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Universidad de Zaragoza Centro Politécnico Superior Ingeniería Industrial Departamento de Ingeniería Eléctrica DESARROLLO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA CUBRIR LAS NECESIDADES BÁSICAS EN ZONAS EN VÍAS DE DESARROLLO Autor: Paula Martínez Benito Director: Rodolfo Dufo López Ponente: Ghassan Zubi Septiembre de 2010 DESARROLLO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO PARA CUBRIR LAS NECESIDADES BÁSICAS EN ZONAS EN VÍAS DE DESARROLLO RESUMEN El proyecto consiste en desarrollar un sistema fotovoltaico autónomo puramente solar que produzca suficiente energía para cubrir las necesidades básicas de un hogar en un país en vías de desarrollo, en aquellas zonas donde no tienen acceso a la red eléctrica. Se considerarán necesidades básicas las siguientes: luz, frigorífico, olla de bajo consumo, televisión y otros dispositivos de consumo menor (como la radio, cargadores de móvil o MP3, etc.). Estos mejorarían la calidad de vida de los usuarios de forma considerable. El objetivo es producir energía de forma asequible, porque el acceso a la electricidad barata o competitiva es la clave para el desarrollo de un país. En primer lugar se determinan los posibles mercados de la instalación en base a las condiciones solares (la aplicación requiere una fluctuación solar relativamente moderada a lo largo del año, ya que se trata de un sistema puramente solar) y las necesidades locales (habitantes sin acceso a la red eléctrica). Se fijan los componentes de la instalación, tanto los de generación como los de consumo, de manera que la instalación aumente considerablemente la calidad de vida, minimizando en lo posible los costes de inversión. El sistema de generación constará de un generador fotovoltaico, un regulador de carga, un acumulador y un inversor. El dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos y la batería consiste en hallar un equilibrio entre mantener un coste bajo y minimizar las caídas de carga. 1 TABLA DE CONTENIDOS 1. Introducción……………………………………………………………………………………… 3 1.1 Las energías renovables………………………………………………………………………. 3 1.2 Características de la energía solar fotovoltaica……………………………………………….. 3 2. Índice de Desarrollo Humano…………………………………………………………………… 6 3. Índice de acceso a la electricidad………………………………………………………………... 7 4. Producto Interior Bruto………………………………………………………………................. 8 5. Irradiación solar……………………………………………………………………….................. 8 6. Electrodomésticos y definición del consumo diario…………………………………................. 10 6.1 Consejos de utilización…………………………………………………………………........... 11 6.2 Consumo diario……………………………………………………………………………….. 11 7. Sistema fotovoltaico……………………………………………………………………………… 13 7.1. Subsistema de captación……………………………………………………………………... 14 7.1.1 Fabricantes descartados…………………………………………………………………... 16 7.1.2 Otras opciones……………………………………………………………………………. 18 7.2. Subsistema de almacenamiento……………………………………………………................. 19 7.3. Subsistema de regulación……………………………………………………………………... 21 7.4. Subsistema de adaptación de corriente……………………………………………………….. 22 8. Dimensionamiento según la latitud……………………………………………………………... 24 9. Dimensionamiento según la latitud (HOGA)…………………………………………………... 30 9.1. Descripción de HOGA………………………………………………………………………... 30 9.1.1 Consumo………………………………………………………………………………….. 33 9.1.2 Irradiación……………………………………………………………………………........ 33 9.1.3 Paneles fotovoltaicos……………………………………………………………………... 34 9.1.4 Baterías………………………………………………………………………………........ 35 9.1.5 Inversores……………………………………………………………………………......... 36 9.1.6 Equipos auxiliares………………………………………………………………………… 36 9.2. Dimensionamiento de la instalación………………………………………………………….. 37 10. Costes…………………………………………………………………………………................. 41 10.1 Paneles fotovoltaicos………………………………………………………………………… 41 10.2 Baterías…………………………………………………………………………………......... 42 10.3 Regulador de carga…………………………………………………………………………... 42 10.4 Inversor………………………………………………………………………………………. 42 10.5 Modo de compra……………………………………………………………………………... 42 11. Conclusiones…………………………………………………………………………………….. 43 12. Índice de anexos………………………………………………………………………………… 44 13. Referencias bibliográficas............................................................................................................ 76 2 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Las energías renovables La preocupación por contener de manera racional el consumo de las principales materias primas energéticas cuyas reservas conocidas son relativamente limitadas, y la reducción de la dependencia energética respecto del exterior, se han convertido en prioridades de la política energética, sobre todo en países que poseen escasos recursos de este tipo. La tecnología de las energías renovables se desarrolló como consecuencia de la urgencia de potenciar el uso de recursos energéticos propios y de diversificar los recursos (materias primas) utilizados. Más recientemente, la creciente preocupación por el deterioro del medio ambiente, el cambio climático debido al efecto invernadero (generado sobre todo por las emisiones de 2 CO de las combustiones de combustibles fósiles), y el peligro de la energía nuclear de fisión, impulsó todavía más el desarrollo de estas tecnologías. Las energías renovables no presentan problemas de agotamiento de las reservas y el impacto sobre el medio ambiente es menor que con las energías tradicionales, aunque no nulo. Pese a todo, la mayor parte de la energía consumida mundialmente es no renovable. 