i Análisis de los parques fotovoltaicos en las redes eléctricas de Santa Clara Autor: José Enrique Alonso Trimiño Tutores: Dra. Lesyani León Viltre Dr. Leonardo Casas Fernández TRABAJO DE DIPLOMA ii Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubián” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 iii PENSAMIENTO “Es duro fracasar, pero es todavía peor no haber intentado nunca triunfar”. José E. Alonso Trimiño iv DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo a todas las personas que me han ayudado a lo largo de estos años de estudio; en especial, a mi mamá, mi papá, mis tías, mi novia y mi hermana. v AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer: A mis padres por enseñarme a luchar por lo que quiero, por siempre estar pendientes, de mí, de mis estudios y brindarme todo lo que estuvo a su alcance para ayudarme a cumplir este sueño. A mis amigos Osniel y Osleni, por brindarme una mano siempre que la necesité. A mi novia, mi abuela y mi hermana que siempre han estado a mi lado dándome su apoyo y brindándome tranquilidad. A mis tutores: Yandi, Leonardo Casas y Lesyani, quienes me han ayudado y enseñado tanto. Siempre estaré agradecido por su dedicación y atención. A todas las personas que a lo largo de mi vida siempre han estado ahí: A todas las personas que me han brindado su apoyo para la realización de esta investigación: A todos, gracias vi RESUMEN La energía solar fotovoltaica (FV) ha ido teniendo un gran auge en los últimos años debido a la actual creciente demanda de energía eléctrica y los altos precios de los combustibles. Esta fuente inagotable de energía es cada vez más utilizada a nivel mundial; por lo que ha ido perfeccionándose continuamente, llegando a ser de gran interés para nuestro país desde hace décadas. En el presente trabajo se analizaron los dos parques fotovoltaicos instalados en la provincia de Villa Clara, de 1 MW cada uno, uno en la Universidad Central y otro en el Frigorífico; así como sus posibles conexiones en condiciones normales o de emergencia. El estudio fue realizado utilizando el software RADIAL, el que permite tener en cuenta, además de la evaluación de todos los parámetros operativos de la red, las pérdidas de energía y la generación de potencia reactiva por parte de los inversores de las instalaciones fotovoltaicas, en caso de que esto sea posible. Se valoró el ahorro tanto por reducciones de pérdidas, como por disminución de emisiones de CO2 a la atmósfera. vii ÍNDICE Contenido PENSAMIENTO ...................................................................................................... iii DEDICATORIA ........................................................................................................ iv AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. v RESUMEN .............................................................................................................. vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 Organización del informe ..................................................................................... 3 CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS .................................................................................................. 4 1.1 Fuentes de energías renovables ................................................................ 4 1.1.1 Energía hidráulica ................................................................................ 5 1.1.2 Energía eólica...................................................................................... 6 1.1.3 Energía geotérmica ............................................................................. 7 1.1.4 Energía marina .................................................................................... 8 1.1.5 Biomasa .............................................................................................. 9 1.1.6 Energía solar ..................................................................................... 10 1.2 Energía solar térmica ............................................................................... 10 1.3 Energía solar fotovoltaica ......................................................................... 11 1.3.1 Celdas fotovoltaicas .......................................................................... 11 1.3.2 Curva I-V ........................................................................................... 11 1.3.3 Módulo ............................................................................................... 14 1.3.4 Panel ................................................................................................. 14 1.3.5 Tipos de celdas ................................................................................. 14 viii 1.4 Sistemas fotovoltaicos ............................................................................. 16 1.4.1 Sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados ................................... 16 1.4.2 Sistemas fotovoltaicos conectados a la red ....................................... 17 1.5 Explotación mundial ................................................................................. 20 1.6 Factores de pérdidas energéticas producidas en un sistema fotovoltaico 21 1.7 Explotación en el país .............................................................................. 22 1.8 Conclusiones parciales ............................................................................ 25 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA ................................................................. 26 2.1 Descripción de la generación en la provincia de Villa Clara ..................... 26 2.2 Descripción de los proyectos ................................................................... 27 2.3 Caracterización del parque fotovoltaico UCLV ......................................... 27 2.3.1 Ubicación geográfica ......................................................................... 28 2.3.2 Caracterización del circuito 6375....................................................... 29 2.3.3 Caracterización del parque fotovoltaico Frigorífico ............................ 30 2.3.4 Ubicación geográfica ......................................................................... 30 2.3.5 Caracterización del circuito 1770....................................................... 31 2.4 Posibles conexiones del PFV UCLV y Frigorífico para operaciones normales y condiciones de emergencia ............................................................ 32 2.4.1 Descripción y caracterización del circuito 119 (conexión UCLV) ....... 32 2.4.2 Descripción y caracterización del circuito 6595 (conexión UCLV) ..... 33 2.4.3 Descripción y caracterización del circuito 1785 (conexión Frigorífico y UCLV) 35 2.5 Inversor fotovoltaico ................................................................................. 37 2.6 La condición de “isla” ............................................................................... 37 2.7 Potencia reactiva en inversores ............................................................... 38 2.8 Caracterización del software RADIAL ...................................................... 39 2.9 Conclusiones parciales ............................................................................ 41 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ................................................ 42 3.1 Análisis UCLV .............................................................................................. 42 ix 3.1.1 Circuito 6375. Conexión actual del PFV UCLV ..................................... 42 3.1.2 Circuito 119. Posible conexión del PFV UCLV en condiciones normales o de emergencia ............................................................................................ 45 3.1.3 Circuito 6595. Posible conexión del PFV UCLV en condiciones normales o de emergencia ............................................................................................ 47 3.1.4 Circuito 1785. Posible conexión del PFV UCLV en condiciones normales o de emergencia ............................................................................................ 48 3.2 Análisis Frigorífico ....................................................................................... 50 3.2.1 Circuito 1770 de conexión actual del PFV Frigorífico............................ 50 3.2.2 Circuito 1785 de posible conexión del PFV Frigorífico en condiciones normales o de emergencia ............................................................................. 52 3.3 Resumen de la Metodología .................................................................... 53 3.4 Conclusiones parciales ............................................................................ 54 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................ 55 Conclusiones ..................................................................................................... 55 Recomendaciones ............................................................................................. 55 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 56 ANEXOS ............................................................................................................... 58 Anexo I Monolineal Lazo SC-SC Industrial 33 kV. ............................................. 58 Anexo II Foto de la red 33 kV de la provincia de Villa Clara .............................. 59 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El calentamiento global, los gases de efecto invernadero y el deterioro de la calidad de vida del ser humano a causa del impacto generado por la contaminación producida por el sector industrial, son problemas que requieren de medidas a corto y mediano plazo para solucionarlos. Entre las soluciones que se han propuesto e implementado durante los últimos 20 años a nivel mundial está la generación de la energía demandada por los sectores residencial, comercial e industrial a partir de fuentes no convencionales y de carácter renovable que contribuyan significativamente con la disminución de emisiones nocivas para el medio ambiente. En la actualidad, el mundo se encuentra en un periodo de crisis energética, ya que la producción mundial de combustibles fósiles tales como: petróleo, carbón y gas natural, se encuentran en decadencia, al haber alcanzado actualmente el límite de producción. Mientras tanto, la demanda de energía mundial no deja de aumentar. Durante los últimos años ha sido constante la alerta de organizaciones ecologistas y Naciones Unidas, basados en informes científicos, acerca de la escasez de recursos naturales frente al nivel de consumo mundial, la degradación del medioambiente y la urgente necesidad de abordar un desarrollo sostenible del planeta. Diversificando la matriz energética, frenando la deforestación, reduciendo nuestra dependencia al petróleo, hacemos más competitiva y sostenible la economía mundial; el objetivo es que, con tecnologías amigables con el medio ambiente, también conocidas como tecnologías limpias, se puedan atender las necesidades y el bienestar de la población, tendiendo a un desarrollo equilibrado y sostenible. La energía solar es una gran alternativa teniendo en consideración que es una fuente gratuita e inagotable, limpia y amigable con el medio ambiente dado, que no genera emisiones nocivas ni gases contaminantes. Pero, para su utilización, es necesario tener en cuenta su naturaleza intermitente, su variabilidad fuera del control del hombre