
Apollo
T-80
MPPT
$ 849
12, 24, 48 V
80 A
140 V
38,5 x 21,5 x
11,1 cm
10 kg
MPPT
$ 650
12-60 V
60 A
150 V
36,8 x 14,6 x
13,9 cm
5,45 kg
MX-60 MPPT
MPPT
$ 649
12-60 V
60 A
140 V
36,8 x 14,6 x
14,6 cm
5,45 kg
SB6024H
MPPT
$ 432
12, 24 V
60 A
140 V
ND
ND
SS-15MPPT
MPPT
$ 278
12, 24 V
17 A
75 V
16,8 x 6,98 x
5,59 cm
0,75 kg
C-60
PWM
$ 199
12, 24 V
60 A
ND
ND
ND
SK-6
ND
$ 63
12 V
6A
ND
ND
ND
Solar (*)
Xantrex
XW-MPPT60-
(*)
150
Outback
(*)
Blue Sky
Energy (*)
Morning
Star (*)
Xantrex
(*)
Morning
star (**)
(*): Precio en Estados Unidos. Ver referencia [7]
(**): Precio en Costa Rica. Ver referencia [25]
4.3 Cargadores/inversores
En el mercado existe actualmente una diversa gama de productos diseñados para su
utilización en conjunto con la red eléctrica pública y con el aporte de energía acumulada en
baterías para el apoyo del sistema cuando no haya radiación solar. Estos sistemas en el
mercado se conocen como grid-tie systems with back-up. Los inversores/cargadores que se
usan en este tipo de sistema poseen sistemas de control integrados que realizan la
conmutación necesaria cuando el nivel de las baterías es bajo y su función pasa de convertir
35
el voltaje DC de las baterías en AC para su utilización en el hogar a una función de carga
de las baterías por medio de la red eléctrica. El umbral del voltaje al cual se realiza la
conmutación puede ser seleccionado por el usuario a través de interfaces diseñadas para tal
fin. También algunos de estos dispositivos poseen salidas extras para el arrancado de
generadores de combustible, en caso de que no haya servicio eléctrico ni carga acumulada
en las baterías. La eficiencia de estos inversores es cercana al 90% en todos los modelos
observados.
Los datos de voltaje de entrada, voltaje de salida, potencia, corriente máxima y
datos mecánicos se resumen en la tabla 4.3,
Tabla 4.3 Inversores/cargadores
Marca
Voltaje
Voltaje
entrada DC
salida AC
24 V
Modelo
Potencia
Precio
120 V
3500 W
24 V
120/240 V
48 V
120 V
Dimensiones
Peso
$ 2345
30 x 21 x
41 cm
24,54 kg
4000 W
$ 3250
58 x 41 x
23 cm
52,27 kg
4200 W
$ 4370
39 x 59 x
24,5 cm
39 kg
OutBack
GVFX3524
Power (*)
XW-4024Xantrex (*)
120/240-60
Sunny
4248 U
Island (**)
(*): Precio en Estados Unidos. Ver referencia [7]
(**): Precio en Costa Rica. Ver referencia [25]
4.4 Baterías
Los parámetros que se resumen en la tabla 4.4, y que se refieren a los acumuladores
para ser utilizados para la reserva de energía son: Capacidad en amperios-hora, volts DC,
precio, dimensiones y peso. Para ajustar el voltaje a uno apropiado de acuerdo a los demás
36
elementos del sistema y la capacidad a los requerimientos de la carga se pueden realizar
diversos arreglos paralelo-serie, en donde la formación de series van a aumentar el voltaje
del arreglo, y la formación de paralelos va a aumentar la capacidad del sistema para un
mismo voltaje.
