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PROYECTOTRABAJO FIN DE CARRERA TITULO: DISEÑO DE UNA PLANTA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA ABASTECER UNA GRANJA DE CERDAS MADRES, Y SUS POSIBLES ALTERNATIVAS AUTOR: CÉSAR NAVARRO GÓMEZ DE SEGURA ENSEÑANZA: INGENIERO AGRÓNOMO DIRECTOR: HUGO MALÓN LITAGO JAVIER AGUIRRE DE JUANA PROYECTOTRABAJO FIN DE CARRERA TITULO: DISEÑO DE UNA PLANTA SOLAR FOTOVOLTAICA PARA ABASTECER UNA GRANJA DE CERDAS MADRES, Y SUS POSIBLES ALTERNATIVAS DOCUMENTO 1 MEMORIA AUTOR: CÉSAR NAVARRO GÓMEZ DE SEGURA ENSEÑANZA: INGENIERO AGRÓNOMO DIRECTOR: HUGO MALÓN LITAGO JAVIER AGUIRRE DE JUANA Diseño de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas MEMORIA MEMORIA PAGINA 1.-INTRODUCCION ........................................................................................ 1 1.1.-OBJETIVOS .............................................................................................. 1 1.2.- ANTECEDENTES ................................................................................... 2 1.3.-CONTENIDO DEL PROYECTO. ............................................................ 2 1.4.- SITUACION Y EMPLAZAMIENTO ..................................................... 2 1.5- DESCRIPCION DE LA ACTIVIDAD ..................................................... 3 2.- LOS SITEMAS FOTOVOLTAICOS AUTONOMOS ............................... 5 2.1.- INTRODUCCION .................................................................................... 5 2.2.- APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTONOMOS ....................................................... 6 2.3.- LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTONOMOS GANADEROS ............................................................... 7 2.4.- EL MODULO FOTOVOLTAICO ........................................................... 7 2.5.- EL ACUMULADOR (BATERIAS) ........................................................ 13 2.6.- EL REGULADOR .................................................................................... 15 2.7.- EL INVERSOR ........................................................................................ 16 2.8.- ESTRUCTURAS DE CAPTACION SOLAR ......................................... 18 2.9.- PROTECCIONES, CABLEADO Y PUESTA A TIERRA ..................... 21 2.10.- MEDIDA Y CAJA GENERAL DE PROTECCIÓN ............................. 23 3.- METODOS DE DIMENSIONADO ........................................................... 25 3.1.- LOCALIZACIÓN .................................................................................... 26 3.2.-CONSUMO. .............................................................................................. 27 4.-DIMENSIONADO ....................................................................................... 29 4.1.-DESCRIPCION DEL PROCESO DE CÁLCULO ................................... 29 4.1.1.- INTRODUCCIÓN DE DATOS PVGYS .............................................. 29 4.1.2.- DIMENSIONADO DEL PROYECTO ................................................. 30 4.2.- INSTALACIÓN AISLADA ..................................................................... 33 4.2.1-DIMENSIONADO DE PANELES. ........................................................ 33 4.2.2.-DIMENSIONADO INSTALACIÓN ELÉCTRICA .............................. 35 4.3.- INSTALACIÓN CONECTADA A RED EN PLANO FIJO ................... 38 4.3.1-DIMENSIONADO DE PANELES. ........................................................ 38 4.3.2.-DIMENSIONADO INSTALACIÓN ELÉCTRICA .............................. 40 4.4.- INSTALACION CONECTADA A RED CON SEGUIDORES ............. 40 4.4.1-DIMENSIONADO DE PANELES. ........................................................ 40 4.4.2.-DIMENSIONADO INSTALACIÓN ELÉCTRICA .............................. 42 5.- ESTUDIO ECONOMICO ........................................................................... 43 5.1.1- RESUMEN DEL PRESUPUESTO AISLADA ..................................... 43 5.1.2.- COBROS ORDINARIOS...................................................................... 44 5.1.4.- SUBVENCIONES ................................................................................. 44 5.1.5.- ANALISIS DE LA INVERSIÓN .......................................................... 44 5.1.6.- UMBRAL DE RENTABILIDAD ......................................................... 45 5.2.1- RESUMEN DEL PRESUPUESTO RED PLANO FIJO ....................... 46 5.2.2.- COBROS ORDINARIOS...................................................................... 47 5.2.3.- PAGOS ORDINARIOS ........................................................................ 47 5.2.4.- SUBVENCIONES ................................................................................. 47 5.2.5.- ANALISIS DE LA INVERSIÓN .......................................................... 47 5.2.6.- UMBRAL DE RENTABILIDAD ......................................................... 48 5.3.1- RESUMEN DEL PRESUPUESTO RED CON SEGUIDORES ........... 49 5.3.2.- COBROS ORDINARIOS...................................................................... 50 5.3.3.- PAGOS ORDINARIOS ........................................................................ 50 5.3.4.- SUBVENCIONES ................................................................................. 50 5.3.5.- ANALISIS DE LA INVERSIÓN .......................................................... 50 5.3.6.- UMBRAL DE RENTABILIDAD ......................................................... 51 6.- CONCLUSIONES ....................................................................................... 53 7.- NORMATIVA ............................................................................................. 54 8.- BIBLIOGRAFIA ......................................................................................... 