1.2 Características de la energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica presenta unas características que la hacen una de las energías renovables más atractivas. - No necesita suministro exterior (combustible) y es inagotable a escala humana. - No es contaminante. - No necesita agua para la generación de electricidad. - Ocupación de espacio. No se necesitan grandes cantidades de terreno, aunque se deben evitar las sombras. - El impacto visual es mínimo. - Silencioso. - Aplicación universal (llega a todas partes): esta característica es muy importante, ya que una elevada proporción de la población mundial sigue sin disfrutar de la electricidad. Las instalaciones fotovoltaicas autónomas son fiables y relativamente fáciles de instalar y mantener. El inconveniente está en los elevados precios, aunque económicamente suele ser más rentable que instalar una línea eléctrica. 3 El objetivo del proyecto es el estudio de la posibilidad de proveer energía eléctrica a hogares en zonas en vías de desarrollo sin acceso a la red, mejorando la calidad de vida y favoreciendo al desarrollo, ya que sin energía eléctrica las personas ocupan su tiempo en tareas exhaustivas como recoger leña y transportar agua. Al utilizar la electricidad, sin embargo, podrían realizan actividades que mejoraran su economía y desarrollo. El proyecto surge con la idea de entregarles una copia a Ingenieros Sin Fronteras por si les es útil. Para determinar los potenciales mercados de la instalación se toma como parámetros el Índice de Desarrollo Humano (IDH), el acceso a la red eléctrica, el Producto Interior Bruto de cada país y la radiación solar. Inicialmente, se realiza un análisis del Índice de Desarrollo Humano (IDH). Una vez que se han clasificado los países mediante su IDH, se obtienen datos del índice de acceso a la electricidad de cada país, obteniendo así el número de habitantes con acceso a la red eléctrica. Esto estará relacionado con el IDH, ya que probablemente cuanto menor sea el IDH habrá una mayor cantidad de habitantes sin acceso a la red eléctrica. Es importante conocer el Producto Interior Bruto (PIB) de cada país, para saber de esta forma, si sus habitantes podrían permitirse abonar el coste de la instalación. Aunque cabe mencionar que este parámetro no deja de ser macroeconómico. Mediante los anteriores datos se conocen aquellos países donde la fotovoltaica aislada supone una solución para suministrar energía eléctrica y en qué medida es asequible esta alternativa. Posteriormente, se determinan las zonas con menores fluctuaciones solares anuales, ya que este criterio permite poner instalaciones puramente solares sin tener que sobredimensionarlas a niveles que aumenten excesivamente su coste. Se debe tener en cuenta que, al tratarse de una instalación fotovoltaica autónoma, la irradiación solar debe ser relativamente constante a lo largo del año, de otra forma, habría que sobredimensionar mucho la instalación y los costes aumentarían. Es decir, se busca una curva de irradiación solar prácticamente plana a lo largo del año. Mediante el análisis de los anteriores parámetros quedan definidos los potenciales mercados para este proyecto. 4 El siguiente paso es definir los electrodomésticos que habrá en la vivienda y su consumo diario, que variará según la época del año. La instalación se compone de varios dispositivos ya estandarizados y comercializados. Se debe seleccionar la combinación adecuada de módulo fotovoltaico, regulador de carga, batería e inversor, optimizando siempre el coste total de la instalación. En el caso de los módulos fotovoltaicos se analiza el mercado actual y potencial, ya que están apareciendo nuevas tecnologías y disminuyendo los precios considerablemente. Se debe conseguir una instalación lo más económica posible y con una vida útil aceptable. Se genera una lista de paneles fotovoltaicos de los principales fabricantes, para después hacer una selección de las opciones más económicas que son las interesantes para este proyecto. Se dimensionan los módulos fotovoltaicos para distintas localizaciones a partir de los datos de consumo diario y radiación solar en dicha zona. El siguiente componente de la instalación a dimensionar es la batería, cuya capacidad debe poder abastecer el consumo energético durante la noche y en situaciones en que se necesite una mayor energía de la que estén generando los paneles. Se tendrá en cuenta la posibilidad de que exista nubosidad varios días seguidos. El inversor debe ser de potencia nominal similar a la máxima que se necesite suministrar y con la mayor eficiencia posible. Considerando lo anteriormente mencionado se lleva a cabo el dimensionamiento de las instalaciones para distintas latitudes. 