A continuación se presenta la tabla 4.4:
Tabla 4.4 Baterías
Marca
Modelo
Capacidad
Voltaje DC
Precio
Dimensiones
Peso
MK (*)
S8D-SLD-G
225 A-h
12 V
$ 590
52,8 x 27,9 x 25,4 cm
73 kg
Trojan (*)
SCS-225
130 A-h
12 V
$ 179
33,7 x 17,1 x 24,8 cm
30 kg
Surrette (*)
12-CS-11PS
357 A-h
12 V
$ 1001
55,8 x 28,4 x 46,2 cm
123 kg
IEB (**)
IEB 12-200C
200 A-h
12 V
$ 350
ND
ND
(*): Precio en Estados Unidos. Ver referencia [7]
(**): Precio en Costa Rica. Ver referencia [25]
4.5 Generadores a base de combustible
Se utilizarán como respaldo para cuando los otros sistemas no sean capaces de
aportar energía. Entre sus características se estudió la capacidad de generación en régimen
continuo que poseen, la potencia pico que pueden brindar, la capacidad del tanque, que se
relaciona directamente con el tiempo de autonomía del generador, el voltaje de generación
y la corriente máxima que puede trasegar el generador. Todo lo anterior con respecto a
características eléctricas.
Con respecto a la disponibilidad de los equipos, los tres generadores estudiados se
entregan en nuestro país, el distribuidor y el precio al cual se pueden conseguir se presentan
a continuación en la tabla 4.5, al igual que las especificaciones eléctricas nombradas
anteriormente.
37
Tabla 4.5 Generadores combustible
Marca
Potencia
Potencia
Continua
pico
4,3 KVA
5,5 KVA
4,5 gal
240/120 V 22,9/45 A
5 KW
5,5 KW
12,5 l
220/110 V
N.D.
CH 250-1
5,25 kW
N.D.
N.D.
N.D.
Tanque
Voltaje
Corriente Encend.
máx.
eléct.
Precio Distribuidor
ValsiEvans
Neo
Si
No
¢ 728110
Capris
N.D.
COFERSA
¢ 699 995
EPA
Briggs
&
Straton
(**): Precios en Costa Rica. Ver referencias [31] y [32]
N.D.
CAPÍTULO 5: Características de los sistemas de control
comerciales para aplicaciones FV
En el presente capítulo se profundiza sobre las características que poseen los
diferentes sistemas de control que vienen incluidos en los inversores/cargadores que se
encuentran en el mercado y que se presentaron en la tabla 4.3.
5.1 OutBack GVFX3524 [26]
En este inversor/cargador vienen integrados un inversor DC a una onda sinusoidal ,
un cargador de baterías y un conmutador de AC en un chasis de Aluminio.
Debido a la rápida conmutación que ofrece es útil para su uso en equipo de
computación y otros equipos electrónicos como aparatos de televisión. Otra ventaja que
ofrece para el uso con este tipo de aparatos electrónicos es la baja distorsión armónica que
tiene, que ya tiene un valor menor al 2%, así como la regulación de voltaje, cuyo valor es
± 2%
De la misma manera, su capacidad de sobrecarga permite que las altas corrientes de
arranque de elementos como lavadoras, bombas y aires acondicionados no representen un
problema para el sistema.
Como se presenta en la tabla 4.3, el voltaje nominal del banco de baterías debe ser
24V, aunque el rango de trabajo de los acumuladores va desde 22V a los 32 VDC.
La corriente máxima de entrada de las baterías que soporta es 300 A, valor que se
utiliza en las condiciones extremas de arranque de motores o cargas muy grandes. El valor
nominal de corriente aportado por las baterías es 170 A.
38
39
Con respecto al voltaje de entrada por parte de la red eléctrica, el GVFX3524
trabaja en el rango de 90 VAC a 150 VAC. No es recomendable la conexión de un
generador de combustible, por lo que si se desea el apoyo del mismo, debe estar a la salida
del inversor, y activarse cuando el mismo no provea energía. La frecuencia del servicio
debe rondar entre los 58 Hz y los 62 Hz.
La corriente máxima de entrada por parte del servicio eléctrico es de 60 A a 120
VAC /60 Hz. Esta corriente alimenta la carga del hogar y además va a ser utilizada para la
recarga de los acumuladores. Cuando la corriente que consume el hogar y las baterías es
mayor a un valor programado por el usuario en el controlador, el mismo deja de recargar
las baterías para alimentar únicamente la casa. Para el cargador, el valor máximo
recomendado de corriente es de 20 A AC, el valor programado es de 18 A AC
La corriente máxima de salida que soporta es de 70 Amperios, valor que puede
darse por 0.16 segundos. Después de 5 segundos con este valor de corriente circulando, el
inversor se va a desconectar.
