CAPITULO II MARCO TEÓRICO Antecedentes de

CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
Antecedentes de la Investigación
La revisión bibliográfica revela la existencia de estudios que abordan la
problemática ambiental y específicamente el estudio de las energías alternativas como
solución a los mismos, esta información se destaca a nivel internacional y nacional en
la cual existen valiosos aportes que plantean situaciones y enfoques diversos
relacionados con las variables e indicadores del tópico en estudio.
Posso (2004),
realizó un trabajo de investigación titulado: “Estudio del
desarrollo de las energías alternativas en Venezuela”, el mismo fue publicado en
Venezuela en la ciudad de Caracas, y tuvo como objetivo determinar la factibilidad de
una participación importante de las energías alternativas en el balance energético de
Venezuela con base a su potencial de explotación, al análisis del sistema energético
nacional y de la actitud del Estado ante las energías alternativas. El autor en su
investigación utilizó una metodología de tipo bibliográfico concluyendo que a nivel
nacional las energías alternativas tienen un gran potencial, además de que las “energías
limpias” podrían tener un valor significativo en el balance energético del país, si tan
solo existiera un cambio de actitud en el estado y los actores competentes, asimismo
determinó que la mayor fuente de energía a nivel nacional es la hidráulica y las que
podrían tener un mayor desarrollo serían la solar y la eólica. Se puede tomar como
aporte para el presente trabajo, que es evidente la importancia y la facilidad de
aprovechamiento que tienen las energías alternativas en el país, principalmente por las
condiciones de elevada radiación en numerosas partes del país, que son fundamentales
y decisivas para la instalación de los sistemas fotovoltaicos y por los beneficios
ambientales que trae la utilización de estos sistemas, por lo que hacer uso de la energía
solar para permitir el transporte de agua de la estación de bombeo Caño Lindo hasta la
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planta de tratamiento de agua potable de Abejales, beneficiaría significativamente
tanto a la población como al ambiente.
Prosperi (2005) elabora un trabajo titulado: “Energía Solar Fotovoltaica:
Proyecto RES & REU Dissemination.”, el mismo fue publicado en España, y tiene
por objetivo exponer las condiciones y aspectos generales, criterios de diseño, costos
e impacto medioambiental de los sistemas fotovoltaicos. La investigación es de
carácter documental y analítico. Alude en sus reflexiones finales, a manera de
conclusiones, que la aplicación de sistemas fotovoltaicos dependen de distintas
variables como: las características meteorológicas del lugar donde desee
implementarse, la energía o carga que se requiera, y la batería de reserva en caso de
ser un sistema fotovoltaico aislado o las características del inversor en caso de ser un
sistema fotovoltaico conectado a la red, de igual forma indicó que, a pesar del
elevado costo de capital que se necesita para la implementación del sistema
fotovoltaico, se requieren pocos gastos de manutención. Asimismo deja como aporte
para el presente trabajo, la alta eficiencia que puede llegar a tener la implementación
de un sistema solar fotovoltaico, así como los beneficios ambientales en cuanto a la
reducción de gases de efecto invernadero, además de una clara explicación de la
importancia de evaluar cada una de las variables que deben tomarse en cuenta para el
diseño del sistema fotovoltaico, de acuerdo al lugar donde se desee instalar.
Molina (2009) realizó un trabajo de investigación denominado: “Diseño de un
parque solar fotovoltaico de 100 kW. Proyecto de inversión/Impacto ambiental”, el
cual fue publicado en España, en la ciudad de Barcelona, y tiene por objetivo el
proyecto y estudio de viabilidad de un parque fotovoltaico de 100 kWp en una
localidad de la provincia de Tarragona para la generación y venta de energía eléctrica
a red. La investigación es de carácter documental, y concluye que se ha puesto
especial énfasis en los elementos más importantes del parque fotovoltaico como son
el tipo de panel fotovoltaico, inversor y centro transformador a elegir por sus
características técnicas y adaptables a la dimensión de la instalación, la dimensión del
parque permite generar 115.500 Wp de potencia, y está constituido por 700 paneles
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de 165 Wp de potencia nominal unitaria, conectándose 20 paneles en serie y un total
de 35 filas en paralelo. Los valores de tensión y corriente continua de entrada en el
inversor son 860 V y 178,85 A, respectivamente. Esta investigación deja como aporte
para el presente trabajo que se puede generar una gran cantidad de energía con un
sistema solar fotovoltaico, pero es indispensable poder contar con una amplia área
disponible para su instalación, por lo que la cantidad de energía generada depende en
cierta medida del espacio que ocupen los paneles solares.
Guillot (2009) realizó un trabajo de investigación que tiene por título:
“Sistema de Bombeo de Agua Subterránea mediante Energía Solar”, el cual fue
publicado en España, en la ciudad de Barcelona, y tiene por objetivo ofrecer a
poblaciones aisladas la posibilidad de obtener agua proveniente de pozos, de manera
simple, a través del bombeo empleando energía solar. La investigación es de carácter
documental, y concluye que con el diseño de un programa de simulación utilizando
Matlab-Simulink se puede probar fácilmente que solo con los datos técnicos de los
productos se puede ver como el sistema se comporta, y si cumple las expectativas
previstas. Esta investigación dejó como aporte para el presente trabajo, que es viable,
técnicamente y en ciertos casos económicamente (al compararlo con la instalación de
una red eléctrica convencional), la implementación de un sistema fotovoltaico;
además, se verifica la importancia que tiene la aplicación de simuladores en este tipo
de sistemas, los cuales pueden modificarse hasta obtener los resultados más
apropiados.