y su baja eficiencia de conversión. En consecuencia a su baja eficiencia, la energía es una fuente extensiva, todo lo cual significa que para mayor potencia, mayor extensión espacial de equipos de conversión. La energía solar se transforma en la naturaleza en otras formas de energía como biomasa y energía eólica, pero también se puede transformar a otras formas de energía como calor y electricidad. Uno de los métodos para la generación de electricidad, empleando como materia prima la energía solar, son los sistemas solares fotovoltaicos. En los últimos años, la producción de módulos fotovoltaicos se ha incrementado considerablemente y el precio de estos ha disminuido, por lo cual se está recurriendo a esta tecnología, entre las que se encuentra la implementación de paneles fotovoltaicos. Estos dispositivos tienen la función de transformar la radiación proveniente del Sol que atraviesa la atmosfera en energía eléctrica útil. Poseen cualidades como: su bajo costo de INTRODUCCIÓN 2 mantenimiento, generación de cero emisiones nocivas para el medio ambiente y facilidad de instalación y acoplamiento con las fuentes existentes de energía en el lugar de instalación [1]. Antecedentes del problema. En nuestro país la generación de energía desde hace varios años ha comenzado a cambiar su matriz energética, cambiando la generación a partir de combustibles fósiles por energías renovables. Según los especialistas, Cuba recibe un promedio de radiación solar superior a 1 800 kW.h/ m2/año, lo cual avala las potencialidades existentes, por eso muchos proyectos futuros pretenden aprovechar más la energía solar. Con la inserción de los nuevos parques fotovoltaicos en el Sistema Energético Nacional (SEN) no se han realizado estudios de comportamiento de los circuitos pudiendo, esto traer consigo un incremento de las pérdidas; tampoco se han realizado estudios del comportamiento de la operación de estos circuitos ante situaciones de emergencia donde estos parques puedan brindar servicios a circuitos vecinos al que él se instaló. Ante estas situaciones se declara el planteamiento de la interrogante científica siguiente: ¿Cómo influye la incorporación de los PFV de la provincia de Villa Clara en el comportamiento de los circuitos de distribución, tanto en su operación normal como en operación de emergencia? Para dar respuesta a esta interrogante en el presente trabajo se plantea como Objetivo General el siguiente: Objetivo:  Analizar la influencia de los parques fotovoltaicos que se han instalado en la provincia de Villa Clara su impacto, evolución y desarrollo. De este objetivo general se derivan los objetivos específicos siguientes:  Cuantificar el efecto, que sobre las redes de 33 kV, han tenido la instalación de los PFV en la provincia de Villa Clara.  Resaltar el impacto de la generación de potencia reactiva asociada a los PFV.  Establecer una metodología básica para estudiar el impacto de los PFV en las redes donde se introduzcan. Tarea técnica  Realizar un estudio del estado del arte de la materia a estudiar haciendo énfasis en los paneles fotovoltaicos utilizados en Cuba.  Montar en el software RADIAL la red de distribución que presenta el parque fotovoltaico (PFV) en la provincia de Villa Clara y sus posibles interconexiones con circuitos vecinos.  Analizar el comportamiento de los circuitos de distribución con la incorporación de parques fotovoltaicos en la provincia de Villa Clara. INTRODUCCIÓN 3  Analizar el comportamiento de las posibles interconexiones de circuitos de distribución con la incorporación de parques fotovoltaicos en la provincia de Villa Clara.  Redacción del informe acorde a las normativas establecidas. Organización del informe En el presente trabajo se desarrolló un estudio técnico sobre la influencia de instalación de los parques solares fotovoltaicos en el comportamiento de los circuitos de distribución de 33 kV de la provincia de Villa Clara, tanto en su operación normal como en situaciones de emergencia. En el Primer Capítulo: Se realiza una descripción y análisis de los conceptos y definiciones básicos relacionados con los sistemas fotovoltaicos. También se hace mención del comportamiento evolutivo de la energía solar fotovoltaica en el mundo y en el país. En el Segundo Capítulo: Se realiza un análisis de las características de los parques fotovoltaicos y sus circuitos. Además, se tratan las posibles conexiones de estos circuitos con circuitos vecinos en caso de emergencia, se hace una breve descripción de los inversores, de la generación de potencia reactiva y del software utilizado en el proyecto. En el Tercer Capítulo: Se hace referencia al análisis de resultados y su valoración. En el mismo se explican los resultados obtenidos de las simulaciones en el programa utilizado. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 4 CAPITULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS En la actualidad, el sector energético se ha convertido en una condición para el crecimiento económico de los países, debido a la estrecha relación que existe entre el crecimiento del producto interno bruto y la demanda de energía de cada país. El incremento en el nivel de vida de la población, ha generado un aumento persistente de la demanda energética. La naturaleza finita de los recursos ha obligado a buscar una mayor eficiencia en la producción y el uso de la energía; así como a desarrollar el potencial del uso de fuentes de energía no fósiles. Bajo este contexto, el uso de las energías renovables aparece como un elemento que contribuye a aumentar la seguridad energética de los países, al diversificar su matriz energética ante la expectativa del encarecimiento y la volatilidad de las fuentes convencionales de energía, así como a mitigar las emisiones de gases efecto invernadero y las graves consecuencias del cambio climático provenientes del uso de energéticos fósiles. 1.1 Fuentes de energías renovables Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Las energías renovables se dividen en diferentes categorías en función de los recursos utilizados para la generación de energía, Figura 1.1. Las energías renovables han experimentado un fuerte crecimiento en los últimos años, destacando la energía fotovoltaica y la eólica. Se han convertido en la alternativa del futuro ya que puede liberarnos de la dependencia de energías contaminantes como el petróleo, la energía nuclear… y su impacto medioambiental es mínimo frente a las energías actuales y antes mencionadas [2]. Figura 1.1: Clases de energías renovables. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 5 1.1.1 Energía hidráulica La energía hidráulica, es la energía que tiene el agua cuando se mueve a través de un cauce (energía cinética) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (es decir, en forma de energía potencial). En este momento toda la energía hidráulica del agua estará en forma de energía potencial. Cuando se deje caer, se transformará en energía cinética, que puede ser aprovechada para diversos fines. Se trata de una energía renovable. En las tuberías, la energía potencial del agua se convierte en cinética. En las turbinas, la energía cinética del agua se transforma en energía cinética de rotación del eje de las turbinas, y por último en el alternador, la energía cinética de rotación del eje se convierte en energía eléctrica. Las partes principales de una central hidráulica son: Presa, Toma de agua, Canal de derivación, Cámara de presión, Tubería de presión, Cámara de turbinas, Canal de desagüe y Parque de transformadores, Figura 1.2. Figura 1.2: Conformidad de una central hidroeléctrica. Principios de funcionamiento Una presa sirve para contener el agua y formar tras de sí un embalse. El agua se libera por los desagües, que fluye por las tuberías de conexión (canal de derivación) hasta la sala de máquinas. A la entrada de la tubería, una serie de rejillas regulan el caudal de agua y actúan como filtro, impidiendo que lleguen a las turbinas elementos extraños. Al llegar a los grupos turbina-alternador el agua hace girar la turbina cuyo eje es solidario al del alternador, produciéndose en los terminales de este una corriente eléctrica alterna de alta intensidad y tensión relativamente baja que, mediante transformadores, se convierte en corriente de alta tensión e intensidad baja, lo más apropiado para su transporte. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar su flujo por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 6 por los canales de descarga. Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energía eléctrica durante las horas de consumo elevado (centrales de bombeo) [3]. 1.1.2 Energía eólica La energía eólica tiene su origen en el viento, es decir, en el aire en movimiento. El viento se puede definir como una corriente de aire resultante de las diferencias de presión en la atmósfera provocadas, en la mayoría de los casos, por variaciones de temperatura, debidas a las diferencias de la radiación solar en los distintos puntos de la Tierra. Las variables que definen el régimen de vientos en un punto determinado son:  Situación geográfica  Características climáticas  Estructura topográfica  Irregularidades del terreno  Altura sobre el nivel del suelo Sólo un 2 % de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica y por diversos motivos, sólo una pequeña parte de esta energía es aprovechable. A pesar de ello, se ha calculado que el potencial energético de esta fuente de energía es unas 20 veces el actual consumo mundial de energía, lo que hace de la energía eólica una de las fuentes de energía renovables de primera magnitud. La energía del viento es de tipo cinético (debido a su movimiento); lo que hace que la potencia obtenida del mismo dependa de forma acusada de su velocidad, así como del área de la superficie captadora. Desde hace siglos el ser humano ha aprovechado la energía eólica para diferentes usos: molinos, transporte marítimo mediante barcos de vela, serrerías,... pero es en la actualidad cuando su uso es casi exclusivo para la obtención de electricidad. Las máquinas eólicas encargadas de este fin se llaman aerogeneradores, aeroturbinas o turbinas eólicas. De modo general, los aerogeneradores transforman la energía mecánica del viento en energía eléctrica. Funcionamiento El funcionamiento de una turbina eólica es el siguiente: el viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar. Este movimiento de rotación se transmite al generador a través de un sistema multiplicador de velocidad. El generador producirá corriente eléctrica que se deriva hasta las líneas de transporte. Para asegurar en todo momento el suministro eléctrico, es necesario disponer de acumuladores. En la Figura 1.3. Se muestran los elementos que conforman una turbina eólica. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 7 Figura 1.3: Elementos de una turbina eólica. Los elementos de que consta una máquina eólica son los siguientes:  Soportes (torres o tirantes)  Sistema de captación (rotor)  Sistema de orientación  Sistema de regulación (controlan la velocidad de rotación)  Sistema de transmisión (ejes y multiplicador)  Sistema de generación (generador) [4]. 