La potencia máxima continua que aporta el inversor es de 3500VA, y su eficiencia
es de 92%.
Este sistema de control posee indicación por medio de LED´s los cuales indican
rangos de carga de la batería, funcionamiento actual (cargando, inversor encendido, en
falla), además de un dispositivo extra que se puede incorporar y el cual va a dar
indicaciones más detalladas sobre el funcionamiento del aparato.
Este dispositivo se llama MATE y es requerido para un uso más eficiente del
dispositivo y para la mejor interconexión del controlador con el regulador de carga de las
baterías. Mediante el MATE se programa los parámetros umbrales de las baterías. Estos
umbrales son: el voltaje para el cual las baterías están cargadas totalmente, el tiempo de
40
carga, el cual es el tiempo que se mantiene la batería cargando. También se define el voltaje
de reflotación, el cual es el voltaje hasta el cual las baterías van a alimentar el sistema, y
cuando se llega a este se va a volver a reiniciar el ciclo de carga. En caso de no adquirir el
MATE, el controlador de Outback posee todos estos valores pre-programados.
Una vez que el sistema se ha armado, el mismo se energiza cerrando el breaker.
Después de esto, y si se detecta señal en la red pública, el sistema se va a conectar al mismo
después de 30 segundos. Después de un período de 5 minutos (período requerido por
regulaciones de la UL), el controlador va a empezar a cargar las baterías o empezar a
entregar energía a la red pública si las baterías están en carga total y el panel solar se
encuentra generando energía. Esto es especialmente útil para el caso de contar con
medidores bidireccionales, con los cuales uno vende energía al sistema eléctrico. Existen
países que dan incentivos fiscales y económicos para los usuarios de la red pública que
vendan energía al sistema interconectado.
Si la carga requiere un voltaje de 240 VAC, se pueden utilizar en conjunto dos
inversores/cargadores, opción que es viable gracias a la expansión que provocan otros
elementos que se pueden agregar al controlador y que son fabricados por la misma
compañía. En este caso, aparte de ser necesaria la compra de los dos cargadores/inversores,
es imprescindible la adquisición de los otros dispositivos periféricos fabricados por
Outback.
Las dimensiones para envío son 55 x 33 x 56 cm y el peso del paquete es de 28 kg.
41
5.2 Xantrex xw4024 [27]
A igual que el cargador/inversor de Outback, el xw4024 de Xantrex posee el
cargador de baterías, el inversor de onda senoidal y un conmutador de AC incorporados.
Respecto al anterior modelo, posee la ventaja de que posee la opción de conectar un
generador de gasolina o diesel para alimentar la carga cuando el servicio público no esté en
funcionamiento y las baterías estén descargadas. El arrancado de este generador se hace por
medio de un accesorio opcional que vende Xantrex y que tiene compatibilidad con el
controlador. Las conexiones internas impiden que la energía producida por el generador
salga a alimentar la red pública.
Otra ventaja presente en este controlador respecto al anterior que fue analizado es la
posibilidad de que la entrada sea de 120 VAC o de 240 VAC. De la misma forma, la salida
del inversor posee dos líneas vivas y un neutro, por lo que se pueden obtener 120 VAC o
240VAC o la salida con sólo un inversor/cargador.
El rango del voltaje de entrada es de 80 VAC a 150 VAC para un voltaje nominal de
120 VAC. Para un voltaje de entrada nominal de 240VAC, trabaja con un rango que va de
160 VAC a 270 VAC. Las corrientes máximas de entrada que soporta son 27.5 AAC de
línea-neutro y 18.3 AAC de línea-línea. El desbalance máximo con que trabaja es de 75%
entre la línea 1 y el neutro y la línea 2 y el neutro.
Respecto a la frecuencia de entrada con que el controlador va a funcionar es de 55
Hz como mínimo a 65 Hz como máximo, valores que vienen por defecto. Sin embargo,
permite valores desde 44 Hz y hasta 70 Hz.