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Bases Teóricas
Con la finalidad de reforzar el estudio investigativo en cuestión, se contempla
una amplia revisión bibliográfica, sobre los aspectos más relevantes que engloban un
sistema fotovoltaico.
El Sol
El Sol es el objeto central del sistema solar, su diámetro es 1.39 x 109 m y es
109 veces más grande que el radio de la Tierra. El Sol está compuesto principalmente
de dos elementos: hidrógeno y helio. La distancia que separa la Tierra del Sol
equivale a un poco más de ocho minutos de luz. Esta distancia, conocida como
unidad astronómica (u.a.), se traduce a 1,5 x108 km; La temperatura en el Sol es tan
alta, que el material se encuentra en estado plasma, esto es, separado en iones y
electrones. A este estado se le conoce comúnmente como el cuarto estado de la
materia, debido a la carga eléctrica de las partículas. El material de un plasma
interactúa con campos eléctricos y magnéticos y se comporta de manera muy
diferente a un gas neutro.
El Sol está dividido en capas, de las cuales tres forman el interior solar:
núcleo, zona radiativa y zona convectiva.
El núcleo es la parte más interna del Sol, se extiende desde su centro hasta el radio
que equivale a un cuarto del radio solar. Esto significa que el volumen del núcleo
representa apenas el 1.5 % del volumen del Sol, pero, debido a su alta densidad, que
en su centro alcanza 150 g/cm3, contiene casi la mitad de la masa solar total. El
núcleo es también la parte más caliente. La temperatura en el centro es de 15.7x106 K.
En el núcleo se produce la mayor parte de energía solar a través de reacciones
nucleares. El 0.7 % de la masa de protones del núcleo se convierte en energía que
después será radiada como luz visible o invisible. Esta energía no se sale del Sol de
inmediato, sino que está siendo absorbida y reemitida en el interior solar por
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diferentes partículas, así que se tarda hasta un millón de años en salirse del Sol. La
velocidad de emisión de energía desde el sol es de 3.8 x 10 23 kW, lo cual resulta de la
conversión de 4.4 x 109 kg/seg de masa en energía, de los cuales, aproximadamente
1.7 x 10 14 kW, son interceptada por la Tierra.
La zona radiativa es la región del Sol que se extiende de 0.25 a 0.7 radios
solares. Su nombre se debe a que en ésta, la energía se transmite completamente por
radiación, de manera que no hay convección del gas. En la zona radiativa la
temperatura decrece hacia afuera desde un valor de 7 x 106 hasta uno de 2 x 106 K.
La zona convectiva se extiende desde 0.7 radios solares hasta la superficie del
Sol. A diferencia de la zona radiativa, el transporte de energía en la zona convectiva
sucede mayormente a través de la convección. En ella se forman grandes columnas de
gas moviéndose hacia la superficie y otra vez de regreso hacia el interior del Sol, que
dejan su firma en la fotosfera en forma de granulación y supergranulación solar.
Por otra parte La fotosfera es la capa que el ser humano logra percibir cuando
observa el Sol. Aunque se le llama superficie solar, la fotosfera no es sólida sino que
es una capa de gas de 100 Km. de grosor. Su temperatura es de 5800 K por lo cual
tiene un color amarillo. Debido a su color los astrónomos clasifican al Sol como una
estrella del tipo G2. La fotosfera es la capa más fría de nuestra estrella ya que las
capas atmosféricas (cromosfera, corona) tienen temperaturas mucho más altas.
(Blanco, 2009)
Hora solar
El tiempo solar es una medida del tiempo fundamentada en el movimiento
aparente del Sol sobre el horizonte del lugar. Toma como origen el instante en el cual
el Sol pasa por el Meridiano, que es su punto más alto en el cielo, denominado medio
día, al cual se le asigna el valor de 12. Sin embargo, el Sol no tiene un movimiento
regular a lo largo del año, y por esta razón el tiempo solar se divide en dos categorías:
El tiempo solar aparente, el cual esta basado en el día solar aparente y se
define como el intervalo entre dos regresos sucesivos del Sol al meridiano. Puede ser
15
medido con un reloj de sol, y se corresponde con el amanecer, el mediodía o el
anochecer.
El tiempo solar medio está basado en un Sol ficticio que viaja a una velocidad
constante a lo largo del año, y es la base para definir el día solar medio (24 horas u
86.400 segundos). Se coordina mediante el Tiempo Medio de Greenwich.
(Villalobos, 2007)
Energía
Aunque es un poco difícil expresar el concepto de energía de una forma
concisa, Machado y Martínez (1994), expresan que la energía es una magnitud física
que se presenta en diversas formas, y está involucrada en los procesos de cambio de
estado (mecánicos o no). Asimismo es una función de estado que se transforma o se
transmite.