5 2. ÍNDICE DE DESARROLLO HUMANO (IDH) El IDH es una medición por países elaborada por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD). Se basa en un indicador social estadístico compuesto por tres parámetros: vida larga y saludable, educación y nivel de vida digno. Cuando el IDH indica un país con necesidades básicas no cubiertas, este será un mercado potencial para la instalación fotovoltaica aislada. El PNUD divide los países en tres grandes grupos: • País con desarrollo humano alto: IDH 0'8≥ • País con desarrollo humano medio: 0'5 ≤ IDH 0'8 < • País con desarrollo humano bajo: IDH 0'5 < Utilizando datos de IDH de los años 2000 y 2007 se ha hallado la tendencia de desarrollo de los distintos países, siendo en algunos casos negativa. Esto no es lo normal y puede deberse a cambios políticos en el país. En los países para los cuales no existen datos del 2000 se han utilizado datos del año 2005, de Liberia y Afganistán no hay datos anteriores al 2007. Mediante la tendencia de desarrollo se puede aproximar en qué año el país será considerado un país desarrollado. En el Anexo I (página 45) se puede observar la lista de países ordenada según en qué año cada país llegará a ser considerado desarrollado. 6 3. ÍNDICE DE ACCESO A LA ELECTRICIDAD Teniendo en cuenta el índice de acceso a la energía eléctrica (AEE) y la población de cada país, se pueden ordenar los países por el número de habitantes sin acceso a energía eléctrica, obteniendo la distribución de la figura 1. 34% 7% 7% 5% 5% 5% 4% 3% 2% 2% 26% India Indonesia Bangladesh Pakistán Nigeria Etiopía República Democrática del Congo Myanmar Tanzania Kenia Otros Figura 1. Distribución por países de la población sin acceso a la energía eléctrica. Población sin AEE [Millones] Población mundial sin AEE [%] India 519 33,5 Indonesia 110 7,1 Bangladesh 106 6,8 Pakistán 81 5,2 Nigeria 80 5,2 Etiopía 72 4,7 República Democrática del Congo 65 4,2 Myanmar 43 2,8 Tanzania 36 2,4 Kenia 34 2,2 Otros 403 26,0 Tabla 1. Distribución por países de la población sin acceso a la energía eléctrica. Como se puede observar, con más detalle en la tabla 1, el mayor porcentaje de habitantes sin acceso a energía eléctrica se encuentra en India, esto la convierte en el principal mercado potencial para este proyecto. Países como Rusia, Líbano, Turquía y Ucrania se han de tener en cuenta debido a su elevada población. No se han encontrado datos de estos países, pero se puede afirmar que todos ellos poseen un acceso a la energía eléctrica elevado. En el Anexo II (página 47) se encuentra la clasificación completa de países. 7 4. PRODUCTO INTERIOR BRUTO (PIB) PER CÁPITA El PIB es el valor monetario total de la producción corriente de bienes y servicios de un país durante un periodo (normalmente un trimestre o un año). Es una magnitud de flujo, pues contabiliza sólo los bienes y servicios producidos durante la etapa de estudio. Se ha tomado el PIB per cápita de aquellos países de los que se tienen datos de acceso a la energía eléctrica. De esta forma, se conocen los países que necesitarían la instalación y que, además, podrían permitírsela. En el anexo III (página 49) se puede observar una lista de países ordenados según la cantidad de población sin acceso a la energía eléctrica, de mayor a menor. Además, en esta lista se encuentra el PIB per cápita de cada uno de los países. 5. IRRADIACIÓN SOLAR Se ha realizado el análisis de irradiación solar para aquellos países con más de cinco millones de habitantes sin acceso a la energía eléctrica. Al ser una instalación fotovoltaica aislada es muy importante que la irradiación sea relativamente constante a lo largo del año, cuanto menos constante sea, mayor será la sobredimensión a aplicar. Una vez que se tiene la energía media mensual aproximada que se producirá en una determinada localización, se calcula la sobredimensión necesaria para que la energía producida durante el mes peor sea suficiente. En la tabla 2 se puede observar la lista de países, ordenados de mayor a menor población sin acceso a energía eléctrica, con las respectivas sobredimensiones que habría que aplicar a las instalaciones. La mayor sobredimensión calculada (obsérvese en la tabla 2) es de 1,52 en el sur de Brasil. Esta es una sobredimensión bastante elevada, pero todavía factible sin costes desorbitados, por lo que se deduce que prácticamente en cualquiera de los países que tienen el menor acceso a la energía eléctrica es aplicable la instalación en estudio. En el Anexo IV (página 50) se detalla el método de cálculo que se ha utilizado para hallar la sobredimensión adecuada de la instalación según su localización. 