42
El voltaje nominal por parte del banco de acumuladores es de 25.2 VDC, aunque el
rango de funcionamiento abarca de 22 VDC a 32VDC. A potencia nominal, la corriente
máxima aportada por la fuente DC es de 171 A.
La salida del xw 4024 es de 4000 W en condiciones normales y de 8000 W en
condiciones de sobrecarga. Esta se da en arranque de motores que están presentes en
artículos como refrigeradores y compresores, y el inversor puede aportar esa potencia por
un lapso de 10 segundos.
La corriente máxima de salida en estado nominal es de 25 A de línea a neutro y 16.7
A de línea a línea. En condiciones de sobrecarga, se admiten corrientes de 70 Arms de l-n y
una corriente de 35rms de l-l. Las corrientes de sobrecarga pueden ser aportadas por un
período máximo de 7 seg.
El voltaje de salida es de 120 VAC ± 3% de línea a neutro y 240 VAC ± 3% l-l. La
frecuencia de salida es de 60 Hz ± 0.1%.
La distorsión armónica es menor al 5%, y la eficiencia es de 91% de acuerdo a los
estándares de la CEC (California Energy Comission). El factor de potencia corregido en
función de carga es de 0.98. El conmutador de AC soporta una corriente de 60 A, cuando se
transfiera energía directamente del cableado público a la carga del hogar.
El controlador de Xantrex ofrece una interfaz con el usuario más amigable ya que
posee una pantalla donde indica claramente la conexión con el servicio eléctrico, la
conexión con las baterías, el nivel de las mismas, funcionamiento del controlador,
activación del generador auxiliar de combustible, así como la potencia que se genera en
cada instante cuando se encuentra en modo de inversor o la corriente con la que se está
cargando las baterías en modo cargador. De igual forma, da reporte de fallas y advertencias
de mal funcionamiento.
43
Mediante la pantalla de comunicación con el usuario y mediante los controles que
posee se pueden realizar diferentes funciones como el modo de espera, donde se deshabilita
el cargador y el inversor. También se puede desactivar de la misma manera la carga de las
baterías por parte del regulador de carga FV. Igualmente a través de la interfaz se puede
seleccionar modo de búsqueda, donde no se genera potencia por parte del inversor hasta
que se detecte cierta cantidad de carga conectada.
Se pueden seleccionar diferentes parámetros del controlador, como la potencia
umbral del modo de búsqueda, tiempo de separación entre pulsos en modo de espera, los
voltajes de corte de las baterías en carga y descarga, el tipo de baterías, capacidad de las
mismas, rango de voltajes y frecuencias para la señal de entrada, tanto de la red como del
generador de combustible. De la misma manera, se puede programar la recarga de baterías
a ciertas horas predefinidas o el bloqueo de carga de las mismas a ciertas horas, lo cual es
especialmente útil para evitar la carga de las mismas por parte del servicio interconectado a
horas de mayor irradiación solar.
Entre los parámetros capaces de manejar se encuentra una que establece prioridades
entre las fuentes de alimentación de AC, lo que permite, por ejemplo, alimentar el
controlador por medio de una fuente de energía renovable de AC (micro-planta hidro) y
establecerla como de uso prioritario sobre la red. De este modo, el servicio interconectado
sólo sería utilizado en caso de fallo de ambos sistemas de generación renovables (hidro y
fotovoltaico) o cuando los mismos no sean suficientes para abastecer las carga conectada.
La compañía Xantex produce también reguladores de carga fotovoltaicos,
arrancadores de generadores diesel/gasolina. Asimismo ofrece paneles para montar e
integrar todos los productos anteriores, los cuales incorporan cableados, disyuntores, y
44
dispositivos de comunicación entre las terminales para una completa compatibilidad entre
los diferentes elementos del sistema.
Para fines de envío y transporte las dimensiones del equipo son 71.1 x 56.5 x 26.7
cm y su peso es de 55 kg.