Energía solar
Fernández (2009) la define como:
La energía producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de
fusión, que llega a la tierra a través del espacio en forma de pequeños
paquetes de energía llamados fotones. Además constituye la principal
fuente de energía renovable a nuestro alcance. (s/p)
La radiación solar
Prosperi (2005) asevera que:
La radiación solar es la energía electromagnética que se emana en los
procesos de fusión de hidrogeno (en átomos de helio) contenidos en el
Sol. La energía solar que en un año llega a la superficie de la Tierra a
través de la atmósfera es de tan sólo aproximadamente 1/3 de la
energía total interceptada fuera de su atmósfera y, de ella, el 70% cae
en los mares. Sin embargo, la energía que queda, de 1,5 x 1017 kWh,
que en un año cae sobre la superficie de la tierra firme, es igual a
varios miles de veces el consumo total energético mundial actual. La
radiación solar (flujo solar o densidad de potencia de la radiación
solar) recogida fuera de la atmósfera sobre una superficie
16
perpendicular a los rayos solares es conocida como constante solar y es
ௐ
igual a 1353 మ , variable durante el año un +/-3% a causa de la
௠
elasticidad de la órbita terrestre. (s/p)
Según lo expresado por Prosperi (2005), las proporciones de radiación
recibida por una superficie dependen de:
La inclinación de la superficie respecto al plano horizontal, una superficie
horizontal recibe la máxima radiación dispersa (si no hay alrededor objetos a una
altura superior a la de la superficie) y la mínima reflejada.
La presencia de superficies reflectantes, debido a que las superficies claras son
las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno.
Además, en función del lugar, varía la relación entre la radiación dispersa y la
total, ya que al aumentar la inclinación de la superficie de captación, disminuye la
componente dispersa y aumenta la componente reflejada. Por ello, la inclinación que
permite maximizar la energía recogida puede ser diferente dependiendo del lugar.
En la practica, la posición óptima del sistema, se obtiene cuando la superficie
está orientada al sur (si la latitud es Norte), con un ángulo de inclinación igual a la
latitud del lugar: la orientación al sur, maximiza la radiación solar captada recibida
durante el día y si la inclinación es igual a la latitud hace que sean mínimas durante el
año las variaciones de energía solar captadas.
Insolación solar
Lhomme (2004) define la insolación solar como: “El tiempo durante el cual el
disco solar ha sido visible, es decir el tiempo en el cual se pueden observar las
sombras de los objetos en el suelo”. El aparato que mide la duración de insolación se
llama Heliógrafo, el mas usado y recomendado por la Organización Mundial
Meteorológica es el Campbell-stoke, el cual está basado en el efecto térmico de la
radiación solar directa: una esfera de vidrio concentra los rayos del sol sobre una
banda de cartón y provoca una quemadura o solamente una decoloración, según la
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intensidad de la radiación. La banda de cartón se coloca sobre un casquete metálico
en las guías que existen con este fin. La buena orientación e inclinación del aparato
hacen que la quemadura progrese conforme el sol avanza en su trayectoria, dicha
quemadura forma una línea paralela a la línea mediana de la grafica.
Por otra parte Wikilearning (2006), expresa que la insolación es:
La energía solar que alcanza la superficie terrestre. La superficie
terrestre no se beneficia totalmente de la radiación solar que alcanza la
superficie después de la labor de filtrado atmosférico, una parte, según
el albedo del suelo receptor (porcentaje de energía reflejada), se refleja
hacia el exterior. Así, mientras el albedo del agua para radiaciones
verticales es bajo (2%), es extremadamente alto en el caso de la nieve
o el hielo (45-48%), oscilando el resto de la superficie terrestre en
posiciones intermedias. (s/p)
El efecto fotovoltaico
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al
fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los
materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. Prosperi
(2005), expresa que el objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula
solar, que no es otra cosa que un diodo con la característica esencial de tener una
superficie muy amplia.
Además, el material más utilizado para la realización de las células solares es
el silicio cristalino, por lo tanto se tomará en consideración el diodo de silicio. Para
analizar el efecto fotovoltaico es necesario, describir el funcionamiento del diodo
(unión p-n) como se explica a continuación: el silicio tiene 14 electrones de los que 4
son de valencia, lo que quiere decir que están disponibles para unirse con electrones
de valencia de otros átomos. En un cristal de silicio químicamente puro, cada átomo
está unido de forma covalente con otros 4 átomos así que dentro del cristal no hay,
como consecuencia del enlace químico, electrones libres. Algunos átomos de silicio
en cristal se sustituyen con átomos de fósforo, elemento que tiene 5 electrones de
valencia: 4 serán utilizados para enlaces químicos con átomos adyacentes de silicio,
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mientras que el quinto puede ser separado del átomo de fósforo mediante energía
térmica y así tener libertad de movimiento en el retículo del cristal.
De forma análoga, si la sustitución se realiza con átomos de boro, que sólo
tiene 3 electrones de valencia, faltará un electrón para completar los enlaces químicos
con los átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta actúa como si fuera un
electrón ‘positivo’ y se llama hueco.
En el enlace con fósforo, por tanto, los portadores de carga libres son
negativos y el material es llamado de tipo n, mientras en la sustitución de átomos de
silicio con átomos de boro, los portadores de carga son positivos y el material es
llamado de tipo p. La unión p-n (diodo) se realiza uniendo una barra de material de
tipo n con una barra de material de tipo p. Los electrones libres en el material ‘n’ se
encontrarán en una región en la que no existen electrones libres y, por tanto, habrá un
flujo de estos portadores hacia algún lado en el intento de restablecer el equilibrio. De
forma análoga, los huecos se encontrarán en otra región en la que no hay huecos y
habrá, por tanto, un flujo de cargas positivas hacia otro lugar. Con el avance de este
proceso de difusión, en un lado se tendrá un exceso de cargas negativas mientras en el
otro habrá un exceso de cargas positivas. Por consiguiente, en la región de unión de
los dos materiales se ha creado un campo eléctrico que se hace cada vez más grande a
medida que los huecos y los electrones continúan difundiéndose hacia lados opuestos.
