COMPENSACIÓN DEL NÚMERO DE PANELES Y BATERÍAS EN LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS Rodríguez Borges, Ciaddy Gina CORPOELEC, Proyectos de electrificación rural Cabimas, Estado Zulia Resumen: El diseño de sistemas fotovoltaicos para regiones alejadas de las redes eléctricas, comúnmente se realiza a través del dimensionado con una función objetivo de disminución del costo y mínimo porcentaje de fallos del sistema. El dimensionado busca la determinación de la cantidad de paneles y baterías como respectivos equipos tecnológicos para la captación y el almacenamiento de la energía. Dada las tendencias del mercado hacia la disminución del precio de los paneles, surge la necesidad de considerar en los dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, la compensación de paneles y baterías, teniendo en cuenta además, los costos de ambos componentes empleados en los sistemas fotovoltaicos. En el presente trabajo se muestra la flexibilidad que debe tenerse presente al dimensionar sistemas fotovoltaicos autónomos, evaluando la posibilidad de compensar la cantidad de paneles con el número de baterías o viceversa y considerando la influencia que tiene el precio de estos equipos en el rango de compensación, para mantener un mismo nivel de calidad de energía entregada y un menor costo de la energía; para lo cual se ilustra el procedimiento, a través de un ejemplo de electrificación de una vivienda aislada. Palabras Claves: Fotovoltaica/ Sistemas autónomos/ Dimensionamiento crítico/ Energías renovables. COMPENSATION OF PANELS AND BATTERIES QUANTITIES IN STAND - ALONE PHOTOVOLTAIC SYSTEMS Abstract: Photovoltaic systems design for regions far from the AC grid commonly is carried out through the sizing with an objective function to decrease the cost and a minimum percentage of system failures. The sizing looks for the fixing of panels and batteries quantities and the proper technological equipments for energy reception and storage. Due to the decrease of the panels’ market price, the need for considering the compensation of panels and batteries in the photovoltaic systems sizing emerges. The costs of both of the components into the photovoltaic systems should be kept in mind, too. This work shows the flexibility to be taken account for sizing stand - alone photovoltaic systems, evaluating possibilities to compensate the panels quantity with the batteries number or vice versa, and the influence that the price of these equipments has in the compensation range, in order to maintain the same level of energy quality delivered to the system and the condition of smaller energy cost; for showing that, the procedure is illustrated by means of an example of an stand alone housing electrification. Key words: Photovoltaic/ Stand Alone Systems/ Critical Sizing/ Renewable Energies. I. INTRODUCCIÓN Son numerosas y esenciales las razones que impulsan el desarrollo del uso de las fuentes renovables de energías a nivel mundial, entre ellas: el aumento en la emisión mundial de gases de efecto invernadero y sus consecuencias en el cambio climático, reducida disponibilidad de petróleo para su creciente utilización a mediano o largo plazo, necesidad de electrificar viviendas alejadas de las redes eléctricas y entre otras razones de peso, como las: económicas, de mercado y humanistas que apoyan el aprovechamiento de las fuentes renovables de energías [1] Una de las fuentes que mantiene un elevado ritmo de desarrollo mundial y que por sus características se adecua bien para la electrificación de viviendas aisladas, es la energía solar fotovoltaica. A nivel mundial existe la necesidad de dotar de facilidades al acceso del servicio eléctrico a cerca de mil seiscientos millones de personas que no disponen del mismo [2] y los sistemas fotovoltaicos autónomos, de relativa pequeña potencia para el uso en viviendas rurales, resultan una posibilidad ya establecida y numerosos sistemas se encuentran disponibles en el mercado [3]. Volumen 15, Nº 59, 2011. pp 57-64 57 Volumen 15, Nº 59. pp 57-64 Una de las principales barreras que presenta aun la energía solar fotovoltaica, es el costo de la energía generada por estos sistemas, en lo cual se trabaja para alcanzar menores costos, mediante el aprovechamiento tecnológicos y el crecimiento en los volúmenes fabricados de cada uno de los componentes estos sistema; a fin de poder