Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Estudios Electroenergéticos TRABAJO DE DIPLOMA Procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos Autor: Patricia Rodríguez Roqueta Tutores: Dr. Leonardo Casas Fernández Ms. C. Gretchen Villar Vázquez Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución” Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Estudios Electroenergéticos TRABAJO DE DIPLOMA Procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos Autor: Patricia Rodríguez Roqueta Email: prodriguez@uclv.edu.cu Tutores: Dr. Leonardo Casas Fernández Email: lcasas@uclv.edu.cu M.Cs. Gretchen Villar Vázquez Email: gretchen@uclv.edu.cu Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución” Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica i PENSAMIENTO Quien obtiene una victoria sobre otros hombres es fuerte, pero quien obtiene una victoria sobre sí mismo es todopoderoso. Lao Tsé. ii DEDICATORIA A la memoria de mi abuela Mirta Suárez Rodríguez por haber sido una mujer excepcional, ejemplo de bondad y altruismo, por valorar a las personas por lo que son y no por lo que tienen, por enseñarme a amar al prójimo, porque parte de lo que soy y hasta donde he llegado se lo debo a ella, por ser una abuela con un corazón inmenso y por estar siempre presente, todo mi esfuerzo se lo dedico a ella. iii AGRADECIMIENTOS A mi mamá por su esfuerzo y dedicación, por su amor incondicional, por estar siempre presente, por hacer de mí la mujer que soy. A mi padrastro por formar parte de nuestras vidas. A Robertico por estar conmigo en las buenas y en las malas, por ser mí amante, mi amigo y mi compañero. A mi papá que aunque no esté entre nosotros estoy segura que desde algún lugar me está mirando y espero se sienta orgulloso. A toda mi familia del Centro y del Oriente que de una forma u otra han puesto su granito de arena. A Iraida Leonar (Yaya) y Margarita de la Barca que aunque no nos corre la misma sangre por las venas somos más que familia. A todas mis amistades que han estado presentes durante estos cinco años de sacrificio y dedicación. A mis tutores Gretchen y Leonardo Casas por su asesoramiento, dedicación, por haberme ofrecido todo su conocimiento y experiencia. A todos mis profesores por su dedicación, su exigencia, porque gracias a ellos hoy soy una profesional. A todas las personas que han estado a mi lado cuando las he necesitado. A todos muchas gracias. iv TAREA TÉCNICA Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados en esta tesis, se tuvo en cuenta una serie de tareas técnicas para la confección del informe, ellas fueron:  Identificación de referentes de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red.  Descripción de los antecedentes de sistemas fotovoltaicos conectados a la red.  Determinación de las necesidades y potencialidades para la realización del trabajo.  Proponer un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos.  Análisis de los resultados.  Confección del informe de investigación. Firma del Autor Firma del Tutor v RESUMEN La energía solar fotovoltaica es una de las más utilizadas a nivel mundial producto a las grandes perspectivas que presenta en cuanto a la generación de electricidad. Los paneles fotovoltaicos están estrechamente relacionados al ahorro de combustibles fósiles y la reducción de pérdidas utilizando generación distribuida. Cuba enfrenta una batalla en cuanto al ahorro de energía y una de las misiones de la Unión Eléctrica (UNE) es la de instalar paneles fotovoltaicos acorde a los modelos que exige la sociedad, como un reto para preservar los recursos energéticos. En esta investigación se calcula la ubicación de los paneles fotovoltaicos en los circuitos radiales de distribución primaria para obtener mínimas pérdidas de potencia y energía. Se utilizan diferentes métodos de investigación entre los que se destacan: revisión documental y consulta a especialistas. También se muestran los fundamentos teóricos que sustentan el procedimiento de cálculo empleado para la ubicación de paneles fotovoltaicos, utilizando como herramienta de cálculo el software MatLab y el Mathematica para facilitar el trabajo con ecuaciones simbólicas. Todo se somete a consulta con especialistas y se considera novedoso, oportuno, necesario e importante para el desarrollo en la ubicación de estas tecnologías. vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS. .............................................................................................................. 5 1.1. Fuentes renovables de energía. ................................................................................ 5 1.2. Radiación solar. ........................................................................................................ 7 1.3. Energía Solar. ......................................................................................................... 10 1.4. Antecedentes históricos de la energía solar fotovoltaica. .......................................... 12 1.5. Tecnologías para la conversión de la energía solar con celdas fotovoltaicas. ........... 14 1.6. Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica. ............................................ 15 1.7. Situación de la energía solar fotovoltaica en Cuba y el mundo. ................................ 16 1.7.1. Situación de la energia solar fotovoltaica en el mundo. ..................................... 16 1.7.2. Situación de la energía solar fotovoltaica en Cuba. ............................................ 19 Conclusiones del capítulo. ................................................................................................ 21 CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. ................................. 22 vii 2.1. Componentes de los paneles solares fotovoltaicos. ............................................... 22 2.2. Curva característica de un panel solar fotovoltaico. .............................................. 25 2.3. Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. ............................................................... 26 2.3.1 Sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados. ..................................................... 26 2.3.2. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red. ........................................................ 28 2.4. Orientación de los paneles solares fotovoltaicos. .................................................. 30 2.5. Eficiencia de una celda fotovoltaica. ..................................................................... 32 2.5.1. Factores de eficiencia de una celda fotovoltaica. ................................................... 33 2.6. Ubicación de los paneles solares fotovoltaicos. ..................................................... 36 Conclusiones del capítulo. ................................................................................................ 38 CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 39 3.1. Estimación de pérdidas en la red a partir de la utilización de Paneles Fotovoltaicos (PFV). ............................................................................................................................... 40 3.2. Los paneles solares fotovoltaicos y los capacitores. .............................................. 42 3.3. Ubicación de los PFV para obtener mínimas pérdidas de potencia. ...................... 44 3.4. Energía y pérdidas de energía en un circuito de distribución. ................................... 48 3.5. El panel fotovoltaico. ................................................................................................. 50 3.6. Pérdidas de energía en el circuito al incluir la generación del PFV. ......................... 50 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 55 RECOMENDACIONES ................................................................................................... 56 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 57 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El uso de la energía eléctrica es uno de los principales índices que se usa para medir el grado de desarrollo de un país: a mayor consumo, mayor bienestar, aunque lamentablemente en muchos lugares el despilfarro constituye números no despreciables. Por otro lado, como nuestros lejanos antepasados hicieron uso de las energías renovables, muchos tienden a confundir su uso con el subdesarrollo. No cabe dudas, que un país con menos de 50% de electrificación y donde su portador energético principal sea la leña, es obligatoriamente un país altamente subdesarrollado (Vázquez 2013). La creciente exigencia de niveles de confort, la mecanización de las tareas, la demanda de mayores cotas de rápida y cómoda comunicación, la modernización de nuestra sociedad post-industrial, el crecimiento demográfico y la inherente aceleración de los ritmos de vida, conllevan inexorablemente a mayores demandas energéticas (EVE 2007). La energía es fundamental para el desarrollo de las tecnologías y para proporcionar la mayoría de los servicios esenciales que mejoren la condición humana. Sin embargo, el uso de la energía produce invariablemente una ruptura del equilibrio ambiental, provocando una reacción de la naturaleza que puede causar consecuencias adversas para el propio hombre. Desde que se manifestó mundialmente la necesidad de desarrollar una política ambiental, se comenzó a considerar el desarrollo y la utilización de fuentes de energías renovables (Nación. 2004). Las fuentes renovables de energía son parte de la solución hacia un desarrollo sostenible, es decir, un desarrollo que responde a las necesidades de hoy sin comprometer la capacidad de las próximas generaciones de responder a las suyas. Se pueden utilizar de forma autogestionada y tienen la ventaja adicional de complementarse favoreciendo la integración INTRODUCCIÓN 2 entre ellas. La energía solar fotovoltaica ofrece una alternativa muy prometedora y es una de las nuevas formas de energía limpia (Santana 2013). Una motivación muy importante para desarrollar la electricidad fotovoltaica es la medioambiental. Se trata de una energía extremadamente limpia, cuyo nivel de contaminación, medido de varias maneras, la sitúa siempre cerca de un orden de magnitud muy por debajo de la contaminación producida por los combustibles fósiles; además es mucho más abundante. Pero hay también una motivación social muy importante, ya que es muy apropiada para estimular el desarrollo de sociedades rurales menesterosas (Madrid. 