1.1.3 Energía geotérmica La energía geotérmica es la extracción del calor que existe naturalmente y sigue regenerándose al interior de la Tierra. El recurso de calor terrestre es masivo, pero altas temperaturas se encuentran a profundidades accesibles solamente en pocos sitios. La explotación de recursos geotérmicos de alta temperatura, hasta la fecha, ha ocurrido en su mayoría solamente en zonas volcánicas; los factores esenciales para la existencia de un buen recurso geotérmico son: Calor, fluidos y permeabilidad (fracturas). Esta energía se obtiene a partir de la energía térmica de la Tierra. En el interior de esta, las temperaturas oscilan entre poco menos de la temperatura ambiente a algunos metros debajo de la superficie, hasta más de 5.000°C en el centro de la Tierra. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 8 El calor natural y la elevada presión existente en el interior del globo terrestre producen el magma (roca fundida). Cuando el magma está presente a profundidades lo suficientemente someras para calentar la roca sobre yacente y la roca está impregnada de agua atrapada en el subsuelo, se crean acumulaciones (reservorios geotérmicos) de fluido sobrecalentado .El desarrollo del recurso geotérmico consiste en la identificación, extracción y uso de la energía de estos reservorios de fluido sobrecalentado. Para acceder al vapor o líquido geotérmico se perforan pozos en la superficie, se utilizan turbinas (por lo general de vapor de ciclo convencional o de ciclo binario) para convertir el vapor o el líquido extraído desde el interior de la tierra en energía eléctrica. Al final del proceso el fluido geotérmico se enfría y se reinyecta en el subsuelo para que se caliente nuevamente en el reservorio geotérmico. De esta manera se forma un ciclo totalmente renovador que permite extraer con continuidad y explotar el calor contenido al interior de la Tierra. Las plantas geotérmicas no queman combustibles fósiles, no producen humos, ni residuos tóxicos. Generan toda su electricidad a partir de un recurso autóctono y renovable, que se regenera constantemente por procesos naturales en el subsuelo. Por lo general funcionan con continuidad durante más del 90% del tiempo. En comparación las tasas típicas de operación de otras energías renovables son del 32% para las plantas eólicas y del 24% para la energía solar y pueden instalarse y operar con éxito también en entornos ambientalmente sensibles. Muchas regiones en todo el mundo tienen acceso a recursos geotérmicos, especialmente los países a lo largo de la gran faja volcánica conocida como “Cinturón de Fuego” que bordea el Océano Pacífico y otras áreas coincidentes con zonas volcánicas y márgenes activos de placas tectónicas: América Nor-Occidental y América del Sur, el Caribe, Filipinas, Nueva Zelanda, Indonesia, Islandia, el “Valle del Rift” africano [5]. 1.1.4 Energía marina La energía marina o energía de los mares (también denominada a veces energía de los océanos o energía oceánica) se refiere a la energía renovable transportada 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. El término energía marina abarca tanto la energía de las olas - la energía de las olas de superficie como la energía mareomotriz - obtenida a partir de la energía cinética de grandes cuerpos de agua en movimiento. La energía eólica suele confundirse como una forma de energía marina, pero en realidad es derivada de la del viento, aunque los aerogeneradores se coloquen sobre el agua. Los océanos tienen una enorme cantidad de energía y están muy cerca a muchas, sino a la mayoría, de las concentraciones de población. Múltiples investigaciones muestran que la energía oceánica tiene el potencial de proporcionar una cantidad sustancial de nuevas energías renovables en todo el mundo. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 9 Formas de energía de los océanos: Los océanos son una fuente amplia y en gran medida sin utilizar, de la energía en forma de ondas de superficie, flujo de corrientes, gradientes de salinidad, y térmica. Energía de las corrientes: Es la energía obtenida de las corrientes oceánicas. Energía osmótica: Es la energía de los gradientes de salinidad. Energía térmica oceánica: Es la energía de las diferencias de temperatura a diferentes profundidades. Energía mareomotriz: Es la energía de las masas de agua en movimiento - una forma popular de generación de energía hidroeléctrica. La generación de energía mareomotriz se compone de tres formas principales, a saber: la energía mareomotriz, la energía de barrera de mareas y la energía de las mareas dinámicas. Energía de las olas: Es la energía de las olas superficiales [6]. 1.1.5 Biomasa Biomasa, también conocida como bioenergía o biocombustibles, es la fracción biodegradable de los productos y residuos de la agricultura, la forestación y sus industrias asociadas. El término también incluye la fracción orgánica de los desperdicios municipales e industriales. Dicha biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético procede, en última instancia, de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso fotosintético. Esta materia orgánica es renovable cuando se produce a la misma velocidad de consumo, evitando la sobreexplotación de los recursos naturales. En contraposición, el carbón, el gas, el petróleo y otros combustibles fósiles no se consideran biomasa, aunque deriven de material orgánico. Los millones de años necesarios para la formación de estos combustibles (acumulando carbono) hacen que no puedan ser calificados como renovables. Cuando se combustiona, la biomasa libera CO2 a la atmósfera, el mismo CO2 que absorbió de esta última durante su crecimiento (en el caso de la materia orgánica vegetal) o que absorbieron las plantas ingeridas (si se trata de materia orgánica animal). Cuando se consume de una manera sostenible, el ciclo se cierra y el nivel de CO2 a la atmósfera se mantiene constante, de forma que su utilización no contribuye a generar el cambio climático. Su consumo evita el de los combustibles fósiles que sí generan emisiones causantes del recalentamiento del planeta. Además, elimina residuos ayudando a disminuir el riesgo de incendio y trata líquidos residuales que son fuente de contaminación del subsuelo y de aguas subterráneas. La forma de transformar la biomasa en energía depende, fundamentalmente, del tipo de biomasa que se esté tratando y del destino que se quiera dar a esta energía. El sector bioenergético está basado en tres modos de usar la energía: para calefacción, para generación eléctrica y para producción de biocombustibles. Los sistemas comerciales para utilizar biomasa residual seca se pueden clasificar en función de que estén basados en la combustión del recurso (por ejemplo, en calderas para biomasa) o en su gasificación. Los sistemas comerciales para aprovechar la biomasa residual húmeda están basados en la pirolisis. Para ambos tipos de recursos, existen varias tecnologías que posibilitan la obtención de CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 10 biocarburantes. Los diferentes tipos de biomasa se muestran en la Figura 1.4 para una mejor apreciación [7]. Figura 1.4: Tipos de Biomasa. 1.1.6 Energía solar La energía solar es la energía contenida en la radiación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos, en forma térmica o eléctrica, para su consumo posterior allá donde se necesite. El elemento encargado de captar la radiación solar y transformarla en energía útil es el panel solar, pudiendo ser de dos clases: captadores solares térmicos y módulos fotovoltaicos [8]. Como una opción para disminuir la dependencia del petróleo como el principal combustible es el uso de la energía solar para producir electricidad. La energía proveniente del Sol tiene muchas ventajas como que el Sol emite energía las 24 horas del día, los 365 días del año a nuestro planeta, es abundante y gratuita, no contamina. La potencia solar que genera el Sol es de 1.73 x 1014 kW equivalente a una energía de 1.5 x 1018 kW.h por año. La energía solar recorre 150 millones de km y además al cruzar la atmósfera el 53% de la energía solar es reflejada y absorbida por los gases atmosféricos por lo que la Tierra recibe energía de 3 x 1017 kW.h por año, que equivale a 4 000 veces el consumo mundial anual que es de 7 x 1013 kW.h al año. Esto le da un gran potencial al uso de la energía solar [9]. 1.2 Energía solar térmica La energía solar térmica aprovecha la radiación del Sol para calentar un fluido que, por lo general, suele ser agua o aire. La capacidad de transformar los rayos solares en calor es, precisamente, él principio elemental en el que se fundamenta cualquier instalación solar CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 11 térmica. Es aprovechar la energía del Sol mediante un conjunto de captadores y transferirla a un sistema de almacenamiento, que abastece el consumo cuando sea necesario. La tecnología actual permite también calentar agua con el calor solar hasta producir vapor y posteriormente obtener energía eléctrica. Usos y aplicaciones La energía solar térmica es una alternativa muy interesante en una gran variedad de aplicaciones, entre las que se encuentra el agua caliente sanitaria, la calefacción, la climatización de piscinas, o la producción de calor en multitud de procesos industriales. A la larga lista de usos plenamente probados y contrastados tras varias décadas de experiencia, hay que añadir otros que empiezan a tener grandes expectativas de desarrollo a corto y medio plazo, como es el caso de la refrigeración de ambientes por medio de procedimientos solares [10]. 1.3 Energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica. La palabra fotovoltaico procede de photo = luz y voltaico = electricidad y significa electricidad producida a través de la luz .El efecto fotovoltaico se basa sobre la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctica cuando se exponen a la radiación solar. La conversión de la radiación solar en energía eléctica tiene lugar en la célula fotovoltaica, que es el elemento base del proceso de transformación de la radiación solar en energía eléctica. La luz está formada por partículas, los fotones, que transportan energía. Cuando un fotón con suficiente energía golpea la célula, es absorbido por los materiales semiconductores y libera un electrón. El electrón, una vez libre, deja detrás de sí una carga positiva llamada hueco. Por tanto, cuanto mayor será la cantidad de fotones que golpean la célula, tanto más numerosas serán las parejas electrón-hueco producidas por efecto fotovoltaico y por tanto más elevada la cantidad de corriente producida [11]. 1.3.1 Celdas fotovoltaicas Las celdas o células fotovoltaicas están compuestas por una delgada capa de material tipo n (electrón libre) y otra de mayor espesor de material tipo p (hueco disponible), en la unión de estas capas se forma el campo eléctrico. Además se coloca un conductor externo que conecta la capa negativa a la positiva, generándose así el flujo de electrones o corriente eléctrica desde la zona p a la zona n. La superficie de la zona n es la de la cara que se ilumina y mientras siga siendo iluminada por la luz del Sol habrá corriente eléctrica y su intensidad será proporcional a la cantidad de luz que reciba [12]. 