8 HelioSphera Es una empresa Griega que trabaja con módulos de Silicio microamorfo. A pesar de tener sólo una capacidad anual de 60MW, vende los módulos fotovoltaicos más baratos del mercado, por debajo incluso que los de tecnología tradicional fabricados en China. Kaneka Es una empresa Japonesa, que también fabrica en Estados Unidos. En Kaneka producen paneles de Silicio microamorfo, utilizando soldadura sin plomo para disminuir la contaminación. Estos paneles son muy interesantes económicamente. También fabrican módulos de Silicio amorfo con precios interesantes, aunque eficiencias bajas. Moser Baer El principal interés de este fabricante se debe a su localización, fabrican en India que es el mayor mercado para la instalación de sistemas fotovoltaicos aislados. Fabrican módulos fotovoltaicos de Silicio multicristalino potencialmente baratos. Nanosolar Es una empresa alemana, que también fabrica en Estados Unidos. En Nanosolar han invertido mucho tiempo y dinero para desarrollar módulos de CIS (Cobre – Indio – Selenio). La idea consiste en depositar una fina película de un semiconductor (de pocas micras) usando un proceso de impresión (100 veces más rápido que la deposición por ultravacío convencional) creando así un célula solar eficiente y duradera. Esta innovación la han logrado adaptando avances recientes en la nanociencia y creando novedosas formas de nanopartículas que añaden a la tinta de impresión. El resultado es que ahora pueden aplicar el equipamiento de una industria de impresión para producir láminas de energía solar a velocidades elevadas, llevando la economía de la impresión al mundo de la fabricación de semiconductores. Las células solares son ligeras, flexibles, interconectadas, ajustadas al tamaño de forma sencilla y capaces de soportar hasta 25A de corriente por célula (25 veces más de lo que soportan las otras tecnologías de capa delgada comerciales). Aunque las células pueden ser de cualquier tamaño, su medida estándar es de 165mm de largo y 135mm de ancho. 15 Nanosolar comenzó a vender paneles fotovoltaicos a mediados de diciembre de 2007, posee una capacidad de producción anual de paneles solares de 430MW y su plan es llegar a venderlos entorno a 1€/Wp . Cuando comiencen la producción masiva serán económicamente muy interesantes. Suntech Power La compañía Suntech Power es una empresa China que fabrica módulos fotovoltaicos de tecnología convencional de alta calidad, lo que la hace atractiva para la instalación de sistemas fotovoltaicos en Asia. Trina Solar Energy Esta empresa fabrica módulos fotovoltaicos de Silicio mono y multicristalino, económicos, eficientes y fabricados en China. United Solar Ovonic United Solar trabaja con Silicio amorfo, haciendo paneles flexibles. Es una empresa de Estados Unidos que sólo fabrica allí. Sus módulos son potencialmente económicos. Yingli Yingli fabrica, en China, módulos fotovoltaicos de Silicio multicristalino bastante económicos. Debido a su lugar de fabricación, precio y eficiencia es una buena opción para el proyecto. 7.1.1 Fabricantes Descartados First Solar Fisrt Solar es actualmente el líder en fabricación de módulos fotovoltaicos, con alrededor de 1GW de instalaciones en funcionamiento en todo el mundo y una producción de más de 1GW de módulos al año. First Solar ha conseguido disminuir significativamente los costes de los módulos fotovoltaicos. Fabrican paneles de capa delgada de CdTe, compuestos por cristal, Cadmio y Telurio, que son los más baratos del mercado. Al utilizar Teluro de Cadmio como material semiconductor, Fisrt Solar hace asequible la conversión de energía solar en la electricidad que utilizamos a diario. 16 El Cadmio es un metal pesado, lo que hace que surja un gran debate respecto a su utilización y First Solar esté sometida a una gran presión. Las principales argumentaciones de First Solar son que el CdTe no es tan venenoso como el Cd, que el material está bien encapsulado y que ellos se encargan del reciclaje personalmente. Por otro lado, el principal argumento contra ellos es que en caso de incendio el Cadmio se liberaría en el aire produciendo graves enfermedades a todo el que lo inspirara. La compañía ha creado un ciclo sostenible, debido a este gran debate que ejerce presión continua sobre ella: Materia prima Æ Fabricación Æ Utilización Æ Recolección Æ Reciclaje de los módulos A pesar de ser económicos, se han descartado estos paneles por el Cadmio. La instalación se encontraría en alguna zona apartada y estos módulos deben ser recogidos y reciclados. Kyocera y Solarworld Fabrican módulos de tecnología tradicional, sin eficiencias especialmente elevadas y sus costes son prohibitivos. Schott Sus costes son relativamente altos para módulos de Silicio amorfo. Sharp La compañía va a entrar en producción masiva de módulos de Silicio microamorfo lo que implicará una notable reducción de costes, pero en la actualidad los paneles son relativamente caros. Sunpower Los paneles solares de Sunpower son de Silicio monocristalino con hasta casi un 20% de eficiencia, la más elevada del mercado actual, lo que significa más energía solar con una menor dimensión de panel. Obtienen las mejores eficiencias, pero sus costes son muy elevados. Después de una visión global, se puede afirmar que en la actualidad los paneles más interesantes económicamente son los de Silicio amorfo y microamorfo. Aunque el CIS tiene un gran potencial. 