5.3 Sunny Island 4248U [28]
Este inversor/cargador posee muchas similitudes con los otros dos analizados
anteriormente, sólo que no posee la capacidad de entregar energía a la red eléctrica, algo
que igualmente no es una necesidad del sistema en estudio.
Trabaja con voltaje de entrada de 120 VAC, con un rango que va de desde los 80
VAC hasta los 150 VAC. La frecuencia nominal de la señal de entrada es de 60Hz, aunque
permite frecuencias que van desde los 54 Hz a los 66 Hz. Para la carga de las baterías
permite un máximo de 40 AAC a 25°C y para la transferencia hacia la carga permite 56
AAC.
Respecto al voltaje que deben tener las baterías, el nominal es de 48 VDC, el
mínimo es 43 VDC y el máximo es de 63 VDC.
La eficiencia del inversor varía dependiendo de la carga que tenga conectada, siendo
mínima cuando entrega 150 W, ya que es del 85%, presentando eficiencia máxima cuando
entrega 1 kW, con una efectividad del 95%. A potencia nominal, o sea 4200 W, la
eficiencia corresponde a un 91%
En cuanto a las interfaces que tiene con el usuario, el controlador cuenta con LEDs,
pantalla LCD, botones y puerto serial.
45
El controlador de Sunny Island da la posibilidad de controlar el arranque y el
apagado de motores de respaldo de dos hilos. El uso de motores de tres hilos puede resultar
en un daño al generador y al controlador.
Otro de los sensores que viene incorporado con el 4248U es un sensor de
temperatura de las baterías, el cual para controladores de otras marcas se vende por
separado.
El controlador posee, de igual forma, un ventilador para regular la temperatura de
los componentes. Esta es otra ventaja respecto de los cargadores/inversores analizados con
anterioridad, ya que los mismos eran enfriados por convección natural del aire.
Para obtener voltajes en la carga de 240 VAC, se hace necesaria la utilización de
dos dispositivos 4248U, uno dirigiendo y el segundo siendo “esclavo” del primero. De esta
forma, el aporte de cada uno al sistema va a ser de 120VAC, sumando 240VAC, pero
tareas como la carga de baterías, la realiza únicamente el controlador “maestro”.
Mediante la interfaz con el usuario, se deben introducir los datos de tipo de batería,
capacidad de las mismas, corriente máxima de carga de los acumuladores, los tiempos y
voltajes relativos a la función de carga. También la interfaz aporta datos de medidores, ya
que da el voltaje, frecuencia, potencia y la corriente del inversor, voltaje, corriente, carga,
temperatura y estado de las baterías. En caso de tener un generador de combustible
conectado, el controlador también da las mediciones correspondientes al mismo.
A través del mismo medio, se pueden modificar parámetros como lo son el voltaje y
la frecuencia de salida del inversor, el control del generador de combustible, así como la
operación respecto a la carga de baterías y al arranque del generador.
También el reporte de fallas y las advertencias se dan por medio de dicho monitor.
46
Respecto a la conexión de equipo de cómputo y otro tipo de equipos electrónicos
delicados, el controlador de Sunny Island es muy apropiado debido a la rapidez de
conmutación que posee (20 ms) entre las funciones de carga y de inversor, por lo que los
equipos no se van a apagar. Otra característica importante para este tipo de equipo es que
posee una distorsión armónica menor al 3%.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
La conciencia que se ha creado en la gente alrededor del mundo respecto a la
conservación del medio ambiente ha hecho que la utilización de energías renovables crezca
a pasos acelerados. Esta demanda ha hecho que diversos fabricantes se hayan dado a la
tarea de automatizar la transferencia de energía hacia la carga y regular el funcionamiento
del sistema cuando existen diversas fuentes de energía. En el caso de estudio, el aporte de
energía se realiza por medio de una fuente renovable, como lo es la energía solar, además
de la red eléctrica interconectada y un generador a base de combustible para respaldo.