reducir el costo de esta energía. En función a los esfuerzos realizados, se ha experimentado una disminución considerable (mayor 50%) en los precios de paneles fotovoltaicos en los últimos tres años. De lo antes mencionado, surge la necesidad de evaluar en cada dimensionamiento las posibilidades de compensar paneles fotovoltaicos por cantidad de baterías, a los fines garantizar que los dimensionamientos propuestos presente menores costo de la energía (aprovechando las oportunidades del mercado), con la misma calidad de energía entregada. El siguiente trabajo se plantea como objetivo: proponer un esquema de validación para el aprovechamiento de las posibilidades existentes en los sistemas fotovoltaicos autónomos de compensar la cantidad de baterías requeridas por una mayor cantidad de paneles fotovoltaicos o viceversa, en función de poder determinar el menor costo de energía para una instalación, manteniendo el nivel de calidad fijado; para lo cual se realiza un análisis empelando un ejemplo de una vivienda, bajo las condiciones de radiación solar de Venezuela, considerando los precios del mercado actuales para estos equipamientos. La metodología empleada fue mediante ensayos de simulación (utilizando un programa especializado para valoración de sistemas energéticos) con lo que se determinó un conjunto de propuestas (de dimensionamiento crítico) que presentan el de menor costo de la energía posible bajo las condiciones del recurso energético disponible y el nivel de la calidad de energía fijado. Se propone realizar una segunda valoración por parte de por los diseñadores de estos sistemas, considerando las diferentes combinaciones (compensaciones) de cantidad de paneles y baterías, analizando simultáneamente la influencia de los precios del mercado de estos componentes (variables en el tiempo) en los dimensionamientos posibles en cada caso. Siendo satisfactorio el conjunto de resultados obtenidos en la ilustración de este esquema a seguir, para garantizar el menor costo de la energía fotovoltaica posible. II. DESARROLLO 1. Comportamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos Los Sistemas Fotovoltaico Autónomos (SFA) generalmente están conformados por tres componentes básicos: un generador energético, el sistema de control y las baterías. En la Figura 1 se muestra un esquema básico de estos sistemas. Figura 1. Esquema de un sistema fotovoltaico autónomo 58 Rodríguez, C. Compensación del Número de Paneles y Baterías en los sistemas Fotovoltaicos Autónomos El dimensionador de SFA debe contemplar dos elementos fundamentales, el primero la estimación de la disponibilidad de irradiación solar (plagada de incertidumbres por discrepancias entre las fuentes de información y por la variabilidad natural de radiación solar) y el segundo elemento fundamental, la capacidad de generación promedio diaria de energía eléctrica que deben entregar los paneles, que debe ser igual al promedio diario del consumo de energía esperado, considerando las pérdidas de energía eléctrica del propio sistema [4]. La calidad de los SFA, suele medirse por el nivel en que el sistema, satisface la demanda energética exigida, debiendo ser diseñado en función de la fiabilidad esperada, medida mediante el factor denominado probabilidad de pérdida de carga (Loss of Load Probability (LLP)) o % de fallos [4] y la autonomía del sistema sin fuente de generación, medida en días de autonomía. Siendo los días de autonomía, un criterio que debe ser fijado en función de: a) el tipo de instalación a la que se le brinda el servicio, b) las condiciones climatológicas de la región donde se instalará el sistema (días continuos de baja radiación solar por efectos de nubosidad), y c) cantidad de energía requerida diaria, entre otros aspectos. Resulta típico para instalaciones fotovoltaicas comunes, el usar entre dos a cinco días de autonomía [5], dependiendo de las circunstancias que estén presentes, tales como: tipo de instalación, el consumo diario de energía almacenada, el financiamiento disponible para adquisición de baterías, la cantidad de días nublados promedio por año, entre otros parámetros. Siendo también, una práctica generalizada el sobredimensionar los sistemas fotovoltaicos, colocando un determinado porcentaje de paneles y baterías adicionales, para garantizar que aun, en condiciones más desfavorables para el funcionamiento del