56 MEMORIA FIGURAS FIGURA PÁGINA 1.1.- Aspecto y situación de la parcela donde se encuentra la granja. sigpac . 1 1.2.- parcela donde se van a ubicar las placas. sigpac .................................... 3 1.3.- interior de la granja. ................................................................................ 4 2.1.- sistema fotovoltaico mixto. “U.I.Andalucia” ........................................... 5 2.2- sistemas fotovoltaicos ................................................................................ 6 2.3.- Funcionamiento de un panel fotovoltaico ................................................ 8 2.4.- Modulo de silicio monocristalino ............................................................. 8 2.5.- Modulo de silicio policristalino ................................................................ 9 2.6.- Máxima densidad de corriente alcanzable ............................................... 10 2.7.- Voc Vs espesor de célula para 2 Corrientes............................................. 11 2.8.- Tecnología del módulo FLATCON ......................................................... 12 2.9.- Comparativa de precios............................................................................ 12 2.10.- Despiece de una batería de plomo ácido ................................................ 15 2.11.- Esquema unifilar de un regulador de carga ........................................... 16 2.12.- Inversores de distintos tamaños ............................................................. 17 2.13.- Estructura fija de captación solar .......................................................... 18 2.14.- Seguidor en 1 eje .................................................................................... 19 2.15.- Comparativa de absorción solar con células de silicio ......................... 20 2.16.- Seguidor en 2 ejes. .................................................................................. 20 3.1.- El diseño y el dimensionado de un sistema fotovoltaico .......................... 25 3.2.- Parcela donde se situaran los módulos fotovoltaicos .............................. 27 3.3.- Perfil de consumo del sistema .................................................................. 27 3.4.- Tabla de consumos proporcionada por Endesa ....................................... 28 3.5.- Tabla consumos mensuales ...................................................................... 28 4.1.1- Datos obtenidos en PVgis. ...................................................................... 29 4.1.2.- Introducción de las coordenadas .......................................................... 30 4.1.3.- Pantalla principal pvsyst ....................................................................... 31 4.1.4- Pantalla de opciones del proyecto aislado ............................................. 31 4.1.5.- Perspectiva construida PVsyst .............................................................. 32 4.1.6.- Pantalla sistema pvsyst .......................................................................... 33 4.2.1- Separación entre mesas. ......................................................................... 34 4.2.2.- Perspectiva constructiva pvsyst ............................................................. 34 4.2.3.- Plano de placas en parcela ................................................................... 35 4.2.4- Tabla Resultado ...................................................................................... 36 4.2.5.- Gráfico resultado ................................................................................... 37 4.3.1- Separación entre mesas. ......................................................................... 38 4.3.2.- Perspectiva constructiva pvsyst ............................................................. 39 4.3.3.- Plano de placas en parcela ................................................................... 39 4.4.1- Separación entre mesas. ......................................................................... 41 4.4.2.- Perspectiva constructiva pvsyst ............................................................. 41 4.4.3.- Plano de placas en parcela ................................................................... 42 6.1.- Tabla resumen resultados ......................................................................... 53 Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 1 MEMORIA TÉCNICA 1.-INTRODUCCIÓN Nuestro estudio consiste en analizar el posible coste que supondría para una granja, sin acceso a toma de luz, el autoabastecerse mediante placas solares, además se estudiara dentro del mercado de la energía solar que opción sería más rentable en caso de si tener acceso a una acometida eléctrica y la posibilidad de vender la energía producida en una planta solar de dimensiones parecidas a las que serian necesarias para abastecer una granja de estas características. 1.1-objetivos El objetivo de este estudio es realizar el diseño de un sistema fotovoltaico autónomo para una granja de cerdas madres situada en el término municipal de Tarazona, en la provincia de Zaragoza. Posteriormente se realizara una comparativa de rendimientos tanto económicos como energéticos comparando dicha instalación con una de similares características conectada a red en plano fijo y conectada a red con seguidores. Fig 1.1 Aspecto y situación de la parcela donde se encuentra la granja. sigpac Adicionalmente, para justificar su colocación, se hará un estudio sobre el estado actual, tanto de la tecnología de sistemas fotovoltaicos autónomos cómo de las técnicas de dimensionado de éstos. Para concluir, se realizará una comparación con un sistema tradicional conectado al la red para valorar la viabilidad económica de la instalación y su periodo de amortización. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 8 4. CIS (Cobre Indio Galio) 5. CIGS (Cobre Indio Galio Selenio). 