17 7.1.2 Otras Opciones Konarka Empresa estadounidense actualmente con proyectos en desarrollo, sin comercializar, con gran potencial de reducción de costes. Desarrollan una nueva generación de tecnología solar mediante paneles de plástico ligeros y flexibles. El nuevo módulo fotovoltaico en desarrollo es de 5mm de grosor, fabricado con materiales 100% reciclables y opera entre -20ºC y 65ºC. Las instalaciones con este material serán mucho más versátiles, pues gracias a su flexibilidad se podrá adaptar a todo tipo de superficies. Las siguientes aplicaciones están ahora en estudio: - Cargadores de baterías portátiles, para móviles, ordenadores portátiles, etc. - Microelectrónica: sensores, control remoto, etc. - Dispositivos de higiene personal: cepillo de dientes, maquinilla de afeitar, etc. - Coches eléctricos o convencionales, en el techo o en el capó. - Paneles integrados en ventanas. Baja concentración La captación solar de los paneles fotovoltaicos puede ser incrementada añadiendo espejos a su alrededor, con la inclinación adecuada para enfocar el reflejo de los rayos solares hacia el módulo fotovoltaico. Este sistema intenta minimizar el problema evidente de que el sol está en continuo movimiento. La idea es que el concentrador posea dos caras simétricas, la cara de la mañana y la de la tarde, según se vaya moviendo el sol por el cielo. Los investigadores en este campo aún tienen que encontrar los módulos adecuados con los que utilizar los concentradores. En la figura 3 se puede observar un ejemplo de concentrador. Figura 3. Espejo que funciona como concentrador. 18 7.2. Subsistema de almacenamiento: Baterías En muchas ocasiones, debido a la variabilidad cíclica de la radiación solar la energía instantánea producida por el generador fotovoltaico es distinta de la requerida por las cargas del sistema. Se necesita un dispositivo que acumule energía cuando la generada sea mayor que la consumida, y que devuelva esa energía cuando la demanda supere la producción. El dispositivo que se encarga de lo anteriormente descrito es el acumulador. En los sistemas fotovoltaicos se utilizan acumuladores electroquímicos: baterías recargables. Además, las baterías han de permitir suministrar un valor de potencia superior al que se podría obtener únicamente con los paneles. Este suministro elevado de potencia puede ser necesario durante cortos periodos de tiempo en función del tipo de cargas de la instalación, en el caso concreto de este proyecto es la olla arrocera la que provoca esta situación. Por otro lado, la utilización de baterías permite obtener un nivel de tensión estable, la cual podría variar en función de la irradiación solar que incide sobre los paneles. En la actualidad, las baterías más utilizadas son las de plomo-ácido debido a su bajo coste. Hay dos tipos fundamentales de baterías de plomo-ácido: - Plomo-ácido líquido (abiertas). Se les debe añadir agua destilada periódicamente. - 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. En la figura 4 19 puede verse que una batería descargándose en régimen de 25 I tiene menor vida útil que si se descarga en régimen de 100 I . Figura 4. Número de ciclo respecto del régimen de descarga. Como se mencionó anteriormente, el consumo diario de la instalación a dimensionar es de 1kWh. Se diseña la batería teniendo en cuenta que su profundidad de descarga máxima es del 80%. Se calcula la capacidad de la batería mediante la siguiente fórmula: día máx bat inv En CPD η η ⋅ = ⋅ ⋅ Donde: • día E es el consumo energético de un día (1kWh). • n es el número de días de autonomía sin irradiación solar (se consideran 2 porque no es una instalación de vital importancia). • máx PD es la profundidad de descarga máxima (80% Æ ciclo profundo). • bat η es la eficiencia de la batería en el proceso de descarga (80%). • inv η es la eficiencia del inversor (80%). 123'676 0'8 0'85 0'8 kWh CkWh ⋅ == ⋅⋅ Será necesaria una batería de al menos 3'7kWh para la instalación, aunque este cálculo no es suficiente, ya que hay que asegurarse de poder obtener de la batería el pico de potencia máxima, que es de 535W. La batería seleccionada es de gel, ya que implican un menor mantenimiento, de la marca Victron Energy y del tipo “Deep Cicle”, que significa que es de ciclo profundo. Esta batería posee las características expuestas en la tabla 3. 