SFA, no se produzcan fallos de energía por falta de capacidad de generación o almacenamiento. En algunas ocasiones, el nivel de sobredimensionamiento resulta demasiado alto y no justificado, lo que trae consigo incrementos innecesarios en los costos, por lo que las últimas normativas técnicas para instalaciones aisladas de la red, ha tenido que ser regulado este aspecto [6]. Por lo que este trabajo, presenta alternativas para la disminución de los costos de los sistemas fotovoltaicos autónomos, empleando un mínimo sobredimensionamiento, denominado también, dimensionado crítico, mediante el balance entre la cantidad de paneles fotovoltaicos y baterías, manteniendo el nivel de calidad definido para el sistema. 2. Caso de estudio Para lograr los objetivos propuestos se presenta el ejemplo de un SFA para una vivienda de una comunidad rural, lo cual tiene la ventaja de resultar ilustrativo, mientras que la aplicación para otros casos puede inducirse. Siendo la calidad del SFA requerida en esta instalación, de 0 % de fallos debido a causas del dimensionamiento y 2 días mínimos de autonomía. Irradiación solar Dada las diferentes condiciones climatológicas presenten en las regiones geográficas de Venezuela, las cuales cuentan con un amplio rango de valores de irradiación solar (desde 4 a 7 kWh/m2 día)[7-8], se procedió a revisar los distintos valores encontrados en las fuentes de datos disponibles, entre ellas, las mediciones de las estaciones meteorológicas [9] y las diferentes agencias satelitales que proveen estos datos, mediante sus paginas electrónica [8, 10]. Siendo empleados en esta ejemplificación, los datos provistos por la agencia NASA, para una región que presenta valor de irradiación promedio de 5,0 kWh/m2 día, una distribución mensual de irradiación solar, que se muestran en la en la Figura 2. Figura 2. Distribución mensual de irradiación solar. Fuente de datos agencia NASA[8]. 59 Volumen 15, Nº 59. pp 57-64 Demanda La distribución promedio diaria de la demanda eléctrica de la vivienda seleccionada, se estimo en función del equipamiento y las horas de uso estimadas de los equipos, obteniéndose un consumo promedio diario de 5 kWh/día, a continuación se presenta el calculo por censo de carga realizado, ver Tabla I. Tabla I. Consumo diario de energía estimada en la vivienda Fuente: Estimaciones propias La demanda de consumo horario de la vivienda fue estimada basada en los registros de demanda máxima de potencia horaria, medida por el centro de control de la OPSIS, el cual señala como hora de máxima de demanda las 20:00 hrs para todas las regiones del país [11], ver figura 3. Figura 3. Distribución promedio de demanda horaria. 60 Paneles y baterías 3 Método de modelación A efecto de este análisis se utilizará paneles de 100 Wp disponibles en el mercado, con un índice de costo de 2 $/W [12], siendo las baterías utilizadas de 6 V, 225 Ah, 1,35 kWh, con un mínimo estado de carga del 30% y un índice de costo de 265 $/kWhdisponible [13]. Entendiendo en este contexto kWh-disponible, como la energía que la batería puede entregar desde la carga completa hasta la profundidad de carga mínima recomendada. Simulación del comportamiento del sistema Para el dimensionamiento se utilizó el programa de simulación HOMER [14], el cual amerita el ingreso de datos de las condiciones de irradiación solar de la vivienda y la demanda estimada que presentara, así como también, los datos referentes a las características técnicas de los equipamientos a emplearse en el sistemas fotovoltaicos y los costos estimados. Rodríguez, C. Compensación del Número de Paneles y Baterías en los sistemas Fotovoltaicos Autónomos El software HOMER, suele ser empleado en este tipo de evaluaciones, debido a su flexibilidad para la introducción de una gran cantidad de parámetros técnicos, económicos y ambientales; permitiendo la valoración energética de los sistemas con aprovechamiento de las fuentes de energías renovables. El punto crítico para 24 paneles, corresponde a la cantidad de 14 baterías, esto implica que al aumentar 4 paneles fotovoltaicos, es posible disminuir dos baterías, manteniendo la condición de dimensionado crítico y la calidad del sistema requerida; a la señalada sustitución o compensación de paneles y baterías, se orienta el objetivo del presente trabajo. Siendo los parámetros ingresados al programa HOMER, los siguientes: la irradiación solar promedio mensual de la región, la demanda diaria estimada de la vivienda, los costos de los paneles, baterías, inversores, además de lo valores de los parámetros de calidad, en este caso, porcentajes de fallos admitidos y días de autonomía. Por lo que empleando los parámetros descritos para el ejemplo de esta vivienda, se procedió a simular diferentes dimensionados del sistema fotovoltaico autónomo y siendo algunos de los resultados encontrados los representados en la curva que se muestran a continuación en la Figura 4. Para introducir el estudio de la influencia de los costos de los paneles y las baterías en el proceso de compensación expuesto en el análisis de la Figura 4, se define el Factor de Multiplicación del Precio de los Paneles (FMfv), como: FMfv = Precio de paneles en cada caso ($/W) / Precio base de paneles ($/W) (1) y el Factor de Multiplicación del Precio de las Baterías (FMba), de forma similar, como se indica: FMba = Precio de baterías en cada caso ($/kWh)/ Precio base de baterías ($/kWh) (2) Para valorar la cantidad de paneles y baterías de cada dimensionado, se define el índice relativo de cantidades (Npa/Nba), el cual representa: Npa/Nba = Cantidad o número de paneles / Cantidad o número de baterías (3) 4 Resultados y Discusión Figura 4 Distribución del porcentaje de fallos según la cantidad de paneles y de baterías El porcentaje de fallos representa, la proporción de energía no servida, originada por la falta de capacidad del sistema para afrontar algunos de los siguientes factores: baja radiación solar o la insuficiente reserva de energía en baterías ante la demanda eléctrica de la instalación en un momento dado. En la Figura 4 se representan los porcentajes de fallos esperado con 20 y 24 paneles fotovoltaicos y una cantidad de baterías en el rango de 6 a 18. Para el caso del dimensionamiento de 20 paneles, la cantidad mínima de baterías que logra fallos nulos, es de 16, denominándose a ese punto, como punto crítico o condición de dimensionamiento crítico, en el cual, de asignarse una menor cantidad de baterías correspondería a la región de infradimensionado (con probabilidad de fallos no nula), mientras que una mayor cantidad de baterías correspondería a la región de sobredimensionado [15]. Los resultados obtenidos para los puntos de dimensionado crítico de varios diseños de SFA, para la vivienda bajo estudio, han sido representados en la Figura 5, destacando el costo de la energía ($/kWh), en función del índice relativo de cantidades (Npa/Nba) para diferentes Factores de Multiplicación de Precios. Es de destacar en la Figura 5, que para diferentes factores de multiplicación del precio de los paneles (FMfv) como de las baterías (FMba), pueden obtenerse un conjunto de soluciones cuya representación es una curvas para las diferentes compensaciones (en función de la relación Npa/Nba), existiendo una gama de dimensionamiento que cumplen con las condiciones de dimensionado crítico y de la calidad del sistema exigida. Los puntos representados en la Figura 5, corresponden a los de menor costos de energía obtenidos mediante el HOMER, en las condiciones de dimensionado antes mencionadas, obteniéndose mediante procesos reiterativos de búsqueda, hasta alcanzar para determinadas combinación de paneles y baterías, el dimensionamiento que cumplan simultáneamente las condiciones de calidad y el menor costo de energía, por lo que pueden generarse otras puntos pero de mayores costos de energía. 61 Volumen 15, Nº 59. pp 57-64 representativo del precio de las baterías en los sistemas fotovoltaico (19 % del costo total del sistema) 16-17, resulta apropiado valorar la compensación entre paneles y baterías en los sistemas fotovoltaicos sin detrimento de la calidad de los mismos, como se ha podido observar en los resultados ilustrados. Aunque todos los puntos de la Figura 5, presenta un 0 % de Fallos, debe valorarse también el cumplimiento del nivel de calidad respecto a los días de autonomía que ofrece cada combinación de dimensionamiento propuesto, dado que esta variable conforma también el nivel de calidad de sistema y depende de la cantidad de baterías y en consecuencia, también del índice relativo de cantidades Npa/Nba, por lo que procede a representar estas relaciones en la Figura 6. Figura 5. Costo de la energía para diferentes Factores de Multiplicación de Costos Para