El proceso continúa hasta que el potencial eléctrico alcanza un tamaño que impide la
posterior difusión de electrones y huecos. Cuando se alcanza este equilibrio se habrá
creado un campo eléctrico permanente en un material sin la ayuda de campos
eléctricos externos.
Con la información anterior, es posible explicar el efecto fotovoltaico. De
hecho, hay que suponer que un fotón (partícula que constituye un rayo solar) entre en
la región de tipo p del material. Si el fotón tiene una energía mayor que la ‘band gap’
-energía mínima necesaria para romper un enlace del retículo del silicio- será
absorbido y creará una pareja electrón-hueco. El electrón liberado se moverá hacia la
derecha a causa del potencial eléctrico.
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En cambio, si un fotón entra en la zona n, el hueco creado se moverá hacia la
izquierda. Este flujo producirá una acumulación de cargas positivas en la izquierda y
de cargas negativas en la derecha, dando origen a un campo eléctrico opuesto al
creado por el mecanismo de difusión. Cuantos más fotones llegan a la unión, tanto
más los campos tienden a anularse el uno con el otro, hasta llegar al punto en el que
ya no haya un campo interno que separe cada pareja electrón-hueco. Esta es la
condición que determina la tensión a circuito abierto de la célula fotovoltaica.
Finalmente, poniendo unos electrodos (contactos metálicos) sobre la superficie de la
célula se puede utilizar el potencial creado.
Tecnología Fotovoltaica
La célula fotovoltaica. Prosperi (2005), asegura que la conversión de la
radiación solar en una corriente eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica. La
célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material
semi-conductor, frecuentemente de silicio. Una célula fotovoltaica tiene un grosor
que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma cuadrada, con una superficie
aproximadamente igual a 100 ܿ݉ଶ . Para la realización de las células, el material
actualmente más utilizado es el mismo silicio utilizado por la industria electrónica,
cuyo proceso de fabricación presenta costos muy altos, no justificados por el grado de
pureza requerido para la célula fotovoltaica, que son inferiores a los necesarios en
electrónica. Otros materiales para la realización de las células solares son:
Silicio Mono-cristalino: de rendimiento energético hasta 15 ¸ 17 %
Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12 ¸ 14 %
Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %
Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio;
Actualmente, el material más utilizado es el silicio mono-cristalino que presenta
duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.
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Estructura de sujeción e inclinación. Molina (2009) asevera que para poder
instalar las placas se ha de utilizar una estructura de sujeción, que tenga la ventaja de
adaptarse a las irregularidades del terreno a la hora de colocar las placas.
La inclinación con la que serán colocadas las placas fotovoltaicas puede variar
a lo largo del año con el fin de optimizar la captación de energía, pero en ningún
momento variará la superficie ocupada ni la altura del montaje. Se puede utilizar un
soporte tipo “mástil” para que el movimiento del soporte en el momento de variar la
inclinación sea lo más cómodo.
Se han de establecer las distancias mínimas entre filas de placas para obtener
la mejor posición de estas y no provocar sombras ni pérdidas de espacio en la
instalación. Para ello se han de tener en cuenta fundamentalmente la inclinación a la
que se van a someter a las placas y las medidas de los módulos fotovoltaicos
La distancia entre cada inicio de fila de los paneles será muy importante ya
que permite optimizar la superficie que cubre (sombra) cada placa solar y la captación
de energía. Con una separación muy grande se perdería mucha superficie de
captación solar mientras que con una distancia inferior a la adecuada, las sombras
causadas por los propios módulos entre sí restarían potencia a la instalación.
Módulos fotovoltaicos. Las células solares constituyen un producto
intermedio de la industria fotovoltaica, Prosperi (2005) indica que estas células
proporcionan valores de tensión y corriente limitados, en comparación a los
requeridos normalmente por los aparatos convencionales, son extremadamente
frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico. Por tanto, son
ensambladas de manera adecuada para constituir una única estructura: los módulos
fotovoltaicos. El módulo fotovoltaico es una estructura robusta y manejable sobre la
que se colocan las células fotovoltaicas. Los módulos pueden tener diferentes
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tamaños (los más utilizados tienen superficies que van de los 0,5݉ଶ a los 1,3݉ଶ ) y
constan normalmente de 36 células conectadas eléctricamente en serie.
Los módulos formados tienen una potencia que varía entre los 50Wp y los 150Wp,
según el tipo y la eficiencia de las células que lo componen. Las características
eléctricas principales de un módulo fotovoltaico se pueden resumir en las siguientes:
Potencia de Pico (Wp): potencia suministrada por el módulo en condiciones
estándar STC (Radiación solar: 1000 W/m2; Temperatura: 25 °C)
Corriente nominal (A): corriente suministrada por el módulo en el punto de
trabajo.
Tensión nominal (V): tensión de trabajo del módulo.