20 Capacidad (Ah) Régimen de descarga (h) Voltaje nominal (V) Largo (mm) Ancho (mm) Alto (mm) Peso (kg) Precio (€) 120 10 12 410 176 227 38 180 € Tabla 3. Características de la batería BAT412121100 de Victron Energy. La potencia máxima que puede transmitir una de estas baterías es: () () () ( ) 120 12 144 10 máx Ah PVW h =⋅= Æ Para poder abastecer los 535W máximos se necesitan cuatro de éstas baterías: ( ) ( ) 144 4 576 total máx PWW=⋅= La instalación va a tener una tensión nominal de 12V ó 24V. Por tanto, se utilizarán cuatro baterías de la siguiente forma: cuatro en paralelo para las instalaciones de 12V y dos en serie y dos en paralelo para las instalaciones de 24V. Consiguiendo de esta forma una capacidad nominal del conjunto de baterías de: ( ) ( )() min 4 12 120 5760 no al CVAhWh=⋅ ⋅ = . Se puede observar que la capacidad nominal de la batería supera con creces los 3'7kWh calculados inicialmente, pero sin esta sobredimensión no sería posible administrar el pico de potencia de 535W que se necesita al conectar la olla arrocera. Además, la capacidad nominal de 5760Wh implica unos 3 días de autonomía, que es un día más de lo previsto inicialmente. 7.3. Subsistema de regulación: el regulador de carga 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). 21 Cuando la tensión de la batería indica que va a pasar a sobrecarga (tensión de corte por alta), se desconecta la batería del generador. Cuando la tensión de la batería indica que va a pasar a sobredescarga (tensión de corte por baja), se desconecta la batería del consumo. El regulador debe ser configurado específicamente en función del tipo de batería, aplicación y condiciones climáticas. Sus principales características son: - Tensión nominal: igual a la del sistema (generalmente 12, 24 ó 48V). - Intensidad máxima que permite que circule a través de él. Debe ser al menos un 30% mayor que la máxima corriente del generador fotovoltaico, puesto que en ocasiones (días con nubes rodeando el sol) la irrandiancia puede llegar a superar los 1300 2 /Wm. Para las instalaciones fotovoltaicas aisladas de este proyecto es importante configurar el regulador de carga de forma que reserve la energía necesaria para abastecer la nevera durante la noche, ya que ésta no debe quedar sin alimentación. 7.4. Subsistema de adaptación de corriente: Inversor 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 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. 22 - Seguridad: deben llevar protección contra cortocircuitos, sobrecargas e inversión de polaridad. Actualmente el mercado de inversores con una potencia nominal inferior a 1kW es muy reducido. En la base de datos de Photon International hay 26 inversores que además de ser menores de 1kW sirvan para aplicación en fotovoltaica aislada. En el Anexo VIII (página 63) se adjunta una tabla con los 26 inversores y sus principales características. Entre ellos destaca con claridad un inversor de la empresa Dorfmüller debido a su elevada eficiencia y que su potencia nominal se ajusta bastante a la máxima potencia a invertir. Sus datos son los siguientes: • Modelo: DMI 550/50 • MPP range DC (V): 42 – 70 • Pnom DC (kVA): 0,55 • Pnom AC (kVA): 0,5 • Eficiencia Europea: 91,5% % Pnom 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Eficiencia (%) 80,8 84,7 90,5 91,6 92,1 92,6 92,2 91,9 91,7 91,6 91,5 Tabla 4. Eficiencia del inversor según la potencia que se esté invirtiendo. El inversor debe ser capaz de invertir la máxima potencia, que es cuando se utiliza la olla arrocera. El resto del tiempo el inversor actúa aproximadamente al 5% de su potencia nominal, lo que reduce bastante su eficiencia, que será aproximadamente del 80%. Por este motivo, es importante ajustar el inversor a la máxima potencia en esta instalación. Existen lámparas de bajo consumo que funcionan en continua directamente, la utilización de las mismas evitaría el funcionamiento del inversor a bajo régimen. En este proyecto no se ha utilizado esta opción debido al elevado coste de las lámparas de continua. 23 8. DIMENSIONAMIENTO SEGÚN LA LATITUD Los paneles fotovoltaicos se orientan hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. A la hora de dimensionar los paneles fotovoltaicos se debe tener en cuenta la inclinación que se les dará al instalarlos. La inclinación a tener en cuenta es la representada en la figura 5. Figura 5. Inclinación de los paneles. Existen dos opciones, se puede utilizar la inclinación con que se obtiene la mayor producción anual de energía o aquella que optimiza el mes de menor radiación para que produzca la mayor cantidad de energía posible, ya que si la instalación produce suficiente en el peor mes, lo hará también el resto del año. En este proyecto se va a utilizar el planteamiento del mes peor. Se colocará el módulo fotovoltaico con la inclinación adecuada para el mes de menor radiación solar. Esto implica que la energía captada anualmente por el panel disminuye, pero no es importante, ya que de todas formas se obtiene la energía diaria suficiente para el consumo de la vivienda. Para mejorar la captación en invierno, normalmente, se aumenta la inclinación de los paneles, pero más adelante se comprueba como en latitudes cercanas al ecuador, esto no es necesariamente así, en estos casos la inclinación ronda los 0º y depende mucho del lugar el que haya que aumentarla o disminuirla. Los datos de energía que se generan en cada latitud se obtienen de la página Web Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) mediante los mapas interactivos de recursos solares y potencia fotovoltaica. Introduciendo en esta página Web la localización, unas pérdidas aproximadas y la inclinación de los paneles, se obtiene la energía que se puede generar en /kWh kWp . 