cada Factor de Multiplicación, se muestran tres puntos, el central representa el de menor costo de la energía, mientras que los otros dos, tienen costos cercanos y diferencias próximas a dos unidades en la cantidad de baterías y paneles. La existencia de varios mínimos de costo de energía, mostrado en la Figura 5, es un objetivo generalmente buscado en los dimensionamientos, por lo que el procedimiento utilizado para la confección de la Figura 5, puede ser una guía para el diseño y demostración del análisis de sensibilidad de los costos de la energía ante las variaciones de precios de los paneles, baterías u otros componentes de los sistemas fotovoltaicos. Es posible ilustrar, diferentes escenarios de disminución de precio de los paneles y las baterías, como puede observarse en la Figura 5, donde se expresa claramente la influencia que tienen los precios relativos de estos componentes en el conjunto de compensaciones posibles entre paneles y baterías. Siendo posible cuando se disminuye el precio de las baterías (en este caso), lograr un costo de energía mínimo (0,29 $/kWh) con un índice relativo de cantidades de 1,2. En el escenario de mayor disminución de precio de los paneles fotovoltaicos, se logra un costo de energía mínimo (0,33 $/kWh), con un índice relativo de cantidades de 1,6; tal como se indica en la Figura 5. Lo antes señalado permite ilustrar la flexibilidad para compensar paneles por cantidad de batería o viceversa, a los fines de contar con un mayor número de opciones de dimensionado para un mismo nivel de calidad del sistema fotovoltaico y menor costo de energía. Debido a la tendencia que viene presentándose en el mercado de los paneles fotovoltaicos, hacia el continuo descenso en el precio de Wp (disminución de mas 50 % en los últimos dos años) y su tendencia a seguir disminuyendo por aprovechamiento tecnológico; así como también, dado el costo 62 Figura 6. Distribución de días de autonomía vs índice relativo de cantidades Los días de autonomía considerados en la evaluación y representados en la Figura 6, están en el rango (2-4) días, que son valores típicos para viviendas aisladas. Para el caso de la vivienda bajo estudio, la relación entre paneles y baterías puede ser compensada: para valores del índice Npa/Nba entre 0,9 y 2,2 (Figura 6). Debido a que la cantidad de baterías presenta un rango entre 12 y 18, mientras que la amplitud para la compensación de los paneles se sitúa entre 17 y 26. Los resultados obtenidos, permiten determinar la existencia de un rango de soluciones que cumplen con los criterios exigidos al sistema fotovoltaico de la vivienda aislada bajo estudio, existiendo la flexibilidad para la aceptación de un conjunto de propuestas basada en la compensación paneles/baterías. En la Figura 7, es posible evidenciar el conjunto de compensaciones de paneles y baterías y la amplitud del rango o flexibilidad de la compensación. Sin embargo, es posible también incorporar de forma simultánea en el análisis, el comportamiento del costo de la energía brindado en cada opción de dimensionamiento, en función de la variación (factores de multiplicación) del precio presente en el mercado al momento del análisis. Rodríguez, C. Compensación del Número de Paneles y Baterías en los sistemas Fotovoltaicos Autónomos III. CONCLUSIONES 1. El proceso de dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos aislados presenta la flexibilidad para compensar en su diseño, la cantidad de paneles por cantidad de baterías o viceversa, por lo que es posible, contar con mas de una solución adecuada de dimensionamiento para los proyectos de electrificación rural que emplean esta tecnología, sin afectar el nivel de calidad establecido para el sistema y con un mínimo costo de energía. Figura 7 Distribución de cantidades de paneles (Npa) y baterías (Nba) para los dimensionados realizados Dado el conjunto de soluciones encontradas en la compensación de paneles y baterías, para el caso de estudio, se presenta el amplio rango variación en el costo de la energía, para distintos Factores de Multiplicación del Precio de los Paneles (FMfv) y de las Baterías (FMba), como se presentan en la Figura 8. 2. El procedimiento de análisis para la compensación de paneles y baterías, permite determinar para la condición de dimensionado crítico, considerando varias alternativas con mínimos de costo de energía, lo cual es un objetivo que debe cumplirse antes de formular una propuesta, garantizando la evaluación de un adecuado precio de la energía, a ser producida por un sistema fotovoltaico. 