3. Concentración Fig2.3 Funcionamiento de un panel fotovoltaico”compromisoconelmundo.blogespot.com” Los principales tipos de paneles solares que se pueden encontrar en el mercado son: Silicio Monocristalino: Estas celdas se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio perfectamente cristalizadas en una sola pieza, de modo que los electrones se mueven con más facilidad a través de él. En laboratorios se han alcanzado rendimientos máximos del 24% para éste tipo de paneles siendo en los comercializados entre el 15 y el 20%. Son por lo tanto, los más eficientes y efectivos. Fif 2.4 Modulo de silicio monocristalino Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 9 Silicio Policristalino: Estas celdas se obtienen a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de trozos de silicio puro en moldes especiales. En los moldes, el silicio se enfría lentamente, solidificándose. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Su eficiencia (en laboratorio del 20% y en los módulos comerciales entre 13% y el 16%) en conversión de luz solar en electricidad es poco menor a las de silicio monocristalino. Fig 2.5 Modulo de silicio policristalino Fig 2.6 comparativa monocristalino policristalino Silicio Amorfo: Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad varía entre un 6 y un 8%. Por consiguiente, son sensiblemente más económicas que los de silicio cristalino. Estas celdas se obtienen mediante la deposición decapas muy delgadas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Las células amorfas son utilizadas haya donde se busca una alternativa más económica o cuando se requiere poca electricidad. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 10 Capa fina: Para reducir costes, se intenta reducir la cantidad de semiconductor utilizado, aprovechando sus propiedades. Una célula plana, sólo con capa antirreflectiva, tiene su máxima absorción cuando su espesor es de 700µm pero, con un espesor de 300µm se llega a un valor sólo un 5% por debajo (Ver figura siguiente). Este fenómeno se utiliza en las células cristalinas mencionadas en el apartado anterior. Fig 2.6. Máxima densidad de corriente alcanzable (Maximum achievable current density (MACD)) por una célula plana con capa antirreflectiva en función de su espesor “revista photon” La reducción del espesor de las células hace también reducirse la velocidad de recombinación dentro de la célula solar, lo que es una ventaja ya que el Voc de la célula y el FF mejoran (ver figura siguiente). Esta reducción es tal que, mientras una célula cristalina tradicional suele estar alrededor de las 400 µm, una célula de silicio amorfo es de 40 µm y, con el teluro de cadmio se llega a 4 µm. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 11 Fig.2.7. Voc Vs espesor de célula para 2 Corriente máxima generable por una célula plana con capa antirreflectiva, en función del espesor de la célula, para grandes y pequeñas velocidades de recombinación “revista photon” Pero, no todo es bueno al reducir el espesor, como ya se adelantó antes, la corriente fotogenerada es mucho menor que con espesores mayores, por lo tanto, es necesario diseñar la cara frontal de la célula de manera que sea capaz de “atrapar” la mayor cantidad de luz posible, funcionando así como si la célula tuviese un espesor mayor. El principal problema que se ha encontrado al utilizar silicio amorfo para fabricar células de capa fina es la baja eficiencia de los módulos. Para mejorar esto se han desarrollado células con otros materiales semiconductores más eficientes. Todos se basan en el mismo proceso, depositar una capa fina de semiconductor sobre un soporte barato, pero al ser materiales distintos ó, en el caso del silicio microcristalino, otro estado del silicio, tienen distintas propiedades y se pueden comportar también de forma distinta. Otro problema que se ha encontrado es el efecto denominado “Staebler– Wronski”, por el cual, la célula puede perder hasta un 30% de su eficiencia en las primeras 1000 h de exposición solar (para silicio amorfo). Se ha estudiado este efecto y, se han mejorado los procesos para reducir sus efectos lo máximo posible, sin embargo, sigue dando que pensar sobre la durabilidad de estos módulos. Concentración: En este caso, también se trata de reducir la cantidad de material semiconductor utilizado. Pero, en vez de reducir el espesor de las células, se reduce su tamaño, Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 12 sustituyendo esa falta de material semiconductor por un sistema óptico que concentre la luz en una célula más pequeña. Fig 2.8. Tecnología del módulo FLATCON “compañía Concentrix” En función del nivel de concentración conseguido, la célula podrá ser hasta 1000 veces más pequeña que si no se utilizase un sistema óptico. De este modo, se pueden utilizar células más eficientes, por ejemplo, las que se utilizan en los satélites, con eficiencias cercanas al 40% que, al ensamblarse en un módulo pueden dar una eficiencia de módulo del 27% (módulo FLATCON de Concentrix,). El mayor problema de esta tecnología es que, al utilizar un sistema óptico, sólo aprovecha la componente directa de la radiación, por lo que requiere de un sistema de seguimiento, más o menos preciso, en función de la aceptancia angular de dicho sistema. Debido a esto, su aplicación más común es en grandes centrales, ya que estos sistemas necesitan de cierto mantenimiento cualificado. Comparativas de precios: En el número de septiembre de 2009, la revista PHOTON, realiza un estudio de la evolución los precios de los módulos de distintas tecnologías en el mercado alemán desde febrero a julio de 2009 Fig 2.9.Comparativa de precios “revista photon” Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 13 Además, de una tendencia descendente de los precios, se observa que, con las tecnologías de capa fina cuesta en torno a unos 40 céntimos menos el Wp. De hecho, con estos precios, no se justifica la existencia de los módulos de silicio policristalino, ya que son más caros y menos eficientes que los de silicio monocristalino. Los que si se justifican, sobretodo, son los de teluro de cadmio, que no son los más baratos (el silicio amorfo es ligeramente más barato) pero están cerca y con el doble de eficiencia que estos. 