El costo de los paneles fotovoltaicos puede ascender a $7230, utilizando 6 paneles
conectados en paralelo de los modelos producidos por Mitsubishi o Evergreen Solar, ambos
que trabajan a 24VDC, y que se detallan en la tabla 4.1. Dicha cantidad producen 1080 W
de potencia. Si se colocaran 7 paneles, la cantidad generada ascendería a 1260 W y el
precio a $8435. A estos precios hay que sumarlos los gastos de traslado e importación
desde Estados Unidos. De la misma manera, hay que sumarle los impuestos
correspondientes.
Con respecto al generador de combustible, el costo del mismo asciende alrededor de
$1400, a lo que hay que sumarle costos de transporte, el cual es bajo en comparación con el
costo del generador, debido a su bajo peso y su disponibilidad en nuestro país.
Los sistemas de control para sistemas fotovoltaicos se dan principalmente en dos
procesos: el de carga de los acumuladores por parte de las celdas fotovoltaicas y el de
transferencia de energía entre las distintas fuentes y de las mismas hacia la carga.
47
48
Debido al alto desembolso que requieren y al uso cuidadoso que necesitan las
baterías y en general los diferentes elementos que componen un sistema FV, los sistemas de
control se hacen esenciales para maximizar la vida útil de los elementos, así como obtener
el aprovechamiento óptimo de la energía aportada por el Sol.
Respecto a los reguladores de carga para celdas FV, los mismos poseen algoritmos
que permiten obtener un aprovechamiento máximo de la energía que son capaces de
producir las celdas, haciendo que las mismas trabajen en el punto de máxima entrega de
potencia, si las mismas son MPPT, o desconectando la alimentación si los acumuladores se
encuentran totalmente cargados si son PWM. Los reguladores de carga son imprescindibles
ya que de no existir, las baterías se dañarían por el incremento de voltaje que presentan las
celdas solares a circuito abierto. Los reguladores que se pueden conseguir comercialmente
y que cuentan con compatibilidad con los controladores estudiados, rondan los $650 en
Estados Unidos, por lo que habría que sumar los costos de importación, traslados e
impuestos. Dichos reguladores funcionan para cargar baterías de 24 VDC, las cuales
parecen ser las más apropiadas para nuestro sistema, dada la potencia y el voltaje nominal
de los cargadores/inversores.
Los inversores/cargadores y el circuito de control que poseen son asimismo
primordiales en el funcionamiento de un sistema grid tie, ya sea con el respaldo de baterías
o sin él. Lo anterior porque dichos elementos permiten establecer prioridades en la
utilización de energía por parte de las diferentes fuentes, de modo que se pueden instaurar
parámetros para la utilización fundamental de energías renovables.
Otra razón por la que resultan fundamentales es porque protegen los elementos que
componen el bloque de generación, así como también las cargas que estén conectadas al
mismo. Esto por la calidad de la señal que producen, así como la rapidez de conmutación
49
que logran, evitando así daños a los equipos electrónicos delicados, pero igualmente siendo
muy robustos para otras aplicaciones que requieren alta potencia, como lo es el arranque de
motores, refrigeradores y compresores. Esta robustez y calidad de la señal los diferencian
de otros dispositivos que se pudieran utilizar pero que no ofrecen las mismas garantías, y
dada la inversión económica tan importante que representa un sistema FV y sus
componentes es recomendable la utilización de equipos que aseguren la protección y el
funcionamiento adecuado de los mismos.
Entre los controladores estudiados, el de Xantrex es el más apropiado para la carga
propuesta, esto debido principalmente a que se puede obtener un voltaje de salida de
120/240 VAC con un único inversor, lo que representa un menor costo total, espacio, peso,
conexiones y programación, a diferencia de los otros modelos de las otras marcas
analizadas, que requieren de dos inversores para obtener dicho voltaje a la salida.
Otra ventaja que posee el modelo es la posibilidad que ofrece el mismo para el
arranque, por medio de un elemento opcional, de generadores de combustible de dos o tres
hilos para respaldo, los cuales son gobernados por el mismo controlador.
Las características de corriente de sobrecarga, son superiores a los otros modelos,
aunque la eficiencia, programación e interfaces con el usuario son similares a los otros
modelos estudiados. La distorsión armónica de la señal es mayor a los otros modelos,
aunque es menor al 5%.