24 Las cargas del sistema pueden ser: • Cargas eléctricas en corriente alterna (AC). • Cargas eléctricas en corriente continua (DC). • Cargas de Hidrógeno. • Consumo de agua procedente de depósito de abastecimiento, agua que previamente ha sido bombeada por una electrobomba desde un pozo o río hasta el depósito. En este proyecto sólo hay cargas en corriente alterna: electrodomésticos que consumen corriente alterna. El programa también incorpora la posibilidad de vender energía eléctrica AC a la red, opción que no será utilizada en este proyecto. Simulación del sistema: Para cada combinación de componentes y variables de control HOGA simula el sistema durante un año completo, ya que se considera que todos los años de la vida útil del sistema serán iguales. Durante ese año, en intervalos de una hora, se obtienen todas las variables para definir el comportamiento del sistema, partiendo de las características de los elementos que componen el sistema, de las variables de control, de los datos de demanda energética y de los datos climatológicos. La irradiación solar horaria se puede calcular a partir de los datos mensuales mediante distintos métodos, entre ellos está el modelo Graham (1990) que es el utilizado en este proyecto. Este modelo conlleva variabilidad estadística, es decir, tiene en cuenta la nubosidad. En la pantalla inicial de HOGA se seleccionan los componentes que posee la instalación, la energía no servida máxima permitida, el número de paneles y baterías en paralelo permitidos, las tensiones de AC y DC de la instalación, parámetros económicos y el acceso a otras pestañas: el consumo, la irradiación, los paneles fotovoltaicos, las baterías, el inversor y otros dispositivos auxiliares, como el regulador de carga. Esto se puede observar en la figura 7, en la página siguiente. 31 Figura 7. Pantalla principal de HOGA. Obsérvese redondeado en rojo, arriba a la izquierda como se ha introducido el número de baterías y paneles fotovoltaicos en paralelo. En el caso de las baterías se ha fijado el mínimo y el máximo a cuatro, porque ya se conoce la capacidad deseada y se ha introducido la batería a utilizar. En el caso de los paneles, se introduce un máximo, simplemente para que la ejecución del programa tarde menos tiempo, al tener menos posibles configuraciones que comprobar, ya que se ha introducido un listado de posibles paneles fotovoltaicos a utilizar. Redondeado en rojo en el centro se ha introducido la máxima energía no servida permitida y a la derecha los componentes de la instalación. Por otra parte, abajo a la izquierda se introducen las tensiones de AC y DC de la instalación. A continuación se detallan los datos que se deben introducir al pinchar en cada pestaña: 32 9.1.1 Consumo Figura 8. Pestaña de consumo. Como se puede observar en la figura 8 las posibles cargas a introducir son de corriente alterna, de corriente continua, consumo de 2 H y consumo de agua de depósito. En este proyecto sólo habrá cargas de corriente alterna (los electrodomésticos). 9.1.2 Irradiación Como se puede observar en la figura 9 en esta pantalla se introducen los siguientes datos: - Latitud. - Inclinación de los paneles. - Azimut de los paneles. - Reflectividad del suelo. - Irradiación media mensual sobre superficie horizontal (en 2 /kWh m ). - Método de cálculo de la irradiación horaria: se selecciona el modelo Graham que tiene en cuenta la posibilidad de nubes. - La zona horaria. 33 Figura 9. Pestaña de irradiación. 9.1.3 Paneles fotovoltaicos En esta pantalla (figura 10) se introducen todos los posibles paneles fotovoltaicos a utilizar. Se hace la simulación suponiendo un coste de 1€/kWp para todos los paneles, de esta forma el programa seleccionará el panel más adecuado para la instalación sin tener en cuenta los costes, que serán analizados más adelante. Se han introducido paneles para tensión nominal de la instalación de 12 ó 24V, ya que son las utilizadas. Se utiliza una tensión nominal de 12V para instalaciones de hasta 400W y tensión nominal de 24V para instalaciones de más de 400W. Se introduce la corriente de cortocircuito, la potencia nominal, el coste y la vida esperada de cada panel. Se utiliza un factor de seguridad de 1’2, ya que la instalación no tendrá seguidor del punto de máxima potencia. Los seguidores del punto de máxima potencia (MPPT) son convertidores DC/DC que fuerzan al generador a trabajar en el punto de máxima potencia, de forma que el rendimiento energético del sistema aumenta. Por tanto, sin seguidor del punto de máxima potencia, la potencia generada será casi siempre inferior a la máxima que se podría obtener. Por esto, se debe sobredimensionar la instalación mediante el factor de seguridad. 