1.3.2 Curva I-V La curva característica de un panel fotovoltaico, también llamada curva de intensidad- voltaje (abreviadamente curva I-V), representa los valores de tensión y corriente, medios experimentalmente, de un tipo de panel fotovoltaico sometido a determinadas condiciones CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 12 constantes de insolación y temperatura. Variando la resistencia externa de cero a infinito, se pueden medir diversos valores de pares (i-V), que interpolándolos forman la curva característica, Figura 1.5. El punto A es un punto cualquiera que representa el funcionamiento del panel en unas condiciones (determinadas por la resistencia o carga exterior) de intensidad y tensión .El panel desarrolla cierta potencia iV, que geométricamente coincide con el área del rectángulo cuyo vértice superior derecho es el punto A. Si el punto A se moviera hacia la derecha, bajando por la curva se ve que el área de dicho rectángulo, al decrecer i muy rápidamente, se haría más y más pequeña; lo mismo sucedería si dicho punto se trasladase hacia la izquierda, aproximándose al eje de coordenadas, ya que en este caso lo que se haría muy pequeño sería el valor de V. Figura 1.5: Curva I-V. Existirá un cierto punto intermedio B que haga que el área del rectángulo sea la mayor posible. Dicho punto B es el punto de máxima potencia. El Factor de Forma (FF) es el cociente del área del rectángulo definido por el punto B y el rectángulo exterior a la curva, cuyos lados son Isc y Voc. 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, quedando fijado para el circuito que alimenta éste. Si, por ejemplo, deseamos usar el panel para cargar una batería de 12 V, la tensión mínima que habrá que suministrar será de 13.4 V, así que no serviría de nada si el panel, debido a una insuficiente insolación o a otras causas, no fuera capaz de alcanzar esa tensión. Si se modifican la intensidad radiante incidente sobre el panel o 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, como se ve en las siguientes curvas de las Figuras 1.6, 1.7 y 1.8. El estándar internacionalmente aceptado para medir respuestas de paneles CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 13 fotovoltaicos es una intensidad radiante de 1 000 W por metro cuadrado, que se conoce como una intensidad de un Sol y una temperatura de la célula de 25 °C .Estas condiciones se simulan en un laboratorio de ensayo mediante un simulador solar (lámparas que emiten un espectro luminoso muy similar al del sol). Las condiciones de trabajo reales de los paneles una vez instalados pueden ser muy diferentes a las del laboratorio, por lo que conviene conocer las variaciones que pueden producirse, a fin de efectuar las pertinentes correcciones en los cálculos [13]. Figura 1.6: Efecto de la variación de la intensidad radiante. Figura 1.7: Efecto de la variación de la temperatura. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 14 Figura 1.8: Curva i-V de un panel fotovoltaico monocristalino. 1.3.3 Módulo Las células se unen en serie hasta obtener una tensión continua de 12, 24 o 36 V. Dichas agrupaciones también pueden agruparse nuevamente en serie y en paralelo formando un módulo, con una potencia y una tensión final determinada. 1.3.4 Panel La agrupación de módulos da lugar a los paneles solares. Dichos paneles pueden ser:  Fijos, normalmente orientados al sur geográfico y con una inclinación según latitud.  Con seguimiento o tracking, con sistema de modificación de la orientación e inclinación del panel [14]. 1.3.5 Tipos de celdas La materia prima para la fabricación de las células fotovoltaicas más utilizada actualmente es el silicio. El silicio es el material más abundante en la Tierra después del oxígeno. Dado que la combinación de ambos forma el 60% de la corteza terrestre. Este sistema de producción eléctrica renovable dispone de un combustible infinito, la luz solar, y de una tecnología que utiliza una materia prima prácticamente inagotable. El silicio utilizado actualmente en la fabricación de las células que componen los módulos fotovoltaicos se presenta en tres formas diferentes: Paneles monocristalinos, Paneles policristalinos y Paneles de capa fina [15]. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 15 Paneles monocristalinos Las celdas solares de silicio monocristalino (mono-Si), son bastante fáciles de reconocer por su coloración y aspecto uniforme, que indica una alta pureza en silicio, tal como se muestra en la Figura 1.9. Figura 1.9: Imagen de celdas monocristalinas. Las celdas monocristalinas se fabrican con bloques de silicio o ingots, que son de forma cilíndrica. Para optimizar el rendimiento y reducir los costes de cada celda solar monocristalina, se recortan los cuatro lados de los bloques cilíndricos para hacer láminas de silicio, y que les da esa apariencia característica. Una de las formas más sencillas para saber si tenemos delante un panel solar monocristalino o policristalino, es que en el policristalino las celdas son perfectamente rectangulares y no tienen esquinas redondeadas. Paneles policristalinos Los primeros paneles solares policristalinos de silicio aparecieron en el mercado en 1981, Figura 1.10. A diferencia de los paneles monocristalinos, en su fabricación no se emplea el método Czochralski. El silicio en bruto se funde y se vierte en un molde cuadrado. A continuación se enfría y se corta en láminas perfectamente cuadradas. Figura 1.10: Imagen de celdas policristalinas. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 16 Paneles de capa fina El fundamento de estos paneles es depositar varias capas de material fotovoltaico en una base. Dependiendo de cuál sea el material empleado podemos encontrar paneles de capa fina de silicio amorfo (a-Si), de teluluro de cadmio (CdTe), de cobre, indio, galio y selenio (GIS/CIGS) o células fotovoltaicas orgánicas (OPC). Dependiendo del tipo, un módulo de capa fina presenta una eficiencia del 7-13%. Debido a que tienen un gran potencial para uso doméstico, son cada vez más demandados, Figura 1.11 [16]. Figura 1.11: Imagen de una celda de capa fina. 1.4 Sistemas fotovoltaicos Se define como sistema fotovoltaico el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas, independientemente de su utilización y del tamaño de potencia, se pueden dividir en dos categorías: Aislados y Conectados a la red [17]. 1.4.1 Sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados Un sistema fotovoltaico aislado o autónomo es un sistema autoabastecedor, ya que aprovecha la irradiación solar para generar la energía eléctrica necesaria en el suministro de una instalación. La función básica de convertir la radiación solar en electricidad la realiza el módulo fotovoltaico. La corriente producida por el módulo fotovoltaico es corriente continua a un voltaje que generalmente es de 12 V (Voltios), dependiendo de la configuración del sistema puede ser de 24 V o 48 V. La energía eléctrica producida se almacena en baterías, para que pueda ser utilizada en cualquier momento y no sólo cuando está disponible la radiación solar. Esta acumulación de energía debe estar dimensionada de forma que el sistema siga funcionado incluso en periodos largos de mal tiempo y cuando la radiación solar sea baja (por ejemplo, cuando sea un día nublado). De esta forma se asegura un suministro prácticamente continuo de energía. El regulador de carga es el componente responsable de controlar el buen funcionamiento del sistema evitando la sobrecarga y descarga de la batería, proporcionando alarmas visuales en caso de fallas del sistema. Así se segura el uso eficiente y se prolonga su vida útil. Este tipo de instalaciones son muy útiles para abastecer lugares de difícil acceso a donde llevar un punto de conexión de la Red Eléctrica resulta demasiado caro, Figura 1.12 [18]. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 17 Figura1.12: Sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados. Aplicaciones autónomas Aplicaciones espaciales: sirven para proporcionar energía eléctrica a elementos colocados por el ser humano en el espacio, tales como satélites de comunicaciones y la Estación Espacial Internacional. Aplicaciones terrestres, entre las que cabe destacar las profesionales: Telecomunicaciones: telefonía rural, vía radio; repetidores (de telefonía, televisión, etcétera). Electrificación de zonas rurales y aislados: estas instalaciones, que se pueden realizar en cualquier lugar, están pensadas para países y regiones en desarrollo y todas aquellas zonas en que no existe acceso a la red eléctrica comercial, viviendas aisladas .En Cuba se emplean en locales comunitarios como son escuelas, consultorios médicos o para abastecer de electricidad a un grupo de personas, como un pueblo. Señalización: se aplica, por ejemplo, a señales de tráfico luminosas, formadas por diodos LED, alimentados por un panel solar y una batería. Alumbrado Público: se utiliza en zonas en las que resulta complicado llevar una línea eléctrica convencional. Bombeo de agua: estas instalaciones están pensadas para lugares tales como granjas, ranchos, etc. Se pueden realizar en cualquier lugar .Su uso puede ser tanto para agua potable como para riego. Otras aplicaciones: calculadoras, juguetes, alumbrado, divertimentos, etc [19]. 1.4.2 Sistemas fotovoltaicos conectados a la red La generación de energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos para su posterior aporte a la Red distribuidora de Energía Eléctrica es la nueva tendencia sobre la utilización de los módulos fotovoltaicos. El objetivo de la inyección a la red es la generación de la energía eléctrica en el módulo fotovoltaico y luego ser distribuida hacia los usuarios por medio de la red gubernamental o particular. Estos sistemas no solamente CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 18 se limitan a grandes instalaciones sino que también se utilizan en domicilios e industrias. Las conexiones típicas para estas instalaciones son monofásicas si se está trabajando hasta 5 kW. Para instalaciones mayores a este valor se utiliza conexión trifásica. Un módulo fotovoltaico que inyecta energía eléctrica a la red posee la ventaja de que el excedente de energía lo brinda hacia la red por lo que las tarifas eléctricas son mucho más reducidas. No solamente los beneficios son económicos sino que también se contribuye con el medio ambiente ya que se está utilizando energía limpia, es decir, energía renovable que no contamina el Planeta Tierra. Esta clase de sistema provee energía a la red ya que inyecta a la misma la energía eléctrica cuando existe producción mayor al consumo requerido. Por esta razón, no se deben hacer acondicionamientos extras a las instalaciones en donde van a ser utilizados los paneles fotovoltaicos. Estos sistemas fotovoltaicos varían en dimensiones, desde aplicaciones urbanas instaladas en los techos de las casas y edificios hasta grandes plantas productoras de energía. También, estos módulos fotovoltaicos son utilizados como cubiertas para edificios y complejos industriales para aprovechar la incidencia del Sol y así generar energía limpia. Los sistemas que están conectados a la red eléctrica no necesitan de baterías ni de regulador de voltaje ya que la conexión es directa. Simplemente necesitan inversores de voltaje para poder variar la corriente directa, la cual se genera en el módulo fotovoltaico, a corriente alterna, la cual utilizan la mayoría de aparatos y electrodomésticos hoy en día. Los inversores de corriente conectados a la red, deben poseer la misma corriente (corriente alterna), la misma secuencia de fase, tensión y frecuencia, por el simple hecho de estar conectados a la red de distribución eléctrica. Estas características hacen que el inversor transforme la energía que se producen en los módulos fotovoltaicos, de 12 V, 24 V, etc. en corriente alterna 110 V o 220 V y de esta manera poder suplir las necesidades de energía eléctrica en el recinto y además poderla inyectar a la red de distribución. A continuación se muestra un esquema de cómo se conectan los módulos fotovoltaicos a un domicilio así como a la red para poder inyectar energía eléctrica a la misma. Figura 1.13. Figura 1.13: Sistema fotovoltaico conectado a la Red. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 19 Elementos que conforman un sistema de inyección conectada a la Red Módulo Fotovoltaico: Un módulo fotovoltaico convierte la energía solar en energía eléctrica ya que, como se mencionó anteriormente, está constituido por semiconductores que llevan a cabo este proceso. Inversor de corriente: Un inversor de corriente transforma la energía eléctrica generada por los módulos fotovoltaicos desde voltaje de corriente directa (VCD) a voltaje de corriente alterna (VAC) para que así pueda ser aprovechada por los domicilios, industrias, etc. y así mismo ser inyectada a la red. Existen dos tipos de inversores de corriente: Inversores en línea: estos tipos de inversores de corriente están conectados a la red distribuidora de energía eléctrica y se utilizan para instalaciones de menor capacidad, de hasta 35 kW. Se llaman en línea ya que permiten conectar varias líneas de módulos fotovoltaicos hacia ellos. Inversores centralizados: estos tipos de inversores de corriente están conectados a la red distribuidora de energía eléctrica y se utilizan para instalaciones desde 50 kW a 1 MW. Metro contador de energía: Es un dispositivo que mide el consumo eléctrico en un recinto. El metro contador de energía bidireccional suma el consumo eléctrico que se tiene en el recinto a la vez que resta la energía que el sistema fotovoltaico conectado a la red produce. Al final del ciclo, generalmente a fin de mes, el contador bidireccional proporcionará el balance entre lo que se consume de la red eléctrica y lo que se inyecta a la misma [20]. Aplicaciones conectadas a la red. Tejados en viviendas (integración en edificios), en los que la instalación estará físicamente situada en un edificio que habitualmente se encuentre en un entorno urbano. Plantas de generación de energía (centrales fotovoltaicas), en las que la instalación FV funciona como una central convencional de generación de energía en el sentido de que inyecta toda la producción eléctrica a la red [21]. Parque fotovoltaico Los Parques Fotovoltaicos son grupos de generación de potencias importantes, conectados generalmente a la red de distribución eléctrica de media tensión (MT). Pueden estar conformados por un gran número de generadores fotovoltaicos individuales de diversas potencias (50, 100, 630 kW...), pertenecientes a distintos propietarios. Suelen construirse en zonas rurales, sobre suelos de secano que no pueden ser aprovechados para otros usos o no están amparados por alguna zonificación de protección especial. En la Figura 1.14 se aprecian los elementos básicos que integran un Parque Solar. Un parque fotovoltaico puede estar formado por un número determinado de centros de transformación BT/MT unidos normalmente en anillo y por un centro de entronque para la evacuación de toda la energía a una red de distribución de MT. Los centros de transformación del parque cumplirán lo exigido en el Reglamento de centrales eléctricas, CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 20 subestaciones y centros de transformación. Además, el centro de entronque cumplirá también con lo exigido por la Empresa Distribuidora de la zona a la que se va a conectar. Según el acuerdo entre Promotor y Empresa distribuidora, se puede instalar una celda de medida en MT en el centro de entronque para medir la totalidad de la energía vertida a la red de distribución MT [22]. Figura 1.14: Elementos que integran un parque fotovoltaico. 1.5 Explotación mundial Con la introducción de la tarifa de alimentación favorable (FIT) tarifas y créditos fiscales para las energías renovables, junto con el rápido descenso en el costo de los módulos fotovoltaicos, ha habido una fiebre sin precedentes para instalar grandes proyectos fotovoltaicos en muchas partes del mundo. El avance en las tecnologías de plantas de alimentación FV están creciendo rápidamente y diferentes países comenzaron a instalar plantas de energía a gran escala. La Tabla 1.1 Muestra las 10 mayores plantas fotovoltaicas del mundo. Dejando claro el impulso que ha tomado esta fuente de energía en los últimos años [23] [24]. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 21 Tabla 1.1 Las 10 mayores plantas fotovoltaicas del mundo PUESTO EN LUGARES PAÍS POTENCIA INSTALADA (MW) NOMBRE DE LA PLANTA 1 India 2 000 Shakti Sthala 2 China 1 547 Tengger Desert 3 India 1 000 Kurnool Ultra Mega Solar Park 4 China 850 Longyangxia Hydro- Solar PV Station 5 India 648 Kamuthi 6 Estados Unidos 597 Solar Star Solar Farm I y II 7 Estados Unidos 552 Copper Mountain 8 Estados Unidos 550 Desert Sunlightg Solar Farm 9 Estados Unidos 550 Topaz Solar Farm 10 Estados Unidos 400 Mesquite Solar Project 1.6 Factores de pérdidas energéticas producidas en un sistema fotovoltaico La energía producida por una instalación PFV es directamente proporcional a la irradiación incidente en el plano de generador PFV. Así por ejemplo un sistema común generador FV de potencia nominal 1 kWp instalado con una orientación y en una localidad tales que reciba una irradiación anual de 1 800 kW.h/ m2 produciría en ausencia de pérdidas 1 800 kW.h. Resulta también obvio decir que el área necesaria de generador PFV dependerá del rendimiento del mismo. La energía inyectada a la red es sensiblemente inferior, esta disminución de la energía generada a la red respecto de la energía solar incidente puede ser explicada mediante una serie de pérdidas energéticas, las cuales son:  Pérdidas por temperatura.  Pérdidas por no cumplimiento de la potencia nominal.  Pérdidas por conexionado.  Pérdidas por sombreado del generador.  Pérdidas por polvo y suciedad.  Pérdidas angulares.  Pérdidas espectrales. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 22  Pérdidas por el rendimiento del inversor.  Pérdidas por rendimiento de seguimiento del punto de máxima potencia del generador.  Pérdidas por caídas óhmicas en el cableado.  Pérdidas por explotación y mantenimiento [25]. 1.7 Explotación en el país Potencial La radiación solar diaria promedio en Cuba es de 5.16 kW.h/ m2 día, también se han definido los territorios utilizables y óptimos para la explotación de la energía solar FV. La herramienta Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA) generó un mapa de radiación solar para el Caribe, incluyendo Cuba. El mismo está basado en datos satelitales. Figura 1.15. Cuba tiene más de 40 años trabajando con la energía solar fotovoltaico y ha sido pionero de la región en muchos programas e iniciativas, en zonas aisladas particularmente. En 1983 se crea la Comisión Nacional de Energía (CNE) encargada de definir la política energética del país. En 1993 la CNE elaboró el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía que buscaba mejorar la eficiencia, reducir las importaciones de combustibles y mayor introducción de energías renovables. Pero para la década del 2000 continuaba incrementando la dependencia en los combustibles fósiles. Figura 1.15: Mapa radiación solar en plano inclinado en Cuba. En 2005 se dio inicio a la Revolución Energética buscando un cambio en su matriz energética, considerando que casi el 95% de la generación eléctrica se hizo con combustibles fósiles en 2011. La Revolución Energética Cubana ha tenido mayor enfoque en la eficiencia energética, y ha apoyado programas de sustitución de electrodomésticos, CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 23 reformas tarifarias, cambio de luminarias, entre otros esfuerzos. En los Lineamientos de la Política Económica y Social del Partido y la Revolución de 2011 también se hace alusión a la necesidad de impulsar el uso de energías renovables. Se crea el Ministerio de Energía en 2012 para enfrentar las barreras del sector energético siguiendo los lineamientos antes expresos. Bajo el Decreto Presidencial No. 3 de diciembre de 2012 se estableció una Comisión Gubernamental para la elaboración de la Política para el Desarrollo Perspectivo de las Fuentes Renovables de Energía y el Uso Eficiente de la Energía. El principal hito de la política es generar el 10% de la electricidad en Cuba con fuentes renovables de energía (FRE) al 2030, incluyendo una diferenciación por tecnología. Dicha meta se actualizó en 2014, y el Gobierno manifestó el interés de llegar a un 20% de generación con FRE al 2 030. En solar FV se pretende instalar 700 MWp que representen el 3.5% de toda la electricidad demandada en Cuba para el 2030. La política indica que se buscará impulsar instalaciones en terrenos que hayan perdido o tengan poco valor para la agricultura, así como en tejados cercanamente a los consumidores. La nueva Ley de Inversión Extranjera, Ley No. 118/2014, hace especial énfasis en la atracción de inversión extranjera al país en busca de un cambio a la matriz energética mediante el aprovechamiento de FRE. Además le confieren responsabilidad al Ministerio de Energía de explorar las posibles aplicaciones de FRE mediante inversiones extranjeras. FV de gran escala El desarrollo de grandes proyectos FV están a cargo del Estado, y se ha avanzado con la instalación de varios parques solares. Además, Cuba obtuvo un préstamo del Fondo de Abu Dhabi para el Desarrollo (Abu Dhabi Fund for Development, ADFD) para la construcción de una central de 10 MWp. El Gobierno procura seguir avanzando con las instalaciones FV, priorizar el uso de componentes locales y llegar a la meta de 700 MWp al 2030. Generación distribuida FV a pequeña y mediana escala Los proyectos conectados a red de pequeña escala para autoconsumo formarán parte del esfuerzo estatal para alcanzar la meta de generación fotovoltaica. El Estado busca que las instalaciones se hagan cercanas a los consumidores y aprovechando el uso de tejados. Aún no se ha definido el plan específico para la implementación de dichas instalaciones, o mecanismos de incentivo, o bien si la iniciativa vendrá financiada por el Estado completamente. Instalaciones FV aisladas Los proyectos de electrificación rural son parte de la política de Gobierno desde hace décadas. Cuba cuenta con un Programa de Electrificación Rural Fotovoltaico desde la década de los 80. Dicho programa ha logrado llevar el acceso a la electricidad a miles de viviendas en las zonas más intrincadas con sistemas individuales e inclusive hay una mini-red FV instalada en 1997 y aún en funcionamiento. La UNE es la empresa estatal a cargo de la generación, transmisión y distribución de electricidad en el país. Tiene aportación en generación bajo una alianza público-privada entre la empresa canadiense CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 24 Sherritt y la UNE para generar hasta el 13% de la demanda. Dentro de la UNE se encuentra la Empresa de Ingeniería y Proyectos para la Electricidad (INEL), encargada de diseño e ingeniería de proyectos. El Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medioambiente (CITMA) a través de la Agencia Nuclear y Tecnologías de Avanzada (AEN-TA) y el Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de Energía (CUBAENERGIA) difunden información, brindan soporte técnico, y apoyan la investigación y el desarrollo al sector energético. Existe una comisión específica para la energía solar fotovoltaica a cargo del Ministerio de la Industria Sideromecánica (SIME). Actualmente se cuenta con la Comisión gubernamental para el desarrollo perspectivo de las fuentes renovables de energía y el uso eficiente de la energía, integrado por ocho