Generador fotovoltaico. Prosperi (2005) indica que el generador está formado
por el conjunto de los módulos fotovoltaicos, conectados en serie y en paralelo, con la
combinación adecuada para obtener la corriente y el voltaje necesarios para una
determinada aplicación. El elemento base es el módulo fotovoltaico. Varios módulos
ensamblados mecánicamente entre ellos forman el panel, mientras que módulos o
paneles conectados eléctricamente en serie, para obtener la tensión nominal de
generación, forman la rama. Finalmente, la conexión eléctrica en paralelo de muchas
ramas constituye el campo. Los módulos fotovoltaicos que forman el generador, están
montados sobre una estructura mecánica capaz de sujetarlos y que está orientada para
optimizar la radiación solar. La cantidad de energía producida por un generador
fotovoltaico varía durante el año en función de la insolación de la localidad y de la
latitud de la misma.
Para cada aplicación, el generador tendrá que ser dimensionado teniendo en
cuenta los siguientes aspectos: carga eléctrica, potencia de pico, posibilidad de
conexión a la red eléctrica, latitud del lugar y radiación solar media anual del mismo,
características eléctricas especificas de la carga.
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Sistemas fotovoltaicos. Se define como sistema fotovoltaico el conjunto de
componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar y
transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía
eléctrica.
Estos sistemas, independientemente de su utilización y del tamaño de
potencia, se pueden dividir en dos categorías: aislados o conectados a la red
Los sistemas aislados, por el hecho de no estar conectados a la red eléctrica,
normalmente están equipados con sistemas de acumulación de la energía producida.
La acumulación es necesaria porque el campo fotovoltaico puede proporcionar
energía sólo en las horas diurnas, mientras que a menudo la mayor demanda por parte
del usuario se concentra en las horas de la tarde y de la noche. Durante la fase de
insolación es, por tanto, necesario prever una acumulación de la energía no
inmediatamente utilizada, que es proporcionada a la carga cuando la energía
disponible es reducida e incluso nula. Una configuración de este tipo implica que el
campo fotovoltaico debe estar dimensionado de forma que permita, durante las horas
de insolación, la alimentación de la carga y de la recarga de las baterías de
acumulación.
Los sistemas conectados en red, en cambio, normalmente no tienen sistemas
de acumulación, ya que la energía producida durante las horas de insolación es
canalizada a la red eléctrica; al contrario, durante las horas de insolación escasa o
nula, la carga viene alimentada por la red. Un sistema de este tipo, desde el punto de
vista de la continuidad de servicio, resulta más fiable que uno no conectado a la red
que, en caso de avería, no tiene posibilidad de alimentación alternativa.
La tarea de los sistemas conectados a la red es, por tanto, la de introducir en la red la
mayor cantidad posible de energía.
Es necesario tener en cuenta que en el caso especial de sistemas sin
acumulación conectado en red, es la red misma la que desempeña la tarea de
acumulador, de capacidad infinita.
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Para el caso particular se diseñará un sistema fotovoltaico conectado en red,
por lo que no se tomará en cuenta un sistema de acumulación de energía para el
momento de poca insolación, por lo tanto, se trabajará solo cuando la insolación del
lugar sea suficiente para provocar el campo eléctrico necesario en las placas solares y
producir finalmente la energía requerida. (Prosperi, 2005)
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Los principales componentes de
un sistema conectado a la red son módulos fotovoltaicos, inversor para la conexión a
red, dispositivo de intercambio con la red eléctrica, contador de energía bidireccional.
Molina (2009) indica que el inversor es la pieza clave de la generación
fotovoltaica. De hecho su potencia es la que marca la potencia de la instalación
completa. Su misión es transformar la tensión y corriente continua generada en el
campo fotovoltaico en tensión y corriente alterna lista para ser consumida. A pesar de
esa importante misión su tamaño es reducido y su precio no suele llegar al 10% del
presupuesto del material fotovoltaico.
Sin embargo es preciso seleccionar un equipo que cumpla con todas las
medidas de seguridad que exige la legislación, que disponga de los correspondientes
certificados y homologaciones, y que tenga el mayor rendimiento.
Como toda la energía pasa por el inversor, es habitual que incorporen también
tarjetas o elementos de comunicaciones que informan acerca del estado de la
instalación, de la energía generada o que generan alarmas en caso de averías o mal
funcionamiento. Estas comunicaciones pueden ser locales en forma de display o
conexión directa a ordenadores, remotas vía GPRS, SMS o internet.
Para hacer la selección del inversor, se han de tener en cuenta los parámetros
de entrada y salida máxima de la instalación, tensiones de trabajo, corriente continua
(C.C.) y corriente alterna (C.A.).
Otro elemento fundamental del sistema fotovoltaico es el dispositivo de
intercambio con la red, una vez se transforman los valores de tensión y corriente de
forma continua a alterna a través del inversor, el transformador adecuará el valor de
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tensión de salida del inversor al valor de tensión de la red que se ha de inyectar. La
transformación se realizará de baja tensión que proporciona el inversor a media
tensión. Además el transformador protege al sistema de forma que, por un lado se
evita el paso de pequeños componentes en continua a la red, con lo que se asegura la
calidad del suministro, y por otro lado, la puesta a tierra de su neutro garantiza la
separación galvánica entre la zona de alterna y continua, lo que proporciona mayor
seguridad al sistema. Finalmente, el contador de energía mide la energía producida
por el sistema fotovoltaico durante su periodo de funcionamiento.
Protecciones. La protección eléctrica se podría definir como el conjunto de
equipos necesarios para la detección y eliminación de incidentes en los sistemas o
instalaciones eléctricas. Toda instalación eléctrica debe estar dotada de una serie de
protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista del cableado y de los
aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella.