2002). Cuba como país subdesarrollado, ha empezado a transformar su economía con el objetivo de disminuir los consumos excesivos de petróleo, buscando energías alternativas, que sustituyan la dependencia económica que tiene sobre el petróleo y disminuya a la vez, la carga contaminante que genera la producción de electricidad a partir de esa fuente de energía (Centro de Información para la Prensa 2009). En Cuba, el desarrollo de la energía fotovoltaica alcanza diversas aplicaciones, sobre todo en el sector educacional, la salud, agricultura y la actividad de electrificación de las zonas de las montañas alejadas de las redes eléctrica, sin embargo, en zonas urbanas existen sus peculiaridades para el diseño de estos sistema (Benítez 2010). El Sistema Electroenergético Nacional (SEN) se encuentra desde el 2011 en una verdadera alfabetización solar, en la que se halla inmersa no solo el SEN sino el centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES) de Santiago de Cuba, el Centro Integrado de Tecnologías del Agua (CITA) de Camagüey, el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER) de La Habana y el Centro de Estudios Solares de Bartolomé Masó, entre otros; grupos industriales como EcoSol Solar, de COPEXTEL, la Sociedad Cubana para la Promoción de las Fuentes Renovables de Energía y el Respeto Ambiental, CUBASOLAR, el Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la Energía (CUBAENERGÍA), entre muchas otras (Vázquez 2013). La generación de energía eléctrica por medio de sistemas fotovoltaicos representa una contribución significativa en los sistemas eléctricos de potencia cuando éstos se insertan en la red de distribución, tomando en cuenta además la magnitud del aporte energético y la INTRODUCCIÓN 3 reducción de pérdidas de energía en el sistema. Esto conduce al siguiente Problema Científico: ¿Dónde ubicar los paneles fotovoltaicos dentro de las redes de distribución para obtener mínimas pérdidas de potencia y energía? El problema científico condiciona el Objeto: Paneles fotovoltaicos. El Campo de acción: Ubicación de los paneles fotovoltaicos en las redes eléctricas de distribución. En correspondencia con el problema y el objeto de estudio se determinó como Objetivo general de la investigación: Calcular la ubicación de los paneles fotovoltaicos en los circuitos radiales para obtener mínimas pérdidas de potencia y energía. Para el logro del objetivo general de este trabajo se trazaron los siguientes objetivos específicos: 1. Determinar los fundamentos teóricos que sustentan el procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos. 2. Diagnosticar el estado actual de las ubicaciones de los paneles fotovoltaicos. 3. Proponer un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos. 4. Valorar la propuesta. Para dar cumplimiento a estos objetivos específicos las interrogantes científicas son: 1. ¿Cuáles son los fundamentos teóricos que sustentan el procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos? 2. ¿Cuál es el estado actual de las ubicaciones de los paneles fotovoltaicos? 3. ¿Cómo proponer un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos? 4. ¿Cómo influye el punto de ubicación de los paneles fotovoltaicos? Organización del informe. Para el desarrollo de este trabajo se elaboraron tres capítulos, además de la introducción, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos correspondientes. INTRODUCCIÓN 4 CAPÍTULO I. El Capítulo I recoge los fundamentos teóricos que sustentan la energía solar fotovoltaica como una fuente renovable de energía, para un desarrollo sostenible, siendo esto una motivación para la explotación y aprovechamiento de la misma, dando lugar a un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos. CAPÍTULO II. El Capítulo II contiene un diagnóstico del estado actual de las ubicaciones de los paneles fotovoltaicos, dependiendo este de la eficiencia de las céldas y de su ubicación, en forma distribuida para la disminución de las pérdidas en el SEN. Todo esto con el fin de proponer un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos. CAPÍTULO III. En el Capítulo III se valora como influye el punto de ubicación de los paneles fotovoltaicos en las redes radiales de distribución primaria donde se muestra una metodología de cálculo para la ubicación de los paneles fotovoltaicos. La metodología se implementa en MatLab 7.10 y Mathematica como herramientas para manejar las complejas ecuaciones que surgen del análisis desarrollado. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 5 CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS. La investigación en fuentes alternas de energía que utilizan recursos renovables amigables con el medio ambiente, está siendo impulsada cada vez más por los compromisos adquiridos por la mayoría de los países industrializados en función de los tratados mundiales de protección del medio ambiente como el protocolo de Kyoto y ante el impostergable agotamiento de las fuentes tradicionales de combustible, hecho que cada día se percibe más cercano. Se está llegando al momento en el que la solución de las necesidades energéticas de la humanidad están obligando a un progreso acelerado de exploración de nuevas fuentes de energía, lo que ha propiciado un avance tecnológico en los últimos años que ha promovido el desarrollo de nuevos equipos que permiten optimizar el aprovechamiento de la energía irradiada por el sol sobre la superficie terrestre (Badilla. 2005). 1.1. Fuentes renovables de energía. Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se encuentran la hidroeléctrica, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, la biomasa y los biocombustibles (Vázquez 2013). 1. Energía hidráulica. Uno de los recursos más importantes cuantitativamente en la estructura de las energías renovables es la procedente de las instalaciones hidroeléctricas; una fuente energética limpia y autóctona, pero se necesita construir infraestructuras que permitan aprovechar el CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 6 potencial disponible con un costo nulo de combustible. El problema de este tipo de energía es que depende de las condiciones climatológicas (Vázquez 2013). Las plantas hidroeléctricas aprovechan la energía potencial del agua o la cinética para mover las turbinas y generadores que producen la electricidad. En forma general, el agua que fluye y cae a través de las cortinas de las presas, saltos de agua, etc. se lleva por conductos para hacer girar las aspas de las turbinas, las que a su vez hacen girar los generadores (Carrandi. 2010). 2. Energía eólica. La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada por las turbinas eólicas que la convierten en electricidad por medio de aspas o hélices que hacen girar un eje central conectado a través de una serie de engranajes a un generador eléctrico. Es una energía limpia y también la menos costosa de producir (Santana 2013). Los mayores recursos eólicos se localizan en las zonas costeras los cuales alcanza cifras superiores a todas las necesidades actuales de energía eléctrica. La energía eólica podría proporcionar cinco veces más electricidad que el total consumido en todo el mundo, sin afectar a las zonas con mayor valor ambiental (Santana 2013). 3. La Biomasa. La biomasa consiste también en otra forma de energía renovable, su formación es a partir de la energía solar que se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de la cadena biológica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal, liberando de nuevo el dióxido de carbono almacenado (Santana 2013). 4. Energía Geotérmica. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 7 La energía geotérmica es aquella que puede ser obtenida mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. Parte del calor interno de la Tierra llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar. 5. Energía marina o energía de los mares. La energía marina o energía de los mares se refiere a la energía renovable producida por las olas del mar, las mareas, la salinidad y las diferencias de temperatura del océano. El movimiento del agua en los océanos del mundo crea un vasto almacén de energía cinética o energía en movimiento. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad que alimente las casas, el transporte y la industria. 6. Energía solar. Dentro de las energías renovables más importantes se encuentra la energía solar, una energía limpia y renovable, de fácil instalación y mantenimiento, con una larga vida útil y una alta fiabilidad. Es accesible y está al alcance de todos los interesados y entusiastas de este tipo de aprovechamiento y generación energética, íntimamente ligado a las consideraciones medioambientales (Nación. 2004), ya que repercute en la disminución de las emisiones de CO2. Por tanto reduce la contaminación atmosférica, el efecto invernadero y el cambio climático que de él se deriva. Para el estudio de la energía solar debemos tener en cuenta la radiación que llega a la superficie terrestre y la energía recibida del sol, los cuales nos ayudan a comprender mejor sus aplicaciones y formas de aprovechamiento, como son: la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica siendo esta última uno de los principales objetivos para este trabajo de diploma. 1.2. Radiación solar. El sol constituye una fuente de energía permanente. Esta energía del astro solar llega a la tierra en forma de radiación. Sin embargo, del total de la energía que llega a la tierra procedente del sol, sólo 3/4 partes entran a través de la atmósfera (EVE 2007). CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 8 Esta radiación se percibe en forma de luz. La luz no es más que una corriente de fotones que se han generado al producirse reacciones nucleares en el sol, y que llegan agrupados a la tierra en forma de haces de luz. Sólo una parte de ese haz de luz es captado por el ojo humano, en una gama de color que va del rojo al violeta. Sin embargo, el haz se extiende hasta el color ultravioleta y el infrarrojo. En estos haces de luz está presente la energía que proporciona el sol (EVE 2007). Para caracterizar la radiación solar que llega a la superficie terrestre se emplean los siguientes términos: 1. Irradiancia: Radiación recibida por una superficie por unidad de área. Se expresa en unidades de potencia por unidad de área: W/m2. 2. Irradiación o insolación: Radiación recibida por una superficie por unidad de área en un tiempo determinado. Se expresa en W.h/m2. Para alcanzar la superficie terrestre la radiación solar debe atravesar la atmósfera donde experimenta diversos fenómenos de reflexión, absorción, y difusión que disminuyen la intensidad final (Ver figura 1.1). Figura 1.1: Radiación solar absorbida y reflejada por la superficie terrestre. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 9 La optimización del aprovechamiento de la energía solar depende de la cantidad de radiación recibida -variable según la época del año-, de los materiales utilizados para su captación y de las formas de almacenamiento y consumo de la energía captada. Dado que la utilización común de la energía solar es su aprovechamiento en forma lumínica y térmica, es preciso considerar cómo la radiación sólo se produce a lo largo de unas determinadas horas del día, que con frecuencia no coinciden con las del consumo directo de la misma. Es por ello por lo que un factor importante a considerar ha de ser la previsión de almacenamiento de la energía obtenida, de modo que pueda disponerse de ella en los momentos que se precise. La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre (Benítez 2010). En las capas superiores de la atmósfera este valor es del orden de 1 366 W/m2. La radiación solar recibida en Cuba queda mostrada en la figura 1.2. Figura 1.2: Radiación solar en el plano inclinado expresado en kWh/m2. Ahora bien, esta energía disponible emitida por el sol, ha de ser captada para lograr su aprovechamiento. La forma de captación, sólo puede producirse a través de la absorción http://es.wikipedia.org/wiki/Vatio http://es.wikipedia.org/wiki/Metro_cuadrado CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 10 por algún tipo de material y así lograr transformarla en energía térmica o eléctrica (EVE 2007). En función de la forma de captación de la radiación y la energía contenida en la misma, habrá de diferenciarse entre sistemas activos y sistemas pasivos. - Los sistemas activos utilizan determinados materiales para captar la energía solar, y transformarla en una energía específica -térmica o eléctrica-. Así parte de la radiación electromagnética del sol se transforma en energía eléctrica mediante la reacción que determinados materiales de la naturaleza tienen al ser excitados por un fotón luminoso. - Los sistemas pasivos, sin embargo, captan de forma directa la energía del sol, sin ningún tipo de mecanismo ni transformación previa. Estos sistemas, también denominados de captación directa consisten en utilizar materiales y diseños adecuados que posibiliten la mayor ganancia energética, principalmente en los edificios, si bien pueden tener aplicaciones en balsas de agua, almacenamiento en roca y materia mineral entre otras, mucho menos utilizadas dada la escasa practicidad que ofertan. De aquí recibe el nombre de energía fotovoltaica. 1.3. Energía Solar. La energía solar es la fuente principal de vida en la Tierra: dirige los ciclos biofísicos, geofísicos y químicos que mantienen la existencia del planeta, los ciclos del oxígeno, del agua, del carbono y del clima. El Sol nos suministra alimentos mediante la fotosíntesis, y como es la energía del sol la que induce el movimiento del viento y del agua y el crecimiento de las plantas, la energía solar es el origen de la mayoría de las fuentes de energía renovables, tanto de la energía eólica, la hidroeléctrica, la biomasa, y la de las olas y corrientes marinas, como de la energía solar propiamente dicha (Nación. 2004). La energía del sol es un recurso de uso universal; por lo tanto, no se debe pagar por utilizarla. La energía solar absorbida por la Tierra en un año es equivalente a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles en el mundo y diez mil veces superior al consumo actual (Nación. 2004). CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 11 El aprovechamiento de la energía que recibimos del Sol (inicialmente más de 1.350 W/m2), da lugar a dos modalidades: la energía solar fotovoltaica y la energía solar térmica (Nación. 2004). Energía térmica: Consiste en la utilización de paneles solares para calentar agua para usos industriales, piscinas, calefacción o más comúnmente para agua caliente sanitaria. La generación termosolar de potencia eléctrica requiere el uso de concentradores solares. Estos concentradores son sistemas de espejos que reflejan la radiación solar captada en un área dada hacia un receptor de área menor, concentrado de esta manera la energía recibida. En el receptor, la energía solar es absorbida y transferida en forma de calor hacia un fluido de trabajo (aceites térmicos, agua, aire, sales fundidas), el cual a su vez lo transfiere en un intercambiador de calor para producir vapor de agua. El aumento en la densidad de la energía obtenido con los sistemas de concentración solar permite alcanzar temperaturas suficientemente altas para producir vapor con las características adecuadas para ser usado en turbinas de vapor convencionales. Por lo tanto, esta tecnología, conocida genéricamente como "Concentrador Solar de Potencia" se diferencia de la generación convencional, principalmente en la fuente de calor (Velásquez 2005). El calor solar colectado durante el día puede ser almacenado de diversas maneras para su utilización durante la noche o en horas de baja irradiación solar. Esto se hace principalmente en materiales como concreto, sal fundida, cerámica o sustancias en cambio de fase (Velásquez 2005). Todas las tecnologías se conforman de cuatro elementos básicos: el concentrador, receptor, sistema de transporte-almacenamiento y sistema generador de potencia. El concentrador capta y concentra la radiación solar directa, la cual es entonces entregada al receptor. El receptor absorbe la radiación solar concentrada y transfiere la energía térmica (calor) al sistema de conversión de potencia (Velásquez 2005). Energía solar fotovoltaica: capta la energía solar mediante un sistema específico que la transforma en electricidad. Es posible obtener energía eléctrica directamente de la luz del sol por medio de paneles fotovoltaicos. Ciertos materiales absorben la luz, y la energía de los fotones excita a los electrones del material provocando que parte de ellos salgan de sus posiciones lo que CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 12 genera cargas negativas, debidas a los electrones desplazados, y cargas positivas, debidas a los huecos dejados por los electrones. Si los electrones y los huecos generados por la fotoexcitación son separados por un campo eléctrico interno del material, unos y otros se acumulan en los lados opuestos del campo, creándose una diferencia de potencial. La unión, mediante un circuito, de los lados opuestos permite obtener una corriente eléctrica (Solar. 2010). Esta corriente producida puede ser utilizada para cargar baterías o ser convertida a corriente alterna mediante un dispositivo denominado inversor. La energía solar fotovoltaica como todo proceso en la historia de la humanidad también tiene su origen y es de suma importancia conocerlo. En el siguiente epígrafe se muestran los antecedentes históricos de la energía solar fotovoltaica. 1.4. Antecedentes históricos de la energía solar fotovoltaica. El aprovechamiento energético del sol se viene realizando desde los comienzos de la humanidad. La elección de la ubicación de refugios/edificaciones y su orientación para lograr el máximo aprovechamiento térmico del sol, fue conocido por las culturas más ancestrales. De igual forma, los materiales con cualidades para retener el calor obtenido por la radiación diurna y los materiales aislantes para evitar la pérdida calorífica han sido también utilizados en todos los pueblos ateniéndose a la variedad existente de los mismos, en función de las peculiaridades climáticas en donde se encontraban inmersos (Gattorno. 2009.) La arquitectura popular ha sabido captar las especificidades del entorno y ha acomodado a éstas las edificaciones y sus necesidades térmicas. El término fotovoltaico proviene del griego φώς: phos, que significa “luz” y voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término Volt a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a utilizar en Inglaterra desde el año 1849. El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera celda solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio con oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 13 presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Russell Ohl patentó la celda solar moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las celdas fotosensibles. La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz (Gattorno. 2009.). Las celdas fotoeléctricas se clasifican en tres generaciones que indican el orden de importancia y relevancia que han tenido históricamente. La primera generación de celdas fotovoltaicas consistía en una gran superficie de cristal simple. Una simple capa con unión diodo p-n, capaz de generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz con longitudes de onda similares a las que llegan a la superficie de la Tierra provenientes del Sol. Esta primera generación (conocida también como celdas solares basadas en oblea) es actualmente la tecnología dominante en la producción comercial y constituyen, aproximadamente, el 86% del mercado de celdas solares terrestres (México. 2011). La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basa en el uso de depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre obleas con concentradores. Hay dos clases de celdas fotovoltaicas epitaxiales: las espaciales y las terrestres. Las celdas espaciales, generalmente, tienen eficiencias más mayores del 28 y 30%, pero tienen un costo más alto. En las terrestres la película delgada se ha desarrollado usando procesos de bajo costo, pero tienen una eficiencia del 7 al 9%, más baja, y, por razones evidentes, se cuestionan para aplicaciones espaciales. La tercera generación de celdas fotovoltaicas que se están proponiendo en la actualidad son muy diferentes de los dispositivos semiconductores de las generaciones anteriores, ya que realmente no presentan la tradicional unión p-n para separar los portadores de carga fotogenerados. Para aplicaciones espaciales, se están estudiando dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos, cuerdas cuánticas, etc.) y dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un potencial de más del 45% de eficiencia (Gattorno. 2009.). Para aplicaciones terrestres, se encuentran en fase de investigación dispositivos que CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 14 incluyen celdas fotoelectroquímicas, celdas solares de polímeros, celdas solares de nanocristales y celdas solares de tintas sensibilizadas. La antigua Unión Soviética lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera celda solar comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente el 6%. La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo de 1958. Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares (Benítez 2010). 1.5. Tecnologías para la conversión de la energía solar con celdas fotovoltaicas. La evolución de la tecnología de las celdas solares ha experimentado importantes avances desde su invención. Esta ha ido paralela a desarrollos y avances tecnológicos producidos en materiales y procesos. Los dispositivos fotovoltaicos de aplicación a la conversión de la energía solar deben construirse con materiales semiconductores sensibles a la radiación solar de modo que el efecto fotovoltaico se produzca de forma eficiente (Soto 2005). El material utilizado en la fabricación de celdas fotovoltaicas es el silicio, uno de los materiales más abundantes del planeta. Tradicionalmente han coexistido tres tipos de celdas de silicio: Silicio Monocristalino: utiliza lingotes puros de silicio (los mismos que utiliza la industria de chips electrónicos). Son los más eficientes, con rendimientos superiores al 12%(algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años) (Zepeda 2006). Silicio Policristalino: se fabrica a partir de restos de silicio monocristalino. Su rendimiento es algo inferior pero su menor coste ha contribuido enormemente a aumentar su uso, cada vez más extendido. (La garantía del producto puede ser hasta por 20 años dependiendo del fabricante). Silicio Amorfo: se obtiene por deposición de capas delgadas sobre vidrio. El rendimiento es bastante menor que los anteriores, por lo que su uso se limita a aplicaciones de pequeña CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 15 potencia como calculadoras, relojes, etc. (La garantía del producto puedes ser hasta por10 a 20 años dependiendo del fabricante). 