Organismos de la Administración Central del Estado (OACE), dos Organismos Superiores de Dirección Empresarial (OSDE) y seis centros universitarios. CUBASOLAR es una entidad dedicada exclusivamente a la promoción del uso de FRE. Fue creada en 1994 como ONG y busca propiciar la organización de eventos, seminarios y otras tareas en busca de difundir el conocimiento. El Consejo de la Energía (CAAE) es el organismo a cargo del control del Programa Nacional para las Fuentes de Energía y la Eficiencia Energética, que promueve el uso de la energía renovable. El CAAE redacta tanto las leyes como la legislación para mejorar la eficiencia energética en la economía nacional. EcoSol Energía, es una empresa pública adscrita a la Corporación Copextel S.A. perteneciente al Ministerio de la Informática y las Comunicaciones, dedicada al diseño e instalación de sistemas SFV. Dicha empresa ha estado a cargo de casi todas las instalaciones a pequeña escala que ha hecho el país. La Empresa de Componentes Electrónicos “Ernesto Che Guevara” juega un importante rol en el ensamblaje de módulos, así como la empresa de Galvanizado “Nueva Paz”. A esto se le suma la empresa estatal dedicada a la fabricación de baterías, i.e. Empresa de Acumuladores XX Aniversario, para los proyectos de electrificación rural. Estado actual del mercado El Gobierno a través de sus organismos, instituciones y distintos programas dedicados a la aplicación de la energía FV. Cuba fue el primer país de LAC en ubicar una fábrica ensambladora de módulos que tiene una capacidad de fabricación de 10 MWp por año y se quiere expandir para que se ensamblen hasta 50 MWp por año. Se estima que la industria nacional aporta hasta el 60% de la inversión en los proyectos FV. Proyectos FV de gran escala El enfoque de Gobierno planea mantener sus esfuerzos en los proyectos aislados para continuar dotando de acceso a energía a las comunidades más intrincadas, pero recientemente se le ha dado un mayor énfasis a los proyectos de gran escala. El Gobierno ha optado por un desarrollo agresivo de las grandes centrales fotovoltaicas, poniendo en marcha una serie de plantas FV por encima de 1 MWp alrededor del país. En Cuba se espera que continúen los esfuerzos para la instalación de grandes centrales FV por parte del Gobierno, y con la nueva Ley de Inversión Extranjera y su enfoque para CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ACERCA DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS 25 atraer inversiones en energías renovables, se abre la posibilidad de que empresas extranjeras inviertan en el sector al corto y mediano plazo. Aún está por definirse el rol y reglamentación bajo las cuales dichas inversiones se llevarían a cabo de ser el caso. Generación distribuida FV a pequeña y mediana escala Desde hace unos años el Gobierno ha ido fomentando instalaciones en los tejados que propicien la generación en el punto de consumo y se aproveche un espacio no utilizado. Los programas de electrificación rural de Cuba se han extendido particularmente en Venezuela, donde entre 2010 – 2012 se exportó más de 1 MWp. En otros países de Latinoamérica y de África como Angola, Namibia, Zimbabue, Lesoto y Malí Cuba ha brindado asistencia técnica. Rural aislado Entre los programas del Gobierno para la electrificación rural que más se han destacado se encuentran: Programa de Electrificación Rural Fotovoltaica y Programa de Electrificación rural de consultorios médicos y escuelas rurales, así como programas para la instalación de sistemas de bombeo de agua, telecomunicaciones, entre muchos otros. Estos le han dado un gran auge al sector, desarrollo de la tecnología y experiencias. Otros aportes Las universidades han tenido un importante rol en investigación. Por ejemplo, la Universidad Central “Marta Abreu de Las Villas”, Universidad Tecnológica de Energía Renovables (UTER), el Centro Universitario “José Antonio Echeverría” (CUJAE), entre otros centros educativos y de investigación con líneas específicas para el sector FV [26]. 1.8 Conclusiones parciales La generación fotovoltaica tiene grandes expectativas en el campo energético, tanto en sistemas aislados como conectados a la red. Debido a todas las ventajas que ofrece su uso, gracias a los avances de las nuevas tecnologías de fabricación de las células, las que ofrecen la posibilidad de conseguir importantes disminuciones en el precio, y aumento de su eficiencia, lo cual permitirá que su uso aumente garantizando un aprovechamiento mayor de las fuentes de energía renovable. Los PFV presentan ventajas como son: no contaminan el medio ambiente, son de fácil instalación y mantenimiento, son silenciosas, sus instalaciones pueden variar en tamaño dependiendo de la necesidad. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 26 CAPÍTULO 2. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA En este capítulo se hace una descripción de los parques fotovoltaicos UCLV y Frigorífico: su ubicación, sus características, y otros aspectos importantes. Se valora el efecto de los inversores capaces de generar potencia reactiva y la condición de ISLA. Además, se hace una breve descripción de las ventajas del software RADIAL para este tipo de estudios. Se describe cómo se comporta la generación y la carga en la provincia de Villa Clara. 2.1 Descripción de la generación en la provincia de Villa Clara Según los datos ofrecidos por los especialistas del Despacho Provincial de Carga en la provincia de Villa Clara, en el año 2017 se consumieron aproximadamente 1 308 280 MW.h, en tanto que la generación alcanzó 439 445 MW.h en el año, lo que significa que sólo se genera en la provincia el 33.59 % de lo que se consume. En la Figura 2.1, se muestra el gráfico de carga promedio referente a la provincia de Villa Clara en el año 2017. Figura 2.1: Gráfico de carga promedio del año 2017. P (MW) contra t (h). La generación de la provincia está compuesta por una generación hidráulica que se desglosa en una hidroeléctrica que aporta 23 268 MW.h y varias mini hidroeléctricas que aportan en total 5 473 MW.h. En conjunto esta generación hidráulica representa el 1.82 % de la generación total. Está además la generación que se realiza a base de motores Fuel, con esta se generan aproximadamente 2 309 535 MW.h anualmente, representando así el 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 (MW) Dem.Promedio 2017 Dem.Promedio 2017 CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 27 17.65 % de la generación de la provincia. También se tiene la generación basada en motores Diesel, los cuales generan 1 637 559 MW.h, que significan un 12.52 % de la generación total. Otro de los elementos que componen la generación de la provincia son los parques fotovoltaicos. Dichos parques, como promedio, aportan 29 263 MW.h que representa un 0.22 %. La provincia cuenta además con la generación de los centrales azucareros que aportan como promedio 179 912 MW.h, que representa un 1.38 % de la generación total. También se tiene generación con biogás generando la misma en el año 2.4 MW.h. Ante esta situación en la provincia de Villa Clara, se está acometiendo un determinado número de proyectos para revertir el déficit energético. 2.2 Descripción de los proyectos Los parques solares fotovoltaicos Frigorífico y UCLV surgieron por el interés de la Unión Eléctrica (UNE) de desplegar parques fotovoltaicos conectados a las redes eléctricas del SEN como vía para incrementar la capacidad de generación eléctrica instalada, diversificar las fuentes de generación reduciendo consumos de combustibles fósiles y atenuar la contaminación atmosférica asociada a su combustión, empleando la transformación directa en electricidad de la radiación solar, fuente renovable con manifestación estable y predecible en Cuba, que ha sido bien estudiada y caracterizada desde el punto de vista energético. Esto obedece al plan de Desarrollo de Energías Renovables, el cual destaca que en energía solar fotovoltaica se pretenden instalar 700 MWp que representen el 3.5% de toda la electricidad demandada en Cuba para el 2030, y esta:  Reducirá la dependencia de combustibles fósiles que obligan al país a fuertes erogaciones de divisas, cuyos precios son inestables, y que aunque se produzcan nacionalmente tienen elevado valor añadido si se emplean como materias primas para importantes procesos industriales.  Fortalecerá el sistema eléctrico en las zonas donde este se encuentre, principalmente al reducir las pérdidas eléctricas desde el generador hasta los usuarios.  Reducirá los impactos ambientales debidos al calentamiento global por emisiones de CO2, ya que este no produce residuos de difícil tratamiento y constituye una fuente de energía inagotable.  Presentará el valor añadido socioeconómico de generar puestos de trabajo y permitir el desarrollo de tecnologías propias [27]. 2.3 Caracterización del parque fotovoltaico UCLV El Parque Fotovoltaico UCLV en Villa Clara, está compuesto por una parcela de 1 689 414 metros cuadrados, con una capacidad de generación total de 1 MW de potencia eléctrica. Utiliza como fuente de generación de energía eléctrica la radiación solar, y para ello cuenta CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 28 con un total de 3 780 módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino con potencia de 250 Wp y tolerancia positiva. Cuenta con conexiones entre módulos mediante cables con conectores del tipo Multi-contact para garantizar rápida instalación con máxima fiabilidad y durabilidad de las conexiones. Tiene 60 inversores SMA de 17 kW de potencia, rango de operación de 400 - 800 V o de prestaciones similares; además, 21 módulos en serie por inversor y tres ramas en paralelo por inversor. Dispone de una alimentación independiente para servicio de planta que asegura energía para la operación de los inversores, el sistema de monitoreo y de protección física. Cuenta con un sistema de supervisión remota para la comunicación, el registro y la transmisión de datos. Para la protección, el mantenimiento ligero y supervisión de su funcionamiento el parque es atendido por operadores. Dispone de acceso por vía remota a través de sistemas de comunicaciones convencionales. Tiene un pequeño local de control automático que aloja los armarios generales de protecciones y de medición, con facilidades básicas para apoyar las labores de verificación y mantenimiento; además, consta con un sistema automatizado de vigilancia tecnológica y sistema de alarma contra intrusos. Se utilizaron 189 estructuras soportantes, de 4 x 5 módulos de 250 Wp, organizadas en 15 filas con una separación de 2.60 m. Cada fila consta de 252 módulos fotovoltaicos; la longitud de la estructura de descanso es de 3.97 m y el largo de las mesas en filas es de 107 m, con un ancho de arreglo de 95 m, además los módulos fotovoltaicos se anclaron a las estructuras metálicas con un plano de 19º respecto a la horizontal y con orientación al Sur puro (acimut 0º) [28]. 