Los tipos de protecciones que deben emplearse en cualquier tipo de
instalación eléctrica para hacerla completamente segura son protección de elementos
de un circuito contra sobre intensidades y protecciones contra sobretensiones.
(Molina, 2009)
La Bomba
Según lo expresado por Viejo y Álvarez (2004), un equipo de bombeo es un
transformador de energía mecánica que puede proceder de un motor eléctrico,
térmico, entre otros, para convertirla en energía, que un fluido adquiere en forma de
presión, de posición y de velocidad. Así se tendrán bombas que funcionen para
cambiar la posición de un cierto fluido. Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que
adiciona energía para que el agua del subsuelo se eleve a la superficie.
Para una mayor claridad, buscando una analogía con las máquinas eléctricas,
y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto
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que una turbina sería un motor hidráulico. Normalmente un generador hidráulico
(bomba) es accionado por un motor eléctrico, térmico, entre otros, mientras que un
motor hidráulico (turbina) acciona un generador eléctrico.
Características de una bomba.
La condición de trabajo de una bomba está definida principalmente por tres
características: gastos de bombeo, altura de bombeo y velocidad de rotación. Estas
características originan para cada situación una eficiencia y una potencia requerida
(Viejo y Álvarez, Op. Cit),
Clasificación de las bombas
Antes de conocer los fundamentos de operación de las bombas aseguran
Viejo y Álvarez (Op. Cit) que existe una diversidad de clasificación de bombas que
ocasionalmente puede causar confusión al intentar ubicarlas dentro de un cierto tipo,
clave u otra distinción. Esta clasificación toma en cuenta la forma cómo el fluido se
desplaza dentro de los elementos de la bomba, así para aquellos en los que el fluido se
desplaza a presión dentro de una carcasa cerrada, como resultados del movimiento
suavizada de un pistón o embolo, se le denomina bombas de desplazamiento positivo,
mientras que las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento
circular de uno o varios impulsores provistos de alabe, se les denomina bombas de
desplazamiento no positivo.
El Motor
Según lo expresado por Torres (s/f), una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre
sí, sirven de base al funcionamiento de los motores. El primero es el principio de la
inducción, descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831,
el cual dice que si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está
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situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede
variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a
éste fue observado en 1820 por el físico Francés André Marie Ampère, que indica que
si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste
ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor.
La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dínamo de disco desarrollada
por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte
del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de
un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del
disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse
para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el
centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la
reacción magnética. El campo magnético de un imán permanente es lo
suficientemente fuerte como para hacer funcionar un solo dínamo pequeño o motor.
Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como
los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el
electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los
conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un
generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo
general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas
los cables conductores.
Bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos
Chávez (s/f) explica que, en un sistema de bombeo se utiliza un motor
acoplado a una bomba, para poder transportar un determinado caudal desde la toma
hasta el punto final de destino, ya sea un tanque de almacenamiento, una red
principal, un decantador, entre otros, este sistema suele utilizar corriente alterna, por
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lo que es necesario un inversor ya que los paneles fotovoltaicos generan corriente
continua.
Los sistemas de corriente continua son en general de pequeño tamaño y están
constituidos por un generador fotovoltaico que ataca directamente a un motor DC
acoplado a una bomba de superficie. Al variar la irradiación incidente sobre el
generador, varía la tensión del punto de trabajo que resulta del cruce de las
características del generador, del motor y la bomba, con ello varía la velocidad de
giro del motor y el caudal de agua que proporciona la bomba. En algunos casos
dependiendo de las características de las bombas, estos sistemas incorporan un
convertidor DC/AC (caso de bombas de desplazamiento positivo, no siendo necesario
para las bombas centrífugas).
Los sistemas de corriente alterna están constituidos por un generador
fotovoltaico que actúa sobre el motor y bomba sumergida, a través de un inversor de
frecuencia variable o variador. Al variar la irradiación sobre el generador varía la
frecuencia y la tensión a su salida y con ello, la velocidad de giro del motor y el
caudal bombeado.
Diseño del sistema
El punto de partida del diseño de un sistema de bombeo fotovoltaico es el
estudio técnico y socioeconómico del lugar. Esto incluye:
·
Población y distribución de la misma
·
Necesidades de abastecimiento de agua y fuentes existentes
·
Usos y prioridades que se les da al agua
·
Organización social de la comunidad
El método de diseño técnico está basado en calcular el sistema para el peor
mes, es decir aquel para el cual la relación entre la demanda de bombeo de agua es la
mayor y la irradiación solar es la menor. El cálculo sin embargo se va hacer en
28
función de la potencia, es decir, se calcula la potencia eléctrica que hay que
suministrar al motor y bomba para satisfacer las necesidades de bombeo de agua, y el
número de paneles capaces de entregar dicha potencia. La potencia eléctrica que
necesita el motor viene determinada por: a) eficiencia en convertir potencia eléctrica
en potencia hidráulica, b) caudal de agua que se quiere extraer, y c) la altura a la que
se quiere elevar. (Chávez, s/f)
29
Definición de Términos Básicos
·
Demanda: cantidad de energía eléctrica que requiere un motor en una unidad
de tiempo para su completo funcionamiento
·
Energía: capacidad de producir algún tipo de trabajo
·
Escobilla: Pieza de un mecanismo eléctrico formada por un haz de pequeños
hilos metálicos que sirve para establecer una conexión
·
Insolación: es la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a
un lugar de la Tierra en un día concreto (insolación diurna) o en un año
(insolación anual).