2.5. El acumulador (baterías) Los acumuladores desempeñan tres funciones en los sistemas FV autónomos: · Autonomía: satisfacen los requerimientos de consumo en cualquier momento incluidos periodos de nula (noche) o muy baja (días nublados) insolación. · Suministro de picos de intensidad: cuando sean necesarias corrientes mayores de las que puede suministrar el generador FV, especialmente para arrancar motores y otros equipos con picos de arranque · Estabilización del voltaje: evitando fluctuaciones dañinas para el correcto funcionamiento de los equipos de consumo. Hay muchos tipos de baterías que podrían ser utilizadas en sistemas fotovoltaicos autónomos: Plomo ácido, nickel-cadmio, bromuro de zinc, cloruro de zinc, magnesiolitio, sodio-azufre, nickel-hidrógeno y baterías de flujo redox. En la actualidad, las baterías más utilizadas son las de plomo-ácido debido a su bajo coste. Dentro de las baterías de plomo ácido existen varios tipos: · De arranque: Usadas en los coches. Su defecto es que no tienen una alta eficiencia de carga. · Baterías de tracción: Usadas en carretillas elevadoras. Su defecto es que necesitan un alto mantenimiento, rellenar constantemente de agua. · Baterías estacionarias: Son las apropiadas para un sistema fotovoltaico autónomo. Dentro de las baterías estacionarias también existen distintos desarrollos que mejoran ciertas características. Hay dos tipos fundamentales de baterías de plomo-ácido estacionarias: - Plomo-ácido líquido (abiertas). Se les debe añadir agua destilada periódicamente. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 14 - Baterías de gel selladas VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Son mucho más robustas que las de plomo-ácido líquidas, no precisan mantenimiento (no hay que rellenar el electrolito), necesitan menos energía para ser recargadas, permiten más profundidad de descarga, son más transportables, etc. También son más caras. Además, hay que tener en cuenta que no se puede superar su tensión de carga porque da lugar a la gasificación, actúa la válvula de seguridad, se secan y se deterioran. Los ciclos de carga y descarga de las baterías se repiten diariamente. En muchos sistemas fotovoltaicos la profundidad de descarga diaria suele ser del 5 al 15%. Cuando hay varios días nublados la profundidad de descarga aumenta, por lo que hay que diseñar la batería para que no se alcance la profundidad de descarga máxima. Las baterías para uso fotovoltaico son de ciclo profundo. Los ciclos continuos de trabajo (carga y descarga) de una batería hacen que ésta pierda capacidad con el tiempo, debido a que se va perdiendo material activo. Se llega a la muerte de la batería cuando la capacidad se ha reducido al 80% de la nominal. Cuanto menor sea el régimen de descarga (número de horas en las que se descarga la batería), más rápidamente pierde la batería su capacidad. Una buena batería, para un sistema fotovoltaico autónomo, tiene que cumplir los siguientes requisitos: · Larga vida · Muy poca autodescarga · Soportar largos períodos en baja carga sin estropearse · Alta eficiencia de carga (devolver prácticamente toda la energía que se le aplica. · Bajo coste · Bajo mantenimiento Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 15 Fig 2.10 Despiece de una batería de plomo ácido 2.6-El regulador Es uno de los componentes más baratos dentro de un sistema fotovoltaico autónomo pero, de su elección, depende la fiabilidad a largo plazo del sistema y los costes de mantenimiento. En el proceso de carga de la batería, como la tensión que puede proporcionar el panel es mayor que la que presenta la batería a plena carga, si no se controla el proceso de carga, se pueden dar sobrecargas de la batería. El regulador de carga sirve para evitar dichas sobrecargas. Este dispositivo controla el valor de la corriente inyectada en la batería. Si no se evita la sobrecarga de las baterías, se produce gasificación y calentamiento, dando lugar a una disminución de su vida útil. También evita las sobredescargas, que igualmente disminuyen la vida útil de la batería. Un regulador funciona generalmente por control de la tensión (relacionada con el estado de carga) en los terminales de la batería. Los métodos usados para controlar la tensión en la batería son el regulador serie (cortando el suministro mediante circuito abierto) y el regulador paralelo (disipando la corriente generada por el generador mediante un dispositivo electrónico). Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 16 El regulador a utilizar depende del tipo de batería, sin embargo, cómo ya se adelantó en el apartado anterior, casi todas las baterías utilizadas son de plomo ácido. Fig 2.11. Esquema unifilar de un regulador de carga En nuestro caso el regulador da la señal eléctrica al generador para que este se ponga en marcha en caso de que las baterías estén por debajo del umbral limite de descarga y los módulos no sean capaces se suministrar la energía suficiente para abastecer la necesidades puntuales de consumo. En este momento el regulador corta la corriente que va al inversor y enciende el generador, el generador inyecta corriente trifásica aguas abajo del inversor hasta que el regulador detecta que ya hay carga suficiente en las baterías o que los paneles son capaces de abastecer la demanda, entonces para el generador de gasolina y vuelve a suministrar corriente al inversor proveniente de las baterías o paneles. Al llegar la corriente proveniente del generador de gasolina un relé mueve un conmutador que corta la corriente proveniente del inversor y da paso a la corriente del generador de gasolina. 