2.3.1 Ubicación geográfica En la Figura 2.2 se muestra la ubicación del PFV UCLV. Figura 2.2: Ubicación del PFV. Facultad de Ing. Eléctrica CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 29 El parque está ubicado en la zona suroeste de la de la Universidad Central "Marta Abreu” de Las Villas, justo junto a la Facultad de Ingeniería Eléctrica; dicho parque inyecta energía a la red a través de un transformador central de conexión. El terreno comprende: No solo el parque, además comprende toda la infraestructura de apoyo y su conexión con el SEN a través del circuito de 34.5 kV que es el que alimenta el nodo de la Universidad; o sea la subestación en la que comienzan los circuitos que brindan servicio a la UCLV. 2.3.2 Caracterización del circuito 6375 El circuito al que está instalado el parque fotovoltaico Universidad, tiene su origen en la subestación Santa Clara Industrial, que cuenta con un transformador de 25 MV.A de 34.5 kV, a través del interruptor 6375. Figura 2.3. Las líneas que conforman el tronco del circuito tienen un recorrido de 38 km aproximadamente; cuenta con 11 nodos importantes que suman un total de 13 transformadores trifásicos (3f) y tres monofásicos (1f); todos los ramales son trifásicos, y casi en su totalidad tiene conductor de cobre 3/0, aunque también hay ramales con conductor de aluminio 70. Figura 2.3: Circuito 6375 con la conexión del PFV UCLV. Tiene posibilidades de conexión con los siguientes circuitos:  Los interruptores 1550 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 1785.  Con los circuitos de los interruptores 1551 y 1552 hacia la subestación Santa Clara 110 kV, alimentada por el interruptor 119. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 30  El interruptor 6611 hacia la subestación Camajuaní, alimentado por el interruptor 6595.  Entre los nodos que alimenta se encuentra, lógicamente, el de la Universidad Central donde se encuentra la planta fotovoltaica de 1 MW UCLV. 2.3.3 Caracterización del parque fotovoltaico Frigorífico El Parque Fotovoltaico del Frigorífico (PFV) en Villa Clara, está compuesto por una parcela de aproximadamente un hectárea, con una capacidad de generación total de 0.962 MW de potencia eléctrica. Utiliza como fuente de generación de energía eléctrica la radiación solar, y para ello cuenta con un total de 5200 módulos fotovoltaicos de 185 W cada uno. Estos módulos están agrupados en 260 mesas, o sea, 20 módulos por mesa de estructuras metálicas galvanizadas distribuidas en 16 filas convenientemente orientadas hacia el Sur. El voltaje de Corriente Directa (CD) que generan los módulos se convierte en voltaje de Corriente Alterna (CA) para que pueda ser entregado al SEN mediante un transformador de voltaje 400 V / 34.4 kV de 1 MW de capacidad; de esta tarea se encargan 52 inversores Sunny Tripower de la firma Alemana SMA de 17 kW y 18 kWp, los cuales están conectados a 100 módulos cada uno, o sea, 5 mesas. Anualmente la producción de energía eléctrica es de aproximadamente 1 300 MW.h. Con lo que cada 12 meses se ahorran 380 toneladas de petróleo y deja de emitir a la atmósfera más de 1 000 t de dióxido de carbono, y también permite garantizar que un total de 750 viviendas dispongan de corriente eléctrica a través de la energía solar [29] . 2.3.4 Ubicación geográfica El PFV se encuentra en las áreas aledañas al frigorífico Santa Clara. Figura 2.4. Figura 2.4: Localización del PFV Frigorífico. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 31 2.3.5 Caracterización del circuito 1770 El circuito al cual está instalado el parque fotovoltaico Frigorífico tiene su origen en la subestación Santa Clara Industrial que cuenta con un transformador de 25 MV.A de 34.5 kV, y se alimenta a través del interruptor 1770. Figura 2.5. Las líneas que conforman el tronco del circuito tienen un recorrido de 2.5 km aproximadamente; cuenta con siete nodos importantes que suman un total de seis transformadores trifásicos (3f) y dos monofásicos (1f); todos los ramales son trifásicos, y casi en su totalidad tienen conductor de aluminio 150, aunque también hay ramales con conductor de aluminio 70. Tiene posibilidades de conexión con los siguientes circuitos:  Interruptores 6056 hacia la subestación Santa Clara Industrial, a través del interruptor 1785.  Por el circuito de los interruptores 6056 y 1267 hacia la subestación Santa Clara 110 kV, alimentada por el interruptor 129.  Los interruptores 6056 y 1550 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 6375.  Entre los nodos que alimenta se encuentran, el Hospital Arnaldo Milián y el Frigorífico que son cargas de prioridad. Figura 2.5: Circuito 1770 con la conexión del PFV Frigorífico. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 32 2.4 Posibles conexiones del PFV UCLV y Frigorífico para operaciones normales y condiciones de emergencia Las interconexiones entre circuitos gozan de muchas ventajas. Un ejemplo válido de ello es que en caso de una falla en un circuito en la que quede inhabilitado, y exista otro próximo a él, con capacidad de asumir parcial o totalmente le carga del afectado, es posible garantizar total o parcialmente el servicio en el primero. Esta es la razón por la que se hacen estudios para determinar si es factible este proceso. A continuación se describen los circuitos que se estimaron que pueden cumplir estos requisitos para casos de fallas o en condiciones normales de operación de los circuitos donde se encuentran conectados los parques fotovoltaicos UCLV, Frigorífico y sus respectivas cargas. 2.4.1 Descripción y caracterización del circuito 119 (conexión UCLV) El circuito 119 tiene su origen en la subestación Santa Clara 110 kV que cuenta con un transformador de 25 MV.A de 34.5 kV. Figura 2.6. Figura 2.6: Circuito 119 con la conexión del PFV UCLV. Las líneas que conforman el tronco del circuito tienen un recorrido de 6 km aproximadamente; cuenta con tres nodos importantes que suman un total de tres transformadores trifásicos (3f); todos los ramales son trifásicos, y casi en su totalidad tiene conductor de cobre 3/0. Tiene posibilidades de conexión con los siguientes circuitos:  Circuito de los interruptores 1550, 1551 y 1552 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 1785. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 33  Por los interruptores 1551 y 1552 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 6375.  Por los interruptores 1551,1552 y 6611 hacia la subestación Camajuaní, alimentado por el interruptor 6595.  Entre los nodos que alimenta se encuentra, Malezas 13.8 kV con una carga promedio de 6.1 MW. En la Figura 2.7 se muestra el gráfico de carga promedio referente al circuito 119 con el interruptor 1552 normalmente abierto (NA). Figura 2.7: Descripción de la carga promedio en 24 horas en el circuito 119. P (MW) contra t (h). 2.4.2 Descripción y caracterización del circuito 6595 (conexión UCLV) El circuito tiene su origen en la subestación Camajuaní que cuenta con un transformador de 25 MV.A de 110/34.5 kV, el que se alimenta a través del interruptor 6595. Figura 2.8. Las líneas que conforman el tronco del circuito tienen un recorrido de 12.7 km aproximadamente; cuenta con cuatro nodos importantes que suman un total de cuatro transformadores trifásicos (3f); todos los ramales son trifásicos, y están conformados por conductores de cobre 3/0, aluminio 150 y 70. Tiene posibilidades de conexión con los siguientes circuitos:  Circuito del interruptor 6611 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 6375.  Interruptores 6611, 1551 y 1552 hacia la subestación Santa Clara 110 kV, alimentada por el interruptor 119. 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MW Carga Promedio Cto 119 Carga Promedio CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 34  Los interruptores 6611 y 1550 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 1785.  Entre los nodos que alimenta se encuentra el CAI José María Pérez que cuando se encuentra generando entrega a la red 3 000 kW de potencia. Figura 2.8: Circuito 6595 con la conexión del PFV UCLV. En la Figura 2.9 se muestra el gráfico de carga promedio referente al circuito 6595 con el interruptor 6611 normalmente abierto (NA). Figura 2.9: Descripción de la carga promedio en 24 horas en el circuito 6595. P (MW) contra t (h). 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MW Carga Promedio Cto 6995 Carga Promedio CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 35 2.4.3 Descripción y caracterización del circuito 1785 (conexión Frigorífico y UCLV) El circuito tiene su origen en la subestación Santa Clara Industrial que cuenta con un transformador de 25 MV.A de 110/34.5 kV, el que se alimenta a través del interruptor 1785. Conexión del PFV Frigorífico al circuito 1785, Figura 2.10 y conexión del PFV UCLV al circuito 1785, Figura 2.11. Las líneas que conforman el tronco del circuito tienen un recorrido de 5.6 km aproximadamente; cuenta con ocho nodos importantes que suman un total de siete transformadores trifásicos (3f). Todos los ramales son trifásicos, y casi en su totalidad tienen conductor de cobre 3/0, aunque también hay ramales con conductor de aluminio 70. Tiene posibilidades de conexión con los siguientes circuitos:  Interruptores 1550 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 6375.  Por el interruptor 6056 hacia la subestación Santa Clara Industrial, alimentada por el interruptor 1770.  Por el interruptor 1267 hacia la subestación Santa Clara 110 kV, alimentada por el interruptor 129.  Y por los interruptores 1550,1551 y1552 hacia la subestación Santa Clara 110 kV, alimentada por el interruptor 119. Figura 2.10: Circuito 1785 con la conexión del PFV Frigorífico. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 36 Figura 2.11: Circuito 1785 con la conexión del PFV UCLV. En la Figura 2.12 se muestra el gráfico de carga promedio referente al circuito 1785 con el interruptor 6056 normalmente abierto (NA). Figura 2.12. Descripción de la carga promedio en 24 horas en el circuito 1785. P (MW) contra t (h) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MW Carga Promedio Cto 1785 Carga Promedio CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 37 2.5 Inversor fotovoltaico Se puede decir que la función del inversor es una de las más importantes de estas instalaciones, ya que convierte la salida eléctrica generada por el campo de PFV, a los parámetros técnicos indispensables para su conexión a la red; esto es convertir la CD en CA. Para ello, el sistema (MPPT-punto de energía máximo que sigue), busca el punto de funcionamiento donde la potencia es máxima desde todos los puntos posibles de operación (voltaje de CD) en la salida del campo de FV. Un segundo sistema electrónico, el convertidor, convierte la tensión CD en CA, compatible en términos de magnitud y fase con la de la red. La eficiencia del inversor depende de qué tan bien pueden coincidir el voltaje, la frecuencia y fase de la red, con la porción de la energía inyectada a la red por el panel fotovoltaico. La electrónica del inversor PFV también debe tener en cuenta las normas de seguridad, como la desconexión de la red en caso de ausencia temporal del voltaje de CA, o evitar la inserción de armónicos a la red que puede perturbar el funcionamiento de aparatos eléctricos sensibles. 2.6 La condición de “isla” La condición de “isla” es una situación paralela a la red en la que el inversor sigue alimentando la red aunque ya no haya tensión de la red eléctrica. En la norma IEEE 1547.1-2005 la definición de “isla” es la siguiente: Isla: Una situación en la que una parte de un sistema de electricidad (EPS) recibe energía exclusivamente de uno o más EPS a través de los puntos de conexión comunes (PCC) asociados, mientras que esa parte del EPS del área está separado eléctricamente del resto del sistema. En la IEC62116 edición 1.0 2008-09, “isla” se define como: Isla: Un estado en el que una parte de la red eléctrica pública, que contiene carga y la produce, sigue funcionando independientemente del resto de la red. La producción y las cargas pueden darse en cualquier combinación de propiedad del cliente y de propiedad de la red pública. La condición de “isla” existe cuando, debido a un fallo de la red o a una situación de carga concreta, la red presenta un comportamiento de carga resonante. En tal situación, aunque ya no hay voltaje de la red, la resonancia entre el componente L-C todavía mantiene el voltaje en el terminal de salida del inversor y, por lo tanto, es posible que el inversor no detecte la ausencia de voltaje de la red. En este caso, si la carga resistiva se ajusta a la potencia producida por el inversor, aún es posible el funcionamiento en paralelo y se crea la “condición de isla”. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 38 La condición de isla puede ser peligrosa principalmente por cuatro razones:  Temas de seguridad: si existe una condición de isla, los trabajadores de la red pública podrían encontrarse inesperadamente con cables cargados cuando esperarían que no hubiera tensión en la línea.  Daños al equipo: en teoría podría dañarse el equipo del cliente si los parámetros de funcionamiento difieren mucho de la norma. En este caso, la red pública es la responsable del daño.  Terminar el fallo: volver a cerrar el circuito de una isla activa puede causar problemas en el equipo de la red pública, o provocar que los sistemas automáticos de cierre no detecten el problema.  Daños al inversor: el doble cierre en la isla activa puede causar daños en los inversores [30]. En la práctica de nuestras redes, el concepto se maneja un tanto más informal y se ajusta al hecho de que una sección del SEN, relativamente pequeña, pueda operar con la generación existente en ella. Esta situación se ha presentado en casos de grandes averías provocadas por los huracanes. Indudablemente, la gran ventaja de los PFV, al no depender de un combustible que tenga que ser trasladado en condiciones de grandes dificultades, los hace ideales para esta operación en isla siempre que cuente con otros equipos de generación, básicamente de la generación distribuida. 2.7 Potencia reactiva en inversores La potencia aparente se encuentra conformada por dos componentes: potencia activa y potencia reactiva. La potencia activa (P) se define como la potencia útil, es decir, aquella que es capaz de producir trabajo, o que se disipa en forma de calor. Por el contrario, la potencia reactiva (Q) se define como la potencia que no es capaz de realizar trabajo útil, que se desplaza continuamente de generador a carga y viceversa. En todas las grandes centrales que generan electricidad se produce potencia reactiva. La potencia reactiva sobrecarga la red sin aportar nada al transporte de la energía. Por esta razón, es necesario estabilizar la red pública compensando la potencia reactiva. Para garantizar una red eléctrica estable los operadores de red exigen que los productores de energía contribuyan a la compensación de la potencia reactiva. Uno de los grandes adelantos en las técnicas de construcción de inversores para ser utilizados en las instalaciones PFV es que los mismos son capaces de generar también potencia reactiva incluso durante las noches, cuando se conectan a las redes. Los inversores de las series CP XT, CP-JP y CP-US con componentes del sistema de SMA Solar Technology AG o de SMA América, pueden generar potencia reactiva durante su funcionamiento. Para suplir potencia reactiva aunque el PFV no esté en operación, por ejemplo durante las noches, estas instalaciones permiten generar potencia reactiva de forma estática o CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 39 dinámica. El caso, “estático” significa que el operador de red especifica un valor nominal de la potencia reactiva que debe inyectarse sin tener en cuenta otras restricciones. En las instalaciones de compensación “dinámicas” se genera potencia reactiva adaptada a las necesidades. Los inversores de las series CP XT, CP-JP y CP-US ahora también pueden suministrar potencia reactiva durante la noche, y de esta manera se ahorran los costes derivados de la compra de potencia reactiva. Además, también es posible compensar la necesidad de otros productores poniendo a disposición de estos potencia reactiva adicional, con lo que se genera así una nueva fuente de ingresos. La opción “Q at Night” se conoce como la posibilidad que caracteriza a estos inversores [31]. 2.8 Caracterización del software RADIAL El programa utilizado para la simulación de los circuitos en este trabajo. Es un sistema concebido para realizar los estudios relacionados con las redes radiales de distribución. Está programado sobre Delphi 5 usando técnicas de programación orientada a objetos y requiere de configuraciones mínimas, disponibles en cualquier PC, para su ejecución. La información general de RADIAL se encuentra en las Bibliotecas (aparecen el menú de los gráficos de carga, transformadores, conductores, cables, estructura, fusibles, relés y restauradores) y en las Opciones (aparece el menú para Aplicaciones, que contiene flujos de cargas, capacitores, protecciones, cambio de conductores y balanceo; y el menú Generales, para el formato, los perfiles y el color que se va a emplear), ambos en la barra de herramientas. Sin dudas la mayor potencialidad para la aplicación que se analiza, lo constituye el hecho de que este software permite modelar el comportamiento horario de las cargas, incluida la generación de los PFV, montar cualquier tipo de protección de líneas como son; seccionalizadores, interruptores; entre otros, con lo cual es posible estudiar el comportamiento del circuito durante las 24 horas del día. El RADIAL permite además realizar estudios en los circuitos, como son el de la conexión de capacitores, estudio de cargabilidad de los transformadores; así como balanceo de cargas. Da la posibilidad de llevar a cabo estudios de fallas y protecciones de las redes eléctricas. La característica de poder analizar los circuitos a cualquier hora, lo hace ideal para estudiar el comportamiento de los PFV debido a que los mismos solo funcionan durante el día con intensidades que dependen de la hora del día. En la Figura 2.13 se muestra el resultado general de una corrida, donde se puede apreciar que los valores de carga y pérdidas de potencia se corresponden con la hora seleccionada, en tanto que los valores de carga y pérdidas de energía se corresponden con el día. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 40 Figura 2.13: Resultado general de una corrida correspondiente a la hora 20. Un gráfico de carga de gran interés es el que se muestra en la Figura 2.14 donde se simula la generación de P y Q de un PFV. Los valores de ambas magnitudes, así como la forma del gráfico son ajustables. Figura 2.14: Ventana del gráfico de cara de un PFV. CAPÍTULO 2.ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN CON LA INCORPORACIÓN DE PARQUES FOTOVOLTAICOS EN LA PROVINCIA DE VILLA CLARA 41 En la Tabla 2.1 se muestran los gráficos en p.u. dadas bajo las restricciones impuestas por el inversor de que: 𝐼𝑚𝑎𝑥.𝑖𝑛𝑣= √ (𝐼 a2)+ (𝐼 r2) Tabla 2.1 Valores de corriente activa y reactiva que genera el panel sin que se sobrecargue el inversor 2.9 Conclusiones parciales En este capítulo se muestra la descripción de las redes de 34,5 kV de la zona donde operan los PFV estudiados; todo lo cual ha de facilitar el análisis y la comprensión de las diferentes configuraciones que se van a presentar en el capítulo siguiente. Como es sabido, la gran posibilidad de variantes puede inclinar a pensar que el problema se puede convertir en un laberinto con una gran cantidad de posibles soluciones; sin embrago, la intuición y experiencia de los especialistas la limitan a interesantes problemas de ingeniería para disfrute de los especialistas de la rama. CAPÍTULO 3 .ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 42 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En este capítulo se analizan las simulaciones de los circuitos donde se ubican los parques solares fotovoltaicos, UCLV y Frigorífico, que están conectados al Sistema Eléctrico Nacional, estos estudios permiten analizar los factores que influyen en la explotación de dichas instalaciones. Se analizarán los resultados de las corridas que han permitido valorar los parámetros técnicos más importantes para la operación de dichos PFV, tales como las pérdidas de potencia activa, las pérdidas de energía, las transferencias por las líneas y los voltajes en los nodos, entre otros. 3.1 Análisis UCLV Como bien se conoce, uno de los datos fundamentales para el análisis de energía en las redes, se apoya en los gráficos horarios de carga, razón por la cual las simulaciones se llevan a cabo con el software especializado RADIAL. El PFV de la UCLV se localiza dentro de la red de 33 kV del entorno, donde confluyen cuatro líneas: la conexión de donde se alimenta normalmente, la 6375 que parte de la Sub Industrial 110/33 kV; la 6595 procedente de la Sub Camajuaní; otra, la 119 de la Sub Sta. Clara y la 1785 alimentada de la Sub Industrial, Figuras 2.3, 2.6, 2.8 y 2.11. Como se puede apreciar, existen posibles conexiones que resultan de interés para analizar las diversas situaciones, tanto de operación normal, como de emergencia por el efecto del PFV UCLV sobre la red de 33 kV; algo novedoso que aparece en dicha red a partir de su entrada en servicio. 3.1.1 Circuito 6375. Conexión actual del PFV UCLV El análisis para las posibles variantes de conexión se ha realizado mediante la comparación de los resultados de las corridas para los tres escenarios posibles: a) Operación normal. b) Operación con el PFV generando solo potencia activa. c) Con dicho panel entregando tanto potencia activa como reactiva, para el caso en el que los inversores pudieran operar bajo estas condiciones. En la Figura 3.1 se pueden observar los gráficos de carga sin y con el panel generando sólo potencia activa y como complemento del mismo. En la Figura 3.2, se aprecia la disminución de las pérdidas en las líneas. CAPÍTULO 3 .ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 43 Figura 3.1: Gráfico de carga del circuito 6375. P (kW) contra t (h). Figura 3.2: Gráfico de pérdidas de potencia activa. P (kW) contra t (h). La Figura 3.3 permite observar los gráficos horarios de carga ante la posibilidad de que el PFV entregue tanto potencia activa como reactiva. Figura 3.3: Gráfico de carga del circuito 6375 con generación de potencia activa y reactiva. Q (kvar) contra t (h). La Tabla 3.1 muestra, de forma resumida, los resultados más importantes a los que se ha hecho referencia. 0 2000 4000 6000 8000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 kW Potencia Activa Potencia (kW) -PFV desconectad o Potencia (kW) -PFV conectado 0 20 40 60 80 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 kW Pérdidas de P(kW) P de potencia (kW) -PFV desconecta do P de potencia (kW) -PFV conectado 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 kvar Potencia reactiva Potencia (kvar) -PFV desconecta do Potencia (kvar) -PFV conectado CAPÍTULO 3 .ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 44 Tabla 3.1 Universidad alimentada desde la Sub Industrial (6375) Hora P (kW) Q (kvar) ΔPlínea (kW) ΔElínea (kW.h/día) Sin Panel 20 max 6 110 2 526 78 1 064 12 5 486 2 305 62 Con Panel generando P 20 max 6 110 2 526 78 997 12 4 486 2 305 49 Con Panel generando P y Q 20 max 6 110 1 526 72 902 12 4 486 2 305 49 Con el objetivo de realizar una valoración más completa de lo que significa el ahorro de energía eléctrica, se incorpora, además de los beneficios económicos, el efect