34 Figura 10. Pestaña de paneles fotovoltaicos. 9.1.4 Baterías Figura 11. Pestaña de baterías. 35 HOGA ofrece la opción de introducir varias baterías para luego seleccionar la mejor combinación, igual que se hizo con los paneles fotovoltaicos. Aunque no se utilizará esta opción, se ha realizado el cálculo previamente y se necesitan cuatro baterías como la introducida, cuyas características se pueden observar en la figura 11. 9.1.5 Inversores Figura 12. Pestaña de inversores. En el caso de la pantalla de inversores, como se puede observar en la figura 12, también se introduce un solo inversor seleccionado previamente. 9.1.6 Equipos auxiliares Figura 13. Pestaña de equipos auxiliares. 36 Como se puede ver en la figura 13, en la pestaña de quipos auxiliares se introduce el coste del regulador de carga a utilizar y, si fuera necesario, el coste, el tiempo de vida y la eficiencia del rectificador. En este proyecto no se utiliza rectificador. Una vez explicada la forma de introducir todos los datos necesarios en HOGA se van a mostrar los resultados obtenidos, para compararlos después con los hallados manualmente. 9.2. Dimensionamiento de la instalación Ahora se realizan de nuevo los cálculos de la instalación para Khartoum, Abu Simbel, Addis Abeba, Sevilla y Barcelona, pero mediante HOGA. HOGA genera un informe de cada una de las configuraciones de componentes posibles, en los siguientes apartados se muestra la opción óptima para cada latitud. En el Anexo X (página 65) se adjuntan los informes generados por HOGA para cada ciudad anteriormente mencionada. Se debe tener en cuenta que, al considerar la posibilidad de nubes, el cálculo de la instalación realizado por HOGA siempre será de una potencia nominal mayor que la hallada en el cálculo realizado a mano. Khartoum (Sudán) Potencial total : 380Wp Æ 4 paneles en paralelo de 95Wp de Schott Solar. Baterías: 5'7kWh. Energía no servida: 0/kwh año. Utilización de la olla arrocera por la noche: - Duración de la batería: 4'94años. Utilización de la olla arrocera por el día: - Duración de la batería: 5'86años. Abu Simbel (Egipto) Potencial total : 400Wp Æ 4 paneles de 100Wp de Schott Solar. Baterías: 5'7kWh. Energía no servida: 0'2 /kwh año (unos 4 días). Utilización de la olla arrocera por la noche: - Duración de la batería: 4'9años. Utilización de la olla arrocera por el día: - Duración de la batería: 6'11años. 37 Figura 14. Día ejemplo de energía no suministrada en Abu Simbel. En la gráfica de la figura 14 se puede observar uno de los días en que el sistema no proporciona la suficiente energía. Como la nevera nunca puede quedarse sin energía, se debe programar el regulador de carga de la batería de forma que esta siempre tenga la energía que necesita la nevera durante la noche. Pudiendo utilizar madera para cocinar en días como el representado en la figura 14. Addis Abeba (Etiopía) Potencial total : 440Wp Æ 4 paneles de 110Wp de Suntech, 2 en serie y 2 en paralelo. Baterías: 5'7kWh. Energía no servida: 0/kwh año. Utilización de la olla arrocera por la noche: - Duración de la batería: 4'93años. Utilización de la olla arrocera por el día: - Duración de la batería: 6'79años. 38 Sevilla (España) Potencial total : 570Wp Æ 6 paneles de 95Wp de Schott, 2 en paralelo y 3 en serie. Baterías: 5'7kWh. Energía no servida: 0'6 /kwh año (unos 3 días). Utilización de la olla arrocera por la noche: - Duración de la batería: 4'87años. Utilización de la olla arrocera por el día: - Duración de la batería: 8'29años. Figura 15. Día ejemplo de energía no suministrada en Sevilla. En este caso también hay energía no suministrada a lo largo del año, como se puede observar en la simulación del día 10 de diciembre (ejemplo) en la figura 15. Barcelona (España) Potencial total : 1kWp Æ 10 paneles de 100Wp de Schott, 2 en paralelo y 5 en serie. Baterías: 5'7kWh. Energía no servida: 2'7 /kwh año (unos 18 días). Utilización de la olla arrocera por la noche: - Duración de la batería: 4'86años. Utilización de la olla arrocera por el día: - Duración de la batería: 8'11años. 39 En la figura 16 se ve representado uno de los días en que el suministro de energía no es suficiente para abastecer la demanda. Figura 16. Día ejemplo de energía no suministrada en Barcelona. En la tabla 11 se puede observar la diferencia en el dimensionamiento hallado a mano y con el software HOGA. Ciudad Latitud Wp HOGA (Wp) Khartoum 15 330 380 Abu Simbel 22 356 400 Addis Abeba 9 422 440 Sevilla 37 448 570 Barcelona 41 594 1000 Tabla 11. Comparación resultados a mano y resultados con HOGA. Como se preveía en un principio, las instalaciones calculadas mediante HOGA son de mayor potencia. Aunque no llega a ser una sobredimensión exagerada, simplemente se tiene en cuenta la posibilidad de que haya varios días seguidos nublados. Según los resultados expuestos en la tabla 11, las instalaciones para latitudes entre 9 y 41 grados tendrán unas dimensiones de entre 400Wp y 1kWp. 40