1.6. Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica. Hay virtualmente una provisión ilimitada de la energía solar que se puede usar y es a su vez una energía renovable, esto significa que la dependencia de combustibles fósiles se puede reducir en proporción directa a la cantidad de energía solar que se produce. En este epígrafe se resumen sus principales ventajas: 1. Tecnología madura y aceptada internacionalmente. 2. Altamente confiable. El sol es una fuente limpia, inagotable y de acceso libre. 3. El único costo asociado a su uso es el costo de fabricación de los componentes e instalación, tras la inversión inicial solo hay bajos costos de mantenimiento. 4. Representa la mejor opción en fuentes de energía renovable para introducir en el ámbito urbano. 5. Aplicable en los más diversos sitios y para diferentes usos. 6. Fácil de producir a escala masiva y de instalar. 7. No hay contaminación por ruidos opera de forma silenciosa. 8. Tecnología que permite generar empleos y un desarrollo industrial sustentable. Desventajas de la energía solar fotovoltaica: 1. Como toda fuente de energía renovable requiere del apoyo de otras. 2. Los grandes proyectos de instalación solar requieren grandes cantidades de tierras, lo que le imposibilita ubicarlo en cualquier lugar. 3. Solo se genera durante el día. 4. Fenómenos meteorológicos imprevistos limitan la entrega de energía planificada. 5. En la actualidad aun son instalaciones poco atractivas económicamente, aunque los costos se han reducido drásticamente en la última década con una fuerte tendencia a seguir bajando. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 16 1.7. Situación de la energía solar fotovoltaica en Cuba y el mundo. 1.7.1. Situación de la energia solar fotovoltaica en el mundo. La capacidad total fotovoltaica instalada en todo el mundo, supera los 100 GW. La tasa de crecimiento de la energía fotovoltaica, alcanza casi el 70%, un nivel excepcional entre todas las tecnologías renovables. La producción de energía total de la capacidad mundial fotovoltaica es, en un año de calendario, de 80 millones de kW.h. Esta energía es suficiente para cubrir las necesidades energéticas anuales de suministro de más de 20 millones de hogares en el mundo (Vázquez 2013). A finales de 2010, la potencia acumulada en el mundo era de aproximadamente 40 000 MWp según datos de la European Photovoltaic Industry Association (EPIA), de los cuales cerca de 29 000 MWp, un 72%, se localiza en la Unión Europea (Figura 1.2) (Lecue. 2011). Figura 1.2: Potencia acumulada en Europa a finales de 2010. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 17 Una de las razones para que la energía solar esté en ascenso es porque los aspectos económicos se han vuelto a favor de este tipo de energía. Un exceso de paneles solares, hechos en su mayoría en China, ha hecho bajar su precio en un 62% desde 2010, cayendo desde los US$1,87 por watt a cerca de US$0,71 (VeoVerde. 2014). Los países principales por potencia instalada en 2010, por orden, fueron:  Alemania (7 408 MW), Italia (2 321 MW), República Checa (1 490 MW), Japón (990MW) y EE.UU. (980MW).  La potencia mundial instalada en el año 2010 fue de 16 600 MW, lo que supuso un incremento del 72% de la potencia mundial acumulada con respecto al año 2009.  El 79% de la potencia mundial instalada en 2010 fue en la Unión Europea, con más de 13 240 MW. Dentro de la Unión Europea el mercado alemán fue claramente el preponderante representando el 59% de todo el mercado europeo.  Japón ha instalado 990 MW en 2010 llegando a una potencia total instalada de 3,6 GW.  Italia con una potencia total acumulada de 3,4 GW se convierte en el segundo mercado mundial en el año 2009 y 2010, habiendo instalado 711 MW y 2 321 MW respectivamente. Aparecen nuevos actores como China con 520 MW acumulados y la India con 30 MW. En 2010 se alcanzó una producción mundial de celdas fotovoltaicas de 27 213 MW. Los primeros fabricantes de celdas fotovoltaicas en el mundo han sido Suntech Power (5,8% del mercado mundial), JA Solar (5,4%), First Solar (5,2%), Trina Solar (3,9%), Q- Cells (3,7%), Yingli (3,6%), Motech (3,5%), Sharp (3,3%), Gintech (3,0%) y Kyocera (2,4%). En el año 2010, aproximadamente el 87 % de las celdas se fabricaron con silicio, de las cuales con silicio monocristalino el 33,2 %, con policristalino el 52,9 %, y con amorfo el 5%; el 5,3 % con telurio de cadmio, el 1,2 % con cobre, selenio e indio (CIS), y el 2,4 % CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 18 restante con otras tecnologías, según datos de la revista especializada Photon International (Lecue. 2011). En 2011, los sistemas de energía solar de todo el mundo generaron 85 TW.h de electricidad, que bastaron para cubrir las necesidades de 100 millones de personas. La capacidad instalada total de sistemas solares fotovoltaicos se multiplicó casi por 15 desde los 4,5 GW en 2005 hasta más de 65 GW en 2012. Por tanto, la energía fotovoltaica se ha convertido en la tercera energía renovable más importante del mundo, por detrás de la hidroeléctrica y la eólica. Europa es el líder mundial, con 51 GW de capacidad instalada, seguida por Japón (5 GW), EE. UU. (4,4 GW) y China, muy por detrás de Europa, con 3,1 GW( Figura 1.3) (Lecue. 2011). Figura 1.3: Producción y estimación mundial de energía solar en 2011. En 2013 se alcanzó un nuevo récord mundial de potencia fotovoltaica instalada: 37 000 nuevos MW que suponen un aumento del 35% con respecto al año anterior y que suman una potencia total acumulada de 136 700 MW, según un estudio realizado por la Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA) con la colaboración a nivel nacional de la Unión Española Fotovoltaica (UNEF). Además, se espera que 2014 cierre con más de 55 000 nuevos MW instalados (Fotovoltaica. 2014). La tecnología fotovoltaica deja de ser en 2013 una apuesta propiamente europea para convertirse en una alternativa competitiva en las principales potencias económicas. Así, la CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 19 región Asia-Pacífico, con China (11 300 nuevos MW) y Japón (6 900 nuevos MW) a la cabeza, lidera el ranking de nueva potencia fotovoltaica instalada durante el pasado año, con 21 000 nuevos MW totales, frente a los 10 330 nuevos MW instalados en Europa, que pierde el primer puesto. En tercer lugar en cuanto a nueva potencia fotovoltaica instalada en 2013 se sitúa Estados Unidos, con 4 200 nuevos MW instalados el pasado año (Fotovoltaica. 2014). 1.7.2. Situación de la energía solar fotovoltaica en Cuba. En Cuba existe experiencia, desde los años 80 del pasado siglo, en el uso de la radiación solar para generar electricidad, con enclaves aislados en comunidades rurales intrincadas y diversos objetivos económicos, y a partir de 2012 comenzó la construcción de parques tributarios a la red nacional (Vázquez 2013). La energía fotovoltaica es una de las fuentes alternativas que Cuba viene desarrollando, la misma es una opción de energización rural promovida principalmente en lugares alejados de las redes del Sistema Electroenergético Nacional, con lo cual se aprovecha el alto nivel de radiación solar en el país (Centro de Información para la Prensa 2009). Esta energía se comenzó a aplicar en 1998 y hasta el momento con su aplicación el país ha podido resolver numerosas necesidades de electrificación a objetivos sociales y económicos en zonas aisladas. Según la empresa ECOSOL, en cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de energía solar equivalente a medio kilogramo de petróleo combustible o 5 kWh de energía eléctrica, lo que significa un ahorro para el país y una prueba fehaciente de la sustentabilidad de esta fuente energética (Centro de Información para la Prensa 2009). Hasta el 2007 se contaba con un solo sistema de conexión a la red, instalado inicialmente en el 2001 en el Museo de Historia Natural Tranquilino Sandalio de Noda, de Pinar del Río, pero sufrió una rotura por una descarga eléctrica y nuevamente fue puesto en marcha el 31 de junio de 2002 (Vázquez 2013). En el 2008, la dirección del Proyecto de Solarización del municipio de Bartolomé Mazó le solicitó a EcoSol Energía un sistema fotovoltaico de conexión a la red, que serviría, entre otros propósitos, para obtener experiencia en este tipo de instalación, como base material de http://www.juventudrebelde.cu/suplementos/informatica/2013-12-04/la-luz-de-un-rey/ http://www.juventudrebelde.cu/suplementos/informatica/2013-12-04/la-luz-de-un-rey/ CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 20 estudio para los estudiantes y profesores de la Ciudad Escolar Camilo Cienfuegos, y aportar energía eléctrica a la red para compensar los consumos del Centro de Estudio Solar, donde se decidió instalar el sistema. Después de analizar la solicitud y los equipos disponibles en esos momentos, los especialistas de EcoSol Energía proyectaron un sistema de 2 400 Wp, que funcionaría como prototipo, y servirá de base para el diseño de sistemas mucho mayores para el desarrollo de Cuba y otros países. El sistema quedó instalado el 14 de abril de ese mismo año. Este está compuesto por 24 módulos de 100 Wp cada uno, un inversor de onda sinusoidal de 2 500 W de potencia y un sistema de monitoreo. Adicionalmente, se instalaron dos metros contadores de energía eléctrica. Para materializar la utilización de la energía del sol, se instaló el primer parque fotovoltaico de Cuba en la zona campesina de Cantarrana de la provincia de Cienfuegos, con una potencia de 1 600 kW. La generación del parque fotovoltaico, a plena capacidad y en un día típico de sol, ahorra en el orden de los 13 900 kW.h/día a la entrega del Sistema Electroenergético Nacional. En la ciudad de Santa Clara está generando el parque fotovoltaico conectado a la barra de 33 kV en el Frigorífico con una potencia máxima instalada de 884 kW. En el pasado año 2013 Cuba puso en marcha una central de energía solar fotovoltaica con 5 200 paneles en la ciudad central de Santa Clara. La segunda planta de su tipo instalada ese año en la isla con el objetivo de reducir su factura petrolera la cual tendrá capacidad para abastecer diariamente a unas 750 viviendas y cuando esté en total funcionamiento aportará al sistema eléctrico nacional unos 968 kW. La planta ahorrará a Cuba unas 380 toneladas de petróleo anuales (Herald 2013). Según previsiones oficiales, durante ese mismo año comenzaban a operar otros cinco parques solares en las provincias de La Habana, Guantánamo, Camagüey, Santiago de Cuba y la Isla de la Juventud los cuales, una vez concluidos, deberán aportar 10 MW. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 21 Conclusiones del capítulo. En este capítulo se realizó el estudio de los fundamentos teóricos básicos afines con los paneles solares fotovoltaicos. Debido al gran avance que existe en el mercado y la alta fiabilidad que presenta, la energía solar fotovoltaica se ha convertido en la tercera fuente de energía renovable en el mundo después de la hidráulica y la eólica. Las celdas solares cada día son más eficientes debido al avance de las nuevas tecnologías y materiales de fabricación, por lo que su tendencia a disminuir los precios es acelerada. Esta energía renovable presenta grandes ventajas y una de las más importantes es que no contamina el medio ambiente al no emitir gases contaminantes a la atmósfera. Los paneles fotovoltaicos solo generan cuando reciben radiación solar, convirtiéndose esto en uno de sus principales inconvenientes. En el mundo las grandes potencias económicas son líderes de la energía fotovoltaica, convirtiéndola en una energía alternativa para un desarrollo sostenible. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 22 CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. El desarrollo de los paneles fotovoltaicos está incidiendo de una forma cada vez más amplia en todas las aplicaciones que requieren energía eléctrica y sus usos se están diversificando debido a la reducción de sus costos. En este capítulo se describen las principales características de los paneles solares fotovoltaicos así como sus su orientación, para obtener el máximo aprovechamiento de la radiación solar. La eficiencia de las celdas ha hecho que ya existen instalaciones de estos paneles asociados a las redes de distribución, aunque aun de una manera incipiente, pero con un futuro muy prometedor como parte de la generación distribuida. 2.1. Componentes de los paneles solares fotovoltaicos. Una celda fotovoltaica: es un diodo de gran superficie constituido por un cristal de silicio con impurezas de boro en una gran parte de su espesor y con impurezas de fósforo en su superficie. El efecto del diodo genera un campo eléctrico permanente dentro de la celda en la superficie de contacto entre la parte de silicio dopada con boro y la dopada con fósforo. Este campo eléctrico hace emigrar las cargas positivas y negativas hacia un lado u otro, de tal forma que uno de los lados de la celda se carga positivamente y otro negativamente, como se muestra en la figura 2.1 (Wekken 2007). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 23 Figura 2.1: Esquema general de la operación de una celda fotovoltaica. Módulo Fotovoltaico: El módulo fotovoltaico comprende celdas conectadas en serie. Estas celdas son las encargadas de captar los fotones para conseguir crear una corriente eléctrica continua. Los módulos fotovoltaicos se conectan en serie formando varias cadenas, que a su vez forman el campo fotovoltaico (Ver figura 2.2). Figura 2.2: Módulo fotovoltaico. Estructura Soporte: Es la encargada de asegurar un buen anclaje del generador solar, facilita la instalación y el mantenimiento de los paneles a la vez que proporciona no solo la orientación necesaria, sino también el ángulo de inclinación idóneo para un mejor aprovechamiento de la radiación (Ver figura 2.3). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 24 Figura 2.3: Estructura soporte. Inversor: El inversor cc/ca tiene la misión de transformar la corriente continua del grupo fotovoltaico en corriente alterna perfectamente sincronizada con la red existente, ya sea trifásica, monofásica o bien de alta, media o baja tensión (Vázquez 2013). Los inversores fotovoltaicos para conexión a la red eléctrica, se caracterizan por operar conectados directamente al generador fotovoltaico. El inversor se instala entre el generador fotovoltaico y el punto de conexión a la red. Para optimizar el grado de aprovechamiento del generador fotovoltaico, los inversores deben seguir el punto de máxima potencia MPP (Máximum Power Point). Además deben trabajar con el máximo rendimiento, generando energía con una determinada calidad (baja distorsión armónica, elevado factor de potencia, bajas interferencias electromagnéticas) y también cumplir determinadas normas de seguridad. En inversores conectados a la red eléctrica, la señal de la corriente inyectada deberá ser lo más sinusoidal posible. El inversor genera en su salida una tensión en ancho de pulsos modulados PWM, incompatibles con tensiones sinusoidales de la red. Para ello, se coloca entre cada salida del inversor y cada fase de la red una inductancia que actúa como un filtro y permite al inversor suministrar a la red corrientes sinusoidales. Dentro de los requerimientos específicos de operación en conexión a red, el inversor fotovoltaico también debe operar dentro de márgenes de tensión y frecuencia de salida. También deben tener aislamiento galvánico entre la red y la instalación fotovoltaica (Energía. 2002). Armario General De Protección y Medida: Como cualquier instalación eléctrica, el sistema dispone de las necesarias protecciones para garantizar la seguridad. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 25 Toma De Tierra De La Instalación: La toma de tierra se hará siempre sin alterar las condiciones de toma de tierra de la red de la empresa distribuidora, asegurando que no se produzcan transferencia de defectos a la red de distribución. 2.2. Curva característica de un panel solar fotovoltaico. La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico (celda, módulo, sistema) se denomina curva corriente tensión, la cual está ilustrada en la figura 2.4. Figura 2. 4: Curva corriente tensión. Los valores trascendentes de esta curva son: 1-Corriente de cortocircuito (Icc): Máxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a tensión nula y consecuentemente a potencia nula. 2-Tensión de circuito abierto (Vca): Máxima tensión que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia nula. 3-Potencia Pico (Ppm): Es el máximo valor de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto V x I es máximo. 4-Corriente a máxima potencia (Imp.): Corriente que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se utiliza como corriente nominal del mismo. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 26 5-Tensión a máxima potencia (Vmp): tensión que entrega el dispositivo a potencia máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se la utiliza como tensión nominal del mismo. Es necesario entender como la radiación solar, la temperatura de las celdas y las cargas eléctricas afectan el comportamiento de la curva I-V. De este conocimiento depende el buen diseño, instalación y evaluación de sistemas fotovoltaicos y sus diferentes aplicaciones. Si se modifican la intensidad radiante incidente sobre el panel ó la temperatura ambiente que son las dos variables que más influencia tienen en la respuesta eléctrica del mismo, la curva I-V también se modifica (Energética. 2011). Para un determinado modelo de panel y en unas condiciones de intensidad luminosa y temperatura constante, la curva I-V queda determinada y el punto concreto sobre dicha curva que representa las condiciones de trabajo del panel quedará fijado para el circuito que éste alimenta (Energética. 2011). 2.3. Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos. En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, la potencia y energía que se pueden obtener de un sistema dado están limitadas por la capacidad de generación y almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los módulos, la batería y por la disponibilidad del recurso solar. Técnicamente, un sistema fotovoltaico puede producir tanta energía como se desee; sin embargo desde el punto de vista económico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad que se puede instalar (Gómez 2010). El estudio de las aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos es necesario dividirlos en dos grupos, los sistemas conectados a la red eléctrica y los sistemas autónomos. 2.3.1 Sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados. Los sistemas autónomos se emplean en lugares con acceso complicado a la red eléctrica y donde resulta más fácil y económico instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea de enganche a la red eléctrica general. Estos sistemas se pueden encontrar en lugares como: CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 27 1. Zonas rurales aisladas. 2. Áreas de países en vías de desarrollo sin conexión a la red. 3. Las telecomunicaciones. 4. Sistemas de iluminación de áreas aisladas y carreteras. 5. Pequeños sistemas autónomos: ordenadores, teléfonos portátiles, cámaras o calculadoras. 6. Sistemas de navegación: Señales para el ferrocarril, Boyas de señalización marítima, Sistemas de aproximación en aeropuertos, Plataformas petrolíferas. 7. Las radiocomunicaciones: Repetidores de microondas, radio, TV o telefonía móvil, estaciones de telemetría, Radioteléfonos. Además de la aplicación de electrificación de las viviendas rurales, se puede aplicar la energía solar fotovoltaica para usos productivos y comerciales, sobre todo en la agricultura. Ejemplos de este uso son: 1. Bombeo de agua para riego y cercas eléctricas para ganadería: Este permite aumentar la productividad del área cultivable y diversificar el cultivo. 2. Refrigeración de alimentos: Incrementa la calidad del producto y permite mayores márgenes de tiempo entre cosecha y entrega en el mercado. 3. Comunicación: Facilita la venta en mercados alejados y el acceso a información de precios en el mercado. 4. Iluminación: Permite el procesamiento de cultivos y productos en horas de la noche y en áreas cubiertas. La capacidad y configuración de un sistema para usos productivos depende de la aplicación. Por ejemplo, los sistemas de bombeo de agua generalmente no requieren de baterías, mientras que aplicaciones que exigen una disponibilidad de energía continua, como la refrigeración, sí la necesitan. En regiones rurales o aisladas los sistemas fotovoltaicos autónomos constituyen ya la solución de fondo y son parte fundamental e imprescindible para la garantía de las comunicaciones. A diferencia de los sistemas conectados a la red, los sistemas autónomos CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 28 requieren de baterías para almacenar la energía que será consumida en los ciclos diarios (Benítez 2010). 2.3.2. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red son aquellos que están directamente conectados a la red eléctrica y tienen como objetivo principal maximizar anualmente la producción de energía eléctrica que es inyectada a la red. Una instalación conectada a la red eléctrica convencional está formada por el conjunto de módulos fotovoltaicos y un inversor capaz de convertir la corriente continua del grupo solar en corriente alterna, inyectándola en la misma frecuencia y fase que la existente en cada momento en la red de distribución (Energía. 2002). Los sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica sin baterías han despegado en el mercado global de forma notable a partir del año 2000 y especialmente en países desarrollados. Más aún, en tiempos recientes se ve una marcada tendencia de crecimiento del resto del mundo en estos sistemas fotovoltaicos. Este incremento se ha debido a diversos factores como son las presiones ambientales, elevación de los costos de los combustibles fósiles tradicionales, y la incertidumbre de oferta de estos combustibles. Por otra parte, el progreso de los componentes de potencia electrónica ha logrado avances en los equipos de acondicionamiento de energía resultando en menores costos de sistemas fotovoltaicos, mayor eficiencia, mayor confiabilidad y durabilidad de los equipos y algo muy importante, mayor simplicidad en la instalación de los sistemas fotovoltaico (Núñez 2007). Un sistema fotovoltaico de conexión a red es un tipo de instalación eléctrica en la que intervienen cinco elementos (Ver figura 2.5): 1. La energía solar. 