·
Potencia: cantidad de trabajo que se efectúa o genera por unidad de tiempo
·
Tensión eléctrica: es la magnitud física que cuantifica la diferencia de
potencial eléctrico entre dos puntos.
30
A continuación se presenta la siguiente tabla en la cual se especifica para cada
objetivo planteado en la investigación, las variables medibles, la definición de cada
una de ellas así como la dimensión en la que se encuentran y su respectiva unidad.
Tabla 1.
Operacionalización de Variables
Objetivos Específicos
Variables
Definición
Dimensión
Indicadores
Describir las
características generales
del entorno para la
estación de bombeo Caño
Lindo, Abejales,
Municipio Libertador,
Estado Táchira,
Venezuela.
Población
Cantidad de personas que
habitan un lugar
Capital del
municipio
N° habitantes
caudal
Cantidad de agua
producida por unidad de
tiempo
entorno de la
estación de
bombeo
Caño Lindo
Energía suministrada
Cantidad de energía
eléctrica suministrada por
el organismo competente
energía
eléctrica
Determinar los
requerimientos
energéticos para la
estación de bombeo Caño
Lindo, Abejales,
Municipio Libertador,
Estado Táchira,
Venezuela.
Energía requerida
Radiación
Analizar los datos de
radiación solar e
insolación
correspondientes a la
región.
Insolación
Cantidad de energía
energía
eléctrica requerida por el
eléctrica
motor para su
funcionamiento
Cantidad de radiación
solar disponible en la zona
energía solar
que puede ser empleada
para alimentar un sistema
fotovoltaico
Cantidad de insolación
solar disponible en la
zona que puede ser usada
para determinar la
radiación solar a
emplearse en la
alimentación de un
sistema fotovoltaico
Nota: Elaboración propia
31
energía solar
Volumen de
agua,
(ଷ /s)
energía, kW
energía, kW
cantidad de
radiación en
kWh/ଶ
cantidad de
insolación en
kWh/ଶ
Bases Legales
Constitución de la Republica Bolivariana de Venezuela
Título III: De los Derechos Humanos y Garantías, y de los Deberes: Capítulo
IX: De los Derechos Ambientales:
Artículo 127. Es un derecho y un deber de cada generación proteger y
mantener el ambiente en beneficio de sí misma y del mundo futuro. Toda persona
tiene derecho individual y colectivamente a disfrutar de una vida y de un ambiente
seguro, sano y ecológicamente equilibrado. El Estado protegerá el ambiente, la
diversidad biológica, los recursos genéticos, los procesos ecológicos, los parques
nacionales y monumentos naturales y demás áreas de especial importancia ecológica.
El genoma de los seres vivos no podrá ser patentado, y la ley que se refiera a los
principios bioéticos regulará la materia.
Es una obligación fundamental del Estado, con la activa participación de la
sociedad, garantizar que la población se desenvuelva en un ambiente libre de
contaminación, en donde el aire, el agua, los suelos, las costas, el clima, la capa de
ozono, las especies vivas, sean especialmente protegidos, de conformidad con la ley.
Artículo 129. Todas las actividades susceptibles de generar daños a los
ecosistemas deben ser previamente acompañadas de estudios de impacto ambiental y
socio cultural. El Estado impedirá la entrada al país de desechos tóxicos y peligrosos,
así como la fabricación y uso de armas nucleares, químicas y biológicas. Una ley
especial regulará el uso, manejo, transporte y almacenamiento de las sustancias
tóxicas y peligrosas.
En los contratos que la República celebre con personas naturales o jurídicas,
nacionales o extranjeras, o en los permisos que se otorguen, que afecten los recursos
naturales, se considerará incluida aun cuando no estuviera expresa, la obligación de
conservar el equilibrio ecológico, de permitir el acceso a la tecnología y la
32
transferencia de la misma en condiciones mutuamente convenidas y de restablecer el
ambiente a su estado natural si éste resultara alterado, en los términos que fije la ley.
La Ley Orgánica del Ambiente
G.O No. 5.833 Extraordinario de fecha 22 de diciembre de 2006:
Artículo 4. Responsabilidad en los daños ambientales. La responsabilidad del
daño ambiental es objetiva y su reparación será por cuenta del responsable de la
actividad o del infractor.
Artículo 85. El estudio de impacto ambiental y sociocultural constituye uno de
los instrumentos que sustenta las decisiones ambientales, comprendiendo distintos
niveles de análisis, de acuerdo con el tipo de acción de desarrollo propuesto. La
norma técnica respectiva regulará lo dispuesto en este artículo. Artículo 84. La
evaluación de impacto ambiental está destinada:
1. Predecir, analizar e interpretarlos efectos ambientales potenciales de una propuesta
en sus distintas fases.
2. Verificar el cumplimiento de las disposiciones ambientales.
3. Proponer las correspondientes medidas preventivas, mitigantes y correctivas a que
hubiere lugar.
4. Verificar si las predicciones de los impactos ambientales son válidas y las medidas
efectivas para contrarrestar los daños.
Ley Orgánica del Sistema y Servicio Eléctrico (LOSSE)
Gaceta Oficial de la Republica Bolivariana de Venezuela de fecha 14 de
diciembre de 2010. Título I. Disposiciones Fundamentales. Capítulo II. De la
Planificación para la Prestación del Servicio Eléctrico. Contenido del Plan de
Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional.