2.7. El inversor Su misión es convertir la corriente continua generada por los paneles ó almacenada en la batería en corriente alterna. Existen gran cantidad de tipos, pero a la hora del diseño de una instalación, lo importante es que tenga una buena eficiencia y se adapte a la potencia de nuestra instalación y el rango de tensiones. En la actualidad, debido al desarrollo de los microprocesadores y de las comunicaciones móviles, se puede monitorizar de manera remota los parámetros de generación eléctrica de la instalación fotovoltaica. En el mercado existen inversores monofásicos y trifásicos. La frecuencia de la tensión de salida es de 50Hz (en Europa y algunos países de América) o de 60Hz (en Estados Unidos y otros países). En sistemas autónomos, lo normal, es que estén Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 17 conectados a la batería (a través del regulador), aunque los hay que pueden conectarse directamente al generador fotovoltaico. Las principales características de un inversor son: - Tensiones nominales de entrada y salida. - Potencia máxima que puede proporcionar indefinidamente. - Eficiencia (que varía con la potencia). Hay ciertas cualidades que deben cumplir los inversores: - Estabilidad de voltaje: La tensión de salida debe ser lo más estable posible, independientemente de la carga y la tensión de entrada. - Eficiencia: Debe ser lo más elevada posible, para todo el rango de potencias de salida. - Baja distorsión armónica. - Capacidad para resistir potencia punta. - Elevado rango de temperaturas de trabajo: suelen estar entre -5 y 40º. - Posibilidad de ser combinado en paralelo (por si se quisiera ampliar la instalación). - Arranque y desconexión automáticos (al detectar carga o la ausencia de ella). - Señalización adecuada: alarma ante cortocircuitos y otros posibles fallos. - Seguridad: deben llevar protección contra cortocircuitos, sobrecargas e inversión de polaridad. Fig 2.12. Inversores de distintos tamaños Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 24 Las características del equipo de medida de salida serán tales que la intensidad correspondiente a la potencia nominal de la instalación fotovoltaica se encuentre entre el 45% de la intensidad nominal y la intensidad máxima de precisión de dicho equipo. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 25 3. MÉTODOS DE DIMENSIONADO En los últimos años han proliferado gran cantidad de aplicaciones informáticas capaces de realizar los cálculos necesarios para el dimensionado de sistemas fotovoltaicos. Estos programan realizan cálculos que permiten tener en cuenta muchas situaciones que, para un ingeniero proyectista, serían muy difíciles de considerar, ya que requieren de mucho tiempo. Fig 3.1. El diseño y el dimensionado de un sistema fotovoltaico Los métodos de dimensionado tienen en común un objetivo, diseñar el sistema con la mayor fiabilidad y el menor coste, modificando los valores de tamaño del generador fotovoltaico y del acumulador. Sin embargo, habrá aplicaciones en las que se busque más fiabilidad aunque se aumente el coste de la instalación, por ejemplo, sistemas de comunicaciones y, otras que requieran de menor fiabilidad, como algunas aplicaciones domésticas. En nuestro caso el dimensionado se realizará con el programa PVsyst que actualmente es el más avanzado y completo que existe en el campo del diseño de instalaciones fotovoltaicas. Como base de datos climatológica y de radiación solar usaremos la base PVgis de libre acceso en Internet. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 26 3.1-Localización El sistema se instalara en una parcela aneja a la granja propiedad del ganadero que hasta ahora solo se usaba para almacenar escombros y aperos viejos. Término municipal: Tarazona (Zaragoza) Polígono: nº 30 Sigpac: provincia 50; municipio 254; polígono 30: parcelas 10-4 Parcela: nº 3-4-755 Superficie: 4 - 1005.84 m 2 3- 478.87 m 2 755- 167.42 m 2 Coordenadas U.T.M.: X = 604.982m Y = 4639.583m Z = 550 Clasificación del terreno: rustico Linderos de la parcela: Norte: parcela 6 Sur: parcela 5 Este: parcela 701 Oeste: parcela 10 Sombras: Sur: no hay sombras por tratarse de un terraplén con un desnivel de 3 metros Este: no hay sombras por tratarse de una zona elevada respecto al este Oeste: hay sombras debido a la nave de la granja de 5 metros de altura situada a 15 metros de la ubicación de los paneles fotovoltaicos Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 27 Parcela afectada Fig 3.2. Parcela donde se situaran los módulos fotovoltaicos 3.2-Consumo Se ha realizado un estudio del consumo que tendrá que abastecer la instalación. Los equipos eléctricos que se encuentran en la granja son los siguientes, con sus respectivos consumos. elemento numero potencia w p. pico w horas total/dia Wh total/mes Wh placas 81 40 85 24 77760 2332800 bombillas 33 100 100 3 9900 297000 fluorescentes 2 120 120 5 1200 36000 neveras 2 60 150 24 2880 86400 motor silo 1 3500 3500 1 3500 105000 3955 95240 2857200 Fig 3.3. Perfil de consumo del sistema Dado que la granja ya esta construida y sabemos perfectamente los consumos que tenemos debido a que poseemos las facturas de la luz por periodo de un año, no será necesario recurrir a esta tabla para conocer los consumos sino al recibo de la luz adjunto en los anejos el cual nos proporciona una fiabilidad y precisión absolutas. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 28 Fig 3.4.Tabla de consumos proporcionada por Endesa En este grafico de la figura 3.3 ha sido extraído de la factura de la luz de la propia granja se ve detalladamente el consumo de la granja durante todo un año. Durante los meses de diciembre y enero debido a un fallo en la facturación de la compañía eléctrica no figuran los consumos, pero dada la similitud climatológica de estos meses con el mes de febrero se estima un consumo igual en diciembre, enero y febrero “2776 kWh” mes consumo kWh enero 2776 febrero 2776 marzo 2313 abril 2776 mayo 2490 junio 2572 julio 1678 agosto 2127 septiembre 1978 octubre 2119 noviembre 1705 diciembre 2776 MEDIA 2340,5 Fig 3.5. Tabla consumos mensuales Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 29 4.-DIMENSIONADO Los cálculos se han realizado para 3 supuestos tipos de instalación, para posteriormente analizar la viabilidad económica de los distintos supuestos, por lo tanto se ha calculado todos los parámetros como si se tratase de 3 proyectos distintos: 1- Instalación aislada con baterías y generador (Anexo 1) 2- Instalación conectada a red en plano fijo (Anexo 2) 3- Instalación conectada a red con seguidores en 2 ejes (Anexo 3) 4.1.- descripción del proceso de cálculo En este apartado vamos a describir brevemente el proceso de cálculo seguido en las distintas instalaciones, el proceso detallado en cada una de ellas se encuentra en los correspondientes anejos. 4.1.1- introducción de datos pvgis El programa PVSYST dispone, de los datos de radiación de un gran número de ciudades, sin embargo, Tarazona no es una de ellas. La otra opción que permite es introducir desde alguna base de datos externa, ya sea de forma manual ó automática estos datos. Fig 4.1.1. Datos obtenidos en PVgis Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 30 A continuación se introducirán los datos climatológicos. En el programa ya hay una opción que nos permite importar los datos directamente desde la base de datos de PVsist Fig 4.1.2. Introducción de las coordenadas 4.1.2-Dimensionado del proyecto Una vez hecho esto, se puede comenzar con el dimensionado, para ello, desde la pantalla principal y, para comenzar se elegirá “diseño del proyecto” y el tipo de instalación que queramos dimensionar. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 31 Fig 4.1.3. Pantalla principal pvsyst Una vez elegido el proyecto pasamos a definir los diversos parámetros de nuestro proyecto. Fig 4.1.4. Pantalla de opciones del proyecto aislado Cálculo del número de paneles fotovoltaicos necesarios Para realizar el cálculo del número de paneles fotovoltaicos necesarios hay que seguir la siguiente expresión. Esto es un pre dimensionado manual antes de introducir Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 32 los datos en el programa PVSYST A la hora de realizar los cálculos se realiza con los datos del mes más desfavorable en este caso Diciembre: Cálculo de baterías En este apartado, se realizará el cálculo de acumuladores necesario en nuestra instalación. Para ello se necesitan saber el número de días de autonomía, que por lo general son 3 días, el consumo diario en Ah, y la profundidad de descarga, que generalmente es de 70%. Perspectiva Una vez tenemos todos los datos definiremos la perspectiva constructiva y definiremos los posibles objetos que puedan sombrear nuestra instalación Fig 4.1.5.Perspectiva construida PVsyst Definición de los elementos del sistema Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 33 Para definir el sistema tenemos que tener claros todos los elementos del sistema y sus aspectos tanto técnicos como económicos, una vez tengamos esto claro definiremos la marca y modelo de todos los elementos de la instalación en el programa. Fig 4.1.6. Pantalla sistema pvsyst Obtención de resultados Una vez definida toda la instalación e introducidos todos los datos procederemos a ejecutar la simulación y la obtención de resultados de dicha simulación. Una vez obtenidos los resultados procederemos a valorarlos. 4.2.- Instalación aislada Primero se calculará una instalación totalmente aislada, dimensionada para abastecer plenamente la granja sin riesgo de pérdidas de suministro. 4.2.1.- Dimensionado de paneles Los paneles se distribuirán en mesas de 16 paneles cada una, separadas entre ellas a una distancia de 6.01m desde la punta superior de una hasta la base de la otra, como se especifica en el dibujo. Esta separación es debida a la inclinación optima en el mes más desfavorable (diciembre) y el ángulo de posición del sol el día que más bajo esta del año (24 grados). Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 40 4.3.2.- Dimensionado instalación eléctrica Para que nuestra instalación se asemeje lo máximo posible a la usada en aislada y dados los requerimientos del inversor para poder inyectar a red, serán necesarios 126 paneles fotovoltaicos distribuidos 21 en serie y 6 en paralelo y un inversor de rango 430-760 voltios apto para inyección a red. La inclinación de los paneles será de 55º la cual es la inclinación óptima durante los meses de invierno que es cuando más energía se requiere y menos aporta el sol. El acimut será de 0º y la potencia nominal total de 26 kWp, la tensión proporcionada por los paneles será de 534V y la energía total producida por el sistema será de 29.41 MWh/año. Todos los datos de nuestra instalación vienen especificados en el anejo 2 de instalación conectada a red en plano fijo. En la simulación observamos que hay perdidas por sombreado están dentro del rango asumible 6.8%, y que el resto de pérdidas son las normales para este tipo de instalaciones. Nuestra instalación suministra a la red un total de 29,41 MWh/año observándose un pico de producción durante los meses de verano a pesar de que el ángulo esta optimizado para los meses de invierno, lo que nos anima a realizar una nueva simulación con seguidores para tratar de sacar el máximo rendimiento posible a la instalación y así poder realizar una nueva comparativa para buscar la solución óptima. 4.4.