Con esas características, el costo del cargador/inversor resultaría en $3250, según la
fuente consultada, a la que habría que sumar los costos antes mencionados.
Con respecto a las baterías, se puede utilizar 4 baterías de 200 A-h, 12 VDC, del
modelo IEB12-200C, que pueden ser adquiridas en Costa Rica, y que deben ser montadas
dos en serie, para formar dos paralelos de 24VDC. El costo de dicho arreglo sería de $1400.
50
Como se observa, el costo de los elementos para montar un sistema de generación
fotovoltaico es bastante alto. Es por esto que ciertos países han creado incentivos fiscales o
económicos para sistemas FV conectados a la red pública para incrementar el atractivo de
la instalación de dichos sistemas y así ayudar a los generadores instalado por las compañías
de electricidad, y de paso ayudar a la conservación del ambiente, aspecto esencial debido al
rápido deterioro que sufre el planeta. Se hace latente, de esta manera, la necesidad de
incentivos para la utilización de estas tecnologías, como lo hace el Proyecto de Ley: “Ley
para fomentar la generación eléctrica por medio de micro y pequeñas empresas”, propuesto
por el diputado Carlos Salazar Ramírez, en abril de 2006
[30]
. Dicho texto promueve la
exoneración de impuestos de venta y selectivos de consumo a los equipos de generación
eléctrica en base a energía renovable, así como del impuesto de la renta a personas y
empresas que se dediquen a esa actividad, lo anterior con ciertas restricciones. Proyectos
como el anterior, se pueden complementar con la compra de energía a precios preferentes a
generadores FV, como sucede en países de Europa y Norteamérica.
Lo anterior es especialmente atractivo para sistemas conectados a la red, o grid-tie,
donde la inversión inicial que supone la instalación de los elementos acumuladores de
energía, se puede eliminar, dado que el exceso de energía que se produce en determinado
momento es vendido a la red eléctrica y cuando no hay irradiación solar la energía eléctrica
se compra. Para el anterior propósito, eso sí, se requiere la utilización de un medidor
especial, el cual mide la energía transferida en ambas direcciones.
Los sistemas FV como el analizado en este trabajo y otros similares, pueden resultar
una opción interesante para diversos entes ecologistas e inversionistas, con la capacidad de
hacer un importante desembolso económico, así como personas de zonas alejadas. Lo
51
anterior queda demostrado en la amplia gama de productos enfocados hacia el uso en estos
sistemas y el desarrollo que estos han obtenido en los últimos años.
RECOMENDACIONES
A través del sondeo de mercado realizado y de los altos precios encontrados para los
sistemas, es de notar que los mismos son poco accesibles para el grueso de la población.
Sin embargo, debido al impacto positivo que tiene la generación de energía FV por las
razones comentadas en el transcurso del texto, es recomendable el análisis por parte de los
entes rectores del sector energía de nuestro país sobre la conveniencia de dar incentivos a
quien instale este tipo de sistemas.
Otra recomendación es el cuidado que hay que prestarle a los equipos utilizados por
las tecnologías FV, ya que la falta de robustez y confiabilidad de componentes requeridos
o accesorios pueden dañar las celdas, los acumuladores y provocar fallos a la carga
conectada. Por lo anterior es aconsejable el uso de reguladores de carga,
cargadores/inversores, controladores y elementos de transferencia de energía que cumplan
las especificaciones requeridas por los equipos susceptibles a sufrir los daños.
Finalmente, el hacer un análisis detallado y minucioso de la carga a conectar al
sistema es siempre necesario y va a permitir el funcionamiento adecuado de todos los
elementos relativos a la generación y transferencia de energía. Lo anterior permite evitar la
sobrecarga, o por el contrario, el sobredimensionamiento de los equipos, ambos extremos
que resultan en un perjuicio económico para la persona que hace la inversión.
52
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Anexos
Irradiación solar en Costa Rica [29]
Controladores (hojas de fabricante)
Sunny Island 4248 U[28]
Xantrex XW Inverter/charger [27]
Outback Sinewave Inverter/charger [26]