2. Un grupo de módulos solares fotovoltaicos convenientemente conectados, y situados de tal manera que reciban la mayor cantidad de luz solar a lo largo del año. 3. El inversor fotovoltaico de conexión a red eléctrica. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 29 4. Las protecciones eléctricas. 5. La red eléctrica. Figura 2.5: Elementos de un sistema fotovoltaico de conexión a red. El funcionamiento del sistema solar se realiza de forma completamente automática, tanto para su puesta en marcha como para su parada: 1. Al amanecer, los dispositivos de control del sistema miden la potencia disponible en el generador fotovoltaico. Una vez alcanzado el nivel mínimo de funcionamiento, el inversor arranca y comienza la generación de corriente. 2. Al anochecer, cuando se detecta un nivel de potencia del generador inferior al mínimo con el que puede funcionar, el equipo se desconecta hasta un nuevo amanecer (EVE 2007). Con sistemas conectados a la red toda la energía producida se vierte a la misma, independientemente del consumo que se tenga, ya que este consumo se realiza a través de la conexión convencional que se tenía antes de la instalación de los paneles. En estos casos el usuario no percibe ningún cambio en el servicio eléctrico que recibe, manteniendo las mismas ventajas (seguridad de suministro) e inconvenientes (riesgo de eventuales cortes de CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 30 luz), pero sabiendo que cada kW que produzca con los módulos fotovoltaicos es uno menos que se genera en las centrales convencionales (térmicas o nucleares) (ITC 2005). La energía excedente se vende a la empresa suministradora lo que reporta una compensación económica para el propietario de la instalación, que ha realizado una inversión inicial y ha de recuperarla. Normalmente, no sólo la recupera, sino que a partir de un tiempo determinado consigue obtener una serie de beneficios. Dentro de las instalaciones solares fotovoltaicas a red se distinguen varios tipos: 1. Instalaciones conectadas a red sobre fachadas en edificios o viviendas: Son típicas de los lugares de alta latitud, y suelen ser instalaciones de pequeña potencia y vierten la energía en baja potencia (BT). 2. Plantas solares: Se trata de instalaciones de mayor potencia, de hasta varios MW, que se conectan con la red en mediana potencia (MT). 3. Instalaciones solares fotovoltaicas híbridas o combinadas: Son aquellas instalaciones que combinan varios sistemas, como puede ser una instalación autónoma que vende su excedente de energía a la red en verano, o una instalación fotovoltaica junto a una eólica para su conexión a red. Estas instalaciones incorporan sistemas de control adecuados (Moreno 2011). La energía distribuida representa ventajas en comparación con la transmisión convencional que se realiza mediante las grandes plantas tradicionales. La energía generada por estas plantas se transporta a altos voltajes a través de grandes distancias, hasta una subestación distribuidora donde el voltaje se reduce para ser utilizado, lo que provoca pérdidas de energía. En cambio, las plantas fotovoltaicas se construyen cercanas a las zonas de demanda. 2.4. Orientación de los paneles solares fotovoltaicos. Para obtener el máximo aprovechamiento de la radiación solar, los paneles fotovoltaicos deben estar orientados de forma que la incidencia de esta radiación sea lo más perpendicular posible a los mismos. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 31 Si se observan las posiciones del Sol al amanecer, mediodía y atardecer en cualquier lugar del hemisferio norte (sur), (como se muestra en la figura 2.6), se verá como el sol sale por el este, se desplaza en dirección sur (norte) y se pone por el oeste (ITC 2005). Debido a este fenómeno y para aprovechar a lo largo del año más tiempo la luz solar, la orientación de los paneles se hace hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. En definitiva, los paneles se instalarán siempre mirando hacia el Ecuador. Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones estacionales. En invierno, el sol no alcanzará el mismo ángulo que en verano. Idealmente, en verano los paneles solares deberían ser colocados en posición ligeramente más horizontal para aprovechar al máximo la luz solar. Sin embargo, los mismos paneles no estarán, entonces, en posición óptima para el sol del invierno. Con el propósito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los paneles solares deberán ser instalados en un ángulo fijo, determinado en algún punto entre los ángulos óptimos para el verano y para el invierno. Figura 2.6: Posiciones del sol al amanecer y anochecer. Los paneles fotovoltaicos alcanzan su máxima efectividad cuando están orientados hacia el sol, en un ángulo perpendicular con éste a mediodía. Por lo general, los paneles solares se colocan sobre techos o una estructura y tienen una posición fija y no pueden seguir la trayectoria del sol en el firmamento. Por lo tanto, no estarán orientados hacia el astro con un ángulo óptimo (90 grados) durante toda la jornada. El ángulo entre el plano horizontal y el panel solar se denomina ángulo de inclinación (Ver tabla 2.1). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 32 Tabla 2.1: Ángulos de inclinación para sistemas fijos. En Cuba el ángulo de inclinación para los paneles fotovoltaicos es de 230 o sea la misma latitud media del país por estar entre los 150 y 250 según lo mostrado en la tabla 2.1. 2.5. Eficiencia de una celda fotovoltaica. Eficiencia celda: Para normalizar la medida de la eficiencia, se toma como referencia una radiación solar de 1000 W/m2 a 25ºC de temperatura. La eficiencia de una celda es la parte proporcional de la radiación que la celda convierte en electricidad, viene dado en % y suele oscilar, según las características del material, entre el 3% y 30% (Hensel. 2011). Potencia módulo: La superficie de celdas empleadas en la elaboración de un módulo y la eficiencia de las mismas determinarán la potencia de dicho módulo. Por ejemplo, un módulo de 20 W produce 20 W durante una hora bajo una radiación de 1000W/m 2 a 25ºC de temperatura. Rendimiento y orientación: Para un mismo módulo, la energía producida dependerá de: 1. La latitud geográfica, que condicionará el número de horas de insolación y la altura del sol sobre el horizonte a lo largo del año. 2. La altitud topográfica. 3. Condiciones de transparencia de la atmósfera. 4. Orientación del módulo (orientación Sur para el hemisferio Norte y, orientación Norte para el hemisferio Sur). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 33 Tabla 2.2: Eficiencias comercial y de laboratorio de distintos tipos de celdas. El Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE), las empresas Soitec, el CEA-Leti y el Helmholtz Center Berlin anunciaron un nuevo récord en la conversión de la radicación solar en electricidad utilizando una estructura de celdas multiunión con cuatro subceldas. El récord de eficiencia es del 44,7%. Es decir, que el 44,7% de la energía del espectro solar es convertida en electricidad (Merino. 2013). 2.5.1. Factores de eficiencia de una celda fotovoltaica. Punto de máxima potencia: Una placa o celda solar puede operar en un amplio rango de voltajes e intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la carga, en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra variando la irradiación de la celda desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos (circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es decir, el punto que maximiza V y tiempo frente a I, o lo que es lo mismo, la carga para la cual la celda puede entregar la máxima potencia eléctrica para un determinado nivel de radiación. La eficiencia de las celdas fotovoltaicas va entre el 6% para celdas hechas a base del material de silicio amorfo hasta 40% para los sistemas concentradores. Esta eficiencia se determina por el porcentaje de energía solar que es absorbida en una determinada área colectora de celdas fotovoltaicas. En la práctica se conoce que la potencia generada para un módulo fotovoltaico típico depende de la radiación solar y en cierta medida de la CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 34 temperatura de la celda como queda demostrada en la figura 2.7(Núñez 2007). La potencia máxima de la celda se puede definir como: 𝑃𝑚á𝑥 = 𝑉𝑚 × 𝐼𝑚 (2.1) Donde: P = potencia máxima (la curva o rodilla de la gráfica en la figura). V = voltaje de la celda. I = corriente en la celda. Como se puede ver en la figura 2.7, a mayor radiación, mayor potencia es generada, pero a mayor temperatura de celda, el voltaje disminuye y por ende la potencia máxima alcanzable. Figura 2.7: Influencia de la temperatura en la generación de potencia. Es por ello que para lugares con temperaturas ambientes muy altas son aptos módulos que poseen mayor cantidad de celdas en serie para que los mismos tengan la suficiente tensión de salida para cargar baterías. Eficiencia en la conversión de energía: La eficiencia de una celda fotovoltaica (η), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una celda fotovoltaica está conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, (m) dividido entre la luz que llega a la celda, irradiancia (E, en W/m²), bajo condiciones estándar y el área superficial de la celda fotovoltaica (Ac en m²). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 35 𝜂 = 𝑃𝑚 𝐸 × 𝐴𝑐 (2.2) Factor de potencia: Otro término para definir la eficacia de una celda fotovoltaica es el factor de potencia (fp), que se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuito abierto (Voc) y la corriente en cortocircuito (Isc): 𝐹𝑝 = 𝑃𝑚 𝑉𝑜𝑐 × 𝐼𝑠𝑐 = 𝜂 × 𝐴𝑐 × 𝐸 𝑉𝑜𝑐 × 𝐼𝑠𝑐 (2.3) Potencia y costos: En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m2 a la superficie de la Tierra. Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia típica entre el 12%-25%, esto supondría una producción aproximada de entre 120-250 W/m² en función de la eficiencia del panel fotovoltaico y las horas de irradiación solar. El análisis de los costes de este tipo de instalaciones depende de múltiples factores, desde técnicos (tipo de instalación, coste de inversión, mantenimiento y conservación), hasta de política energética (precio de la energía y ayudas públicas), pasando por factores de política económica (tipos de interés e inflación), medioambientales (costes ecológicos) y sociales (gustos y preferencias, modas, etc.). En todo caso el precio de la instalación varía considerablemente si la instalación es aislada o conectada a la red (ITC 2005). Energía generada. La energía generada por un panel fotovoltaico depende del número de horas en que este está generando, por lo que no es posible hablar de un valor constante de energía entregada por el módulo en Watts hora ya que varía dependiendo de la hora del día. Será necesario entonces trabajar con valores de cantidad de energía diarios entregados. (W. h/día). La energía que el módulo es capaz de entregar durante el día está representada por el área comprendida bajo la curva de la Fig.2.8 y se mide en W .h/día. En dicha figura se muestra CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 36 la curva típica de generación de la instalación existente en Sta. Clara; obsérvese el efecto de la nubosidad. Figura 2. 