33
Artículo 21. El Plan de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional se
enmarcará en el Plan Nacional de Desarrollo Económico y Social de la Nación, en
concordancia con los lineamientos de política económica, energética y ordenamiento
territorial del Estado. Contendrá, al menos:
1. Políticas de desarrollo del sector, con especial atención a las áreas no servidas;
2. Estimación de la demanda eléctrica nacional;
3. Estrategias y proyectos para la expansión del Sistema Eléctrico Nacional;
4. Acciones orientadas a impulsar el uso de las fuentes alternativas de energía,
renovables y ambientalmente sostenibles;
5. El uso racional y eficiente de la energía eléctrica;
6. Las demás que el Ministerio del Poder Popular con competencia en materia de
energía eléctrica considere necesarias.
Título III. De las Actividades del Sistema Eléctrico Nacional para la
Prestación del Servicio. Capítulo I. De la Generación, Transmisión y Despacho del
Sistema Eléctrico. Generación en Sistemas Independientes.
Artículo 44. El operador y prestador del servicio eléctrico es el encargado de
la instalación y operación de las plantas de generación en sistemas independientes,
dándose prioridad al empleo de fuentes alternativas de energía y de bajo impacto al
ambiente, de conformidad con el Plan de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional y
demás normas vigentes.
Ley Orgánica de Ciencia, Tecnología e Innovación
Título I. Disposiciones Fundamentales. Artículo 5. Actividades de ciencia,
tecnología, innovación y sus aplicaciones. Las actividades de ciencia, tecnología,
innovación y sus aplicaciones, así como, la utilización de los resultados, deben estar
encaminadas a contribuir con el bienestar de la humanidad, la reducción de la
pobreza, el respeto a la dignidad, a los derechos humanos y la preservación del
ambiente.
34
Plan de Desarrollo del Servicio Eléctrico Nacional 2005-2024 (PDSEN)
Ministerio de Energía y Petróleo. Uso Racional y Eficiente de la Electricidad.
El consumo de electricidad per cápita e intensidad eléctrica en Venezuela se
encuentra entre los más altos de Latinoamérica y presenta significativas
oportunidades de ahorro de electricidad, derivado del patrón de consumo y de la
gestión del servicio. Desde comienzos de la década de los 80 se han realizado
estudios del perfil de consumo, auditorias energéticas, proyectos de regulación,
planes y programas de eficiencia energética, bajo la coordinación del Ministerio de
Energía y Minas.
La existencia de un conjunto de artículos en la LOSSE orientados a introducir
la eficiencia energética como parte de los aspectos relevantes del servicio eléctrico,
debe estimular los esfuerzos para el uso racional y eficiente de la electricidad (URE)
en la industria eléctrica (generación, transmisión y distribución) y en el consumo
final.
Marco Conceptual
La eficiencia eléctrica constituye un aspecto fundamental en la planificación
del servicio eléctrico a largo plazo, debido a su contribución al desarrollo sustentable
y beneficios tales como:
·
Modernización en el comportamiento de la demanda
·
Reducción en el consumo de combustibles exportables utilizados en la
producción de electricidad.
·
Impulso en el mejoramiento de los niveles de competitividad del aparato
productivo nacional
·
Racionalización de las inversiones en infraestructura eléctrica.
·
Contribución al equilibrio económico de las empresas eléctricas
35
·
Incremento en la competitividad en el sector industrial, produciendo efectos
directos sobre los costos de producción y los precios de los bienes
·
Beneficios económicos en los consumidores finales de electricidad
·
Disminución del impacto ambiental por mitigación de emisiones de gases y en
particular dióxido de carbono, debido a los efectos tangibles en la producción
de generación termoeléctrica
Fuentes Alternas Renovables de Energía para Generación Eléctrica
Fuentes Alternas Renovables de Energía (FARE) son aquellas consideradas
inagotables, abundantes en la naturaleza y ambientalmente sustentables. Con base en
los estudios realizados, y dada su posible aplicación en el país, en el PDSEN se le
dará el tratamiento de fuentes alternativas a las siguiente opciones: eólica, solar,
biomasa, geotérmica e hidroeléctrica (centrales hidroeléctricas menores a 10000 kW).
Estas fuentes pueden ser aplicables para la complementariedad energética
(inyección de energía eléctrica a la red) y electrificación de zonas aisladas del
Servicio Eléctrico Nacional (SEN). En cada caso el aprovechamiento de estas fuentes
dependerá de su justificación técnica, económica y estratégica. La participación de las
FARE
en el balance energético venezolano ha sido irrelevante debido al uso
intensivo del recurso hidráulico y combustibles fósiles.
Fuente Energética de Origen Solar
Se pueden instalar sistemas fotovoltaicos en cualquier zona del país, siendo la
región costera-insular la de mayor potencial. Por otro lado en Los Andes, Amazonas
y la Gran Sabana la energía también puede ser aprovechable.
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Proyecto Nacional Simón Bolívar
Primer Plan Socialista de Desarrollo Económico y Social de la Nación 20072013 Caracas, Septiembre 2007. VI. Venezuela: Potencia Energética Mundial.
Objetivo IV: Propiciar el uso de fuentes de energías alternas, renovables y
ambientalmente sostenibles
Estrategias y Políticas
·
Incentivar la generación de fuentes alternas de energía.
·
Incrementar la generación de electricidad con energía no convencional y
combustibles no hidrocarburos.
·
Aplicar fuentes alternas como complemento a las redes principales y en la
electrificación de zonas aisladas.
37