- Instalación conectada a red con seguidores en 2 ejes Este tipo instalación se calcula totalmente ajena a las necesidades de la granja, su único fin es valorar la rentabilidad respecto a las instalaciones aisladas, la granja se abastecerá de la red de manera independiente a la central solar, y esta inyectara su energía a la red sin pasar por la granja, solo se tendrá en cuenta el dimensionado del número de paneles y distribución de la aislada para valorar adecuadamente las diferencias de rentabilidad entre un tipo de instalación y otro. 4.4.1.-Dimensionado de paneles Los paneles se distribuirán en mesas de 16 paneles cada una estas mesas serán móviles en 2 ejes, norte-sur y este-oeste, separadas entre ellas a una distancia de 6.01m desde la punta superior de una hasta la base de la otra como se especifica en el dibujo. Esta separación es debida a la inclinación optima en el mes más desfavorable y el ángulo de posición del sol el día que más bajo esta del año. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 41 Fig 4.4.1. Separación entre mesas Así pues colocaremos un total de 126 módulos situados en 8 mesas de 16 paneles cada una y una con 14 paneles con una distribución como se especifica en el dibujo. Fig 4.4.2. Perspectiva constructiva Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 42 Fig 4.4.3. Plano de placas en parcela 4.4.2.- Dimensionado instalación eléctrica Elementos de la instalación Módulos fotovoltaicos: trinasolar TSM 210 D05 Inversor: Santerno, SUNWAY TG 35-ES - 800V 27kw Instalación Para que nuestra instalación se asemeje lo máximo posible a la usada en aislada y dados los requerimientos del inversor para poder inyectar a red, serán necesarios 126 paneles fotovoltaicos distribuidos 21 en serie y 6 en paralelo y un inversor de rango 430-760 voltios apto para inyección a red. La inclinación de los paneles será variable debido a los movimientos de os seguidores. El acimut también variara según la posición del sol, la potencia nominal total de 26 kWp, la tensión proporcionada por los paneles será de 534V y la energía total producida por el sistema será de 40.4 MWh/año. Todos los datos de nuestra instalación vienen especificados en el anejo 3 de instalación conectada a red con seguidores. En la simulación observamos que as perdidas por sombreado están dentro del rango asumible 8.5%, y que el resto de pérdidas son las normales para este tipo de instalaciones. Nuestra instalación suministra a la red un total de 40.04 MWh/año observándose un pico de producción durante los meses de verano muy acentuado. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 43 5.- ESTUDIO ECONÓMICO En el estudio económico se busca analizar la viabilidad de nuestra instalación y cuál de las posibles alternativas sería más rentable, así como estudiar a qué precio debería estar el kWh para que nuestra inversión resultara rentable. 5.1.- Resumen del presupuesto instalación aislada A continuación se muestra el resumen del presupuesto desglosado en capítulos, correspondiente al volumen de obra total del proyecto aislado: Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 44 5.1.2- Cobros ordinarios El coste anual que nos supone estar conectados a la red eléctrica sin contar los impuestos es de 3833,14 €. Con el 21% de iva nos asciende a un total de 4638,1€ Este coste lo interpretaremos como ingresos a la hora de realizar el estudio de viabilidad económica puesto que es el dinero que deberíamos pagar en caso de estar conectados a la red. 5.1.3- Pagos ordinarios Los pagos ordinarios serán las tareas de mantenimiento regular e inspecciones habituales en este tipo de instalaciones así como el gasoil empleado en el generador supletorio necesario en caso de descarga de las baterías. Los pagos ordinarios aproximados ordinarios son de 3168,27 €/año. 5.1.4- Subvenciones Según la ORDEN de 14 de diciembre de 2011, del Departamento de Economía y Empleo, por la que se aprueban las bases reguladoras y se convocan para el ejercicio 2011, subvenciones para el uso eficiente de la energía y aprovechamiento de energías renovables. Esta subvención puede ascender hasta un 20% de la inversión El total de la subvención asciende a 19.574,514 € 5.1.5.- Análisis de la inversión La ejecución del proyecto requiere una inversión de 118.425,81 € teniendo en cuenta el beneficio industrial y los gastos generales y considerando el I.V.A. Para la financiación del proyecto, el promotor solicitará un préstamo a una entidad financiera por un importe de 50.000 € al 5% de interés anual y plazo de amortización de 10 años. Este préstamo corresponde al 42 % de la inversión. Además recibe para la ejecución de la obra una subvención del 20 % del valor inicial 19.575 € En el Anejo 5 de viabilidad económica, se ha realizado un análisis mediante los criterios del Valor Actual Neto (V.A.N.) y la Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.), obteniendo los siguientes resultados: Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 45 Los resultados obtenidos en el análisis de la inversión de nuestro proyecto son los siguientes: V.A.N .: 43.613 € T.I.R.: ------- PayBack: ------- Con estos resultados se puede concluir que la inversión del proyecto no es viable, puesto que el V.A.N. es positivo, pero no es rentable debido a que el T.I.R. es inferior al tipo de interés e incluso negativo, al no ser rentable no obtenemos ni TIR ni Pay Back. Esto demuestra que en caso de tener cerca una toma eléctrica es mucho más rentable suministrarse de la red eléctrica que montarse la instalación aislada para autoabastecerse, este estudio también indica lo que puede suponer de sobrecoste a una granja el establecerse lejos de una toma de corriente de la red general. 5.1.6.