8: Potencia máxima en función de la hora del día. 2.6. Ubicación de los paneles solares fotovoltaicos. La ubicación de los paneles puede ir desde grandes plantas de generación hasta pequeños paneles aislados. Ejemplos de estos se muestran en las figuras 2.9, 2.10 y 2.11: 1. Sistemas de Generación de Energía Solar (SEGS): Figura 2.9: Sistema de Generación de Energía Solar (SEGS). CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 37 Sistemas de Generación de Energía Solar (SEGS en inglés, es actualmente la planta de energía solar operativa más grande del mundo, situada en el Desierto de Mojave en California, Estados Unidos. Actualmente cuenta con una capacidad instalada de 354 MW y genera 662 GWh de energía al año (Rodríguez 2013). 2. Parque Solar Neuhardenberg: Figura 2.1 0: Parque Solar Neuhardenberg. El Parque Solar Neuhardenberg de 150 MW ubicado en Brandemburgo, Alemania, comenzó sus operaciones comerciales en 2012 generando 19,63 millones de kW.h de electricidad al año, lo que permite proporcionar energía eléctrica para 48 000 hogares. La planta solar Neuhardenberg se extiende a través de 35 hectáreas, compuestas por 600 000 módulos fotovoltaicos Talesun TP660P, con una potencia máxima entre 220 y 250 W. La electrificación rural de viviendas a través de sistemas individuales CD está compuesta normalmente por un panel fotovoltaico con una capacidad menor de 100 Wp. Estos sistemas individuales también pueden estar conectados a la red. CAPÍTULO 2. LOS PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. 38 1. Electrificación rural por sistemas individuales. Figura 2.1 1: Electrificación aislada. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica constituyen una de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica que más atención está recibiendo en los últimos años, dado su elevado potencial de utilización en zonas urbanizadas próximas a la red eléctrica. En el capítulo siguiente se propone un procedimiento de cálculo para la ubicación de paneles fotovoltaicos, realizando una valoración del efecto de los paneles FV en las redes de distribución. Conclusiones del capítulo. En este capítulo se puede ver como la ubicación de los paneles solares fotovoltaicos juega un papel muy importante en la generación distribuida para que cada sistema conectado a la red contribuya al ahorro de energía. La orientación de los paneles también es un aspecto fundamental para aprovechar al máximo la radiación solar y así obtener un mayor rendimiento de los mismos. Numerables son las aplicaciones que presentan los paneles solares fotovoltaicos debido a la posibilidad que brindan de trabajar de forma aislada o conectados a la red, gracias a ello muchos lugares de difícil acceso cuentan con sistemas autónomos para la generación de energía eléctrica. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 39 CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. La primera aplicación práctica de los sistemas fotovoltaicos fue la generación local de energía eléctrica para suministrarla a instalaciones alejadas de las redes eléctricas; esta forma de empleo continúa en la actualidad y además se incrementa en el suministro a equipos portátiles que la requieren. Por otro lado, la flexibilidad, eficiencia y sobre todo, la disminución de los costos de estos sistemas ha estimulado la construcción de grandes concentraciones de paneles para formar fuentes nada despreciables que van desde unos pocos cientos de kW hasta decenas de MW que se están incorporando a los Sistemas Eléctricos de Potencia, abriendo así un nuevo capítulo en el área del uso de la energía renovable y de la generación distribuida. De igual forma, se encuentran ya en operación pequeñas instalaciones fotovoltaicas ubicadas en azoteas, fachadas de edificios (en regiones de alta latitud geográfica) y demás lugares con facilidades constructivas donde se han instalado estos generadores y que, tanto por el lugar de ubicación, como por su potencia, forzosamente se localizan en las áreas servidas por las redes de distribución. El impacto de estas fuentes de generación distribuida sobre esta parte de los sistemas eléctricos constituye la esencia del tema que se desarrolla a continuación. En este capítulo se expone un procedimiento de cálculo para valorar el efecto de las diferentes variables que influyen tanto en las pérdidas de potencia como de energía al colocar paneles fotovoltaicos en las redes de distribución. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 40 Se utilizan como herramientas de cálculo el software MatLab y el Mathematica para facilitar el trabajo con ecuaciones simbólicas, que presentan un alto grado de complejidad. 3.1. Estimación de pérdidas en la red a partir de la utilización de Paneles Fotovoltaicos (PFV). Los sistemas tradicionales de generación eléctrica conformados por grandes estaciones generadoras, una red de transporte y una red de distribución, están afectados por un nivel de pérdidas que pueden verse como el costo de operación necesario para mover la energía desde donde se genera hasta donde se consume. Cuando estos sistemas operan con combustibles fósiles, las pérdidas equivalen a un sobreconsumo de material contaminante y agotable. Es deseable disminuir las pérdidas tanto como sea posible, pero esto implica inversiones en la red, lo cual debe compensarse con el propio costo de las pérdidas. La introducción de fuentes generadoras cercanas al consumidor, introduce alteraciones al valor de las pérdidas en el sistema. El impacto de la generación distribuida en las pérdidas de la red puede ser positivo (fortaleza) o negativo (debilidad), dependiendo de los flujos iniciales de la red, la ubicación de la generación distribuida, y de la cantidad inyectada por ésta. Las pérdidas pueden clasificarse en dos categorías: Pérdidas fijas (pérdidas en vacío): Estas pérdidas no dependen de la demanda o flujo de energía en el alimentador. Son debidas a corrientes de Foucault y ciclos de histéresis producidos por las corrientes de excitación presentes en transformadores y máquinas eléctricas en general. También se incluyen en esta categoría las pérdidas por efecto corona. Si se desprecian las variaciones de tensión, lo cual es bastante aproximado para la red de transporte y reparto, las pérdidas fijas se pueden asumir constantes durante todas las horas del año. De ahí su denominación de pérdidas fijas. Pérdidas variables (pérdidas en carga): Este tipo de pérdidas se refiere a las pérdidas ocasionadas por el efecto Joule y están relacionadas con las corrientes que circulan por las redes. La magnitud de estas pérdidas es proporcional al cuadrado de la corriente que circula por la red por lo que varían en cada instante en función de la demanda. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 41 En general el impacto de la Generación Distribuida sobre las pérdidas depende de varios factores: a) La ubicación de la Generación Distribuida en la red de distribución y b) la topología de la red. Estos dos factores se encuentran muy interrelacionados. La ubicación de la generación es muy importante desde el punto de vista de las pérdidas pues, cuanto más cerca a los lugares de consumo, mayor reducción en las pérdidas habrá. De nuevo, al igual que en apartados anteriores el efecto que tiene sobre las pérdidas dependerá de si se habla de redes de distribución de media o baja tensión. En redes de media y baja tensión es obvio que el efecto en las pérdidas no es el mismo si el generador se encuentra conectado a gran distancia del alimentador que si lo está en puntos más cercanos a los consumos finales. c) Grado de penetración. El grado de penetración es otro aspecto muy importante. Si se intenta aproximar matemáticamente el grado de penetración con las pérdidas se obtienen curvas con forma de “U” como la mostrada en la figura 3.1. Esto significa que en redes sin generación la conexión de Generación Distribuida implica reducción en pérdidas. Sin embargo a medida que aumenta la producción se puede llegar a un punto donde las pérdidas pueden aumentar debido al exceso de generación. Esto último sucede por ejemplo con la generación eólica donde el flujo se ha invertido y se llega a inyectar en la red de transmisión, aumentando las pérdidas en la red de distribución. d) Perfil de demanda y producción de la generación. La penetración de la Generación Distribuida nos muestra curvas de tipo “U” en las pérdidas. Sin embargo la forma que tiene este tipo de curvas viene determinada por el tipo de perfil de producción de la Generación Distribuida en comparación con el perfil de demanda. Las pérdidas menores vendrán asociadas a perfiles de generación que se adapten mejor a los perfiles de demanda. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 42 Figura 3.1: Curvas tipo “U”. Las dos características más importantes de las curvas tipo “U” son lo que en la gráfica anterior se ha denominado “estiramiento” y “hueco”. El estiramiento da un índice del grado de penetración en la red antes de que se vuelva a tener un incremento de las pérdidas. El hueco da una medida de la reducción de pérdidas que puede provocar una tecnología en la red que se conecta. Se han realizado estudios del impacto de tecnologías como la cogeneración, fotovoltaica, eólica y generación con producción en base. 3.2. Los paneles solares fotovoltaicos y los capacitores. La larga tradición que existe relacionada con la colocación de los bancos de capacitores en los circuitos de distribución primaria, inconscientemente obliga a buscar un paralelo entre esta conocida aplicación y la novedosa asociada con los paneles fotovoltaicos en las redes de distribución. La colocación de paneles fotovoltaicos a lo largo de los circuitos de distribución primaria guarda una cierta semejanza con la instalación de capacitores cuyas principales similitudes y diferencias se exponen de forma resumida. 1. Ambos son generadores que descargan su producción en la red de distribución. 2. Los capacitores entregan potencia reactiva en tanto que PFV suministran potencia activa. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 43 3. Los capacitores pueden generar hasta 24 horas (los fijos), en tanto que los PFV solo lo hacen durante las horas del día. 4. El efecto de los capacitores es solo sobre las pérdidas de potencia y energía en las líneas, en tanto que los PFV, además aportan energía al sistema. 5. Ambos influyen sobre la tensión, aunque de una forma más acentuada lo hacen los capacitores. 