3. Dada la tendencia sostenida a la disminución de los precios de los paneles (Wp) de los últimos cinco años y debido al alto costo de las baterías (respecto al costo total del sistemas fotovoltaicos), es de gran utilidad considerar el efecto de compensar el número de paneles y baterías en sistemas fotovoltaicos autónomos, obteniendo en algunos casos, mejores costos de la energía, con la factibilidad de uso de este procedimiento para el análisis en la amplia gama de aplicación de la energía fotovoltaica. IV. REFERENCIAS 1. Gutiérrez J." Energia Renovable en el siglo XXI", Editor Senado Mexicano, 2001. pp. 123. 2. Posada W. "Analisis socioeconómico de los uso productivos sociales y culturales de la energía moderna en comunidades rurales aisladas", Tesis de maestria de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad Pontifica Comillas España. 2010, pp. 262. Figura 8 Costo de la energía en función de los Factores Multiplicadores de Precios Finalmente es oportuno señalar, que este análisis puede ser de particular utilidad, para los proyectos de electrificación rural, realizados bajo el criterio de dimensionamiento crítico, empleando la compensación de paneles y baterías, para la obtención y valoración del conjunto de posibles dimensionamientos y el adecuado precio de la energía solar fotovoltaica, en la amplia gama de aplicaciones de esta tecnología. 3. Muñoz J. "Recomendaciones sobre el uso de corriente alterna en la electrificación rural fotovoltaica". Tesis de Doctoral de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación, Universidad politécnica de Madrid: España. 2004. pp. 173 4. LABED S. "Contribución al Desarrollo de Métodos para la Electrificación Rural Fotovoltaica a Gran Escala". Tesis de Doctoral de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación 2004 Universidad Politécnica De Madrid .2004. pp. 173. 63 Volumen 15, Nº 59. pp 57-64 5. AGUILERA J. "Curso de Energía Solar Fotovoltaica CIEMAT: Dimensionado de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos". 2004. pp. 26. 6. IDAE. "Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Aisladas de Red. Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica". 2009, pp. 9. Disponible online [Citado el: 2 de Febrero del 2011] en : http_www.idae.es_index.php_mod.documentos_mem. descarga_file=_documentos_5654_FV_Pliego_aisladas_ de_red_09_bec59187. 7. Corporación Venezolana de Guayana (CVG). "Estimación de los requerimientos de generación del sistema eléctrico nacional a mediano y largo plazo", división de planificación de sistemas eléctricos. Caracas. 2007.pp. 103. 8. Agencia NASA, Portal de la agencia NASA. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse. 9. Agencia de Meterología de Venezuela, Disponible online [Citado el: 2 de Febrero del 2011] en: http://www.meteorologia.mil.ve/siafavm/frontend/. 10. NREL (National Renewable Energy Laboratory). Software HOMER. 2010. [Citado el: 4 de Marzo 2011]. Disponible en: https://www.iea.org/stats/surveys/mps.pdf. 11. Oficina de Operación de Sistemas Interconectados (OPSIS). "Informe Anual año 2006".Ministerio del Poder 64 popular para la Energía y Petroleo: Caracas. 2006. pp. 56. 12. Portal de equipos fotovoltaicos WHOLESALESOLAR, Disponible (on Line) [Citado el: 4 de Marzo 2011] en: http://www.wholesalesolar.com/solar-panels.html. 13. Portal de equipos de baterías HOPPECKE, Disponible en web site on line [Citado el: 4 de Marzo 2011] en : http://www.hoppecke.com/. 14. HOMER. “Hybrid Optimisation Models for Electric Renewables”, Disponible en web site on line [Citado el: 4 de Marzo 2011] en: http://www.nrel.gov/homer 15. Soe T. et al. "Design considerations for upgrading diesel powered system to a hybrid energy system in rural Sarawaka". International Conference on Energy and Environment 2006. 16. Saenz de Miera G. "El papel de las nuevas tecnologias ante los retos del modelo energetico IBERDROLA" . Conferencia Santander grupo IBERDROLA, Colombia, 2010, pp. 42. 17. Linares P. , et al. "Evaluacion del potencial de las fuentes de energia renovables y las tecnologías para su aprovechamiento: oportunidades y retos para el sector de la electricidad". Revista notas d´económia. España, 2010, pp. 90-101.