- Umbral de rentabilidad El umbral de rentabilidad nos marca el precio al que debería estar el kwh para que nos resultara más rentable tener una instalación aislada que tomarla de la red. consumo kwh precio kwh total € 26032 0,4 10500 Y obtendríamos: TIR 4% VAN 95.211€ Para que nuestra instalación sea rentable el precio del kWh suministrado por la compañía debería ser de 0.4 euros. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 46 5.2.1- Resumen del presupuesto instalación conectada a red en plano fijp A continuación se muestra el resumen del presupuesto desglosado en capítulos, correspondiente al volumen de obra total del proyecto conectado a red en plano fijo: Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 47 5.2.2- Cobros ordinarios Nuestra instalación es una instalación del tipo II puesto que está situada en el suelo y no en la cubierta de una nave. Los valores de las tarifas que serán de aplicación para la convocatoria del primer trimestre de 2012 son según el artículo 4 del Real Decreto-ley 1/2012, de 27 de enero, queda suspendido el procedimiento de inscripción en el Registro de preasignación previsto en el artículo 4.1 del Real Decreto 1578/2008, de 26 de septiembre, de las solicitudes de instalaciones de tecnología fotovoltaica que hubieran sido presentadas a las convocatorias correspondientes a 2012: Así pues asignaremos una retribución por Kwh de 0.121716 €/Kwh kwh precio €/kwh total€ 29410 0,121716 3579,66756 El total de cobros ordinarios asciende a 3579,67 €/año 5.2.2- Pagos ordinarios Los pagos ordinarios serán las tareas de mantenimiento regular e inspecciones habituales en este tipo de instalaciones. Los pagos ordinarios aproximados ordinarios son de 330 €/año. 5.2.3- Subvenciones Según la ORDEN de 14 de diciembre de 2011, del Departamento de Economía y Empleo, por la que se aprueban las bases reguladoras y se convocan para el ejercicio 2011, subvenciones para el uso eficiente de la energía y aprovechamiento de energías renovables. Esta subvención puede ascender hasta un 20% de la inversión El total de la subvención asciende a 15.149,766 € 5.2.4.- Análisis de la inversión La ejecución del proyecto requiere una inversión de 91.656,08 € teniendo en cuenta el beneficio industrial y los gastos generales y considerando el I.V.A. Para la financiación del proyecto, el promotor solicitará un préstamo a una entidad financiera por un importe de 50.000 € al 5% de interés anual y plazo de amortización de 10 años. Este préstamo corresponde al 54 % de la inversión. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 48 Además recibe para la ejecución de la obra una subvención del 20 % del valor inicial 15.149,766 € En el Anejo 4 de viabilidad económica, se ha realizado un análisis mediante los criterios del Valor Actual Neto (V.A.N.) y la Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.), obteniendo los siguientes resultados: Los resultados obtenidos en el análisis de la inversión de nuestro proyecto son los siguientes: V.A.N .: 59.123 € T.I.R.: ------ PayBack: ------- Con estos resultados se puede concluir que la inversión del proyecto no es viable, puesto que el V.A.N. es positivo, pero no es rentable debido a que el T.I.R. es inferior al tipo de interés e incluso negativo. Esto demuestra que una vez eliminadas las subvenciones del gobierno y para una instalación tan pequeña como la que es objeto de nuestro proyecto la inversión no resulta rentable, pero si más rentable que la instalación aislada la cual era mucho más costosa por la necesidad de acumuladores y generador auxiliar y el rendimiento era menor debido al no aprovechamiento de mucha de la energía generada durante los meses de verano. 5.2.5.- Umbral de rentabilidad El umbral de rentabilidad nos marca el precio al que debería estar el kwh para que nos resultara rentable tener una instalación solar fotovoltaica en plano fijo. kwh generados precio kwh total € 29410 0,2 6000 TIR 4% VAN 77.146€ Para que nuestra instalación sea rentable el precio del kWh pagado por la compañía debería ser de 0.2 euros. Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 49 5.3.- Resumen presupuesto instalación conectada a red con seguidores en 2 ejes A continuación se muestra el resumen del presupuesto desglosado en capítulos, correspondiente al volumen de obra total del proyecto conectado a red en plano fijo: Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 56 8.- BIBLIOGRAFIA LUQUE, Antonio. “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”. 2ªedicion.. Editorial John Wiley & Sons. United Kingdom. 2011 M. Castro, J. Carpio, R. Guirado, A. Colmenar, L. Dávila, “Energía Solar Fotovoltaica”, Editorial Progensa, 2000 AGUIRRE DE JUANA, Javier. GARCIA RAMOS, Javier. Apuntes asignatura Electrificación y mecanización agraria. PERNA MUR, Ernesto. Apuntes asignatura Ingeniería rural DIAZ VILLAR, Pablo. “Confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos: aplicación a la electrificación rural”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 2003 Referencias Web: www.asif.org: Portal de la Asociación de la industria fotovoltaica. www.idae.es: Portal del Instituto para la diversificación y el ahorro de la energía. www.trinasolar.com : Fabricante de paneles fotovoltaicos. www.mecasolar.com instalador de centrales solares. www.sunway.eu/es/ Fabricante de inversores para instalaciones solares. www.photon.com.es www.censolar.es www.endesa.es Estudio de una planta solar fotovoltaica para abastecer una granja de cerdas madres, y sus posibles alternativas 57 www.minetur.gob.es : Ministerio de industria energía y turismo compromisoconelmundo.blogespot.com http://ocw.unia.es/ciencias-de-la-ingenieria/diseno-de-sistemas- fotovoltaicos/materiales-de-estudio-1/tema1/skinless_view www.cenitsolar.com/fotovoltaica_red_marco.php http://www.coitiab.es/reglamentos/electricidad/reglamentos/itc_bt/itc_bt.htm http://aa.usno.navy.mil/cgi-bin/aa_altazw.pl Softwares utilizados: - PV GIS (Base de datos. Recurso solar) - PV Syst (simulación de la producción de la planta)