6. Los capacitores ocupan poco espacio por estar montados sobre postes, como se puede ver en la figura 3.2 a) y además tiene una altísima densidad de carga (kvar/m2) comparados con los PFV mostrados en la figura 3.2 b). Esta característica permite su colocación en los puntos óptimos dentro de los circuitos de distribución para alcanzar la máxima reducción de pérdidas de potencia o energía en los circuitos, aspecto éste que pocas veces se consigue con los PFV. 7. Los costos: capacitores, alrededor de 15 a 20 CUC por Ckvar para los fijos y prácticamente el doble para los controlados. Los PFV cuestan alrededor de 6 000 CUC por kWp. Figura 3.2 a): Banco de capacitores sobre postes. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 44 Figura 3.2 b): Sistema de PFV sobre una azotea. Para el estudio de la ubicación de los paneles fotovoltaicos, con el fin de obtener mínimas pérdidas de potencia o energía, la autora se basa en un procedimiento de cálculo realizado con los capacitores, donde se tiene como principal objetivo: el punto de ubicación para la reducción de pérdidas en la red. Es de suma importancia tener en cuenta dos de los aspectos antes mencionados, primero que los capacitores generan potencia reactiva y los PFV generan potencia activa y segundo, los PFV solo generan cuando reciben radiación solar mientras que los capacitores, cuando son fijos están generando las 24 horas. 3.3. Ubicación de los PFV para obtener mínimas pérdidas de potencia. La ubicación de los PFV en las redes de distribución es una gran alternativa para la generación distribuida, o sea un PFV puede compensar múltiples cargas, como las mostradas en la Fig. 3.1, donde se muestra una carga uniformemente distribuida a lo largo de un circuito. a) CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 45 b) Figura 3.3: a) Circuito radial con carga activa uniformemente distribuida. b) Distribución espacial de la potencia activa. Se considerará que la distribución de la corriente (potencia) activa en cada lugar del circuito se describe mediante la ecuación de una línea recta con pendiente negativa dada por: 𝑖𝑎 = 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 𝐿 𝑙 (3.1) donde: ia: corriente activa a lo largo del circuito. Iamáx: estado de carga que se corresponde con la máxima generación del PFV. L: longitud total del circuito. l: longitud (variable independiente) . Es necesario hacer énfasis en dos aspectos a tener en cuenta con respecto al siguiente procedimiento de cálculo: 1. El voltaje se considera constante o lo que es lo mismo tiene como valor 1 p.u. 2. La carga se considera uniformemente distribuida. 3. La longitud del circuito es proporcional a la resistencia. La colocación de una fuente de potencia activa cuya corriente es IF modifica la distribución de esta potencia activa de la forma que se muestra en la Fig.3.4. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 46 a) b) Figura 3.4: a) Circuito radial con carga activa y un PFV. b) Perfil de potencia activa resultante. Para esta distribución de la potencia activa resultante, IF corriente del panel fotovoltaico, se obtienen dos ecuaciones: 𝑖𝑎1 = 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝐹 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 𝐿 𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙 ≤ 𝑙𝐹 (3.2 ) 𝑖𝑎2 = 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 𝐿 𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙 ≥ 𝑙𝐹 (3.3) donde: ia1: Corriente activa desde la subestación hasta lF. ia2: Corriente activa desde lF hasta el final del circuito. IF: Corriente del PFV. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 47 lF: Lugar de ubicación del PFV. Por tanto las pérdidas se expresan como: 𝑑∆𝑃 = 𝑖𝑎1 2 𝑑𝑙 + 𝑖𝑎2 2 𝑑𝑙 (3.4) ∆𝑃 = ∫ (𝑖𝑎 1)2 𝑙𝐹 0 𝑑𝑙 + ∫(𝑖𝑎 2)2𝑑𝑙 𝐿 𝑙𝐹 (3.5) Con la ayuda de la matemática simbólica del Matlab, se llega a: ∆𝑃 = 1 3𝐿 [3𝑙𝐹 𝐼𝑎 𝑚á𝑥𝐼𝐹 2 − 3𝑙𝐹 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 𝐼𝐹(2𝐿 + 𝑙𝐹) + 𝐿2 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 2 ] (3.6 ) Como se puede observar, las pérdidas de potencia dependen de los datos del problema en particular y de lF , o sea, para un circuito dado con un valor fijo de L, Iamáx y para un IF dado, la ubicación óptima de los mismos se obtiene mediante: 𝜕∆𝑃 𝜕𝑙𝐹 = 0 (3.7) de donde se deduce que: 𝑙𝐹 = 𝐿(2𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝐹) 2𝐼𝑎 𝑚á𝑥 (3.8) Al sustituir 3.8 en 3.1 se tiene que: 𝐼𝑎 = 𝐼𝐹 2 (3.9) La ecuación 3.9 expresa que la ubicación óptima de un PFV dado es “aquel lugar donde la corriente activa del circuito sea igual a la mitad de la corriente del PFV que se ubica”. Resulta evidente que la ubicación óptima depende de la potencia del PFV, o sea que cada PFV tiene su propio lugar de ubicación óptima. Existe una total coincidencia con la forma de determinar la ubicación óptima de los capacitores para las condiciones fijadas. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 48 3.4. Energía y pérdidas de energía en un circuito de distribución. Una forma muy cómoda para introducir el tiempo en el estudio del ahorro de energía es mediante la transformación del gráfico horario (curva cronológica) en la curva de duración de la demanda mostrada en la Fig.3.5. Figura 3.5: Curva de duración de la demanda de potencia activa. cuya ecuación es 𝑖𝑎𝑡 = 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥−𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 𝑇 𝑡 (3.10) donde: iat: corriente activa en el instante t. Iamáx: valor máximo de la corriente activa de la carga. Iamin: valor mínimo de la corriente activa de la carga. T: tiempo de duración del gráfico de carga, generalmente 24 horas. Para cualquier hora, el gráfico de corriente activa a lo largo del circuito, y en función de la distancia “l” desde la sub, es como se muestra en la Fig.3.6. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 49 Figura 3.6: Distribución espacial de la corriente máxima y mínima. Cualquier valor intermedio se localiza entre ambos extremos. cuya ecuación es: 𝑖𝑎𝑡𝑙 = 𝐼𝑎𝑡 − 𝐼𝑎𝑡 𝐿 𝑙 (3.11) Donde Iatl: corriente activa en el instante t en el punto l. Sustituyendo de la ecuación (3.10) en (3.11), se tiene: 𝑖𝑎 𝑡𝑙 = 𝐼𝑎𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 𝑇 𝑡 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎𝑚á𝑥 − 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 𝑇 𝑡 𝐿 𝑙 (3.12) Con esta ecuación, y con la ayuda de la matemática simbólica del Matlab, se pueden calcular la energía y las pérdidas de energía a lo largo del circuito, las que vienen dadas por: La energía: ∆𝐸 = ∫ ∫ 𝑖𝑎 𝑡𝑙 𝐿 0 𝑇 0 𝑑𝑡𝑑𝑙 (3.13) ∆𝐸 = 1 4 𝐿𝑇(𝐼𝑎 𝑚á𝑥 + 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛) (3.14) Las pérdidas de energía. ∆𝐸 = ∫ ∫(𝑖𝑎 𝑡𝑙)2 𝐿 0 𝑇 0 𝑑𝑡𝑑𝑙 (3.15) CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 50 ∆𝐸 = 1 9 [𝐿𝑇(𝐼𝑎 𝑚á𝑥 2 + 𝐼𝑎 𝑚á𝑥𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 + 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 2 )] (3.16) 3.5. El panel fotovoltaico. El tiempo y la forma de generación de potencia de un panel fotovoltaico se muestran en la Figura 3.7 donde se puede observar que su acción corresponde solo al horario diurno cuya duración se puede especificar como TF. Figura 3.7: a) Curva cronológica del panel, b) Curva de duración de la demanda. Las ecuaciones que definen estos estados son las 3.16 y 3.17 𝑖𝑃𝐹𝑉1 = 𝐼𝐹 − 𝐼𝐹 𝑇𝐹 𝑡 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡 ≤ 𝑇𝐹 (3.17) 𝑖𝑃𝐹𝑉2 = 0 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡 ≥ 𝑇𝐹 (3.18) 3.6. Pérdidas de energía en el circuito al incluir la generación del PFV. A lo largo del circuito y del tiempo, se distinguen tres estados muy bien definidos que se relaciona a continuación: 1. El tramo del circuito entre la sub y lF cuando existe generación del panel, o sea entre el tiempo t = 0 y t = TF descrito por la Ec. 3.17 2. El tramo del circuito entre la sub y lF cuando no existe generación del panel, o sea entre el tiempo t = TF y t = T descrito por la Ec. 3.18 3. El tramo del circuito entre lF y el final del circuito, L, en que bajo ninguna condición el panel tiene efecto. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 51 Por tanto la ecuación general en función del tiempo y del espacio queda: 𝑖𝑎 𝑡𝑙 ′ = 𝑖𝑎 𝑡𝑙 − 𝑖𝑃𝐹𝑉1 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙 ≤ 𝑙𝐹 (3.19) 𝑖𝑎 𝑡𝑙 ′′ = 𝑖𝑎 𝑡𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙 ≥ 𝑙𝐹 (3.20) Por lo que las pérdidas totales de energía se determinan mediante la Ec. 3.21, cuyo resultado se obtiene con la ayuda del software MatLab y se muestra en la Ec. 3.22. ∆𝐸 = ∫ ∫ (𝑖𝑎 𝑡𝑙 ′ )2 𝑇𝐹 0 𝑙𝐹 0 𝑑𝑡𝑑𝑙 + ∫ ∫(𝑖𝑎 𝑡𝑙 ′′ )2 𝑇 𝑇𝐹 𝑙𝐹 0 𝑑𝑡𝑑𝑙 + ∫ ∫(𝑖𝑎 𝑡𝑙 ′′ )2 𝑇 0 𝐿 𝑙𝐹 𝑑𝑡𝑑𝑙 (3.21) ∆𝐸 = (𝐿𝑇(𝐼𝑎 𝑚á𝑥 2 + 𝐼𝑎 𝑚á𝑥𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 + 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 2 )) 9 + (𝐼𝐹𝑇𝐹𝑙𝐹(3𝑙𝐹𝐼𝑎 𝑚á𝑥 + 2𝐿𝐼𝐹 − 6𝐿𝐼𝑎 𝑚á𝑥)) 6𝐿 − (𝐼𝐹𝑇𝐹 2𝑙𝐹(𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥)(𝐿 − 𝑙𝐹)) 6𝐿𝑇 (3.22) La ubicación óptima de la fuente de potencia activa IF, está dada por: 𝜕∆𝐸 𝜕𝑙𝐹 = 0 (3.23) de donde se obtiene: 𝑙𝐹 = 𝐿 − 𝐼𝐹𝐿𝑇 3𝐼𝑎 𝑚á𝑥𝑇 + 𝑇𝐹(𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 − 𝐼𝑎 𝑚á𝑥) (3.24) Para obtener el criterio de la ubicación óptima para máxima reducción de pérdidas de energía es necesario, calcular la energía activa a lo largo de todo el circuito en función de la variable “l”, o sea de la longitud del circuito, mediante la integración en el tiempo de la ecuación 3.12. 𝐸𝑎 = ∫ 𝑖𝑎 𝑡𝑙𝑑𝑡 𝑇 0 (3.25) Cuyo resultado es: CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 52 𝐸𝑎 = 𝑇(𝐿 − 𝑙)(𝐼𝑎 𝑚á𝑥 + 𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛) 2𝐿 (3.26) Al sustituir “l” por el valor de lF obtenido en la ecuación 3.24 se obtiene el siguiente resultado: 𝐸𝑎 = − 𝐼𝐹𝑇2(𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 + 𝐼𝑎 𝑚á𝑥) 2(3𝑇𝐼𝑎 𝑚á𝑥 + 𝑇𝐹𝐼𝑎 𝑚𝑖𝑛 − 𝑇𝐹𝐼𝑎 𝑚á𝑥) (3.27) Como puede apreciarse, de esta ecuación, no resalta un criterio como el que existe para la ubicación de los capacitores con el cual se descartan todos los argumentos (aproximaciones teóricas) que se hacen para aprovechar el uso de la matemática continua. En este caso, aunque se obtiene una ecuación compacta, la misma queda en función de las consideraciones iniciales. No obstante esta realidad, la representación gráfica de la energía Ea (en unidades arbitrarias) para un caso particular donde Iamax = 100 A; Iamin = 50 A; T = 24 horas; TF = 10 horas; y L = 3 km, se muestra en la Figura 3.8 para valores de IF de 20; 30; 40 y 50 A. Figura 3.8: Pérdidas de energía (en unidades relativas) del circuito en función del lugar de ubicación del panel y de su capacidad de generación. CAPÍTULO 3. EFECTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS SOBRE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA Y ENERGÍA EN LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN. 53 Es evidente que un panel demasiado “grande para el circuito”, lejos de reducir las pérdidas las incrementará como se puede ver en la Figura 3.9, donde se puede observar que las pérdidas mínimas ocurren cuando el panel se coloca en la sub y aumentan a medida que el punto de ubicación se desplaza hacia el final del circuito. Téngase en cuenta que aunque las Figuras 3.8 y 3.9 están en “unidades relativas”, son las mismas para ambos gráficos. Figura 3.9 Pérdida